产品模块化是中国成为制造强国的必由之路——解读《机电产品模块化设计方法和案例》

顾新建 杨青海

1.浙江大学浙江省先进制造技术重点实验室，杭州，310027 2.中国标准化研究院，北京，100191

1 产品模块化的需求

产品模块化方法是一种古老而又年轻的方法。

模块化设计历史悠久，古老的建筑、家具乃至活字印刷中都有模块化的身影。

说它年轻，西方学者在2012年初推出的第三次工业革命的概念中才将模块化视为主要代表性技术之一。

事实上，模块化已经为我们带来了许多好处，例如，计算机、手机等产品性价比的快速提升。

但是，还有更多产品的模块化需要我们去开发，更大范围的模块化需要我们去实现。

未来，当我们设计新产品时，通过快速搜索和组合已有的零部件模块CAD模型，就可以快速形成我们所设想的产品；我们可以快速找到制造这些零部件模块的企业，他们专门制造这些模块，所以成本低、质量好、交货期短；模块化使得产品设计和制造变得简单便捷，甚至使普通消费者也可以DIY（自己动手做）产品；产品报废了，许多模块可以重用；大规模生产的标准模块还可以节省大量能源。

1.1 产品模块化支持创新

当前我国提出了创新驱动的发展战略，越来越多的企业将从过去的模仿走向创新、从劳动力密集型向知识和技术密集型发展，产品创新将成为越来越多企业的发展战略。创新正在成为企业的主要财富、利润的主要源泉、最核心的竞争能力。创新能够帮助企业进入无竞争和高利润的“蓝海”，创新能力正在成为企业最重要的能力。模块化技术能够很好支持创新驱动的发展战略，其作用主要是：降低产品开发设计复杂性、缩短产品开发周期、有效支持企业间的协同创新设计、支持客户参与产品开发设计。

（1）降低产品开发设计复杂性。制造业的复杂性主要源于产品的复杂性，模块化技术通过降低产品的复杂性，进而提高产品开发设计效率。复杂产品如果不进行模块化，而是作为一个内部高度关联的整体进行设计，那么开发设计的复杂性会急剧增加，多人协同开发设计的难度也将大大增加，从而严重阻扰了产品开发设计。例如，最早的计算机是“相互依赖型设计”，每开发一款新计算机时，指令集、外围设备、应用软件等都要从头做起，耗费大量的人力物力；而现代的计算机是模块化的典范，由不同企业开发的不同模块很容易组合在一起，这不仅促进了模块的发展，加速计算机的进化，同时也促进了模块化企业的发展，提高了人们创新活动的效率，降低了创新的门槛［2］。

（2）缩短产品开发周期。在产品开发设计阶段，设计人员可以大量利用其他产品中的通用模块，通过通用模块与新设计模块的组合，开发出新产品，从而缩短产品的开发时间。在进行按订单的产品设计时，可以利用已有的模块或增加少量的专用模块来组合成满足客户需求的产品。据统计，在设计过程中利用模块化技术能节约50%的时间。

（3）有效支持企业间的协同创新设计。模块化改变了企业间的关系，它可以让模块供应商在开发模块方面有更大的自主权，可以千方百计提高模块的性能和降低模块的成本，赢得某类模块的市场份额，成长为所谓的“小巨人企业”。模块供应商之间的竞争可进一步提高整机的性能，计算机的发展历史很好地诠释了这一点。计算机的几大模块，如主板、中央处理器、内存、硬盘、显示器、鼠标、键盘等，分别由不同企业开发和制造，并在同类模块企业间形成竞争，促进模块性能提高、成本降低，从而使计算机技术的发展突飞猛进。

（4）支持客户参与产品开发设计。模块化技术可以使客户也参与产品开发设计，支持客户配置设计出自己想要的产品。图1描述了产品开发设计阶段不同环节中不同层次的产品模块化技术的作用。

图1 不同层次的模块化技术在产品开发设计中的作用

1.2 产品模块化支持大批量定制

当前，制造业竞争的全球化和客户需求的多样化对产品的要求是：更多的产品变化、更短的产品生命周期、更低的产品成本和更高的产品质量。在这种背景下，大批量定制得到了迅速的发展。德国工业4.0的目标也是要实现大批量定制。

大批量定制是以大批量的效益进行定制产品的生产，定制产品的成本要像大批量生产的成本那样低，定制产品的交货期要像大批量生产的交货期那样短，定制产品的质量要像大批量生产的质量那样稳定，然而产品却是定制的、独一无二的、单件的。

模块化技术在大批量定制中的作用是：

（1）制造协同化。模块化的产品结构是组织专业化生产和社会化协作的基础。产品中的许多模块可以交由专业厂生产，在专业厂中，模块成为系列化的商品，实现了批量生产，大大降低了成本，许多整机厂增加了外购和外协模块的数量，减少了自行设计和制造的工作量，从而缩短了产品制造周期、降低了产品的成本。如波音公司的主要工作是整机的组装和新品种的开发，而将非核心的作业扩散给1600家零部件企业，大大缩短了产品的交货周期和新产品的开发周期。

（2）制造精益化。日本丰田公司采用的精益生产使得日本制造业迅速发展。精益生产具有单件生产的灵活性和大批量生产的效益，除了在以人为中心的管理方面颇具特色外，产品模块化是其重要特色。

（3）制造成组化。在模块化技术基础上容易采用成组技术，形成较大成组批量，提高制造和管理的效率。例如，单元制造系统、独立制造岛等制造模式都是建立在产品模块化基础上的。成组技术可以使相似模块集中在一起加工，既满足人的高层次需求，提高了人的积极性，又简化了管理。企业可以利用各种模块化的零部件，根据客户的不同需求组合成不同的产品。对于客户来说，得到的是符合特定需求的“新产品”，而对于制造厂来说，则是利用成熟技术和模块制造的“成熟产品”，只是组合方式和构成要素不同而已。

（4）制造信息化。模块化技术使制造信息系统得以简化，而信息技术使模块化技术的作用得到充分发挥。例如，计算机辅助工艺设计系统可以采用变型设计方法，充分利用以往的工艺设计模板和知识。

1.3 产品模块化支持绿色制造

一般来讲，产品模块化是一种很好的通用的产品绿色设计和制造技术。

产品模块化支持绿色制造主要体现在：

（1）满足绿色产品的快速开发要求。按模块化设计开发的产品结构是由便于装配、易于拆卸和维护、有利于回收及重用等模块单元组成的，从而明显简化了产品结构，并能快速组合成客户和市场需求的产品。

（2）便于拆卸回收和维护更换。模块化设计可将产品中对环境或对人体有害的部分、使用寿命相近的部分等集成在同一模块，便于拆卸回收和维护更换等。同时，由于产品由相对独立的模块组成，因此便于维修，必要时可更换模块，而不影响生产。模块化产品互换性强，便于拆装、维修和搬运。通用模块易于从整机中拆卸和组装，维修可以模块为单位进行，从而大大改善了维修条件，简化了维修工作，加快了维修速度，提高了维修质量。模块化后零部件数量显著减少，因而可显著减少维修配件库存，降低大量资源消耗和能耗。

（3）减少零部件数量，简化产品结构。按照传统的观点，整机由部件组成，部件由组件构成，组件由零件构成，因而要生产一种产品，就得制造大量的专用零件；而按模块化的观点，产品由模块构成，模块是构成产品的单元，从而减少了零部件数量，简化了产品结构。模块化产品中的模块可以形成较大批量，有确定的工艺流程和工艺装备，生产效率高，制造周期短。零部件数量过多会导致或加剧企业的很多问题，如管理混乱、成本过高等。产品模块化设计可以大幅度减少零部件以及工艺过程、工艺装备的种类，充分考虑零部件以及工艺过程、工艺装备的可重用性。减少零部件数量能够明显减少资源和能源的消耗。

（4）提高产品可重用性和可重构性。模块化设计可以根据环境设计的不同目标要求来进行。如在模块化设计时，若以可重用性为主，则需要考虑期望的零部件寿命及其可重用性能两个主要因素。考虑零部件寿命时，可将长寿命的零部件集成在相同模块中，以便产品维护和回收后的重用；当考虑可重用性时，应将具有相同重用性零部件（回收价值与回收成本之比）集成在同一模块中。

模块化产品能够很好满足建立“环境友好型、资源节约型社会”的要求。模块化使得产品具有可重构性，当产品不再使用时，其中的许多模块还可以组成新的产品继续使用。这意味着减少了新产品中新模块的使用量，减少零部件的制造量，降低了制造过程中的能耗和物耗，减少了污染。

2 产品模块化设计过程模型

产品模块化设计过程用“Y”模型表示，见图2。可根据具体需要选择其中全部或部分功能块开展产品模块化设计。该过程一般需要经过多次循环反复，每个过程功能块完成后，应组织评审，根据评审结果前进或返回相应的步骤（即过程功能块），确保尽早发现和纠正错误，降低产品模块化的成本和风险。

产品模块化设计过程模型的特点是：

（1）建立了机电产品模块化方法体系结构，充分考虑了新产品和已有产品两种不同对象的模块化方法，提出了产品模块化过程和方法。

（2）将产品模块化的工作分为“模块化产品平台构建”和“订单产品模块化设计”两大部分。模块化产品平台构建过程又进一步分为“产品模块化”和“产品模块化建模”两部分。

（3）将产品模块化融合在产品开发的整个过程中。

在该模型的基础上制定了国家标准GB/T 31982—2015《机械产品模块化设计规范》。《机电产品模块化设计方法和案例》这本书实际上可以看做是对该标准的详细解读。

3 不同层次的产品模块化方法

机电产品具有层次性，可分为成套装置、整机、部件、零件等层次，不同层次的产品有许多相同的模块化需求，但也有一些特殊的需求。

（1）成套装置层的产品模块化的需求很多，以下是其中的部分需求：①整体解决方案的需要；②可重构成套装置的需要；③大型、高精度的复杂装置分模块制造和运输的需求；④整机模块的并联应用，以满足不同使用环境的需求。典型案例有：模块化锅炉、模块化中央空调、可重组制造系统、分离模块航天器等。

（2）整机层的产品模块化的主要需求是：①整机个性化和多样化的需要；②整机可重构的需要；③支持协同制造，降低整机的制造成本；④缩短交货期；⑤支持整机的快速拆卸回收；⑥支持整机的快速设计和协同设计。典型案例有：模块化汽车、模块化舰船、模块化工业汽轮机、模块化高铁、模块化机床、模块化机器人等。

（3）部件层的产品模块化的主要需求是：①部件个性化和多样化的需要；②部件可重构的需要；③降低部件的制造成本；④支持开展模块化供货，实现精益生产；⑤支持部件的快速拆卸回收。典型案例有：模块化液压部件、模块化减速器等。

（4）零件层的产品模块化的主要需求是：①零件标准化的需要；②零件重用的需要。典型案例有：工业汽轮机的转子和汽缸、零件的局部结构等。

图2 产品模块化设计过程模型（“Y”模型）

4 不同机电行业的产品模块化案例

行业不同，传统的生产模式也不相同，但现在都在从不同的生产模式向大批量定制生产模式转变。有的是从过去的大批量生产模式转向大批量定制生产模式，如汽车工业和家电工业；有的是从过去的定制生产模式转向大批量定制生产模式，如船舶工业和工业汽轮机行业；有的是从过去的多品种中小批量的生产模式转向大批量定制生产模式，如机床工业和航空工业。不同机电行业的大批量定制的深度是不同的，但它们的发展方向是相似的。

各行各业细分的大批量定制技术有许多共性的东西，主要有：相似性的利用、模块化、定制点后移、信息技术的支持等［3］。

（1）相似性的利用。将定制产品和服务中的相似内容尽可能提取出来，采用统一的方法解决，从而减少定制量。

（2）模块化。将定制产品和服务内容分解为不同的标准模块，通过模块的组合满足客户的个性化要求。

（3）定制点后移。将产品和服务中可以由大批量生产方式解决的内容预先完成，定制内容则留着等客户提出要求后再解决。尽可能减少定制内容，并将定制工作放在最后的环节，这样有助于实现大批量定制。

（4）信息技术的支持。信息技术具有很大的柔性，较其他技术更适合开展大批量定制，因此，在面向大批量定制的产品和服务中将更多地用信息技术代替其他技术。

同时大批量定制技术具有很强的专业性，主要表现在以下方面：

（1）不同产品和服务相似性的提取和统一处理、模块化的实现等需要很强的专业背景知识的指导，需要对所处理的产品和服务有非常透彻和全面的了解。

（2）由于产品和服务内容、制造技术、客户需求的不同，其大批量定制的实施方案也会出现一些不同。

5 面向生命周期的机电产品模块化及其评价

图3描述了产品生命周期设计与模块化设计的关系，模块化设计包括在产品生命周期设计中，产品生命周期设计不仅需要考虑模块化问题，还需要考虑更多的环境友好问题。

图3 产品生命周期设计与模块化设计的关系

企业从整体上考虑如何适应客户需求的多样化，需要从产品和过程两个方面对产品及制造过程进行优化，即产品维（空间维）和过程维（时间维）的优化。产品过程维优化就是产品生命周期优化。

产品维优化的主要内容有：①正确区分客户的共性和个性需求；②正确区分产品结构中的共性和个性部分；③将产品维的共性部分归并处理；④减少产品中的个性化部分；⑤扩展产品优化范围，尽可能覆盖较多的产品；⑥加深产品优化深度，提高产品模块化水平。

过程维优化的主要内容有：①正确区分生产过程中的大批量生产过程环节和个性化生产过程环节；②减少个性化过程环节，增加大批量生产过程环节；③将客户订单分离点后移。

图4是一种个性化量最小的二维优化模型，描述了产品模块化中的产品维和过程维优化的基本原理。该优化模型中没有考虑客户订单分离点后移的问题，也没有考虑扩展产品优化范围和加深产品优化深度的问题。

图4 面向产品模块化生产的个性化量最小的二维优化模型

产品模块化评价指标可分为产品模块化效益评价指标和产品模块化程度评价指标。产品模块化是效益驱动的，因此需要开展产品模块化效益评价。模块化既是手段，又是目标。

产品模块化的最终目标是：提高企业反应速度（T），提高产品质量（Q），降低产品成本（C），满足客户多样化和个性化的需求（U）及提高产品和过程的环境友好性（E）。

不同产品、不同阶段有不同的模块化内容，与其对应有不同的优化目标。

图5所示为产品模块化效益评价指标总体结构，主要以机械产品为对象进行研究。不同企业对图中的指标可以有不同的选择。

产品模块化程度评价是对模块化产品自身的评价，可以帮助企业有的放矢地开展产品模块化。图6所示为产品模块化程度评价指标总体结构。

6 产品模块化发展的方向

6.1 大范围跨企业的产品模块化

互联网和无线网的发展使得产品模块化的范围迅速扩张，如零件库的快速发展，这使得产品模块化范围从企业内向跨企业方向发展。

产品模块化所考虑的产品种类越多，所得到的标准件和通用件的数量就越多，标准件和通用件的批量就越大，成本就越低，所消耗的资源和能源就越少。

大范围跨企业的产品模块化的特定需求主要有：

（1）自发性。要有“多赢”的机制，使企业乐意发布自己的产品模块资源，并乐于不断更新自己所提供的产品模块资源。通过产品模块资源整合模式，贡献产品模块资源的企业能够从中获利。

（2）自组织性。要有技术的支持，能让产品模块资源在使用中不断有序化，而不是成为无序资源的堆砌。

（3）自助性。要有信息技术的支持，能让企业或个人方便地将产品模块资源整合在一起，能让用户自助服务，这样可以显著降低产品模块资源发布和利用的成本，提高响应速度，满足多用户同时个性化服务的需求。

（4）正反馈性。模块资源多了、价值大了，使用者就越来越乐于使用产品模块资源，人数也越来越多；使用的人多了，产品模块资源更值钱了，产品模块资源发布者就越来越乐于发布产品模块资源，发布者的人数也就越来越多。两者互动，形成良性正反馈发展态势。

图5 产品模块化效益评价指标总体结构

图6 产品模块化程度评价指标总体结构

（5）集成性。产品模块资源整合中最大的问题是发布者和使用者习惯用自己的描述体系（如名称、定义、结构等），结果使产品模块资源的搜索难度加大，重用性降低。本体技术可以帮助解决这方面的问题，但本体的应用也需要一种自组织、自优化、正反馈的发展模式。

（6）广域性。整合的模块资源范围越广、内容越多，模块资源的利用效率也就越高。

6.2 从原理到结构的产品模块化

产品模块化最初只是从产品结构优化入手，追求降低成本，促进产品大批量定制。随着产品模块化向纵深方向发展，将产品功能原理、技术方案和结构优化的全面模块化结合起来，可以全面支持产品创新、产品大批量定制和环境化设计。设计人员在产品概念设计阶段，就可以充分利用已有的产品功能原理、技术方案和结构等方面的模块化信息及知识，提高产品创新、产品大批量定制和环境化设计能力。

6.3 面向产品生命周期的模块化

伴随着人们消费理念的变化和法规制度的完善，产品模块化还将深入应用到产品生命周期的各个阶段，特别是产品服役阶段，提高产品的可服务性、可维修性、可回收性等，促进模块的深度重用和全面的重用，为节能降耗做出重大贡献。

产品模块化的发展趋势将导致产品模块化过程和方法发生如下变化：①零件库将得到极大的发展；②模块化产品平台应用范围将从企业向行业乃至跨行业方向发展。

6.4 并行的产品模块化

传统的产品模块化是串行进行的，产品开发结束后再进行产品模块化。未来越来越多的产品模块化工作将与产品开发工作并行进行，这将带来如下好处：

（1）支持复杂产品的协同开发。不同企业共同参与复杂产品的开发，如果能够尽可能早地将产品模块化，定义好接口，各协作企业分头开发各自负责的模块，无疑会提高产品的开发效率。

（2）充分利用现有的通用模块。在产品开发阶段尽可能早地利用现有的通用模块可以提高新产品的模块化率，降低成本，缩短交货期，提高产品开发质量。

（3）使产品模块化的潜力得到充分发挥。在产品开发阶段就考虑模块化问题，可以充分挖掘产品模块化的潜力，同步考虑产品模块化与产品性能优化。

7 结语

《机电产品模块化设计方法和案例》一书对机电产品模块化设计需求、现状、方法、案例和发展方向等作了全面的分析和介绍；建立了机电产品模块化方法体系结构，对产品模块化的概念、过程和方法进行统一的描述和详尽的介绍，对不同层次的、产品生命周期不同阶段、不同行业的机电产品模块化方法和案例作了全面介绍和分析，提出了模块化产品生命周期评价指标和产品模块化程度评价指标；介绍了课题组所开展的轮式装载机模块化的实践，总结了工业汽轮机模块化实践经验；分析了机电产品的产品模块化方法的发展趋势。使读者能够对机电产品模块化设计概念、方法和过程有比较清楚和系统的把握，对机电产品模块化设计案例有全面的了解，掌握机电产品模块化设计平台的建立方法和理论，掌握基于设计平台的产品配置设计和变型设计方法，以满足机电企业开展模块化设计的需求，推动机电产品模块化的深入开展。

最后借此机会要特别缅怀在产品模块化理论和实践方面做出杰出贡献的祁国宁教授。

中国超硬材料产业发展论坛于3月22-24日在郑州市国际会展中心举办。此次论坛主要涉及金刚石单晶、微粉、专用钢丝线处理、金刚石线切工具、光伏加工工艺及相关制造设备、检测仪器等方面的技术交流，并同期在第20届（2018）中国中部（郑州）国际装备制造业博览会上开辟了召开金刚石线切工具产业链专题展览。

出席本次论坛的有中国机械工程学会理事长李培根院士、副理事长谭建荣院士，河南省科协党组书记曹奎、学会部部长邓洪军、河南省工程学会副理事长兼秘书长高文生等约460余人参加了此次活动。

河南省科协党组书记曹奎先生为大会开幕致辞。本次论坛的举办，是为了更好地支持新兴产业的发展，更好地服务于我国IT-光伏产业的发展。论坛以习总书记“推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变”为主题。

中国机械工程学会理事长李培根院士为本次论坛做了《浅谈智能制造之要》的主旨报告。报告结合实施《中国制造2025规划》和我国传统制造业等方面做了深入浅出对比分析和说明。

中国机械工程学会副理事长谭建荣院士为本次论坛做了《智能制造——关键技术及实施途径》的主旨报告。报告对如何实现信息化与工业化有效深度融合等方面的关键技术及实施路径进行了论述对传统机械工厂实施制造转型具有很好的参考借鉴意义。

出席本次论坛的演讲嘉宾还有中原工学院王秦生教授、中国钢研科技集团有限公司刘一波教授级高工等各位专家，分别从金刚石单晶的合成、微粉制备、专用钢丝线处理和切割光伏硅片技术应用等核心要务方面都做了精彩的报告。

做为本次论坛和技术交流活动的重要内容，论坛发布了由省科协批准的“河南省超硬材料学科与产业发展报告”。该报告对影响学科和产业发展的若干问题提出了中肯的政策建议。

（本刊编辑部）

参考文献：

［1］ 顾新建，杨青海，纪杨建，等.机电产品模块化方法和案例［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［2］ 顾新建，杨青海.国家标准GB/T—31982—2015 机械产品模块化设计规范［S］.北京：中国标准出版社，2015.

［3］ 李春田.模块化研究——现代标准化前沿［M］.北京：中国标准出版社，2008.

（编辑 袁兴玲）

作者简介：顾新建，男，1956年生，教授、博士研究生导师。研究方向为知识管理、创新设计、网络化制造、大批量定制等。E-mail：xjgu@zju.edu.cn。