產品模塊化是中國成為制造強國的必由之路
——解讀《機電產品模塊化設計方法和案例》

顧新建 楊青海

1.浙江大學浙江省先進制造技術重點實驗室，杭州，310027 2.中國標準化研究院，北京，100191

1 產品模塊化的需求

產品模塊化方法是一種古老而又年輕的方法。

模塊化設計歷史悠久，古老的建筑、家具乃至活字印刷中都有模塊化的身影。

說它年輕，西方學者在2012年初推出的第三次工業革命的概念中才將模塊化視為主要代表性技術之一。

事實上，模塊化已經為我們帶來了許多好處，例如，計算機、手機等產品性價比的快速提升。

但是，還有更多產品的模塊化需要我們去開發，更大范圍的模塊化需要我們去實現。

未來，當我們設計新產品時，通過快速搜索和組合已有的零部件模塊CAD模型，就可以快速形成我們所設想的產品；我們可以快速找到制造這些零部件模塊的企業，他們專門制造這些模塊，所以成本低、質量好、交貨期短；模塊化使得產品設計和制造變得簡單便捷，甚至使普通消費者也可以DIY（自己動手做）產品；產品報廢了，許多模塊可以重用；大規模生產的標準模塊還可以節省大量能源。

1.1 產品模塊化支持創新

當前我國提出了創新驅動的發展戰略，越來越多的企業將從過去的模仿走向創新、從勞動力密集型向知識和技術密集型發展，產品創新將成為越來越多企業的發展戰略。創新正在成為企業的主要財富、利潤的主要源泉、最核心的競爭能力。創新能夠幫助企業進入無競爭和高利潤的“藍海”，創新能力正在成為企業最重要的能力。模塊化技術能夠很好支持創新驅動的發展戰略，其作用主要是：降低產品開發設計復雜性、縮短產品開發周期、有效支持企業間的協同創新設計、支持客戶參與產品開發設計。

（1）降低產品開發設計復雜性。制造業的復雜性主要源于產品的復雜性，模塊化技術通過降低產品的復雜性，進而提高產品開發設計效率。復雜產品如果不進行模塊化，而是作為一個內部高度關聯的整體進行設計，那么開發設計的復雜性會急劇增加，多人協同開發設計的難度也將大大增加，從而嚴重阻擾了產品開發設計。例如，最早的計算機是“相互依賴型設計”，每開發一款新計算機時，指令集、外圍設備、應用軟件等都要從頭做起，耗費大量的人力物力；而現代的計算機是模塊化的典范，由不同企業開發的不同模塊很容易組合在一起，這不僅促進了模塊的發展，加速計算機的進化，同時也促進了模塊化企業的發展，提高了人們創新活動的效率，降低了創新的門檻［2］。

（2）縮短產品開發周期。在產品開發設計階段，設計人員可以大量利用其他產品中的通用模塊，通過通用模塊與新設計模塊的組合，開發出新產品，從而縮短產品的開發時間。在進行按訂單的產品設計時，可以利用已有的模塊或增加少量的專用模塊來組合成滿足客戶需求的產品。據統計，在設計過程中利用模塊化技術能節約50%的時間。

（3）有效支持企業間的協同創新設計。模塊化改變了企業間的關系，它可以讓模塊供應商在開發模塊方面有更大的自主權，可以千方百計提高模塊的性能和降低模塊的成本，贏得某類模塊的市場份額，成長為所謂的“小巨人企業”。模塊供應商之間的競爭可進一步提高整機的性能，計算機的發展歷史很好地詮釋了這一點。計算機的幾大模塊，如主板、中央處理器、內存、硬盤、顯示器、鼠標、鍵盤等，分別由不同企業開發和制造，并在同類模塊企業間形成競爭，促進模塊性能提高、成本降低，從而使計算機技術的發展突飛猛進。

（4）支持客戶參與產品開發設計。模塊化技術可以使客戶也參與產品開發設計，支持客戶配置設計出自己想要的產品。圖1描述了產品開發設計階段不同環節中不同層次的產品模塊化技術的作用。

圖1 不同層次的模塊化技術在產品開發設計中的作用

1.2 產品模塊化支持大批量定制

當前，制造業競爭的全球化和客戶需求的多樣化對產品的要求是：更多的產品變化、更短的產品生命周期、更低的產品成本和更高的產品質量。在這種背景下，大批量定制得到了迅速的發展。德國工業4.0的目標也是要實現大批量定制。

大批量定制是以大批量的效益進行定制產品的生產，定制產品的成本要像大批量生產的成本那樣低，定制產品的交貨期要像大批量生產的交貨期那樣短，定制產品的質量要像大批量生產的質量那樣穩定，然而產品卻是定制的、獨一無二的、單件的。

模塊化技術在大批量定制中的作用是：

（1）制造協同化。模塊化的產品結構是組織專業化生產和社會化協作的基礎。產品中的許多模塊可以交由專業廠生產，在專業廠中，模塊成為系列化的商品，實現了批量生產，大大降低了成本，許多整機廠增加了外購和外協模塊的數量，減少了自行設計和制造的工作量，從而縮短了產品制造周期、降低了產品的成本。如波音公司的主要工作是整機的組裝和新品種的開發，而將非核心的作業擴散給1600家零部件企業，大大縮短了產品的交貨周期和新產品的開發周期。

（2）制造精益化。日本豐田公司采用的精益生產使得日本制造業迅速發展。精益生產具有單件生產的靈活性和大批量生產的效益，除了在以人為中心的管理方面頗具特色外，產品模塊化是其重要特色。

（3）制造成組化。在模塊化技術基礎上容易采用成組技術，形成較大成組批量，提高制造和管理的效率。例如，單元制造系統、獨立制造島等制造模式都是建立在產品模塊化基礎上的。成組技術可以使相似模塊集中在一起加工，既滿足人的高層次需求，提高了人的積極性，又簡化了管理。企業可以利用各種模塊化的零部件，根據客戶的不同需求組合成不同的產品。對于客戶來說，得到的是符合特定需求的“新產品”，而對于制造廠來說，則是利用成熟技術和模塊制造的“成熟產品”，只是組合方式和構成要素不同而已。

（4）制造信息化。模塊化技術使制造信息系統得以簡化，而信息技術使模塊化技術的作用得到充分發揮。例如，計算機輔助工藝設計系統可以采用變型設計方法，充分利用以往的工藝設計模板和知識。

1.3 產品模塊化支持綠色制造

一般來講，產品模塊化是一種很好的通用的產品綠色設計和制造技術。

產品模塊化支持綠色制造主要體現在：

（1）滿足綠色產品的快速開發要求。按模塊化設計開發的產品結構是由便于裝配、易于拆卸和維護、有利于回收及重用等模塊單元組成的，從而明顯簡化了產品結構，并能快速組合成客戶和市場需求的產品。

（2）便于拆卸回收和維護更換。模塊化設計可將產品中對環境或對人體有害的部分、使用壽命相近的部分等集成在同一模塊，便于拆卸回收和維護更換等。同時，由于產品由相對獨立的模塊組成，因此便于維修，必要時可更換模塊，而不影響生產。模塊化產品互換性強，便于拆裝、維修和搬運。通用模塊易于從整機中拆卸和組裝，維修可以模塊為單位進行，從而大大改善了維修條件，簡化了維修工作，加快了維修速度，提高了維修質量。模塊化后零部件數量顯著減少，因而可顯著減少維修配件庫存，降低大量資源消耗和能耗。

（3）減少零部件數量，簡化產品結構。按照傳統的觀點，整機由部件組成，部件由組件構成，組件由零件構成，因而要生產一種產品，就得制造大量的專用零件；而按模塊化的觀點，產品由模塊構成，模塊是構成產品的單元，從而減少了零部件數量，簡化了產品結構。模塊化產品中的模塊可以形成較大批量，有確定的工藝流程和工藝裝備，生產效率高，制造周期短。零部件數量過多會導致或加劇企業的很多問題，如管理混亂、成本過高等。產品模塊化設計可以大幅度減少零部件以及工藝過程、工藝裝備的種類，充分考慮零部件以及工藝過程、工藝裝備的可重用性。減少零部件數量能夠明顯減少資源和能源的消耗。

（4）提高產品可重用性和可重構性。模塊化設計可以根據環境設計的不同目標要求來進行。如在模塊化設計時，若以可重用性為主，則需要考慮期望的零部件壽命及其可重用性能兩個主要因素。考慮零部件壽命時，可將長壽命的零部件集成在相同模塊中，以便產品維護和回收后的重用；當考慮可重用性時，應將具有相同重用性零部件（回收價值與回收成本之比）集成在同一模塊中。

模塊化產品能夠很好滿足建立“環境友好型、資源節約型社會”的要求。模塊化使得產品具有可重構性，當產品不再使用時，其中的許多模塊還可以組成新的產品繼續使用。這意味著減少了新產品中新模塊的使用量，減少零部件的制造量，降低了制造過程中的能耗和物耗，減少了污染。

2 產品模塊化設計過程模型

產品模塊化設計過程用“Y”模型表示，見圖2。可根據具體需要選擇其中全部或部分功能塊開展產品模塊化設計。該過程一般需要經過多次循環反復，每個過程功能塊完成后，應組織評審，根據評審結果前進或返回相應的步驟（即過程功能塊），確保盡早發現和糾正錯誤，降低產品模塊化的成本和風險。

產品模塊化設計過程模型的特點是：

（1）建立了機電產品模塊化方法體系結構，充分考慮了新產品和已有產品兩種不同對象的模塊化方法，提出了產品模塊化過程和方法。

（2）將產品模塊化的工作分為“模塊化產品平臺構建”和“訂單產品模塊化設計”兩大部分。模塊化產品平臺構建過程又進一步分為“產品模塊化”和“產品模塊化建模”兩部分。

（3）將產品模塊化融合在產品開發的整個過程中。

在該模型的基礎上制定了國家標準GB/T 31982—2015《機械產品模塊化設計規范》。《機電產品模塊化設計方法和案例》這本書實際上可以看做是對該標準的詳細解讀。

3 不同層次的產品模塊化方法

機電產品具有層次性，可分為成套裝置、整機、部件、零件等層次，不同層次的產品有許多相同的模塊化需求，但也有一些特殊的需求。

（1）成套裝置層的產品模塊化的需求很多，以下是其中的部分需求：①整體解決方案的需要；②可重構成套裝置的需要；③大型、高精度的復雜裝置分模塊制造和運輸的需求；④整機模塊的并聯應用，以滿足不同使用環境的需求。典型案例有：模塊化鍋爐、模塊化中央空調、可重組制造系統、分離模塊航天器等。

（2）整機層的產品模塊化的主要需求是：①整機個性化和多樣化的需要；②整機可重構的需要；③支持協同制造，降低整機的制造成本；④縮短交貨期；⑤支持整機的快速拆卸回收；⑥支持整機的快速設計和協同設計。典型案例有：模塊化汽車、模塊化艦船、模塊化工業汽輪機、模塊化高鐵、模塊化機床、模塊化機器人等。

（3）部件層的產品模塊化的主要需求是：①部件個性化和多樣化的需要；②部件可重構的需要；③降低部件的制造成本；④支持開展模塊化供貨，實現精益生產；⑤支持部件的快速拆卸回收。典型案例有：模塊化液壓部件、模塊化減速器等。

（4）零件層的產品模塊化的主要需求是：①零件標準化的需要；②零件重用的需要。典型案例有：工業汽輪機的轉子和汽缸、零件的局部結構等。

圖2 產品模塊化設計過程模型（“Y”模型）

4 不同機電行業的產品模塊化案例

行業不同，傳統的生產模式也不相同，但現在都在從不同的生產模式向大批量定制生產模式轉變。有的是從過去的大批量生產模式轉向大批量定制生產模式，如汽車工業和家電工業；有的是從過去的定制生產模式轉向大批量定制生產模式，如船舶工業和工業汽輪機行業；有的是從過去的多品種中小批量的生產模式轉向大批量定制生產模式，如機床工業和航空工業。不同機電行業的大批量定制的深度是不同的，但它們的發展方向是相似的。

各行各業細分的大批量定制技術有許多共性的東西，主要有：相似性的利用、模塊化、定制點后移、信息技術的支持等［3］。

（1）相似性的利用。將定制產品和服務中的相似內容盡可能提取出來，采用統一的方法解決，從而減少定制量。

（2）模塊化。將定制產品和服務內容分解為不同的標準模塊，通過模塊的組合滿足客戶的個性化要求。

（3）定制點后移。將產品和服務中可以由大批量生產方式解決的內容預先完成，定制內容則留著等客戶提出要求后再解決。盡可能減少定制內容，并將定制工作放在最后的環節，這樣有助于實現大批量定制。

（4）信息技術的支持。信息技術具有很大的柔性，較其他技術更適合開展大批量定制，因此，在面向大批量定制的產品和服務中將更多地用信息技術代替其他技術。

同時大批量定制技術具有很強的專業性，主要表現在以下方面：

（1）不同產品和服務相似性的提取和統一處理、模塊化的實現等需要很強的專業背景知識的指導，需要對所處理的產品和服務有非常透徹和全面的了解。

（2）由于產品和服務內容、制造技術、客戶需求的不同，其大批量定制的實施方案也會出現一些不同。

5 面向生命周期的機電產品模塊化及其評價

圖3描述了產品生命周期設計與模塊化設計的關系，模塊化設計包括在產品生命周期設計中，產品生命周期設計不僅需要考慮模塊化問題，還需要考慮更多的環境友好問題。

圖3 產品生命周期設計與模塊化設計的關系

企業從整體上考慮如何適應客戶需求的多樣化，需要從產品和過程兩個方面對產品及制造過程進行優化，即產品維（空間維）和過程維（時間維）的優化。產品過程維優化就是產品生命周期優化。

產品維優化的主要內容有：①正確區分客戶的共性和個性需求；②正確區分產品結構中的共性和個性部分；③將產品維的共性部分歸并處理；④減少產品中的個性化部分；⑤擴展產品優化范圍，盡可能覆蓋較多的產品；⑥加深產品優化深度，提高產品模塊化水平。

過程維優化的主要內容有：①正確區分生產過程中的大批量生產過程環節和個性化生產過程環節；②減少個性化過程環節，增加大批量生產過程環節；③將客戶訂單分離點后移。

圖4是一種個性化量最小的二維優化模型，描述了產品模塊化中的產品維和過程維優化的基本原理。該優化模型中沒有考慮客戶訂單分離點后移的問題，也沒有考慮擴展產品優化范圍和加深產品優化深度的問題。

圖4 面向產品模塊化生產的個性化量最小的二維優化模型

產品模塊化評價指標可分為產品模塊化效益評價指標和產品模塊化程度評價指標。產品模塊化是效益驅動的，因此需要開展產品模塊化效益評價。模塊化既是手段，又是目標。

產品模塊化的最終目標是：提高企業反應速度（T），提高產品質量（Q），降低產品成本（C），滿足客戶多樣化和個性化的需求（U）及提高產品和過程的環境友好性（E）。

不同產品、不同階段有不同的模塊化內容，與其對應有不同的優化目標。

圖5所示為產品模塊化效益評價指標總體結構，主要以機械產品為對象進行研究。不同企業對圖中的指標可以有不同的選擇。

產品模塊化程度評價是對模塊化產品自身的評價，可以幫助企業有的放矢地開展產品模塊化。圖6所示為產品模塊化程度評價指標總體結構。

6 產品模塊化發展的方向

6.1 大范圍跨企業的產品模塊化

互聯網和無線網的發展使得產品模塊化的范圍迅速擴張，如零件庫的快速發展，這使得產品模塊化范圍從企業內向跨企業方向發展。

產品模塊化所考慮的產品種類越多，所得到的標準件和通用件的數量就越多，標準件和通用件的批量就越大，成本就越低，所消耗的資源和能源就越少。

大范圍跨企業的產品模塊化的特定需求主要有：

（1）自發性。要有“多贏”的機制，使企業樂意發布自己的產品模塊資源，并樂于不斷更新自己所提供的產品模塊資源。通過產品模塊資源整合模式，貢獻產品模塊資源的企業能夠從中獲利。

（2）自組織性。要有技術的支持，能讓產品模塊資源在使用中不斷有序化，而不是成為無序資源的堆砌。

（3）自助性。要有信息技術的支持，能讓企業或個人方便地將產品模塊資源整合在一起，能讓用戶自助服務，這樣可以顯著降低產品模塊資源發布和利用的成本，提高響應速度，滿足多用戶同時個性化服務的需求。

（4）正反饋性。模塊資源多了、價值大了，使用者就越來越樂于使用產品模塊資源，人數也越來越多；使用的人多了，產品模塊資源更值錢了，產品模塊資源發布者就越來越樂于發布產品模塊資源，發布者的人數也就越來越多。兩者互動，形成良性正反饋發展態勢。

圖5 產品模塊化效益評價指標總體結構

圖6 產品模塊化程度評價指標總體結構

（5）集成性。產品模塊資源整合中最大的問題是發布者和使用者習慣用自己的描述體系（如名稱、定義、結構等），結果使產品模塊資源的搜索難度加大，重用性降低。本體技術可以幫助解決這方面的問題，但本體的應用也需要一種自組織、自優化、正反饋的發展模式。

（6）廣域性。整合的模塊資源范圍越廣、內容越多，模塊資源的利用效率也就越高。

6.2 從原理到結構的產品模塊化

產品模塊化最初只是從產品結構優化入手，追求降低成本，促進產品大批量定制。隨著產品模塊化向縱深方向發展，將產品功能原理、技術方案和結構優化的全面模塊化結合起來，可以全面支持產品創新、產品大批量定制和環境化設計。設計人員在產品概念設計階段，就可以充分利用已有的產品功能原理、技術方案和結構等方面的模塊化信息及知識，提高產品創新、產品大批量定制和環境化設計能力。

6.3 面向產品生命周期的模塊化

伴隨著人們消費理念的變化和法規制度的完善，產品模塊化還將深入應用到產品生命周期的各個階段，特別是產品服役階段，提高產品的可服務性、可維修性、可回收性等，促進模塊的深度重用和全面的重用，為節能降耗做出重大貢獻。

產品模塊化的發展趨勢將導致產品模塊化過程和方法發生如下變化：①零件庫將得到極大的發展；②模塊化產品平臺應用范圍將從企業向行業乃至跨行業方向發展。

6.4 并行的產品模塊化

傳統的產品模塊化是串行進行的，產品開發結束后再進行產品模塊化。未來越來越多的產品模塊化工作將與產品開發工作并行進行，這將帶來如下好處：

（1）支持復雜產品的協同開發。不同企業共同參與復雜產品的開發，如果能夠盡可能早地將產品模塊化，定義好接口，各協作企業分頭開發各自負責的模塊，無疑會提高產品的開發效率。

（2）充分利用現有的通用模塊。在產品開發階段盡可能早地利用現有的通用模塊可以提高新產品的模塊化率，降低成本，縮短交貨期，提高產品開發質量。

（3）使產品模塊化的潛力得到充分發揮。在產品開發階段就考慮模塊化問題，可以充分挖掘產品模塊化的潛力，同步考慮產品模塊化與產品性能優化。

7 結語

《機電產品模塊化設計方法和案例》一書對機電產品模塊化設計需求、現狀、方法、案例和發展方向等作了全面的分析和介紹；建立了機電產品模塊化方法體系結構，對產品模塊化的概念、過程和方法進行統一的描述和詳盡的介紹，對不同層次的、產品生命周期不同階段、不同行業的機電產品模塊化方法和案例作了全面介紹和分析，提出了模塊化產品生命周期評價指標和產品模塊化程度評價指標；介紹了課題組所開展的輪式裝載機模塊化的實踐，總結了工業汽輪機模塊化實踐經驗；分析了機電產品的產品模塊化方法的發展趨勢。使讀者能夠對機電產品模塊化設計概念、方法和過程有比較清楚和系統的把握，對機電產品模塊化設計案例有全面的了解，掌握機電產品模塊化設計平臺的建立方法和理論，掌握基于設計平臺的產品配置設計和變型設計方法，以滿足機電企業開展模塊化設計的需求，推動機電產品模塊化的深入開展。

最后借此機會要特別緬懷在產品模塊化理論和實踐方面做出杰出貢獻的祁國寧教授。

中國超硬材料產業發展論壇于3月22-24日在鄭州市國際會展中心舉辦。此次論壇主要涉及金剛石單晶、微粉、專用鋼絲線處理、金剛石線切工具、光伏加工工藝及相關制造設備、檢測儀器等方面的技術交流，并同期在第20屆（2018）中國中部（鄭州）國際裝備制造業博覽會上開辟了召開金剛石線切工具產業鏈專題展覽。

出席本次論壇的有中國機械工程學會理事長李培根院士、副理事長譚建榮院士，河南省科協黨組書記曹奎、學會部部長鄧洪軍、河南省工程學會副理事長兼秘書長高文生等約460余人參加了此次活動。

河南省科協黨組書記曹奎先生為大會開幕致辭。本次論壇的舉辦，是為了更好地支持新興產業的發展，更好地服務于我國IT-光伏產業的發展。論壇以習總書記“推動中國制造向中國創造轉變、中國速度向中國質量轉變、中國產品向中國品牌轉變”為主題。

中國機械工程學會理事長李培根院士為本次論壇做了《淺談智能制造之要》的主旨報告。報告結合實施《中國制造2025規劃》和我國傳統制造業等方面做了深入淺出對比分析和說明。

中國機械工程學會副理事長譚建榮院士為本次論壇做了《智能制造——關鍵技術及實施途徑》的主旨報告。報告對如何實現信息化與工業化有效深度融合等方面的關鍵技術及實施路徑進行了論述對傳統機械工廠實施制造轉型具有很好的參考借鑒意義。

出席本次論壇的演講嘉賓還有中原工學院王秦生教授、中國鋼研科技集團有限公司劉一波教授級高工等各位專家，分別從金剛石單晶的合成、微粉制備、專用鋼絲線處理和切割光伏硅片技術應用等核心要務方面都做了精彩的報告。

做為本次論壇和技術交流活動的重要內容，論壇發布了由省科協批準的“河南省超硬材料學科與產業發展報告”。該報告對影響學科和產業發展的若干問題提出了中肯的政策建議。

（本刊編輯部）

參考文獻：

［1］ 顧新建，楊青海，紀楊建，等.機電產品模塊化方法和案例［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［2］ 顧新建，楊青海.國家標準GB/T—31982—2015 機械產品模塊化設計規范［S］.北京：中國標準出版社，2015.

［3］ 李春田.模塊化研究——現代標準化前沿［M］.北京：中國標準出版社，2008.

（編輯 袁興玲）

作者簡介：顧新建，男，1956年生，教授、博士研究生導師。研究方向為知識管理、創新設計、網絡化制造、大批量定制等。E-mail：xjgu@zju.edu.cn。