智造行业观察（产品模块划分的目的和过程）

引自：《产品模块化与大批量定制》（作者：顾新建，顾复纪，杨建）

该书已出版，详细信息请见文末~

产品模块划分的目的是：将整体式的产品分解为模块化的产品。产品模块具有不同粒度，从大到小分类有整机、部件、零件、特征单元等模块。图1描述了不同粒度的产品模块划分的内容和目的。

图1 不同粒度的产品模块划分的内容和目的

「1. 成套系统模块划分 」

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成套系统是指整机/部件模块组成的实现某种功能的系统，可以是设备、工段、生产线、车间、工厂[1]。成套系统中的整机模块是具有完整功能、可独立使用的产品，有时还会包括部件模块。

1）模块化工厂

工厂由设备、厂房、空调、供水、供气等模块组成，这些模块是在制造企业中批量化生产和测试，然后运输到工厂建设现场，组装而成。一般能降低30％左右的成本，并提高了工厂的建设速度和质量。例如制药厂、化工厂、移动实验室等。

案例：移动实验室模块化。图2描述了移动实验室的模块组成和模块化的目的。这里有整机模块，如仪器设备、实验设施等，也有部件模块，如载具、温湿度系统控制系统、集中控制系统、信息化交互系统、安全模块、标识模块等。[2]

图2 移动实验室的模块组成和模块化的目的

2）成套设备

成套设备中有多种既独立、又关联的设备，共同生产某些产品或完成一定任务及功能，如电站、炼钢、棉布生产、化工等成套设备。成套设备模块化是使各种设备可以快速重构，满足不同需求，同时便于专业化分工制造和集成，例如，模块化变电站等。

3）整体解决方案

即“一站式”服务，包括企业为用户配齐解决某一工程问题所需要的各种产品和服务。例如杭州机床集团的高铁超长铁轨表面磨削服务。如图3所示。

图3 杭州机床集团的高铁超长铁轨表面磨削整体解决方案服务

4）多整机并联的装置

一些整机有不同大小输出的需求，为了减少整机的种类，形成较大的批量，可以采用少量的通用整机模块，通过并联集成，满足个性化的输出需求。例如模块化中央空调等。多整机并联的装置是由多个通用整机并联组成，具有较大的应用灵活性、可重构性和可扩充性，同时整机的通用性得到显著提高，批量增加，制造成本降低。如模块化锅炉[ ]。中国运载火箭的组成方案，如图4所示，这里有助推火箭模组（整机）的捆绑并联组合，也有箭身模组（部件）串联组合，其目的是用最经济的方式完成不同重量物资的发送任务。

图4 中国运载火箭的组成方案

「2. 整机模块划分 」

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整机是一种独立使用的产品，如工业汽轮机、家电、汽车等，具有明显的功能和结构独立的特点。面向整机的部件/零件模块划分是将整体式整机变成模块化整机，把整机产品按功能和结构分解成不同用途和性能的模块，并使接口（结合要素形状，尺寸等）标准化，然后选择不同的模块配置成满足不同要求的整机产品。

整机的模块划分强调模块的独立性和相似模块互换性，同时也便于借鉴以往的设计成果。

1）机械部件为主的整机的模块划分

这方面的模块化研究较多，典型案例有机床、工程机械、坦克、船舶、飞机、汽车、工业机器人等。许多机械标准件是部件模块，如标准轴承、减速器、电机等。图5描述了工业机器人的模块组成及关系。[ ]结构模块的进一步详细分解见相关国家标准。[5]

图5 工业机器人的模块组成及关系

2）电子器件为主的整机的模块划分

典型案例有计算机、手机、人造卫星、无线通信整机的模块化等。电子器件的模块化和标准化程度普遍较高，因为制造过程复杂，批量生产成本可以大幅度降低，其典型模块如芯片、存贮器、主板等。

案例：无线通信整机模块化设计：为了便于组织生产各种个性化的整机，一些无线通信整机厂已逐步将电路板的“大板”结构改成按功能划分的“小板”结构，可在部分产品中共享，并设计了本厂专有的“母板”，在企业的所有整机中共享。[6]

3）软件为主的系统的模块划分

因为产品、生产过程等的不同，工业软件大多具有个性化的特点。为了降低个性化软件系统的开发成本、缩短开发周期，软件为主的系统的模块化的发展方向是：

（1）模块化：又称组件化。通过模块的配置或变型可以快速开发出个性化的软件系统。

（2）标准化：模块的接口协议尽可能标准化，支持模块的集成以及软件系统的集成。

（3）可重构性：基于软件模块可方便地进行二次开发重构，以便满足系统的新需要。

（4）可扩展性：原有软件可以通过增加新的模块，以满足系统的新需要。

（5）平台无关性：软件系统中各模块相互独立，能够很容易地独立开发专用模块。

（6）适应网络操作方式：要具有一种较好的通信和接口协议，各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，满足实时控制需要。

目前工业软件模块化的发展方向是工业APP（应用软件）。

4）可重构制造系统

可重构制造系统是美国敏捷制造战略中的重要研究内容之一，能够快速适应不同产品的制造，具有很好的经济性和灵活性。模块化技术是可重构制造系统的核心技术。

案例：Rogers等人提出的模块化生产系统（MPS，Modular Production system）实质上也是一种可重构制造系统，其模块包括：加工机器基元、工业机器人基元、模块化驱动单元、模块化刀具和夹具以及可配置的控制系统等。可以通过建立一个租赁公司，向有关企业提供各种模块，快速建立起制造新产品的系统。当企业不再生产该产品时，该系统可以容易地拆除，将各模块退还给租赁公司。[7]

5）多部件并联的整机

原理和目的类似前述的多部件并联的成套装置。

案例：斯堪尼亚发动机的独立式汽缸[8]：斯堪尼亚开发新型发动机都是从优化单缸发动机开始的。斯堪尼亚通过不断地更新单缸发动机的结构，严格地评估和改进每一个变化的设计细节，使得发动机具有最佳特性曲线的功率输出，只要将经过无数次调试而得出的这一临界范围运用到多缸的发动机上，即可方便地提高多缸发动机的整体性能和品质。独立的汽缸盖有许多优点。因为，当一个汽缸盖负责多个汽缸，尤其是3~6个汽缸时，会严重地限制其进气道和排气管的开发和优化。这是由于冷却和紧固装置影响了汽缸盖的设计。但斯堪尼亚独立式汽缸并不受这些因素的影响，并在选择设计方案时得到了最大的回旋余地，真正做到快速换气。

6）撬块装置

撬块就是一种面向快速装配的模块。一些海上作业、野外作业环境，条件恶劣，希望快速安装工程装置。撬块在工厂制造完成，运到现场，可以在很短时间内装配成所需要的工程装置，同时确保安装质量。

案例：天然气井口气回收场站的撬块化装备。采用分合撬的方式，将各工艺设备分为相对独立又有密切关系的多个单元，每个小撬能实现一个工艺要求，并可根据不同需求进行拆分、组合、调换，组成一个完整的放空天然气回收处理站。同时，当放空量递减后可将各撬装设备调迁到其余零散井重复利用。其特点是有利于缩短设计周期、有利于节约采购成本及时间、有利于实现工厂化制造、有利于提高工程质量、有利于提高工作效率。

「3. 部件模块划分 」

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部件主要由部件/零件模块组成。对于复杂产品，其部件可以分为若干级。面向部件的部件/零件模块化是对部件的模块化进一步划分为粒度更小的部件或零件。

零件是组成部件（或整机）的，具有独立功能和标准接口的单元。零件是结构独立的最小元件。

1）机械零件为主的部件模块划分

许多标准件就是零件模块，如标准螺栓、垫圈、螺母等。

2）电子元器件为主的部件模块划分

电子元器件的模块化和标准化程度很高，如电阻、电容、晶体管等。

3）多零件并联的部件

原理和目的类似前述的多部件并联的成套装置，如图6左所示，图右为模块化并联电机的案例。[9]

图6 模块化并联电机的原理

「4. 零件模块划分 」

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零件还可以进一步分解为若干结构单元模块，结构单元模块并不具有真正独立的功能和结构，但其通过模块化可以化繁为简，将个性化的零部件变为由通用的结构单元的组合，降低设计和制造成本。

1）复杂零件的通用和专用结构单元模块划分

一些复杂的专用零件可以进一步分解为通用和专用结构单元模块，其目的是：简化设计：通用结构单元模块的模型可以重用；提高产品的模块化水平：有助于与通用结构单元模块关联的其它零部件模块的标准化；降低制造成本。

案例：模块化工业汽轮机的主轴。工业汽轮机的主轴是工业汽轮机中最重要、精度最高、最复杂的多台阶轴，并开有许多叉型槽、工型槽和汽封槽，精度要求很高。为了便于配置设计和加工制造，将主轴零件在逻辑上分成五个不同的结构段，即前轴段、前汽封段、通流段、后汽封段和后轴段。其中通流段是专用结构单元模块，其余是通用结构单元模块，既满足产品的个性化需求，又实现零件的最大程度的通用化。如图7所示。

图7 工业汽轮机主轴零件结构单元的模块化[10]

2）面向标准的零件结构单元的模块化

不同零件中的一些相似结构单元，如键槽、导向槽、花键槽、锥齿面等，加工方法比较特殊，重复出现概率高，因此可以将其结构单元和技术要求标准化，以便重用，有助于提高设计质量，降低制造成本，减少刀具、夹具和量具的品种规格，提高所对应的零件的标准化程度，提高生产率和经济效益。

图8描述了一个面向标准的的零件结构单元的例子。

图8 一个面向标准的零件结构单元的例子

3）面向交互式CAD的零件结构单元的模块化

将一些常用的零件结构单元进行模块化，建立相应的零件结构单元模块库，可用于支持交互式CAD系统。如图9所示。

图9 由零件结构单元模块得到的各种不同的盘套类零件[11]

4）工业设计中的设计元素的模块化

工业设计中的设计元素具有独立性（设计视角）、通用性、可重用性等，可以视为是一种特殊的结构单元模块。如Volvo汽车的设计元素有：温和的前脸、V型发动机罩、贯穿车门的突出肩部、尾灯形状等等。

例：Volvo汽车的设计元素有：温和的前脸、V型发动机罩、贯穿车门的突出肩部、尾灯形状等等。如图10所示。

图10 Volvo汽车的设计元素

「5. 产品模块划分的过程 」

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图11描述了产品模块划分的过程。

图11产品模块划分的过程

参考文献

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[1]百度百科. 成套设备[EB/OL]http://baike.baidu.com/view/396568.htm. 2012-9-27.

[2]GB/T 31018-2014移动实验室模块化设计指南[S]. 2014-09-03. 2015-02-01.

[3]艾欧史密斯（中国）热水器有限公司上海分公司. A.O.史密斯商用模块化热水设备[J]. 上海节能. 2011（1)：35-39.

[4] GB/T 33262-2016工业机器人模块化设计规范[S]. 2016-12-13.2017-07-01.

[5] GB/T 35144-2017机器人机构的模块化功能构件规范[S]. 2017-12-29. 2018-07-01.

[6]邱永红，朱勤. 无线通信装备模块化设计研究[J]. 电讯技术. 2003（5）.

[7] Rogers. G.G..Bottaci.L.. Modular production system：a new manufacturing paradigm[J]. Journal of Intelligent Manufacturing. 1997（8）. 147~156.

[8]李长生.斯堪尼亚：独创单缸模块化燃烧概念[J]. 运输经理世界. 2007（11); 28.

[9]韩守亮，崔淑梅. 一种新型模块化级联电机系统[J]. 电工技术学报, 2013, 28(2): 155~162.

[10]樊蓓蓓. 基于网络分析法的模块化产品平台关键技术研究[D]. 浙江大学. 2011.6.

[11]范文慧. 面向产品信息建模的图形单元及其自组织理论、方法和应用研究[D]. 浙江大学. 1998.10.

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