模块化设计--一种重要的产品思维！

Posted 2021-04-27 数字化企业

◎文丨集成产品开发

中国制造业三十年来的发展突飞猛进，大环境也发生巨大变化-过去的短缺经济变成剩余经济，人民对产品越来越挑剔，买方市场变为卖方市场，劳动力工资节节攀升。

我们与发达国家的技术水平拉近而惨遭打压，与低工资国家的工资水平距离拉开导致制造企业转移。

一个新的危机正在出现，即所谓的“中等收入陷阱”。如何应对“中等收入陷阱”，必须从提升产品着手，向微笑曲线的两头拓展，即注重产品创新设计和产品服务，同时提高制造环节的附加值，产品模块化设计方法值得学习和应用。

01

产品模块化的概念与定义

模块的广义定义：组成上一层系统的、可组合/替换/变型的单元。

• 按层次划分：整机、部件、零件、结构单元等模块

• 按通用性划分：通用模块，专用模块

  通用模块：在产品族中被多个产品所采用的模块，其尺寸、形状或特性在不同产品中是完全一样的；

  专用模块：在产品族中只被个别产品所采用的模块，是该产品为了满足特定的需求而采用的模块。

模块的狭义定义：在模块的广义定义的基础上，增加模块单元具有独立功能和标准接口的约束要求，最大特征就是具备独立功能。

模块族：是指一组具有相同或相似形状和特征的模块组合。

产品模块化：主要包括成套装置、整机、部件、组件、零件和结构单元等不同层次的模块化设计。

产品模块化设计：对产品中的相同和相似模块识别、分类、定义、规范，建立通用模块，在此基础上对通用模块组合和变型，设计出能够低成本、高质量、快速地满足用户的多样化和个性化需求的定制产品。模块化设计主要包括两个过程，产品模块化过程和基于模块的订单产品设计过程。

模块化产品平台：产品模块化设计后形成的产品族通用结构模块/接口特征以及这些模块/接口特征间的关系集合，为客户开展模块化设计提供系统的支撑，包括设计规范、设计模板、实例产品文档等。

模块化产品开发和设计主要方法包括：原始创新设计、集成创新设计、适应性设计、产品配置设计、模块变型设计，主要特点如下表：

表1 模块化产品开发和设计特点

02

产品模块化设计方法

图1 Y模型 

来源《机电产品模块化设计方法》

模块化产品主要有两个过程:新产品模块化平台构建过程和已有产品模块化构建过程。

Y模型左上部分（A-H功能块）为新产品模块化平台构建过程，主要特点将模块化产品平台构建作为新产品开发的部分内容，由于未来客户需求大多是未知和变化的，因此需要进行预测分析。采用自上而下的方法进行设计，自上而下开发产品的实质是进行产品功能和结构的分解：成套装置-整机-部件-零件，考虑产品模块如何分解，如何尽可能提高通用模块的比例，尽可能减少专用模块，最终得到一个模块化产品平台，且在该平台上快速配置出各种个性化产品，主要特点：

• 由易到难，上层的模块功能关系、结构边界清晰，容易进行模块化；
  

• 通过顶层设计，进行模块化的全面规划。

Y模型右上部门（I-L,E-H）过程是面向已有产品（基于历史订单的）模块化构建过程，企业已有成熟产品推向市场，但该产品开发是没有很好考虑模块化问题，需要对已有客户需求信息和设计数据进行分析，并对未来市场趋势进行预测和分析，在此基础上进行产品的功能和结构模块划分。主要采用自下而上的方法进行设计，其实质是在已有产品的基础上，对零部件模块化、系列化和标准化，建立模块模型，构建产品模块化平台，实现大批量定制生产，支持产品创新和节能减排。通常模块化的顺序是：零件-部件-整机-成套装置。主要优点：

• 投入少，见效快；

• 能比较充分地利用社会化的模块资源；

• 容易实现局部模块化，所受牵涉面较窄。

03

不同层次产品模块化方法

以机电机电产品为例，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，模块化方法如下：

表2：不同层次产品模块化方法比较

成套装置模块化是指工业联合装置，可以是一个工段、一条生产线、一个车间等，相对于整机和部件来说，是一种比较松散的组合。

整机模块化是一种独立使用的产品，如工业汽轮机、家电等，具有明显的功能和结构独立的特点，整机由部件组成，通常是一种紧密耦合型的组合。整机模块化设计中有基于客户订单分离点的产品生产模式，客户订单分离点是指企业生产活动由基于预测的库存生产转向响应客户需求的定制/订单生产的转换点，在客户订单分离点之前的生产经营活动时根据预测进行的，是一个“推”的过程，在客户分离点之后的生产经营活动需要根据客户订单的实际要求而定，是一个“拉”的过程。从大批量生产到大批量定制转变的主要要求是在满足客户定制需求下，尽量将客户订单分离点向生产过程的下游移动。根据客户订单分离点在企业生产过程中位置的不同，可以进一步将不同的生产模式分成按订单销售、按订单装配、按订单制造、按订单设计和按订单研制五种类型，见下图。

图2：不同生产模式下的客户订单分离点

部件模块化是组成上层部件的、具有独立功能和准表接口的单元，相同种类部件模块可以重用和互换，通过各种部件模块的组合可以得到个性化的上层部件（或整机）。部件层的产品模块化特点：设计的递归性、接口的复杂性、功能和结构的独立性、部件系列化、部件模块的易创新性等。

零件层模块化是组成部件的，具有独立功能和标准接口的单元，相同种类零件可以重用和互换。零件是结构独立的最小元件。

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