模块化设计

绿色设计方法

模块化设计，简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。逐步求精的结果是得到一系列以功能块为单位的算法描述。以功能块为单位进行程序设计，实现其求解算法的方法称为模块化。模块化的目的是为了降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。改变某个子功能只需相应改变相应模块即可。

基本内容

（Modular design）　所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。模块化设计是绿色设计方法之一，它已经从理念转变为较成熟的设计方法。将绿色设计思想与模块化设计方法结合起来，可以同时满足产品的功能属性和环境属性，一方面可以缩短产品研发与制造周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场变化；另一方面，可以减少或消除对环境的不利影响，方便重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理。

定义

模块化设计是指在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求的设计方法。

原则

① 力求以少量的模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，模块间的联系尽可能简单；

②模块的系列化，其目的在于用有限的产品品种和规格来最大限度又经济合理地满足用户的要求。

原理

模块化产品是实现以大批量的效益进行单件生产目标的一种有效方法。产品模块化也是支持用户自行设计产品的一种有效方法。产品模块是具有独立功能和输入、输出的标准部件。这里的部件，一般包括分部件、组合件和零件等。模块化产品设计方法的原理是，在对一定范围内的不同功能或相同功能、不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的顾客定制的产品，以满足市场的不同需求。这是相似性原理在产品功能和结构上的应用，是一种实现标准化与多样化的有机结合及多品种、小批量与效率的有效统一的标准化方法。

系列化

简介

系列产品中的模块是一种通用件，模块化与系列化已成为现今装备产品发展的一个趋势。

三大特征

模块是模块化设计和制造的功能单元，具有三大特征：

1.相对独立性，可以对模块单独进行设计、制造、调试、修改和存储，这便于由不同的专业化企业分别进行生产；

2.互换性，模块接口部位的结构、尺寸和参数标准化，容易实现模块间的互换，从而使模块满足更大数量的不同产品的需要；

3.通用性，有利于实现横系列、纵系列产品间的模块的通用，实现跨系列产品间的模块的通用。

（一）模块化与系列化、组合化、通用化、标准化的关系

模块化设计技术是由产品系列化、组合化、通用化和标准化的需求而孕育的。系列化的目的在于用有限品种和规格的产品来最大限度、且较经济合理地满足需求方对产品的要求。组合化是采用一些通用系列部件与较少数量的专用部件、零件组合而成的专用产品。通用化是借用原有产品的成熟零部件，不但能缩短设计周期，降低成本，而且还增加了产品的质量可靠性。标准化零部件实际上是跨品种、跨厂家甚至跨行业的更大范围零部件通用化。由于这种高度的通用化，使得这种零部件可以由工厂的单独部门或专门的工厂去单独进行专业化制造。

（二）产品模块化、系列化设计分类与库管理

产品模块要求通用程度高，相对于产品的非模块部分生产批量大，对降低成本和减少各种投入较为有利。但在另一方面又要求模块适应产品的不同功能、性能、形态等多变的因素，因此对模块的柔性化要求就大大提高了。对于生产来说，尽可能减少模块的种类，达到一物多用的目的。对于产品的使用来说，往往又希望扩大模块的种类，以更多地增加品种。针对这一矛盾，设计时必须从产品系统的整体出发，对产品功能、性能、成本诸方面的问题进行全面综合分析，合理确定模块的划分。产品模块化设计按照自顶向下研究分类，包括系统级模块、产品级模块、部件级模块、零件级模块；再按照功能及加工和组合要求研究分类，包括基本模块、通用模块、专用模块；然后按照接口组合要求研究分类，包括内部接口模块、外部接口模块。以产品级模块化为例，就是在需求调查的基础上，对装备产品的构成进行分析，考察其中的功能互换性与几何互换性的关系，并划分基本模块、通用模块或专用模块，以模块为基础进行内部接口、外部接口设计，通过加、减、换、改相应模块以构成新的产品，并满足装备产品的功能指标的要求。

产品设计

设计目的

模块化产品设计的目的是以少变应多变，以尽可能少的投入生产尽可能多的产品，以最为经济的方法满足各种要求。由于模块具有不同的组合可以配置生成多样化的满足用户需求的产品的特点，同时模块又具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，如果模块的划分和接口定义符合企业批量化生产中采购、物流、生产和服务的实际情况，这就意味着按照模块化模式配置出来的产品是符合批量化生产的实际情况的，从而使定制化生产和批量化生产这对矛盾得到解决。

设计应用

虽然模块化的进程中充满荆棘，但它给企业带来飞一样的创新速度注定了模块化是以后的发展趋势。模块化不仅加快了变革的速度，增大了竞争的压力，它还改变了企业间的关系。在残酷的创新竞争中，如何在本行业中夺取更多的市场份额就显得极为重要。一个企业作为某个需要不断创新的行业中由百个企业组成的模块制造商群体的一员，与作为由少数几个企业占据垄断优势的稳定发展的行业中的成员有着很大的区别，没有任何一种发展战略是永远奏效的。模块化市场的双重结构要求企业经理在两种主要的发展战略中做出慎重选择：企业作为总设计师为多个模块构成的产品确立设计和生产原则；企业也可以作为模块制造商为用户提供高性价比的模块产品，以性能和价格在市场上击倒同类厂商。在制造行业中模块化的应用已非常普遍，如汽车工业和飞机制造等。一些公司正在把模块化这个理论扩展到产品生产和服务的设计上来，有些看似和模块化根本不着边际的行业也在尝试着移植模块化理论，提高自身的创新速度。

产品优点

（一）对企业产品研发的贡献

由于模块化推进了创新的速度，使得企业领导者对竞争者的举动做出的反应时间大大缩短。作为一条规则，管理者不得不更加适应产品设计上的各种发展，仅仅了解直接竞争厂商的竞争战略是远远不够的，这个产品的其他模块的创新及行业内部易变的联盟都有可能招致激烈的竞争。模块是产品知识的载体，模块的重用就是设计知识的重用，大量利用已有的经过试验、生产和市场验证的模块，可以降低设计风险，提高产品的可靠性和设计质量。模块功能的独立性和接口的一致性，使模块研究更加专业化和深入，可以不断通过升级自身性能来提高产品的整体性能和可靠性，而不会影响到产品其他模块。模块功能的独立性和接口的一致性，使各个模块可以相对独立地设计和发展，可以进行并行设计、开发和并行试验、验证。模块的不同组合能满足用户的多样性需求，易于产品的配置和变型设计，同时又能保证这种配置变型可以满足企业批量化生产的需求。

（二）对企业工作效率和成本控制的贡献

设计和零部件的重用可以大大缩短设计周期；并行的产品开发和测试可以大大缩短设计周期；利用已有成熟模块可大大缩短采购周期、物流周期和生产制造周期，从而加快产品上市时间；如果划分模块时考虑到企业售后服务的特定需求，同样可以缩短服务周期和耗费资源时间。模块和知识的重用可以大大降低设计成本；采用成熟的经过验证的模块，可以提高采购批量，降低采购和物流成本；采用成熟的经过生产验证的模块，可以大大减少由于新产品的投产对生产系统调整的频率，使新产品更容易生产制造，可以降低生产制造成本；产品平台中及平台之间存在大量的互换模块，可以降低售后服务成本。

（三）对企业组织的贡献

模块化有利于企业研发团队分工，规范不同团队间的信息接口，进行更为深入的专业化研究和不同模块系统的并行开发；抽象平台和模块的建立，可以实现企业组织结构与产品模块结构之间的交互，使并行工程拥有实施的根基，工艺、财务、采购和售后服务可以在产品研发早期就介入产品研发项目；标准规范的模块接口有利于形成产品的供应商规范，有利于产业分工的细化。

趋势

模块化是在传统设计基础上发展起来的一种新的设计思想，现已成为一种新技术被广泛应用，尤其是信息时代电子产品不断推陈出新，模块化设计的产品正在不断涌现。如何使产品的模块化设计全方位地满足市场的多样化需求，应当引起企业经营者、新产品开发人员及其标准化研究者的高度重视。模块化设计已被广泛应用于机床、电子产品、航天、航空等设计领域，但模块化术语尚未给出公认的权威性定义。企业一方面必须利用产品的批量化、标准化和通用化来缩短上市周期、降低产品成本、提高产品质量，另一方面还要不断地进行产品创新使产品越来越个性化，满足客户的定制需求。这样，如何平衡产品的标准化、通用化与定制化、柔性化之间的矛盾，成为赢得竞争的关键能力。平台化、模块化的产品设计和生产可以在保持产品较高通用性的同时提供产品的多样化配置，因此平台化、模块化的产品是解决定制化生产和批量化生产这对矛盾的一条出路。

概念

为开发具有多种功能的不同产品，不必对每种产品施以单独设计，而是精心设计出多种模块，将其经过不同方式的组合来构成不同产品，以解决产品品种、规格与设计制造周期、成本之间的矛盾，这就是模块化设计的含义。模块化设计与产品标准化设计、系列化设计密切相关，即所谓的“三化”。“三化”互相影响、互相制约，通常合在一起作为评定产品质量优劣的重要指标，是现代化原理开始用于机床设计，到本世纪50年代，欧美一些国家正式提出“模块化设计”概念，把模块化设计提到理论高度来研究。模块化设计的思想已渗透到许多领域，例如机床、减速器、家电、计算机等等。在每个领域，模块及模块化设计都有其特定的含义。

模块：一组具有同一功能和接合要素（指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等），但性能、规格或结构不同却能互换的单元。

机械产品

床卡具、联轴器可称为模块，有些零部件如插头、插座，广而言之也可称为模块，但不如称为标准件为好。在模块化设计中，也用到大量的标准件，但模块多指标准件之外、仍需被设计而又可以用于不同的组合、从而形成具有不同功能的设备的单元、

模块化设计：在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块；根据用户的要求，对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能、或功能相同但性能不同、规格不同的产品。这种设计方法称为模块化设计。

主要方式

（1）横系列模块化设计。不改变产品主参数，利用模块发展变形产品。这种方式易实现，应用最广。常是在基型品种上更换或添加模块，形成新的变形品种。例如，更换端面铣床的铣头，可以加装立铣头、卧铣头、转塔铣头等，形成立式铣床、卧式铣床或转塔铣床等。

（2）纵系列模块化设计。在同一类型中对不同规格的基型产品进行设计。主参数不同，动力参数也往往不同，导致结构形式和尺寸不同，因此较横系列模块化设计复杂。若把与动力参数有关的零部件设计成相同的通用模块，势必造成强度或刚度的欠缺或冗余，欠缺影响功能发挥，冗余则造成结构庞大、材料浪费。因而，在与动力参数有关的模块设计时，往往合理划分区段，只在同一区段内模块通用；而对于与动力或尺寸无关的模块，则可在更大范围内通用。

（3）横系列和跨系列模块化设计。除发展横系列产品之外，改变某些模块还能得到其它系列产品者，便属于横系列和跨系列模块化设计了。德国沙曼机床厂生产的模块化镗铣床，除可发展横系列的数控及各型镗铣加工中心外，更换立柱、滑座及工作台，即可将镗铣床变为跨系列的落地镗床。

（4）全系列模块化设计。全系列包括纵系列和横系列。例如，德国某厂生产的工具铣，除可改变为立铣头、卧铣头、转塔铣头等形成横系列产品外，还可改变床身、横梁的高度和长度，得到三种纵系列的产品。

（5）全系列和跨系列模块化设计。主要是在全系列基础上用于结构比较类似的跨产品的模块化设计上。例如，全系列的龙门铣床结构与龙门刨、龙门刨床和龙门导轨磨床相似，可以发展跨系列模块化设计。

模块化设计这一新的设计概念和设计方法迅速在各个领域得到广泛应用，它的竞争优势主要体现在两个方面：一方面解决品种、规格的多样化与生产的专业化的矛盾；另一方面也为先进的制造技术、提高设备的利用率创造必要的条件，实现以不同批量提供顾客满意度的产品，进而使企业实现产品多样化和效益统一。

模块化的宗旨是效益。它的意图和最终目的就是为了满足人们对多样化的需求和适应激烈的市场竞争，在多品种、小批量的生产方式下，实现最佳的效益和质量。模块化的对象是产品或系统的构成，模块化不是研究和解决某一个孤立的产品或系统的设计或构成的问题，而是解决某类产品或系统的最佳构成形式问题，即系统由标准化的模块组合而成。由于模块化的对象是系统，因而运用系统工程的原理和方法，是开展模块化的基本原则。模块化的主要方法是系统的分解和组合，模块化的产品或系统是由标准的模块组成的。模块如何产生，能否有效地组合成产品或系统，产品或系统的分解和组合的技巧和运用水平，是模块化的核心问题。模块化的目标是建立模块系统和对象系统。模块化活动的目标或产物有两个，即形成模块系统和模块化的产品系统。建立模块系统是实施模块化设计的前提，形成模块化产品或系统则是模块化的最终归宿。

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