面向资源节约的产品模块化设计

产品可分为零件、部件、整机和成套装置等不同层次。

1.零件模块化

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。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。一些复杂零件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。这里主要介绍两种零件结构单元模块。两种零件结构单元模块化，如图7-14所示。

图7-14 两种零件结构单元模块化[66，67]

（1）零件结构特征单元模块化

不同零件中存在大量相似结构要素（特征），如键槽、导向槽、花键槽和锥齿面等，零件结构特征单元模块化的主要目的是对这些相似结构要素进行归并、统一、模块化和标准化，以便在新零件设计中能重用这些结构特征单元，提高设计质量，降低制造成本，减少使用刀具、夹具和量具的品种规格，提高生产效率和经济效益。

（2）零件局部结构模块化

一些复杂或大型的零件在不同的产品中，其局部结构设计会发生变化。因此，可以将不变的局部结构设计作为通用局部结构，变化的局部结构设计作为专用局部结构。在对这类零件进行设计时，主要对专用局部结构进行设计。这不但可以减少设计工作量，并且通用局部结构部分可以在专用局部结构设计前就开始加工，缩短零件加工周期。

案例：工业汽轮机的转子是一个多台阶轴，在台阶上还开有许多叉型槽、工型槽和汽封槽，精度要求十分高。为了便于配置设计和加工制造，从功能结构模块划分的角度将转子在逻辑上分成五个不同的结构段，即前轴段、前汽封段、通流部分轴段、后汽封段和后轴段。选取不同的结构段进行配置，可以组成不同结构和尺寸的汽轮机转子。

工业汽轮机的汽缸也相应地分为五个不同的结构段，不仅提高设计速度和设计质量，还可以使铸造模具得到重用。

2.部件模块化

部件可由零件或/和部件组成。部件是产品在设计与制造过程中经过长期经验积累而形成的结构相对独立的单元。部件模块化包括如下内容。

（1）机械部件的模块化

机械部件的模块化设计效益主要体现在制造阶段和维修阶段，甚至可以导致生产线结构革命和供应链结构的革命。

案例1：福特的模块化发动机。1996年，福特汽车公司发动机部总工程师顾永平率先在汽车工业史上实现了发动机的模块化设计，对6缸、8缸、10缸和12缸等不同规格发动机的结构进行了重组，使绝大部分组件能够通用，以尽量少的组件实现最多种类的组合。这项成果也引起了生产线结构的革命，不同规格的发动机可以在同一条生产线上加工。而在此之前，不同型号的发动机各有其专门的生产线，不能相互利用，既浪费了生产能力，又贻误了商机，这种双重损失每年都要达到数亿美元。

案例2：Web零件库。产品设计人员能够通过零件库（如TraceParts）搜索和下载需要的零件CAD模型，加快产品设计。设计完成后，可以向模型提供者，也就是零件供应商订货。这些零件实际上就是面向大范围产品的通用模块。供应商专业生产这类零件模块，批量大，成本低，质量好。这是一种面向全球的基于大范围模块化的企业分工协作模式，不仅可以降低零件制造成本，缩短制造周期，也具有较好的环境效益。（2）电路板的模块化电路板的模块化，又称模组化。

案例：各个无线通信整机厂拥有自己的模块化结构设计、模块划分原则和总线母板等。为了便于组织生产各种个性化的整机，国内各无线通信整机厂已经逐步将电路板的“大板”结构改成按照功能划分的“小板”结构，可以在部分产品中共享，并设计了本厂专有的“母板”，在本企业的所有整机中共享。

——邱永红，朱勤.无线通信装备模块化设计研究.电讯技术，2003（5）.

（3）相同模块的不同组合得到个性化的部件

有些部件可以通过相同模块的组合得到，这样可以显著降低制造成本。

案例1：相同的床身模块通过组合可以得到不同龙门式机床的床身。每个床身模块在长度方向留有接口，需要不同长度的床身时，只需要将若干个床身模块对接即可。

案例2：模块化级联电机系统将一个电机单元作为一个模块，多个电机模块像电池一样级联式工作，只需要改变电机数目便可以满足不同功率的需求，提高了系统整体效率，增强了容错能力，降低了成本。

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

3.整机模块化

整机是一种可以独立使用的产品，由部件或/和零件组成，具有完整的功能，内部结构紧密耦合。整机也可以组成成套装置或装备使用。

（1）将一体化整机分解为模块化整机

许多整机在开始研发时是一体化整机，但是由于发现一体化整机系统过于复杂，在研发、维护等方面困难很大，模块化整机是解决此类问题的有效途径。

案例1：计算机模块化。1964年4月7日，IBM公司发布360系列计算机，这是一种模块化计算机，使计算机的设计和制造摆脱了传统集成式计算机在设计和制造方面的“复杂性灾难”，使计算机的各个模块都可以分别进行设计和制造，然后通过接口快速集成，由此，催生了硅谷的诞生，众多小企业纷纷涌现，快速创新，推动了计算机产业的迅速发展。

——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.

案例2：分离模块航天器是将一个航天器按照功能分解为有效载荷、动力、能源和通信等模块（小卫星），各模块功能单一，成本较低。这些模块采用物理分离，通过编队飞行和无线传输方式构成一颗虚拟的大卫星，不同的模块执行传统卫星上各个子系统的相应功能，以完成特定任务。分离模块航天器的特点如下：①维护方便，只需要发送一颗小小的、便宜的小卫星补充进卫星群，卫星系统就可以提升性能或排除故障；②便于更换用途。通过发射不同的模块化卫星，方便地转换卫星系统的用途；③制造和发射周期短。小卫星可以用更小、更快的火箭发射；也可以装载在小型的导弹弹头上，由普通战斗机携载发射升空。可以实现几天或几周内制造并发射一颗小卫星；④可靠性高。多个独立模块化系统之间存在子系统资源应急共享，因此可靠性增加；使子系统解耦集成和测试工作量减少；模块和多个载荷之间的需求解耦；载荷和其余航天器之间的安全约束条件解耦。

——蔡亚梅，汪立萍，陈利玲.美国新型“分身术”卫星计划及其关键技术[J].航天电子对抗，2009，25（4）：21—23。

（2）整体解决方案

在部件模块化的基础上，快速为客户提供集成化的整体解决方案，这已经是许多整机设计和制造的发展趋势。

案例：联发科技的整体解决方案。从2005年起，芯片开发企业联发科技推出了手机的整体解决方案，在芯片中将手机的基本功能高度集成并模块化，下游的手机整机厂商只需要进行简单的后端设计，通过“搭积木”方式，就可以迅速推出自己的产品。这一模块化生产模式将手机开发过程大大缩短，从过去的9～12个月缩减为现在的2～3个月。以前需要一个庞大的开发团队才能完成任务，现在变成简单的组装和调试工作，只需要很少的工程师即可完成。在模块化手机的基础上，小米利用互联网开展用户协同设计，其手机的1/3的功能是用户自己设计的。

——齐鹏.联发科技：颠覆你的手机[N].数字商业时代（北京），2010-09-10（2）.(www.xing528.com)

（3）基于产品族的设计

产品族是由一组相似的产品组成。面向产品族的设计是将这些产品中的零部件分为通用模块和专用模块，通过模块的变型及组合得到多样化和个性化的产品。其基本思想是“以不变或少变换多变”“以尽可能少的内部多样化满足尽可能多的外部多样化”。通用模块可以形成较大批量，既降低成本，又节约资源。

产品平台是产品族中通用模块的集合。例如，汽车平台包括前桥、转向装置、后桥、发动机、纵梁、车身地板、座椅骨架和油箱等。在汽车平台上安装不同的外罩，就可以迅速而又低成本地制造出一个全新的车型。这样，汽车制造企业就能向用户提供他们喜爱的汽车，同时又能节省生产成本，提高产品的竞争力。

案例：大众汽车公司的A平台中不同产品的零部件通用率达到69%。以此平台为基础，可以生产4种品牌（VW、Audi、Skoda、Seat）的19种车型。根据大众汽车公司估计，此举每年可以节约开发费用和设备投入约15亿美元。

（4）相同模块的重复组合配置出个性化的产品

其主要是在一些复杂产品的动力系统使用较多，如火箭发动机。

案例：2001年我国开发的新一代大推力运载火箭的发动机采用两个模组，一个是助推模组，推力为120吨力（正负20吨），采用液氧煤油发动机；另一个是箭身模组，推力为50～70吨力（地面推力50吨，太空推力70吨，正负20吨），采用液氢液氧发动机。按照不同发射任务的需要，各种模块可以像积木一样进行组合，总的组合方案超过1000种，可以满足我国未来较长一段时间内的所有的航天发射任务。

（5）可重构模块化系统

可重构模块化系统主要是通过模块重组快速适应不同的环境。

案例：可重构模块化生产系统是一种建立在标准化和模块化基础上的“柔性”制造系统。该制造系统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，向用户提供各种模块。用户可以迅速地建立起支持新产品生产的制造系统。当用户不再生产该产品时，该系统可以容易地被拆除，并将各模块退还给租赁公司。

——Rogers G G.Bottaci L.Modular production system：a new manufactur-ing paradigm[J].Journal of Intelligent Manufacturing，1997（8）.147—156.

4.成套装置模块化

（1）分布式装置

分布式装置是将大型整机分解为多个相同功能的小型整机，是一种自相似的分形结构，具有较大的使用灵活性、可重构性和可扩充性，并且可以形成整机的较大生产批量，降低制造成本，如模块化锅炉、模块化中央空调和分布式能源等。

案例1：模块化锅炉。多台小型模块锅炉可以任意组合成需要的大型锅炉，可以带来如下好处：①可靠性高：每台锅炉互为备用，运行安全性大大提高；②扩展性好：随着供热需求的不断变化，可以随时通过增加或减少锅炉台数，以较小的投资满足采暖的需要，不像单体大锅炉容量难以调整；③服务个性化：可以根据锅炉房的具体情况布置锅炉。例如，若锅炉房尺寸狭长，则模块锅炉也可以布置成狭长形式。该锅炉对锅炉房没有特殊要求，不需要投入巨额资金深挖基础、建造具有高等级防震能力的砖混结构锅炉房；④节能性好：可以快速调节以适应热负荷变化的需求。

——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.上海节能，2011（1）：35—39.

案例2：中央空调模块机。具有以下优点：①降低投资，布置灵活：模块机功率不大，可以采用风冷，布置极其灵活，无论是地面、平台和屋顶均可。同传统的水冷中央空调相比，不需要配备其他设施，如锅炉、冷却塔和专用机房等，大幅节约建筑空间和土建费用；②可控性好，节约电能：可以根据负荷大小的需要而进行自由组合，任意增减。可以实现多级能量调节及单元模块间负荷的均匀分配，合理匹配机组输出与负荷，使机组始终保持经济运行，节约电能；③使用方便，制冷速度快：冬季低温制热性能稳定，智能化霜迅速彻底；④振动小，噪声低，可靠性高，运行安全；⑤可以分级起动减小机组起动时对电网的冲击，并实现平均磨损；⑥维护方便，单台模块的维护，不影响其他模块的工作。

——百度百科.模块机[EB/OL].2017-02-12[2017-03-24].http：//baike.baidu.com/link？url=sVCyYX_4l5OKpZW1yWOWTNUyzkBab9beMnbjtJ3-TdG0TX2OyjYqHEX8FfgxPaqhyry1dfhvFANXfDuKHeFk23nwgTPkYdxjFrpr9wll-VvNh2DPrw13gR4_z7ml7rZ8oh.

（2）模块化成套装置

成套装置是由一些整机组成。成套装置的特点是个性化，并且往往需要在现场集成不同的整机。模块化成套装置可以提高整机的模块化水平，形成较大的批量，还可以减少运输和安装的难度，节约成本，并且能够提高安装质量。模块化成套装置，如模块化变电站和模块化空分设备等。

案例：变电工程模块化。根据国家电网的大数据系统评估，国家电网公司组织设计部门进行设计图纸的数据集中录入，根据相关图纸数据测评发现基本设计图纸相似度非常高，主设备产品集中度非常高，布局与分布方式十分类似，同电压等级变电工程从投资到场地再到布局，复合高度集中在几张图纸中，也就是说每个地方的设计院在用相同的方法，相同设计费用，设计相同的变电站，招标采购相同的设备，却在初期设计阶段浪费大量时间和精力，进行重复性的工程规划、估算概算等工作。因此，国家电网公司组建团队编写了《智能变电站模块化建设通用设计方案》和《智能变电站模块化建设技术导则》以及完成多项关键技术的典型施工图设计实例，建立变电工程模块化设计平台，按功能进行模块化设计。同时，模块化变电站实现工厂化生产，将各个功能模块运抵现场，现场进行简单的接线和联调即可，建造成本大幅度降低。

——李宾皑，翁之浩.智能变电站二次设备模块化设计技术[J].智能电网.2016，4（4）：437—440.

（3）撬块化成套装置^[68]

撬块是指利用模块化设计理念对各种工艺设备、工艺管道等进行打包，使其拥有独立的功能，可以整体搬迁运移和吊装。撬块化设计的优点如下。

1）安装简便。可以大幅度降低施工现场的人工消耗量，降低现场不利因素的影响，提高施工质量和施工安全性，保护环境。

2）建设周期缩短。减少了施工现场的安装量，有效缩短了项目建设周期，安装周期可以节约一半。

3）集成度高。集约性决定了设计紧凑，占地面积小，要求利用有限空间实现最佳配置效果。

4）可靠性高。在工厂内进行生产和组装，生产环境良好，可以充分利用工厂先进的生产和检测设备；简化操作程序，有利于运营中的安全生产。

5）节约投资。有效节约制造成本和安装成本。

6）设备噪声小、运行可靠。

撬块化设计已经应用于一些海外工程项目、大型海洋石油平台、空分设备和钻机等。

撬块化设计主要考虑撬块的划分、撬块间的连接以及撬块的制造、运输和安装。一般来讲，撬块的划分取决于运输和吊装因素，通常陆地运输会起到决定性因素。撬块化设计中的提前预制部分包括管子预制与支吊架预制，运输前用临时支架将管道设备支撑固定好，运到现场后将临时支架去除，安装上支吊架即可。

案例：Pharmadule的模块化工厂。Pharmadule是在制药和生物工程行业中领先的整体模块化工厂建造商，其在中国先后成功完成五个模块化工厂项目。该模块化工厂的主要特点是：①在制造企业中制造完成工厂需要的各种模块化整机，然后运输到现场安装，一般能降低30%左右的成本，缩短了工厂的建设周期；②在工厂组装的模块化整机具有很大的优势，因为在工厂内部进行模块组装比在安装现场进行模块组装更容易控制质量。另外，可以同时进行许多工艺性和安全性的验证，缩短了交货期。

——段晓佳.共同将模块化工厂建设推上新高度——访上海森松与瑞典法玛度[J].机电信息，2010（11）：57—59.