航空工程与维修
AVIATION ENGINEERING & MAINTENANCE
1999年　第6期　No.6　1999



模块化设计和制造的发展趋势
The Development Direction of the Modularization Design and Manufacturing
曹韵红
　　模块化设计和制造的研究开始于50年代末60年代初。80年代初以来，由于CAD技术和成组技术的发展，推动着模块化设计和制造的进一步发展。
　　当前，制造业进入了买方市场，顾客对产品的多样化和个性化的要求越来越高；同时由于市场的全球化，企业间的竞争越来越激烈，顾客对产品的交货期和价格的要求也越来越高。为了适应这种新的竞争环境，企业将越来越多地采用模块化设计和制造技术。
　　模块化设计和制造技术的核心是以少变应付多变，以产品内部的标准化对付外部的个性化和多样化，用少量模块组合成尽可能多的品种，优质、高效、最大限度地满足不同用户的需求。
　　当前的模块化设计和制造的发展趋势有以下特点：从产品的生命周期看，模块化设计和模块化制造相结合，使产品真正实现大批量定制生产；从生产模式看，绝然不同的生产模式（大批量生产模式和单件生产模式）也在朝同一个方向，即模块化设计和制造方向转变；从产品的模块化结构看，机械、电子和软件的分立模块在向机电一体化模块方向转变；从模块化技术看，模块化设计和CAD技术正更紧密地结合；从设计方法看，模块化设计不仅用于产品的变型设计，也越来越多地用于产品的创新设计。
模块化设计和模块化制造相结合
　　要降低产品成本和缩短生产周期，仅有模块化设计是远远不够的，需要将模块化设计和模块化制造结合起来。所谓模块化制造，是将不同产品的相同模块集中在某一个或几个专业化企业生产，这样可以形成单件小批量生产环境中的规模经济，以大批量的效益进行单件小批量的生产。
　　例如，我国台湾省的数控机床业的发展较快，在国际市场上有较大的竞争能力，其中很重要的原因是：
　　（1）市场驱动，用户需要什么产品就生产什么产品，千方百计满足顾客需要。
　　（2）产品模块化程度高。一些厂家的不同产品都采用相同的模块，如刀库机械手和主轴部件。
　　（3）制造企业的模块化。企业规模小，分工专业化。整机厂的外配件在60％以上，所以每个厂都有一百到几百个协作厂，厂际协作网络非常发达。结果是，各厂投资少，生产周期短，占用流动资金少，市场响应快，生产效率高。
　　（4）过程的标准化。多数企业获得了ISO9002质量体系认证，少数企业已获ISOl4000（环保标准）认证。在工厂内部，质量要求和各岗位考核相一致。
　　21世纪的制造模式——敏捷制造方式，就是建立在虚拟企业的基础上的。虚拟企业由一些分散的模块化企业所组成。各企业好像一些标准插件，可以在一个兼容机座上互插而形成一个新企业。虚拟企业的创建，如同不同厂家制造的家用音响和视频系统的组合部件一样简单便捷。虚拟企业追求的目标是：使产品成本与批量无关；从产品看是单件生产，而从具体的设计和制造部门看，却是大批量生产；高度柔性的、模块化的、可伸缩的制造系统的规模是有限的，但在同一系统内可生产出的产品品种却是无限的。
传统大批量生产模式向模块化设计和制造方向转变
　　传统大批量生产模式（典型例子是汽车工业）也在发生着变化。为了减少库存、提高质量，日本丰田公司率先提出了准时制造模式，并进一步发展成为一种称之为精益生产的模式。
　　近年来，传统大批量生产模式加速向模块化设计和制造方向转变。如汽车销售处于买方市场，顾客需求变化很快，大公司都实行“以（订）单生产”。1996年，福特公司顾永平率先在汽车工业历史上实现了发动机的模块设计，即对6缸、8缸、10缸和12缸等不同规格的发动机结构进行调整，使其绝大部分组件都能通用，以尽可能少的规格部件实现最大的灵活组合。这一设计的突破不但使得发动机本身的生产工艺得以简化，而且引起了生产线结构的革命。以前，不同型号的发动机各有专门的生产线，不能互用。常常一边生产线闲置，另一边却忙得不可开交，既浪费生产能力，又贻误商机。目前，挑起福特公司整车模块设计的目标是在不显著改变现有型号外观尺寸的前提下，对整车重要组件作可置换的多种规格设计，如减轻重量、节省油耗、提高效率等，以增强适应市场变化的能力。
传统单件生产模式向模块化设计和制造转变
　　由于计算机技术和成组技术的发展，以及制造的全球化和网络化，传统单件生产模式也在加速向模块化设计和制造方向转变。例如，传统的造船模式是一种最典型的单件生产模式，而现代造船模式则是一种模块化设计和制造模式。
　　现代造船模式是在成组技术的基础上进行分段建造和预舾装的模式，是以“中间产品”为导向的专业化生产。所谓“中间产品”实质上是指“区域”，而“区域”具体地说就是指“零件”、“组件”、“分段”、“舾装单元”、“总段”、“模块”和“调试”、“试航”等特定的作业。这样就可以以“中间产品”的生产为目标来组织专业化的生产线，如型材生产线、管子生产线、部件生产线等，进一步提高生产效率。同时大量的手工操作由机器设备代替，并利用计算机的数据处理技术，分析生产过程，实行作业标准化控制和精度控制，采用托盘集配实施准流水线生产等，使得船体建造、舾装和涂装三种不同类型的作业相互协调和有机结合。
机械、电子和软件的分立模块向机电一体化模块转变
　　现代机械产品的发展方向是机电一体化。越来越多的产品采用了分布化控制的子系统，这些子系统通过相互协作，共同完成某一任务。这种分布化系统具有很好的可扩展性和可靠性。
　　例如，国外研究的基于分形原理的机器人由许多自身带控制电机的立方体块组成的，在计算机控制下可在几秒钟内组成一种新的机器。它可以爬过很陡的山。如果它足够小的话，还可以通过人体。
　　显然，这里的子系统是高度模块化的，它融合了机械、电子和软件三大部分。这种机电一体化模块代表了未来产品的发展方向，它将具有一些新的特点：
　　（1）高度自主性。作为单个模块，它可以完成某些功能，如移动、检测和施力等。
　　（2）很好的协调性。与其他模块可以容易地构成协调性很好的系统。
　　（3）自组织性。各不同模块间能通过自组织方式形成人们所希望的产品，不需要让人花费很多精力进行设计。
　　随着微处理器的性能价格比的迅速提高，以及随着微机械技术的迅速发展，各种机电一体化模块将越来越多出现市场上。利用这些机电一体化模块，人们可以迅速方便地设计和制造出各种新的机电一体化产品。
模块化设计技术和CAD技术的结合
　　计算机的迅速发展，使CAD技术深入到制造行业的各方面。模块化设计思想要求设计人员采用计算机辅助设计，快速检索以往的设计信息，在此基础上经少量修改，迅速满足用户需求。将模块化设计和CAD结合起来，建立产品模块库，利用计算机集成、设计、管理、仿真和评价模块，已成为当今制造业的发展趋势。
　　目前许多CAD系统都能通过参数化设计等方法支持产品的模块化设计。国际标准化组织还制订了零件库国际标准（ISOl3584）。
模块化设计与创新设计的结合
　　对于制造业来说，21世纪的竞争的核心将是新产品的竞争。我国要想在竞争中获胜，必须提高我国制造业的新产品开发能力。
　　模块化设计可以有效支持产品创新设计。因为产品创新设计并不意味产品中所有的零部件都是新的，在产品创新设计中充分利用现有资源，可以显著缩短设计周期、降低产品成本。但还需要进一步完善模块化设计方法，需要研究模块化创造性设计模型和问题求解模式；需要建立基于专家知识的模块化设计模型；需要研制开发模块化设计的通用工具软件系统，基于该软件系统，能够根据各企业不同产品类型和制造环境，进一步研制适用于各企业的模块化设计专用软件系统；需要建立比较完整的、检索方便的产品模块库。
　　良好的模块化设计和制造环境对于产品创新设计是极为有利的。创新设计者可以将主要精力集中在创新点上，而非创新部分的设计和制造可以充分利用社会资源实现。
　　由于顾客需求的多样化趋势，模块化设计在产品创新中的作用越来越大。例如，基于技术平台的衍生性创新集群是企业在特定的技术平台上开展创新活动所形成的创新集群。这种创新集群将模块化设计与创新设计进行了很好的结合，以满足市场的差异化需求。
　　日本索尼公司在“随身听”产品的创新中，根据不同消费者的偏好和消费习惯，有针对性地推出不同风格和类型的“随身听”，形成一个庞大的“随身听”创新产品集群。索尼公司之所以能在短时期内推出这么多种“随身听”产品，是因为对产品的创新中采用了模块化设计技术，即在不改变主要生产技术和产品元件的条件下，通过局部变动产品设计改变产品的一些辅助功能。例如，为满足儿童使用需求而使产品更小巧，为满足在运动中使用的需要而提高产品的防振性能，为满足在海滩娱乐中使用的需要而增加防水性能等。在进行这些局部变动时，产品的一些主要结构和元器件，尤其是利用企业关键技术生产的元器件，如微电机、超薄机身，“口香糖型”充电电池等都是不变部分的生产技术称为平台性技术，一组平台性技术的集合称为一个技术平台。根据用户的不同需要，以这个技术平台为基础进行局部创新就可以生产出不同型号的产品，形成一个创新产品集群。□
作者单位：杭州应用工程技术学院
