产品模块化设计的应用研究

1 模块化设计的概念

1.1 产品模块化设计的概念

    从字面意义不难看出，“模块化”是将产品按功能或者性能，区域性地进行重新分块，是从完整个体到拆分的一种设计理念。但是在产品模块化标准的定义中，是指将一个相对复杂的系统，通过若干个具有特定功能的子系统组合到一起，而这些子系统又可以作为通用性质的模块运用到其他产品中，不同功能特性的模块可以组合得到不同系列的产品。由此可见“模块化”产品设计的思路则是由“个体→拆分→组合”的这样一种模式。

1.2 模块化设计方法的设计理念

    将“个体→拆分→组合”的这样一种思维模式演变成一种设计方法，重点是如何在“拆分”的环节进行规划和设计。假设一个产品，称之为M,它是由不同的区域部件组成。这些部件通常会带有特殊的功能和区域系统，例如电机部件、芯片部件、外机部件等。把这些主要的部件进行系统融合，通过结构链接成独立的单元组件，称之为“单元模块”。划分单元模块之后，重新组装成完整的产品，由此可以用这样一个公式来表达： M（产品）=A （单元模块）+B（单元模块）+C （单元 模 块）。

1.3 模块的特质和作用

    单元模块是模块化设计中的最小单元，并且它具有相对独立的工作环境和功能用途。实践证明，通常有三大特性表征：

（1）相对独立性，每个单元模块之间相互独立，在设计、生产、安装、调试的过程中互不影响，对各企业之间的专业化生产提供便利。我们用公式来表达这一特征： A（单元 模 块）、 B（单元模块）和C（单元模块）都是独立的个体，如果需要某一单元模块的升级或者革新，只需对其单独进行调式和改进。例如将A（单元模块）升级成A↑（单元模块）或降低性能为A↓，那 么 产 品M的整体性能也得到了提升和降低，并且与B（单元模块）和C（单元 模 块）并 无 直 接 关 系。由此我们得到了这样一个效应公式：如果提升了单元模块，那么M↑= A↑+B+C，反之也同理。

（2）互换性，模块采用标准化接口设计，易于实现各单元之间互换，从而可以最大程度上地满足实际生产中对不同产品和不同数量的需求。从互换性的定义中不难看出，模块化产品中相同单元模块的接口是固定的，由此可以推算出其大多数单元模块的体量，尺寸也是相同的，既有一些不被空间所限制的产品或者部件才会有不同。例如灯具产品，只要灯泡的卡扣合适，都可以与灯具线路部件进行连接或替换。就拿灯泡来说，接口标准化，但是不受空间的限制，灯罩的尺寸可以有所不同。假设A（单元模块）的标准化接口和D（单元模块）完全相 同，单元模 块D可以与A进行替换 ，那 么M（产品）=D（单元模块）+B（单元模块）+C（单 元 模 块），其 中 替 换 的D（单元 模块）决定了产品M功能或性能的提升或 衰 减。完整的特质公式表达： M= D （or A ）+ B + C

（3）通用性，纵横系列产品之间的单元模块可以交互使用，提高了跨系列产品之间的使用率。产品体系的建立是各类产品深化发展的必然趋势，及所谓的系列化。尤其是在工业设计产品中表现更加明显。汽车是由上千个模块化组成，每个模块都具有独立的功能和特性，这也是为什么最具有典型性，最具说明的模块化设计。在汽车设计中，模块的选择，通常被“配置”这个词所代替。高配置的车和标配车型的区别，仅仅是模块化的使用有所删减。大到发动机，智能控制系统，底盘的构架模块的不同，小到汽车座椅，音响，内饰设计，都取决于模块的选择。而这些单元模块最大的特点就是通用性，尤其是小单元模块，不仅可以加装，还可以替换，从而达到提高性能，增加功能的效果。在汽车品牌中，甚至出现不同汽车品牌共同使用单元模块的现象，例如福特的发动机模块作用于雪佛兰，路虎等汽车。这样的现象明显降低了开发的成本，提高了跨系列产品的使用率和生产率。由这样的现象得出了模块化设计第三个通用性特质公式： M（产品）=A（单元模块）+B（单元模块）+X（通用单元模块）。对于具有通用特点的单元模块来说，可以交叉使用在不同的产品上，不仅降低了开发成本，也降低了制造成本资源共享是其通用性的最大优点。

    模块的特点决定了模块化设计的思路。通过模块化的改变，通常都直接或间接地对产品本身的性能和功能得到增强。

1.4 模块化设计的优缺点和局限性

    根据模块的特点公式不难看出，模块化设计中的单元模块对产品本身都具有直接影响。这种直接作用也同样具有利弊。其作用优点：①采用标准模块减少重复设计，降低人力物力，缩短研发周期；②批量化生产减小生产周期，更快速更有效地提高生产率；③产品升级可通过对标准模块进行升级，不断优化产品设计从而提高了产品的实用性、安全性、稳定性，以及增强了产品的市场竞争力和适应性；④模块化设计和标准化设计是相辅相成的，产品的模块化设计有利于其标准化形成，从而提高设计生产规范性。

    缺点：对于部分产品，如小型产品或低端产品成本会增加。体积比较小的高科技产品在模块化设计阶段，运用的技术则会更加繁琐。同时增加开发、生产成本是必然的，尤其是在模块化的测试阶段，人力和财力的投入更加大。低端产品也同样不适合完全模块化方式的研发，特别是一些生活用具的开发，本省产品的使用寿命短，生产工艺都比较简单就已经决定了成本的控制。盲目的模块化运用反而会导致产品开发、生产、优化的绊脚石。所以合理运用在实际生产中扬长避短，才是最科学的设计理念。

    虽然模块化设计优势很明显，理念很先进，但是它的缺点限制了应用范围。一般而言，模块化设计应用适用于批量大生产的产品，变相降低生产成本；其次是技术先进，对模块化设计有可行性的产品。比如具有芯片、操作系统模块、轴承类部件的产品；再者适用于结构大都相同或相似的产品，例如汽车类各组件，灯具，家具等体量较大，结构大同小异的产品。

1.5 模块划分的原则

    模块划分方法有两点原则 ：（1）单个模块应具有更高的独立性和兼容性，即用最少种类的模块组成尽量多的产品，且应具有高精度、低成本、性能稳定和结构简单等特点，也应该具有优化升级的可能性。同理，因操作最频繁容易故障的部件也可以通过模块设计，达到便捷更换的目的。这一原则也应征了模块化的相对独立性和互换性的特点。相对独立性公式： M↑= A↑+B+C中每个单元模块独立性要求非常高，便于产品设计组合时的可实行。A（单元模块）的革新和优化直接带动产品整体性能的提高。一旦在调试过程中发现问题发现不足，或者发现可替代的技术或组件，升级成模块进行替换，体现了M= D （or A ）+ B + C特质公式的含义

 （2）模块的系列化，为最大限度地满足用户需求，同时兼顾经济合理性，应尽量使用有限种类和规格的产品。在模块通用性公式M=A+B±X中， X单元模块使得产品M的功能或者性能发生了相对改变，通常这种作用是正面的，其最大的目的则是帮助产品在系列化的过程中，最大可能性地降低产品开发、生产的不必要浪费。

    这两点原则也真实地阐明了模块化设计的目标，为了使设计简化、使成本降低 、使产品个性化 、使柔性提高 。由于研究对象和侧重点的不同，模块划分的原则也不尽相同。主要有面向设计、制造、使用、装配和维修、回收等生命周期的模块划分方向。

2 模块化设计实例应用

    如图1所示，这款家用插座设计运用了模块设计的理念。经过结构分析和模块划分，插座主要分为装饰面板、插座插口模块、安装板、开关盒四个部分。依照模块划分的原则，将原始插座的各个部分进行精简，将更具兼容性的部分进行组合。厘清了插座的结构并进行分类归总，如图1所 示，把 装 饰 面 板 和 插 口模块整合成一个独立的单元模块，将导电组件整合成一个独立链接单元模块，同时将电线和开关盒设计成另一个独立模块。依次将这3个单元模块进行命名A（面板插口单元模块）、 B（导电单元模块）和C（通电 底 座 单元 模 块）。那 么简单地说，整合部件功能后的插座M就是由A+B+C组成的。

    根据模块的特质和作用中相对独立性的特质。无论优化模块的哪一个部分都会使得插座本身的功能或性能得到提高。在此款插座设计中，从A模块出发，进行模块优化。绿色的部分为两孔插座面板上的立面槽，这样的设计使得两孔插座A2模块如图2所示具有了一个新的功能，起到了按压插头时，限制插头滑动范围，引导其进入插孔。其次，梯形的面板模块设计经过测试，如图2所示成功地提高了它的使用性能，尤其是在夜间，显著提高了插头的使用效率和准确率。

    模块化设计的互换性取决于模块的接口设计是否标准化。通过结构设计如图3所 示，单 元 模 块A2与单元模块B的链接方式从原本固定的方式转化为卡扣式。这种方式不仅便于拆卸，方便更换，在维修过程中也能够以模块为单位进行修理。通常情况下通用底座单元模块C出现问题的几率较小，它是线路整合的区域部分。模 块A2的故障几率高于其他模块，依据模块划分的原则：因操作最频繁容易故障的部件也可以通过模块设计，达到便捷更换的目的，这也是为什么重点设计模块A2的原因。

    如图3所 示，按照图中的箭头顺序进行模块的取出，反之，逆顺序则是产品的组装顺序。由此可见模块化设计不仅让产品进行了零部件的整合，而且还优化了产品的结构。结构的优化最直接的效果则是操作的简便化。

    模块化设计的第三个通用性特征对于产品来说扩大了不同的品种和规格，从用户角度来说最大限度地满足用户需求，同时兼顾经济合理性。对模块进行系列化设计，用同样的设计元素和创意思维去设计三孔插座模块A3。排列组合是比较直观的手段去扩展系列化产品的方式。如图4所 示 ，根 据 人 群 的不同需求进行模块和A3的组合。就能提高更大的实用性和适应性。对于这款概念家用插座来说，从结构角度考虑，只要通过模块C的重新设计就能够实现3联排， 4联排整体插座的设计。但是对于这款产品来说，只要设计出一款插座固定面板就可以实现。由此可见，模块化设计同样能够在一定范围内提高产品种类的增加。这种方式避免了一些不必要的浪费，其使用和花费更加合理，经济性得到了明显提升。

3 模块化优化效果及趋势

    依据以上的家用插座案例设计分析可以发现：结构被优化，更加整体，组件减少。插座的增加了新的功能，性能得到了提升；拆卸、组装加简单化；组合方式更加人性化。经过大量的设计理念和方法研究，都可以发现其优点和弊端。如何将优势大于缺点是每个设计理念和设计法则所研究的根本。模块化设计虽然不是前沿的设计理念，但是确实对产品的优化起到了非常有效的作用。对于未来产品设计而言，模块化设计依然会成为设计的主要思想之一。它适应的广泛性，思考的合理性让这种理念能够贯穿于更多的设计之中，并得到更广泛的认知和推送。