產品模塊化設計的應用研究

1 模塊化設計的概念

1.1 產品模塊化設計的概念

    從字面意義不難看出，“模塊化”是將產品按功能或者性能，區(qū)域性地進行重新分塊，是從完整個體到拆分的一種設計理念。但是在產品模塊化標準的定義中，是指將一個相對復雜的系統(tǒng)，通過若干個具有特定功能的子系統(tǒng)組合到一起，而這些子系統(tǒng)又可以作為通用性質的模塊運用到其他產品中，不同功能特性的模塊可以組合得到不同系列的產品。由此可見“模塊化”產品設計的思路則是由“個體→拆分→組合”的這樣一種模式。

1.2 模塊化設計方法的設計理念

    將“個體→拆分→組合”的這樣一種思維模式演變成一種設計方法，重點是如何在“拆分”的環(huán)節(jié)進行規(guī)劃和設計。假設一個產品，稱之為M,它是由不同的區(qū)域部件組成。這些部件通常會帶有特殊的功能和區(qū)域系統(tǒng)，例如電機部件、芯片部件、外機部件等。把這些主要的部件進行系統(tǒng)融合，通過結構鏈接成獨立的單元組件，稱之為“單元模塊”。劃分單元模塊之后，重新組裝成完整的產品，由此可以用這樣一個公式來表達： M（產品）=A （單元模塊）+B（單元模塊）+C （單元 模 塊）。

1.3 模塊的特質和作用

    單元模塊是模塊化設計中的最小單元，并且它具有相對獨立的工作環(huán)境和功能用途。實踐證明，通常有三大特性表征：

（1）相對獨立性，每個單元模塊之間相互獨立，在設計、生產、安裝、調試的過程中互不影響，對各企業(yè)之間的專業(yè)化生產提供便利。我們用公式來表達這一特征： A（單元 模 塊）、 B（單元模塊）和C（單元模塊）都是獨立的個體，如果需要某一單元模塊的升級或者革新，只需對其單獨進行調式和改進。例如將A（單元模塊）升級成A↑（單元模塊）或降低性能為A↓，那 么 產 品M的整體性能也得到了提升和降低，并且與B（單元模塊）和C（單元 模 塊）并 無 直 接 關 系。由此我們得到了這樣一個效應公式：如果提升了單元模塊，那么M↑= A↑+B+C，反之也同理。

（2）互換性，模塊采用標準化接口設計，易于實現各單元之間互換，從而可以最大程度上地滿足實際生產中對不同產品和不同數量的需求。從互換性的定義中不難看出，模塊化產品中相同單元模塊的接口是固定的，由此可以推算出其大多數單元模塊的體量，尺寸也是相同的，既有一些不被空間所限制的產品或者部件才會有不同。例如燈具產品，只要燈泡的卡扣合適，都可以與燈具線路部件進行連接或替換。就拿燈泡來說，接口標準化，但是不受空間的限制，燈罩的尺寸可以有所不同。假設A（單元模塊）的標準化接口和D（單元模塊）完全相 同，單元模 塊D可以與A進行替換 ，那 么M（產品）=D（單元模塊）+B（單元模塊）+C（單 元 模 塊），其 中 替 換 的D（單元 模塊）決定了產品M功能或性能的提升或 衰 減。完整的特質公式表達： M= D （or A ）+ B + C

（3）通用性，縱橫系列產品之間的單元模塊可以交互使用，提高了跨系列產品之間的使用率。產品體系的建立是各類產品深化發(fā)展的必然趨勢，及所謂的系列化。尤其是在工業(yè)設計產品中表現更加明顯。汽車是由上千個模塊化組成，每個模塊都具有獨立的功能和特性，這也是為什么最具有典型性，最具說明的模塊化設計。在汽車設計中，模塊的選擇，通常被“配置”這個詞所代替。高配置的車和標配車型的區(qū)別，僅僅是模塊化的使用有所刪減。大到發(fā)動機，智能控制系統(tǒng)，底盤的構架模塊的不同，小到汽車座椅，音響，內飾設計，都取決于模塊的選擇。而這些單元模塊最大的特點就是通用性，尤其是小單元模塊，不僅可以加裝，還可以替換，從而達到提高性能，增加功能的效果。在汽車品牌中，甚至出現不同汽車品牌共同使用單元模塊的現象，例如福特的發(fā)動機模塊作用于雪佛蘭，路虎等汽車。這樣的現象明顯降低了開發(fā)的成本，提高了跨系列產品的使用率和生產率。由這樣的現象得出了模塊化設計第三個通用性特質公式： M（產品）=A（單元模塊）+B（單元模塊）+X（通用單元模塊）。對于具有通用特點的單元模塊來說，可以交叉使用在不同的產品上，不僅降低了開發(fā)成本，也降低了制造成本資源共享是其通用性的最大優(yōu)點。

    模塊的特點決定了模塊化設計的思路。通過模塊化的改變，通常都直接或間接地對產品本身的性能和功能得到增強。

1.4 模塊化設計的優(yōu)缺點和局限性

    根據模塊的特點公式不難看出，模塊化設計中的單元模塊對產品本身都具有直接影響。這種直接作用也同樣具有利弊。其作用優(yōu)點：①采用標準模塊減少重復設計，降低人力物力，縮短研發(fā)周期；②批量化生產減小生產周期，更快速更有效地提高生產率；③產品升級可通過對標準模塊進行升級，不斷優(yōu)化產品設計從而提高了產品的實用性、安全性、穩(wěn)定性，以及增強了產品的市場競爭力和適應性；④模塊化設計和標準化設計是相輔相成的，產品的模塊化設計有利于其標準化形成，從而提高設計生產規(guī)范性。

    缺點：對于部分產品，如小型產品或低端產品成本會增加。體積比較小的高科技產品在模塊化設計階段，運用的技術則會更加繁瑣。同時增加開發(fā)、生產成本是必然的，尤其是在模塊化的測試階段，人力和財力的投入更加大。低端產品也同樣不適合完全模塊化方式的研發(fā)，特別是一些生活用具的開發(fā)，本省產品的使用壽命短，生產工藝都比較簡單就已經決定了成本的控制。盲目的模塊化運用反而會導致產品開發(fā)、生產、優(yōu)化的絆腳石。所以合理運用在實際生產中揚長避短，才是最科學的設計理念。

    雖然模塊化設計優(yōu)勢很明顯，理念很先進，但是它的缺點限制了應用范圍。一般而言，模塊化設計應用適用于批量大生產的產品，變相降低生產成本；其次是技術先進，對模塊化設計有可行性的產品。比如具有芯片、操作系統(tǒng)模塊、軸承類部件的產品；再者適用于結構大都相同或相似的產品，例如汽車類各組件，燈具，家具等體量較大，結構大同小異的產品。

1.5 模塊劃分的原則

    模塊劃分方法有兩點原則 ：（1）單個模塊應具有更高的獨立性和兼容性，即用最少種類的模塊組成盡量多的產品，且應具有高精度、低成本、性能穩(wěn)定和結構簡單等特點，也應該具有優(yōu)化升級的可能性。同理，因操作最頻繁容易故障的部件也可以通過模塊設計，達到便捷更換的目的。這一原則也應征了模塊化的相對獨立性和互換性的特點。相對獨立性公式： M↑= A↑+B+C中每個單元模塊獨立性要求非常高，便于產品設計組合時的可實行。A（單元模塊）的革新和優(yōu)化直接帶動產品整體性能的提高。一旦在調試過程中發(fā)現問題發(fā)現不足，或者發(fā)現可替代的技術或組件，升級成模塊進行替換，體現了M= D （or A ）+ B + C特質公式的含義

 （2）模塊的系列化，為最大限度地滿足用戶需求，同時兼顧經濟合理性，應盡量使用有限種類和規(guī)格的產品。在模塊通用性公式M=A+B±X中， X單元模塊使得產品M的功能或者性能發(fā)生了相對改變，通常這種作用是正面的，其最大的目的則是幫助產品在系列化的過程中，最大可能性地降低產品開發(fā)、生產的不必要浪費。

    這兩點原則也真實地闡明了模塊化設計的目標，為了使設計簡化、使成本降低 、使產品個性化 、使柔性提高 。由于研究對象和側重點的不同，模塊劃分的原則也不盡相同。主要有面向設計、制造、使用、裝配和維修、回收等生命周期的模塊劃分方向。

2 模塊化設計實例應用

    如圖1所示，這款家用插座設計運用了模塊設計的理念。經過結構分析和模塊劃分，插座主要分為裝飾面板、插座插口模塊、安裝板、開關盒四個部分。依照模塊劃分的原則，將原始插座的各個部分進行精簡，將更具兼容性的部分進行組合。厘清了插座的結構并進行分類歸總，如圖1所 示，把 裝 飾 面 板 和 插 口模塊整合成一個獨立的單元模塊，將導電組件整合成一個獨立鏈接單元模塊，同時將電線和開關盒設計成另一個獨立模塊。依次將這3個單元模塊進行命名A（面板插口單元模塊）、 B（導電單元模塊）和C（通電 底 座 單元 模 塊）。那 么簡單地說，整合部件功能后的插座M就是由A+B+C組成的。

    根據模塊的特質和作用中相對獨立性的特質。無論優(yōu)化模塊的哪一個部分都會使得插座本身的功能或性能得到提高。在此款插座設計中，從A模塊出發(fā)，進行模塊優(yōu)化。綠色的部分為兩孔插座面板上的立面槽，這樣的設計使得兩孔插座A2模塊如圖2所示具有了一個新的功能，起到了按壓插頭時，限制插頭滑動范圍，引導其進入插孔。其次，梯形的面板模塊設計經過測試，如圖2所示成功地提高了它的使用性能，尤其是在夜間，顯著提高了插頭的使用效率和準確率。

    模塊化設計的互換性取決于模塊的接口設計是否標準化。通過結構設計如圖3所 示，單 元 模 塊A2與單元模塊B的鏈接方式從原本固定的方式轉化為卡扣式。這種方式不僅便于拆卸，方便更換，在維修過程中也能夠以模塊為單位進行修理。通常情況下通用底座單元模塊C出現問題的幾率較小，它是線路整合的區(qū)域部分。模 塊A2的故障幾率高于其他模塊，依據模塊劃分的原則：因操作最頻繁容易故障的部件也可以通過模塊設計，達到便捷更換的目的，這也是為什么重點設計模塊A2的原因。

    如圖3所 示，按照圖中的箭頭順序進行模塊的取出，反之，逆順序則是產品的組裝順序。由此可見模塊化設計不僅讓產品進行了零部件的整合，而且還優(yōu)化了產品的結構。結構的優(yōu)化最直接的效果則是操作的簡便化。

    模塊化設計的第三個通用性特征對于產品來說擴大了不同的品種和規(guī)格，從用戶角度來說最大限度地滿足用戶需求，同時兼顧經濟合理性。對模塊進行系列化設計，用同樣的設計元素和創(chuàng)意思維去設計三孔插座模塊A3。排列組合是比較直觀的手段去擴展系列化產品的方式。如圖4所 示 ，根 據 人 群 的不同需求進行模塊和A3的組合。就能提高更大的實用性和適應性。對于這款概念家用插座來說，從結構角度考慮，只要通過模塊C的重新設計就能夠實現3聯排， 4聯排整體插座的設計。但是對于這款產品來說，只要設計出一款插座固定面板就可以實現。由此可見，模塊化設計同樣能夠在一定范圍內提高產品種類的增加。這種方式避免了一些不必要的浪費，其使用和花費更加合理，經濟性得到了明顯提升。

3 模塊化優(yōu)化效果及趨勢

    依據以上的家用插座案例設計分析可以發(fā)現：結構被優(yōu)化，更加整體，組件減少。插座的增加了新的功能，性能得到了提升；拆卸、組裝加簡單化；組合方式更加人性化。經過大量的設計理念和方法研究，都可以發(fā)現其優(yōu)點和弊端。如何將優(yōu)勢大于缺點是每個設計理念和設計法則所研究的根本。模塊化設計雖然不是前沿的設計理念，但是確實對產品的優(yōu)化起到了非常有效的作用。對于未來產品設計而言，模塊化設計依然會成為設計的主要思想之一。它適應的廣泛性，思考的合理性讓這種理念能夠貫穿于更多的設計之中，并得到更廣泛的認知和推送。