產(chǎn)品模塊化設(shè)計的應(yīng)用研究

1 模塊化設(shè)計的概念

1.1 產(chǎn)品模塊化設(shè)計的概念

    從字面意義不難看出，“模塊化”是將產(chǎn)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(shè)計理念。但是在產(chǎn)品模塊化標(biāo)準(zhǔn)的定義中，是指將一個相對復(fù)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(zhì)的模塊運用到其他產(chǎn)品中，不同功能特性的模塊可以組合得到不同系列的產(chǎn)品。由此可見“模塊化”產(chǎn)品設(shè)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(shè)計方法的設(shè)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(shè)計方法，重點是如何在“拆分”的環(huán)節(jié)進行規(guī)劃和設(shè)計。假設(shè)一個產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)品，由此可以用這樣一個公式來表達： M（產(chǎn)品）=A （單元模塊）+B（單元模塊）+C （單元 模 塊）。

1.3 模塊的特質(zhì)和作用

    單元模塊是模塊化設(shè)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(shè)計、生產(chǎn)、安裝、調(diào)試的過程中互不影響，對各企業(yè)之間的專業(yè)化生產(chǎn)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(diào)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(chǎn) 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(guān) 系。由此我們得到了這樣一個效應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計，易于實現(xiàn)各單元之間互換，從而可以最大程度上地滿足實際生產(chǎn)中對不同產(chǎn)品和不同數(shù)量的需求。從互換性的定義中不難看出，模塊化產(chǎn)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(shù)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(chǎn)品或者部件才會有不同。例如燈具產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)化，但是不受空間的限制，燈罩的尺寸可以有所不同。假設(shè)A（單元模塊）的標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(chǎn)品M功能或性能的提升或 衰 減。完整的特質(zhì)公式表達： M= D （or A ）+ B + C

（3）通用性，縱橫系列產(chǎn)品之間的單元模塊可以交互使用，提高了跨系列產(chǎn)品之間的使用率。產(chǎn)品體系的建立是各類產(chǎn)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(shè)計產(chǎn)品中表現(xiàn)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(shè)計。在汽車設(shè)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(biāo)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(gòu)架模塊的不同，小到汽車座椅，音響，內(nèi)飾設(shè)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(xiàn)不同汽車品牌共同使用單元模塊的現(xiàn)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(xiàn)象明顯降低了開發(fā)的成本，提高了跨系列產(chǎn)品的使用率和生產(chǎn)率。由這樣的現(xiàn)象得出了模塊化設(shè)計第三個通用性特質(zhì)公式： M（產(chǎn)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(chǎn)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(shè)計的思路。通過模塊化的改變，通常都直接或間接地對產(chǎn)品本身的性能和功能得到增強。

1.4 模塊化設(shè)計的優(yōu)缺點和局限性

    根據(jù)模塊的特點公式不難看出，模塊化設(shè)計中的單元模塊對產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)模塊減少重復(fù)設(shè)計，降低人力物力，縮短研發(fā)周期；②批量化生產(chǎn)減小生產(chǎn)周期，更快速更有效地提高生產(chǎn)率；③產(chǎn)品升級可通過對標(biāo)準(zhǔn)模塊進行升級，不斷優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計從而提高了產(chǎn)品的實用性、安全性、穩(wěn)定性，以及增強了產(chǎn)品的市場競爭力和適應(yīng)性；④模塊化設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計是相輔相成的，產(chǎn)品的模塊化設(shè)計有利于其標(biāo)準(zhǔn)化形成，從而提高設(shè)計生產(chǎn)規(guī)范性。

    缺點：對于部分產(chǎn)品，如小型產(chǎn)品或低端產(chǎn)品成本會增加。體積比較小的高科技產(chǎn)品在模塊化設(shè)計階段，運用的技術(shù)則會更加繁瑣。同時增加開發(fā)、生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品的使用壽命短，生產(chǎn)工藝都比較簡單就已經(jīng)決定了成本的控制。盲目的模塊化運用反而會導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、優(yōu)化的絆腳石。所以合理運用在實際生產(chǎn)中揚長避短，才是最科學(xué)的設(shè)計理念。

    雖然模塊化設(shè)計優(yōu)勢很明顯，理念很先進，但是它的缺點限制了應(yīng)用范圍。一般而言，模塊化設(shè)計應(yīng)用適用于批量大生產(chǎn)的產(chǎn)品，變相降低生產(chǎn)成本；其次是技術(shù)先進，對模塊化設(shè)計有可行性的產(chǎn)品。比如具有芯片、操作系統(tǒng)模塊、軸承類部件的產(chǎn)品；再者適用于結(jié)構(gòu)大都相同或相似的產(chǎn)品，例如汽車類各組件，燈具，家具等體量較大，結(jié)構(gòu)大同小異的產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)品，且應(yīng)具有高精度、低成本、性能穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)簡單等特點，也應(yīng)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(shè)計，達到便捷更換的目的。這一原則也應(yīng)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(chǎn)品設(shè)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(chǎn)品整體性能的提高。一旦在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)問題發(fā)現(xiàn)不足，或者發(fā)現(xiàn)可替代的技術(shù)或組件，升級成模塊進行替換，體現(xiàn)了M= D （or A ）+ B + C特質(zhì)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(jīng)濟合理性，應(yīng)盡量使用有限種類和規(guī)格的產(chǎn)品。在模塊通用性公式M=A+B±X中， X單元模塊使得產(chǎn)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(chǎn)品在系列化的過程中，最大可能性地降低產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)的不必要浪費。

    這兩點原則也真實地闡明了模塊化設(shè)計的目標(biāo)，為了使設(shè)計簡化、使成本降低 、使產(chǎn)品個性化 、使柔性提高 。由于研究對象和側(cè)重點的不同，模塊劃分的原則也不盡相同。主要有面向設(shè)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(shè)計實例應(yīng)用

    如圖1所示，這款家用插座設(shè)計運用了模塊設(shè)計的理念。經(jīng)過結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)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(dǎo)電組件整合成一個獨立鏈接單元模塊，同時將電線和開關(guān)盒設(shè)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(dǎo)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(jù)模塊的特質(zhì)和作用中相對獨立性的特質(zhì)。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(shè)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(shè)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(dǎo)其進入插孔。其次，梯形的面板模塊設(shè)計經(jīng)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(zhǔn)確率。

    模塊化設(shè)計的互換性取決于模塊的接口設(shè)計是否標(biāo)準(zhǔn)化。通過結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)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(xiàn)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(jù)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(shè)計，達到便捷更換的目的，這也是為什么重點設(shè)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(chǎn)品的組裝順序。由此可見模塊化設(shè)計不僅讓產(chǎn)品進行了零部件的整合，而且還優(yōu)化了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化最直接的效果則是操作的簡便化。

    模塊化設(shè)計的第三個通用性特征對于產(chǎn)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(jīng)濟合理性。對模塊進行系列化設(shè)計，用同樣的設(shè)計元素和創(chuàng)意思維去設(shè)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(chǎn)品的方式。如圖4所 示 ，根 據(jù) 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(yīng)性。對于這款概念家用插座來說，從結(jié)構(gòu)角度考慮，只要通過模塊C的重新設(shè)計就能夠?qū)崿F(xiàn)3聯(lián)排， 4聯(lián)排整體插座的設(shè)計。但是對于這款產(chǎn)品來說，只要設(shè)計出一款插座固定面板就可以實現(xiàn)。由此可見，模塊化設(shè)計同樣能夠在一定范圍內(nèi)提高產(chǎn)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(jīng)濟性得到了明顯提升。

3 模塊化優(yōu)化效果及趨勢

    依據(jù)以上的家用插座案例設(shè)計分析可以發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)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(jīng)過大量的設(shè)計理念和方法研究，都可以發(fā)現(xiàn)其優(yōu)點和弊端。如何將優(yōu)勢大于缺點是每個設(shè)計理念和設(shè)計法則所研究的根本。模塊化設(shè)計雖然不是前沿的設(shè)計理念，但是確實對產(chǎn)品的優(yōu)化起到了非常有效的作用。對于未來產(chǎn)品設(shè)計而言，模塊化設(shè)計依然會成為設(shè)計的主要思想之一。它適應(yīng)的廣泛性，思考的合理性讓這種理念能夠貫穿于更多的設(shè)計之中，并得到更廣泛的認知和推送。