模块化生产方式

第二节　模块化生产方式

20世纪90年代以来，模块化原理广泛用于信息产业、家电产品以及飞机、汽车制造业等领域的产品设计和生产制造。模块化生产方式因其高效、动态、敏捷等诸多优点，在现代生产中发挥着越来越重要的作用。模块化生产方式的突出优点表现在以下几个方面：

一、模块化生产实现大规模定制

为适应市场竞争日益激烈的新形势和满足顾客日益多样化的需求，一种新的生产方式即大规模定制应运而生。大规模定制（Mass Customization）是指对定制的产品和服务进行个别的大规模生产，这种生产模式试图把大规模生产和定制生产这两种生产模式的优势有机地结合起来，在不牺牲企业经济效益的前提下，了解并满足单个客户的需求。大规模定制采用的基本方法是，将定制产品的制造问题通过产品重组和过程重组转化为或部分转化为批量制造问题，即提供给用户的是全新的、定制的个性化产品。然而，在大规模的定制中遇到的最大挑战是产品丰富化带来的成本增加。鱼与熊掌能否兼得呢？模块化生产方式的出现为我们提供了破解这一难题的答案。

模块化生产方式由于具有高度的柔性化特征，日益成为实现大规模定制的重要手段。下面通过与其他生产方式进行对比分析，说明模块化生产方式所具有的优势。

一般而言，常用的生产模式有如下几种，各种生产模式特点见表14-1。

（1）刚性的高度自动化生产线。大批量生产中的生产线将生产过程分得很细，对于提高生产率和保证产品质量具有重要意义，但系统柔性差，仅局限于很少一些产品，生产准备时间长。显然这种刚性的、高度自动化的生产线不能适应用户对产品的多样化需求，不能满足大批量定制生产的需要。

（2）机群式车间。机群式车间按工种功能进行组织结构分解和机床布置。其优点是柔性较大，但效率不高，生产周期长，管理复杂。

（3）组合机床生产线。组合机床生产线比起传统的刚性生产线具有较大的柔性，比较适合批量较大的复杂零件的加工。对于大批量定制生产的实现要求来讲，还存在以下问题：当产品结构有较大变化时，该设备可能会过时，造成浪费；对批量较小的零件生产并不适合，可能会使新产品的成本居高不下，缺乏竞争力；设备的交货期还是显得比较长，不能快速满足用户的需要。

（4）柔性制造系统。柔性制造系统是一种运用系统工程、成组技术和机电一体化技术，使多品种小批量生产达到整体优化的自动化加工手段。这是一种采用数控加工机床、自动化输出装置、自动更换和存贮刀具、夹具及工件的装置以及计算机控制系统构成的可以变换多种加工对象的综合自动化加工系统，没有固定加工顺序和节拍的、在加工某种工件时能在不停机调整的条件下，自动向另一种工件转换的制造系统。柔性制造系统存在的问题是：投资大；系统复杂，控制和管理难度大；其柔性限制在一定范围内，只能加工某一大类的零件。

（5）单元制造系统和独立制造岛。单元制造系统和独立制造岛是将某一类零件集中在一起加工，并将加工这类零件所需的机床集中在一起，从而减少物流路线，提高生产效率和加工质量，简化生产管理，并为工人提供了更多的学习机会，使工人有更多的自主权。单元制造系统和独立制造岛比较适合多品种小批量制造企业中大量的相似零件的加工制造。

（6）虚拟企业式制造系统。为了解决以大批量的效益进行定制产品的生产的问题，美国的先进制造技术计划中将敏捷制造作为美国的21世纪制造战略。敏捷制造将制造系统空间扩展到全国，通过全美工厂网络建立信息交流高速公路，建立全新的企业——“虚拟企业”或“虚拟公司”，以竞争能力和信誉为依据选择合作伙伴组成动态公司，进行企业大联合，共同冒险，共同获利。这是利用信息技术打破时空阻隔的一种新型企业，是由一批为了完成某一特定任务，利用电子手段在短时间内迅速建立起灵活关系的合作者所构成的协作网络，它不同于传统观念上的企业。虚拟企业从策略上讲，不强调企业的全能，也不强调一个产品从头到尾都是自己去开发、制造。但虚拟企业要求的基本条件特别高，在许多国家中难以实现：已建立起能将正确的信息在正确的时间送给正确的人的信息高速公路；已建立起大量的分工合理的专业化的模块化企业；在社会上相互信任、相互合作、遵纪守法的企业文化占主导地位。

（7）模块化制造系统。模块化是一种在标准化和模块化系统基础上建立的“柔性”生产系统。模块化使得企业能够控制日益增长的复杂技术，通过把产品分解成子系统即模块，设计师、生产者和使用者都获得了很大的灵活性。不同的公司可以分别负责不同的模块，并且通过它们的共同努力可以生产出可靠的产品。模块化制造系统的优点是：对于新产品而言，由于标准的模块化而带来的生产系统的简化，并和自动化相结合，将显著缩短生产周期。由于模块化制造系统的设计是高度自动化的，硬件是模块的，因此能很快地设计和重构低成本的生产系统。并且，各种模块组件还能不断根据技术的发展而不断进行技术升级。因此，模块化制造系统能满足大规模定制生产的需要，具有低成本、高生产率和高柔性的特点。具体而言，通过选择不同的模块化方法：共享构件模块化、互换构件模块、“量体裁衣”式模块化、混合模块化、总线模块化以及可组合模块化，可以实现大规模定制，满足顾客的个性化需求。

表14-1　不同生产模式的比较

根据以下资料改编：顾新建、郑国君、朱万贵、崔梁萍：“面向大批量定制生产的模块化制造系统”，《组合机床与自动化加工技术》，2003（1）。

二、模块化生产实现规模经济、范围经济和替代经济

从构造原理上分析，在模块化生产系统中，产品或系统的构成方式是组合式结构，构成产品或系统的单元是通用（标准）单元。显然，这种利用通用模块单元灵活地组装多样化产品的方式不仅使产业体系和产品结构具有灵活性和可变性的特征，也保证了批量生产的高效益特征。这种新型的产业标准模式的优点有：一方面，强调各个部件生产商之间的协作与配合，从而获得范围经济效应；另一方面，每个企业可以专注于某一个部件或产品的一个部分的生产制造，从而获得规模经济效应。同时，又因实现了整个产业链条上各个组成部分具有强烈的灵活性和兼容性特征，也得到了多样化效应。

模块化生产系统不但通过规模经济和范围经济来追求经济效益，而且通过“替代经济”来实现经济效益。模块系统包括一组模块，如果保留现有部分配件比完全重新设计的成本更低，那么就存在替代经济（Economies of Substitution）。模块化产生了“替代经济”，它使企业在推出新产品时速度更快，成本更节约。替代意味着通过替代技术系统特定的模块而继续重用其他模块而取得技术上的进步。实现替代经济必须以技术系统不断进行模块升级为条件。通过设计模块升级系统，企业减少了产品研发时间，为消费者不断提供新的产品。对用户而言，由于模块化供应商提供了“可升级性”（Upgradability）的产品，通过把产品配件分别升级而得到换代产品可能比购买一个全新产品要节省，用户也可以获得“替代经济”。

三、模块化生产促进了产业集群的发展

模块是一个半自律的子系统，模块供应商可以独立地进行模块的设计和制造。模块是一个相对概念，一个模块可以是一个系统的子系统，它本身又可以作为一个系统而分解为若干模块，通过组合其他零部件而形成。因此，随着模块化的发展，以多级多类的模块供应商为节点而形成的网络型生产组织方式将日趋流行。由于模块供应商与模块集成者是在两套规则的约束下同步设计的，设计人员之间的反复沟通不仅能加深彼此对规则的理解，而且有助于双方人员的显性知识与隐性知识的转换，尤其是能在彼此之间形成较为丰富的共同知识，这对提高系统的整体性与精确性大为有益。这意味着模块供应商与模块集成者需要有地域上的接近性，也就是说，随着模块化发展，产业集群将更为盛行。事实上，作为经典的IT产业集群，硅谷就被青木昌彦归纳为“模块的集约地”。此外，精益生产方式的一个关键因素就是基于模块化的制造。丰田精益生产与福特大批量生产的一个重要区别在于：丰田公司在确定了一般的共识和界面以后，放手让供应商去设计图纸而由前者认可；而福特是把设计图纸借给供应商去加工制造。在这种被浅昭万里称为“认可图纸方式”的框架下，设计过程在供应商那里被“浓缩化”了，结果使生产系统里各模块的设计能够同时进行，大幅度缩短了改换车型（系统改良）的周期。发明并实施精益生产方式的丰田汽车公司正以“丰田汽车城”这种产业集群的方式来实现的。而且建立在模块化基础上的产业集群因具有信息异化、共同进化的系统结构，“背对背”等特征，能够从制度安排上内生地化解一般产业集群所带来的风险、资产专用性风险、战略趋同风险、封闭自守风险和创新惰性风险等。因此，可以通过集群的模块化设计和改造，而不是通过扩大企业的组织规模以及提高其资产的专用性，可以实现产业集群从传统产业集群向具有自主知识产权的创新性产业集群演进，促进产业集群的可持续发展。