面向再制造升级的产品设计需要同时解决这样一些难题：在产品设计之初，就需要采用发展的观点，全面考虑该产品在其多寿命周期内技术性能发展的属性，并在零部件重复使用性的基础上，无论是在所选用材料方面还是产品结构方面，连接方法设计都能方便其日后的维修、升级，以及产品废弃后的拆解、回收和处理，同时保证与环境有更好的协调性，实现最佳化的再制造升级。显然，原有的传统设计方法不能满足这些要求。面向再制造升级的绿色模块化设计方法正是在这种情况下提出来的，绿色模块化设计是提高产品再制造升级性的有效技术方法。

1.基本内涵和特点

（1）基本内涵 模块是模块化产品的基本元素，是一种实体的概念，如把模块定义为一组同时具有相同功能和相同结合要素，具有不同性能或用途甚至不同结构特征，但能互换的单元。模块化一般是指使用模块的概念对产品或系统进行规划设计和生产组织。模块是产品的子结构，它与产品的功能元素子集有一一对应的关系。产品的模块化设计是在产品设计时，根据原材料属性、产品的结构，以及日后的使用功能、升级、维修、废弃后的回收、拆解等因素，在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能结构分析的基础上，划分并设计出一系列模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。产品的模块化设计可以实现把离散的零件聚合成模块产品的模块化设计，既可以在产品生产时大批量生产模块化的半成品，降低生产成本，获得规模效应；又可以根据用户的个性化需要，将不同功能的模块进行组合，提高产品对市场差异化需求的响应能力。

面向再制造升级的模块化设计方法是将模块化设计和再制造设计进行有机结合后，运用于产品的再制造升级性设计阶段中，使产品同时满足易于拆解和装配、易于修复和升级、环境友好性等再制造升级性的指标，着重要求在模块化设计时，考虑产品的再制造升级性，让产品在寿命末端回收之后，能容易地拆解为不同的模块，并能够快速用新模块进行替换，实现性能升级和资源的回收利用。这种设计方法是一种顺应时代发展的崭新的设计方法，有助于实现制造业的可持续发展。

（2）基本特点 模块是模块化设计和制造的基本单元，必须能够满足需求的多样化以及便于制造和管理。因此，模块应具备下列特征。

1）模块应具有相对独立性。

模块应具有相对独立的功能。模块的功能是产品总功能的一个组成部分，功能独立的模块组合产品时，不会出现功能冗余，灵活性大，适应性强；在产品品种发展中变动的可能性小，可在不同系列产品中使用；可以单独进行试验、验证、调试、制造、储备，并可作为独立的商品流通于市场。

相对独立的结构。一个模块虽然要和别的模块相连接，但它在结构上并非必须作为某个模块的附属装置才能完成自己的特定功能。只要模块的接口标准化，就很容易更换模块而组合成多种变型产品。

2）模块应对市场需求变化具有快速应变能力。

模块应具有通用性。在条件允许的范围内尽可能选用性能参数的上限值，以适应多种产品的需要，扩大通用化范围。

模块应具有互换性。模块配合部位的结构形状和尺寸必须标准化，满足可以迅速更换的接口技术要求，便于老旧时进行新模块的更换。

2.面向再制造升级的产品模块化设计优点

（1）能有效提高产品的拆解性和装配性 再制造升级加工过程包括前期对回收产品的拆解环节和后期将再制造升级后的零部件装配为再制造升级成品的环节，所以，面向再制造升级的产品设计一定要考虑零部件的拆解性和装配性，这既会影响再制造升级过程的效率，又会影响再制造升级产品的质量。

再制造升级的拆解不同于再循环，需要确保拆解过程中尽可能少地损坏零部件。因此，产品结构设计，连接件的数量和类型，以及拆解深度的选择成为面向再制造升级产品设计的重点内容。不同的产品结构将导致不同的拆解方法和拆解难度。常见的拆解方法有两种：有损拆解和无损拆解。常见的有损拆解是机械裂解或粉碎。机械产品中常见的连接方式有四种：可拆解连接、活动连接、半永久性连接和永久性连接。前两种连接一般都可以拆解，第四种则只能采用有损拆解的方法拆解。

产品结构设计时应改变传统的连接方式，零部件之间尽量不采用焊接或粘接的连接方式，代之以易于拆解的连接方式。扣压和螺钉的方式便于拆解，前者较后者又更容易拆解、更省时。连接件方面，卡式接头和插入式接头更容易拆解和装配，已经有越来越多的企业在产品设计时采取这些类型的连接方式。尤其是一些易损零件，由于更换次数较多，在设计其安装结构时就考虑其拆解性，较多采用插入式结构设计、标准化插口设计等。如计算机主板上的插槽与上面插装线路板的连接方式。

采用绿色模块化设计既能明显简化产品结构，又能大量减少连接件的数量和类型，大大提高了产品的拆解性和装配性，并可减小产品的破损率，提高产品的拆解和装配效率。

（2）有助于提升产品的易分类性　同一部机器上往往有钢、铁、铝、铜、塑料、木材等不同的材料，它们的表面常常有油漆覆盖，不易区分，应加强标识，便于拆解和分类存放。同一材质、不同形状和尺寸的零部件，由于加工方式或使用机床的不同，也要进行标识和分类，提高总的再制造升级效率。

采用绿色模块化设计有助于大量减少零部件的数量和种类，使拆解后的零部件更易于分类和识别，将使再制造升级生产加工时间大为缩短。

（3）能显著提升产品的易修复性和升级性 再制造升级工程包括再制造加工和过时产品的性能升级。前者主要针对报废的产品，把有剩余寿命的废旧零部件作为再制造毛坯，采用表面工程等先进技术使其性能恢复，甚至超过新品。后者通过技术改造改善过时产品的技术性能，使原产品能跟上时代的要求。所以，对原制造品进行修复和技术升级是再制造升级过程中的一个重要部分。

实施绿色模块化设计，可以采用易于替换的标准化零部件和可以改造的产品结构并预留模块接口，以备升级之需，在必要时即可通过模块替换或增加模块实现产品修复或升级，减少拆解中的破损，增强再制造升级加工和产品升级改造的效率。

3.面向再制造升级的产品模块化设计原理

作为一种哲理、思想和方法，模块化的主要目标是提高事物的多样化，对于产品而言，这种多样化可具体为减少产品的内部多样化、增加产品外部多样化。然而，不同产品的特点、类型千差万别，这对实施大规模定制和模块化的开发模式、具体技术也有不同要求，因此有必要对产品基本特征进行分析、归纳。产品实施模块化一般与产品的可分性和可变性这两种基本特征密切相关。在模块化实施过程中，产品可分性和可变性程度是模块的功能结构分解以及模块化系统构建与实施方法的基础。作为一种新的方法论，模块化系统建立与实施需要一定的理论指导。系统论理论、相似性理论、重用性及标准化理论可归结为实施模块化的基本理论。

（1）系统论原理 任何模块化的事或物都是一个系统，展开模块化工作，只有善于运用系统论的原理才能取得良好的系统效果。

整体性是系统的最基本属性，把系统作为有机整体看待，构成系统的各个要素虽具有不同的性能，但它们都是按照逻辑统一性的要求而构成的整体。

系统内各单元是互相联系、互相作用、有机结合的，系统与环境、系统与系统之间也存在相互联系和相互作用。在模块化系统中，这种相关性体现为系统中的链状接口系统，如模块之间的机械接口、电气接口、机电接口、各种物理量与电量的接口、信息接口等。只有充分考虑各接口间的协调和匹配性，才能保证系统整体的良好质量及可靠性。运用结构分析法，对模块化系统内各单元之间既有的关系，空间排列顺序及组合的具体形式，以及结构与功能的关系、功能间的联系进行分析和考虑。

一个复杂系统可按其功能或结构分成若干层次，即系统由子系统组成，而子系统又由更小的单元或要素组成。层次分析法可依据某种原则探索层次的构成、性质、结构、功能以及层次间的关系。当我们认识或设计一个模块化系统时，可根据系统功能的要求，按其层次依次展开，以正确揭示系统结构层次的内在联系，可使模块化系统泾渭分明。在模块化系统设计时，首要任务就是在对模块化对象进行深入分析与综合的基础上，确定模块化系统层次结构图。

模块化系统并非建立后一成不变，而会随着技术和时间的发展而不断吸收新技术、新模块。因此，动态性原理和动态思维法的合理运用可使模块化系统保持活力。(www.daowen.com)

另外，由于系统都具有目的性，在建立模块化系统时，首要任务就是确定系统应达到的目标，以此来确定各子系统的分目标，并为实现总目标而对系统结构及时加以调整。因此，目的性原理与有的放矢分析法也是开展模块化的重要分析原理和手段。

（2）相似性原理 分析和识别大量不同产品和过程中的相似性，挖掘存在于产品和过程中的几何相似性、结构相似性、功能相似性和过程相似性，利用标准化、系列化方法，减少产品内部的多样化，提高零部件和生产过程的可重用性。

产品和过程中的相似性有各种不同的形式，例如零件之间的几何相似性，产品结构之间的结构相似性，部件、产品之间的功能相似性等等，这些不同类型的相似性的归纳将构成模块化系统的基础。

（3）重用性、标准化原理 在模块化、定制化产品中存在着大量可重复使用和重新组合使用的单元。通过采用标准化、系列化、通用化的方法，充分挖掘和利用这些单元，将定制产品的生产问题通过产品重组和过程重组，全部或部分转化为批量生产问题，从而以较低的成本、较高的质量和较快的速度生产出个性化产品。

标准化是实施模块化的基础和目标之一。模块化也是标准化的一种新形式，它是标准化原理中简化、统一化、系列化、通用化、组合化、模数化等理论的综合运用，是标准化的高级形式。

模块化侧重于部件级标准化，进而达到产品系统的多样化。通过对某一类产品系统的分析研究，将其中含有的相同或相似功能单元分解出来用标准化原理进行统一和归并、简化，以通用单元的形式独立存在，然后用不同模块的组合来构成多种新产品。这种分解和组合的全过程就是模块化。

4.易于再制造升级产品的模块化特征

再制造升级产品是一个由若干零件、部件、装置，按一定规律和结构形式组成的具有特定功能的复杂系统。作为一个系统，产品具有以下基本特性：整体性、相关性、目的性、结构的层次性。对再制造升级产品进行模块化设计正是基于上述特点，按照功能分解原理对结构或系统进行模块的划分和组合。但是由于再制造升级产品的产品结构具有与一般产品不同的特点，其同时具有大量的设备功能模块和结构模块，产品族体系的构成特点与一般产品也不同，因而对其进行模块化设计的难度很大。这主要体现在以下两个方面：

1）设备功能模块规格和变形结构系列化特性明显。这类模块一般具有较为固定的结构形式，其功能和结构易于分解，且结构主参数的分级特性较为明显，因而易于进行模块的划分和产品系列规划。如不同类型汽车的系统功能模块，可以根据主参数进行产品的系列化规划，采用标准尺寸和接口，实现设备、系统的模块化。

2）结构模块无明显的系列化特性。这类模块的结构主参数主要由载荷和使用工况决定，模块结构易于分解，但模块规格难以进行系列化分级，结构模块的通用性不强，属于生产模块设计范畴。

由于模块化设计是从功能和结构的角度认识产品，原则上再制造升级产品的两种模块都可以用模块化技术进行设计，但现有的模块化设计技术主要适用于设备功能模块的设计，在概念和手段上还不足以支持大型装配结构的模块化设计实施。在实施结构模块的设计时需要新的理论来指导。

5.面向再制造升级的模块化设计原则和过程

（1）面向再制造升级的模块化设计原则 根据再制造升级的特点，产品模块的划分应该遵循以下原则：

1）技术集成原则。采用易于替换的标准化零部件和可以改造的结构并预留模块接口，增加了再制造升级的便利性，从而通过模块替换或者增加模块升级再制造产品。

2）寿命集成原则。对于由多种零部件组成的产品而言，各个零部件的寿命都不可能相同。当产品整体报废以后，有些零部件已经达到其使役寿命，只能进行材料回收或废弃。但仍有相当多的零件还有足够的寿命来继续工作，甚至比整个产品的寿命周期长数倍。倘若将不同寿命的零部件不加分类地混合装配在一起，在产品再制造升级中就必须对其进行深度拆解，这将大大降低再制造升级的效率。而采用寿命集成模块化的产品，在再制造升级时只需对产品进行简单的拆解，就可以把不能继续使用的零件拆除并替换。

3）材料集成原则。材料相容性原则，减少有害材料使用，减少使用材料的种类等设计原则在面向再制造升级的设计中占有重要地位。例如，将具有相同特性的材料集中设计，在再制造升级过程中，这类材料可以被一起清洗和进行化学或物理处理，而不会发生相互腐蚀等情况。

4）诊断和检测集成原则。在产品使役周期内，有一些零部件在整个寿命周期内失效的可能性很小，因此并非需要对每一个废旧零件都进行诊断和检测。可根据产品零部件在产品报废以后是否需要检测，将其分别集成在不同的模块，从而可以大大减少拆解的工作量，提高产品的检测效率和效果。

（2）面向再制造升级的模块化设计过程在进行产品的再制造升级性设计时要包含产品材料的合理性、易运输装卸性、易拆解和装配性、易分类性、易清洗性、易修复和升级性。面向再制造升级的绿色模块化设计方法将绿色设计和模块化设计进行了有机结合，其具体实现步骤归纳如下^［7］：

1）进行用户需求分析。面向再制造升级的绿色模块化设计活动首先从分析用户对产品的需求开始。在调查了解用户对产品可能存在的升级后功能、使用寿命、价格、需求量、升级性能等具体要求后，考虑该产品采用绿色模块化设计的可行性。如果经过分析，在满足环境属性的前提下用户对该产品的要求均可满足，则该产品的绿色模块化设计的可行性获得通过，面向再制造升级的绿色模块化设计活动可以进入下一个环节。

2）选取合理的产品参数定义范围。面向再制造升级的绿色模块化设计活动的第二步，是选取合理的产品参数定义范围。通常，产品参数分为三类，即动力参数、运动参数和尺寸参数，合理地选取产品的参数定义范围十分重要。如果参数定义范围过高，将造成能源和资源等的浪费，有悖于绿色设计的思想；如果参数定义范围过低，又满足不了客户的要求。通常的做法是先定义主参数，然后在参数满足用户需求的基础上实现尽可能高的绿色化和模块化，易于进行再制造升级。

3）确定合理的产品系列型谱。面向再制造升级的绿色模块化设计活动的第三步，是系列型谱的制定，即合理确定绿色模块化设计的产品种类和规格型号，进行必要的技术发展预测。型谱过大过小都不好，如果型谱过大，则产品规格众多，市场适应能力强，环境属性好，模块通用程度高，但工作量也相应增大，人力资源能耗大，成本上升，总体来说效果并不好；反之，则又会走向另一个极端，效果也不好。因此，产品系列型谱的制定至关重要。

4）产品的模块划分与选择。面向再制造升级的绿色模块化设计的第四步，是进行模块的划分与选择，这是再制造升级模块化设计的关键，是模块化方法最重要的内容，通常根据产品的功能，将其分为基本功能、次要功能、特殊功能和适应功能等，然后划分相应的模块使得产品的设计过程思路清晰，并有利于产品报废退役后的零部件回收、重新利用或升级换代。

5）绿色模块的组合。面向再制造升级的绿色模块化设计活动的第五步，是模块的组合。划分完模块后，将这些模块按照直接组合、集装式组合或改装后组合等方法组合成系统。组合时要考虑今后的易拆解性、不易损坏性及产品的节能省时等环境友好性特征。

6）对设计好的产品进行分析校验。面向再制造升级的绿色模块化设计活动的第六步，是用机械零件设计软件包、优化设计软件包、有限元软件包等现代设计工具对设计好的产品进行分析、计算和校验。如果分析校验不合要求，就要回到模块选择上进行修改、完善，重新整合模块，直至产品符合要求。

7）产品设计的绿色度与模块度指标评价。面向再制造升级的绿色模块化设计活动的最后步骤，是采用层次分析法及模糊综合评价法等数学工具对产品再制造升级设计的绿色度和模块度指标进行计算及评价，再根据计算结果对产品的有关参数加以调整或进行重新设计。