引言
智能制造是信息化与工业化深度融合的产物，是面向未来制造业的发展方向，是我国制造强国战略的重要支撑，也是未来制造业发展的必然趋势。智能制造环境下，产品设计不再是简单的功能设计，而是需要在满足客户需求的基础上实现产品的多功能集成、多要素集成和多利益主体集成，进而实现产品全生命周期的优化与资源配置。智能制造环境下的产品设计面临着前所未有的挑战，传统设计模式已经无法满足智能化制造要求。本文将以模块化工业产品设计为例，阐述智能制造环境下模块化工业产品设计方法与关键技术，并展望其未来发展趋势与挑战。
一、智能制造环境的主要特征
业务整合：产品设计与开发过程的业务整合，不再以单一产品为基础，而是以多个产品为基础。数据驱动：基于数据分析的业务决策支持，不再以经验和专家判断为主，而是通过数据分析对未来的预测或决策进行支撑。协同合作：多个制造单元的集成与协作，实现资源共享、信息互通、能力互补，进而实现多个制造单元间的协同合作。资源优化：实现跨行业、跨地域的资源优化配置，促进产业间的交流与合作。系统集成：通过系统集成提升产品全生命周期的资源利用效率，降低全生命周期成本。持续改进：通过持续改进不断提升产品质量、性能和服务水平[1]。
二、智能制造技术对产品设计的影响
随着信息技术、通信技术和制造技术的不断发展，传统的产品设计模式已无法满足智能制造环境下的产品设计要求。在传统的设计过程中，设计师不仅要考虑产品的功能需求，还要考虑与之相关的各种因素，包括功能、结构、材料、制造等，产品设计往往是以静态和线性的方式进行，而不是以动态和非线性的方式进行。随着智能制造技术不断发展，智能制造环境下产品设计逐渐从线性设计转变为非线性设计。此外，传统的产品设计模式中通常以标准来代替复杂工程规范，而智能制造环境下，采用更多的标准、协议和规范来描述复杂系统和实现复杂系统[2]。
三、模块化工业产品设计理论基础
3.1模块化设计基本概念及优势
模块化设计（Modular Design）是将产品的功能进行分解，按照一定的规则将产品划分为多个模块，并对各模块进行模块化组合的一种设计方法。模块化设计以模块化思想为指导，是产品设计从传统的以单一功能为核心向以功能、结构和系统为核心转变的过程。模块化设计的优势是：（1）快速响应市场需求，使产品能够在较短时间内实现系列化、批量化生产；（2）减少生产成本，使产品具有更强的市场竞争力；（3）产品质量高、性能稳定、便于维护；（4）使企业内部分工更明确，减少管理层次，降低管理成本，提高效率。
3.2模块化设计在工业产品中的应用现状
传统工业产品设计中，由于各零部件功能和尺寸不明确，设计周期长，生产效率低，企业利润低。因此，在进行产品设计时往往按照功能将产品划分为不同的模块，通过不同模块的组合和集成来实现产品功能。这种传统设计模式以“功能”为中心进行模块化设计，导致产品设计周期长、成本高、不能实现大批量生产。模块化设计从根本上改变了传统的制造模式，它以“用户”为中心进行模块化设计，其基本思路是根据用户需求的不同对产品进行功能模块划分，通过各个模块之间的相互配合实现对用户需求的满足。同时，模块化设计能大大缩短产品开发周期，降低生产成本[3]。
3.3模块化设计的技术与管理基础
模块化设计的主要技术包括模块化设计、模块化管理等。模块化设计是一种将产品的功能分解成模块，在设计过程中采用模块化的组织方式，同时通过模块化管理，实现对产品结构和产品功能的优化。在模块化设计过程中，首先要进行模块的划分，然后进行模块之间的信息传递，最后对信息进行整合和重组。模块化组织是模块化设计实现的重要前提，将所有模块按照一定的结构方式结合起来形成一个系统，它可以避免因模块之间出现相互干涉而导致功能无法实现。模块化管理是指为了实现模块化设计目标而建立起来的一系列管理制度与方法。
四、智能制造环境下的模块化设计方法
4.1设计流程与架构
首先，设计人员通过智能制造环境获取客户需求，然后将客户需求转化为产品技术要求和模块化参数；其次，根据模块化参数将产品划分为不同模块，然后对每个模块进行具体的功能分析和性能分析；最后，根据产品功能分析和性能分析结果确定产品模块的设计方案，然后通过人机交互界面进行产品设计方案的展示。基于智能制造环境的模块化工业产品设计方法包括三个阶段：需求获取、产品设计和实现。
4.2产品模块划分与标准化
产品模块的划分和标准化是实现产品模块化设计的前提，是模块化产品设计的关键。产品模块化设计是在统一的标准体系下对产品进行模块划分、模块组合和模块配置，从而实现不同功能单元之间的灵活转换和复用。为此，必须构建一套完善的产品模块化设计体系，并以此为基础进行产品设计。模块划分是通过对产品结构功能进行分析，按照功能结构特征划分不同模块；模块组合是指对不同模块进行组合形成新的功能单元；模块配置是指对同一功能单元在不同设计阶段进行配置，使得新的功能单元具有更好的可变性和可扩展性；模块化配置是指将新形成的功能单元按照一定规则进行组合[4]。
4.3信息化和数字化工具支持
在模块化设计中，信息化和数字化工具是非常重要的一环，如果没有这些信息化和数字化工具，设计人员不能完成对模块产品的设计、修改、分析和调整等工作，就不能保证设计质量。以 AutoCAD软件为例，其强大的二维绘图功能可帮助设计师完成三维建模，如装配图、三视图等。但这些二维绘图工具无法完成复杂的产品模型和结构的参数化建模。在智能制造环境下，对产品进行数字化建模需要用到 PDM软件（Product Development Management，产品数据管理），这一软件可以实现产品结构及组件的参数化建模、设计规则定义、数据管理以及二次开发等功能。
4.4数据驱动的产品设计策略
面向产品的模块化设计策略是由数据驱动的，这是因为模块化产品在设计过程中，需要先建立起模块间的接口关系，然后再对模块进行重新组合。因此，设计过程中要有足够的数据做支撑，才能保证模块化产品设计方案的合理性。模块化设计工作流程包括：第一步是建立模块接口关系；第二步是对模块进行重新组合；第三步是对模块进行仿真分析。由于模块接口关系是基于数据建立的，因此在建立接口关系时要充分考虑数据的来源、数据格式、数据传输路径等，以确保接口关系的正确性。在产品设计过程中，可以采用先对模块进行仿真分析再对其进行验证的策略[5]。
五、模块化工业产品设计的关键技术与实现
5.1产品平台与模块库建设
智能制造环境下的模块化设计与产品平台建设，是模块化工业产品设计的重要组成部分。主要包含三个方面内容：（1）构建模块化工业产品平台，包括模块设计、模块管理、模块制造等功能；（2）建立模块库，包括产品基本特征的提取、模块化对象的管理；（3）建立模块之间的关联关系，包括模块间的关联关系描述、模块间的编码描述等。通过上述内容，可以有效实现从产品概念到产品设计、再到产品制造全生命周期过程中各参与方之间的信息交流与集成。从而为模块化工业产品设计提供良好的基础支撑。
5.2设计集成与协同机制
（1）产品模块设计信息模型。对模块化产品信息模型进行定义，建立模块间的约束关系，包括约束、约束条件、约束类型、约束对象等。同时，采用面向对象技术对模块进行统一描述，以便实现模块之间的重用与集成。（2）多层次的模块设计协同机制。构建模块化工业产品的设计协同机制，通过集成模式实现不同层次的设计协同。在设计阶段，采用模块化方法和装配模型对产品进行模块化处理。在生产阶段，基于制造执行系统（MES）对产品模块进行生产与装配管理。在智能制造环境中，采用人工智能技术实现产品模块化数据模型与模块化制造执行系统的集成。
5.3可重构性与定制化设计
模块化工业产品的可重构性与定制化设计是实现产品快速开发的重要手段，在智能制造环境下，产品模块化设计系统采用面向对象技术、零部件建模方法、系统建模方法等对模块进行定义与描述。同时，为了满足用户的定制化需求，在模块化产品设计过程中采用模块化的配置策略进行产品配置，从而实现模块化工业产品设计方案的快速生成。模块化工业产品设计过程中，需要对不同阶段的模块进行优化，在此基础上实现模块的组合与配置。同时，通过模块化设计系统对产品进行模块化处理，以满足不同客户对产品功能和性能的需求。
5.4智能制造环境下的柔性生产支持
智能制造环境下的柔性生产是基于模块化设计的工业产品实现柔性制造的前提，其主要包括：对模块化工业产品设计过程中的相关信息进行统一管理和分析，并对模块化工业产品的生产过程进行实时监控。基于智能制造环境下模块化工业产品设计过程中的相关信息，通过模块间关联关系建立起模块化工业产品设计与生产过程之间的联系，实现模块化工业产品设计与生产过程之间的协调。基于模块化设计方案，通过建立基于智能制造环境下的模块化工业产品设计与生产过程之间的实时监控，实现在设计、加工、装配等环节上柔性生产的支持。
六、面向智能制造的模块化产品设计发展趋势与挑战
6.1技术创新与集成应用难点
面向智能制造环境的模块化产品设计主要涉及模块化系统设计、模块化集成技术、设计优化与仿真等方面。其中，模块化系统设计是模块化产品设计的基础；模块化集成技术是实现模块化产品设计的关键；而设计优化与仿真是模块化产品设计的保障。面向智能制造环境的模块化产品设计需要将模块化、数字化、智能化、网络化技术结合起来，这就对产品数字化设计技术提出了新的要求。传统的数字化技术主要是通过二维或三维模型表达，在工业领域主要以二维图纸为主；而面向智能制造环境的模块化产品设计主要是通过三维模型表达，在工业领域主要以三维图纸为主。
6.2管理模式变革
从工业产品设计到产品服务的设计，从传统的管理模式到智能制造环境下的新模式，再到面向智能制造的模块化产品设计，管理模式需要不断变革。目前，以美国、德国等为代表的发达国家已经开始对管理模式进行变革，例如，以美国为例，已将企业内部与外部环境相结合，形成了一套新的企业管理体系。面向智能制造环境下模块化产品设计过程中对传统的工业产品设计和制造流程进行了一定程度上的简化和优化，可以预见面向智能制造环境下的模块化产品设计也将经历一场管理模式变革。同时，新技术、新业态、新模式与传统管理模式融合发展也是一个必然趋势。
结语
面向智能制造环境的模块化产品设计，是在传统工业产品设计基础上，结合了数字化、智能化、网络化等新技术发展起来的新型设计模式，其主要目的是为用户提供个性化、定制化的产品服务。基于模块化产品设计的智能制造，不仅能够解决传统工业产品设计的一些瓶颈问题，而且可以提升产品质量、缩短研发周期、降低研发成本。但是，面对智能化时代的到来，模块化产品设计也面临着许多新挑战，如智能化与模块化设计融合问题、数字化设计与模块化设计集成问题以及柔性生产支持问题等。只有在以上方面取得突破，才能为今后工业企业开展工业产品数字化和智能化提供有力支撑。
参考文献
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[3]李承星,梁赛.智能制造与企业环境信息披露——基于中国智能制造示范项目的准自然实验[J].山西财经大学学报,2025,47(09):99-113.
[4]李叶青,陈潇.从“政策土壤”到“精神共鸣”：日照政企生态构建的观察与启示[N].日照日报,2025-07-21(A04).
[5]孙峻文.智能制造环境下产品质量提升的可拓转化算法研究[D].广东工业大学,2025.
