1． 引言
现代机械制造技术是集工艺方法、工艺装备、工艺材料及检测控制等于一体的成套技术，它的核心和基础就是优质、高效、低耗、清洁、它具有先进性、系统性、集成性、技术与管理紧密结合等特点。为了适应市场的多变，近十年来，快速原型制造（RPM）、智能制造（IM）、精良生产（LP）、并行过程（CE）、敏捷制造（AM）和虚拟制造（VM）等新的制造技术、方法、概念和哲理不断涌现，极大地推动了先进制造技术的发展。由于现实制造环境、制造产品、以及制造本身（包括制造系统结构和制造过程）的复杂性，而且制造机械的多样化导致了生产需求的多样化，因而限制先进制造系统的发展，主要的问题有：
(1) 当前使用的制造设备种类繁多，使得生产系统的设计和控制非常困难；
(2) 制造业利用现在的生产组织和经营结构，转向并行工程的模式（如面向制造的设计DFM），很难见成效。
(3) 基于数控装备的软件方法使得制造业已经在某种程度实现了柔性制造，对于那些在操作需求上具有严格相似性的制造任务具有良好的灵活性，但若制造任务稍有显著变化，该柔性制造系统往往不能有效地适应新的情况。在引入新产品时，常导致增加产品成本、降低生产效率、延长产品交货期。制造企业中出现的这种非柔性，已经引起了广泛的注意，需要新的解决方法，以使制造系统通过重构便可同时具备软件和硬件柔性。
(4) 设计、生产和控制过程都基于完全不同的模型。从而导致设计工具操作的“理想世界”与制造过程发生的“现实世界”之间需要复杂的变换。虚拟制造系统与现实制造系统缺乏有效的联系手段，从而妨碍了虚拟制造效果的发挥。
产生这些问题的原因，一方面是缺乏系统而统一的制造设备标准和设备构造的协议，另一方面也缺少可具体操作和实施的生产框架和科学合理的制造系统设计理论。在现代制造系统向集成化、柔性化、敏捷化、智能化、多样化、分散化、个性化、国际化、信息化等方向发展的过程中，模块化制造从产品设计及其制造过程（包括控制和管理）贯彻模块化原理、实施标准化入手，为上述问题的解决提供了一条可行的途径。
2． 模块化制造的概念和基本原理
模块化制造的概念是在产品（尤其是制造装备）模块化设计基础上发展形成的。模块化设计是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分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合来构成不同产品，以满足市场不同需求的一种设计方法。基于CAD的产品模块化设计是企业实施模块化制造的基础。
模块化制造（也称模块化生产）是一种并行制造的哲理，是新型的柔性制造概念。它的基本原理是按照模块化原则将制造系统分解成一些结构和功能独立的标准单元模块，然后按照特定模块化产品的制造需求进行模块的组合，通过构造一种柔性制造环境，使得制造系统能够很容易地快速适应新产品的制造需要。其本质是在现代计算机技术和信息技术的支持下，采用模块化原理对产品及其制造系统进行全面建设，以提高系统的柔性和可变性。
模块化制造通过把模块化原理用于产品的整个设计与制造过程，可以产生全面集成的零部设计、生产和装配系统。借助于先进制造技术，可以对产品模块进行高效地批量化生产，以提高模块制造质量、降低成本、优化模块的管理，并方便用户选购等。
模块化制造系统是按模块化原理设计和构造的制造系统，能够把产品和制造系统的模块化有机地统一起来，当制造系统不能满足产品变更的要求时，可对制造系统进行再设计，能够根据特定的生产需要（或市场需求）及时地进行制造过程重组。整个生产系统是由标准设备模块构成的，不仅在产品和制造装备设计中采用模块化原则，而且对产品模块为基础组织生产，进行制造和管理（包括生产管理、库存管理，甚至销售管理），利用模块化原理对生产过程及其要素进行计划、组织和控制，以保证预定目标的实现，这种方法具有以下显著的优点：
(1) 在生产组织方式上提供了更大范围的灵活性，可以及时重构生产，以适应企业生产的短期目标和长期目标；
(2) 能够以简单的方式集成化地组合所需的资源来执行特定的任务，这些资源包括工艺、机器系统、刀具、人、组织结构、信息流、控制、计算机系统；
(3) 有助于消除自动化孤岛，增加机器的重复利用率。
另外，产品结构的模块化必然要求产品的制造方式以模块组织生产和管理，这也有利于组织专业化生产和社会化协作。
模块化制造系统采用的两个基本工作原理：一是部件模块制造和装配的“本地化”，尽量减少总装任务，各模块通过标准接口进行组装；二是生产系统设计自动化，借助于先进的设计支持工具，在产品模块及其制造系统的需求之间直接建立联系，使得制造系统的性能，如生产的可行性、成本、投资回收期等，在产品设计的早期阶段就能较精确地估计。
模块化制造系统的实施将引起企业组织结构的变化。Oey提出了模块化制造企业的经营模式，各个相关企业通过模块化方式建立“动态联盟”，每个企业只生产自己特长的零部件模块，各模块可通过预定的标准接口装配成满足用户需求的特定产品。
模块化制造系统研究的最终目的是寻求适合于敏捷制造时代的全新的制造企业框架。模块化制造系统的鲜明特点是模块性。这里模块性的含义除了指柔性，还意味着具有RRS特性，即可重构、可重用和规模可调性，即可满足敏捷制造的基本要求。模块化制造系统不仅具有柔性化、模块化的产品设计方法，而且具有高度柔性的模块化生产系统。模块化制造系统本身是可重新编程的，模块是可重新配置的，并且是可连续改变的。可以方便地集成为一个新型的信息密集的制造系统。根据生产对象的不同，模块化制造系统可分为模块化加工系统和模块化装配系统等不同类型。根据产品和制造系统模块化程度的不同，可以把制造系统划分为具有不同模块化程度的制造系统类型。由此可见，模块化制造系统的最终实现有待于产品及其制造过程的完全模块化，从而最终以模块化制造模式实现敏捷制造。
3． 模块化制造的研究和发展状况
模块化的概念由来已久。模块化制造的思想也来源于人们长期的生产实践。在机床制造业，德国于1930年首先提出了“模块化构造”的设计方法。由于用这种方法设计制造的机床具有很好的经济效益，因而采用模块化构造在世界得到迅速发展。日本通产省在1977年开始研制柔性加工单元，明确地引进了模块化构造的概念：按不同功能制造模块，其独立性很强，模块化的功能单元可独立运转，整个控制系统是有上述模块组成的多级系统。
随着先进制造技术的发展和计算机技术的广泛应用，使传统的模块化设计技术发生了深刻的变化。模块化是现代制造业发展的要求，是对传统标准化形式的发展。模块化与成组技术、柔性生产技术、计算机辅助技术等现代制造技术之间的关系是相辅相成、互相支持，只有在生产中密切配合才能发挥最大效益。施进发等给出了机械的最新定义、阐述了模块化机械产品的现状及其实际意义，建立了机械模块学理论体系，并分析了机械模块学的研究对象。模块化是企业和产品重组的基础，是产品及其制造系统持续更新和并行开发的最佳基础。
模块化制造作为一种现代制造环境下的制造哲理和方法论也早就引起人们的注意。Rogers等就实现模块化生产系统的有关问题进行了深入的研究。通过建立模块标准，建立有限的部件级的基本生产加工单元（标准模块），而不是通常的整机设备。把基本模块分为四类：加工单元、运动单元、模块化刀具装卡单元以及可配置的控制系统。通过从模块目录中选取适当的模块就能建立适应范围宽的自动化、集成化的生产系统。以生产实例说明：在设计工具的支持下根据特定产品的制造需求对模块化制造系统进行再设计是可行的。
Tsukune等研究了IMS（智能制造系统）中的模块化制造，提出了一种基于模块化理论的制造系统模型——模块化制造模型，即基于模块化理论的制造系统模型。利用从这种模型派生的设计、建造、操作和控制技术而建立的制造系统就是模块化制造系统。利用该模型，模块化制造系统与虚拟制造联系起来，可以在虚拟环境下构造制造系统，产品设计、制造装备设计和制造系统设计均采用模块化设计方法，把产品和制造系统设计有机地统一起来。通过制造特定的产品完成对制造系统的再设计，使部件、产品、制造设备，连同设计、操作活动都以模块为单位进行描述，以模块的组合来构造和运行制造系统。提出了模块化制造系统的基本构造方法，以基于机器人的模块化制造系统为例，分析了模块化制造系统研究中存在的主要问题及需要解决的关键技术。
Rogers等针对中、低档消费品的生产，如儿童玩具、厨房用具等，研究了实现模块化化生产系统的合理性。把MPS作为产品和生产系统并行设计的一种使能技术，在产品设计和制造系统设计之间建立了系统的联系，通过为制造特定的产品对制造系统进行再设计。提出了模块化生产系统的两上基本工作原理，分析了建立设备模块标准和面向并行工程的MPS设计支持工具的重要性。把MPS总体设计过程分为三个阶段：产品分析、面向MPS的产品建模和MPS综合。
Xiu-Tian Yan讨论了模块化制造系统的连接和分布式配置，并描述了它们在混合应用中的仿真环境，以说明该环境的能力，最后给出了某些系统使用的实例，说明系统可在实时生