家電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)

高浪 潘曉勇 彭玲 汪年結(jié) 段傳凱 向東

（1.清華大學(xué)機(jī)械系 北京 100084；2.四川長(zhǎng)虹電器股份有限公司 四川綿陽(yáng) 621000）

1 引言

在當(dāng)今市場(chǎng)環(huán)境下，需求的多變性導(dǎo)致家電產(chǎn)品生命周期縮短、品種多樣化，傳統(tǒng)的大規(guī)模制造模式不再適用。大批量定制開(kāi)發(fā)模式是以大規(guī)模制造的低成本來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多樣化，是解決家電產(chǎn)品批量與品種之間矛盾的重要措施。作為大批量定制的使能技術(shù)，模塊化設(shè)計(jì)受到越來(lái)越多家電企業(yè)的關(guān)注。

傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)是在對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過(guò)模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿(mǎn)足市場(chǎng)不同需求。這種方法又稱(chēng)作“自底向上”的方法，特征是對(duì)已存在的產(chǎn)品零件進(jìn)行劃分，形成裝配體形式的模塊再重組形成產(chǎn)品。這種方法本質(zhì)上是一種再設(shè)計(jì)，多針對(duì)機(jī)床等功能系統(tǒng)化，結(jié)構(gòu)分級(jí)特性明顯的產(chǎn)品進(jìn)行。家電產(chǎn)品功能豐富，品種多樣，更新?lián)Q代快，且結(jié)構(gòu)無(wú)明顯分級(jí)特性，無(wú)法采用傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單地進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解和通用化。同時(shí)，自底向上的途徑受到產(chǎn)品現(xiàn)有設(shè)計(jì)所限，不能獲得最優(yōu)的模塊劃分結(jié)果，即產(chǎn)品設(shè)計(jì)之時(shí)若沒(méi)有考慮需求的多樣性，則劃分出的模塊也無(wú)法滿(mǎn)足需求的多樣性。因此，家電產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)該采用“自上而下”的途徑，即面向全新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的模式。本文針對(duì)自上而下的模塊化設(shè)計(jì)方式，介紹了模塊化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵概念以及實(shí)施的流程，并用一個(gè)冰箱門(mén)體模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)例進(jìn)行了說(shuō)明。

2 自上而下的模塊化設(shè)計(jì)方式

2.1 關(guān)鍵概念

1)模塊與模塊實(shí)體

模塊是具有某種確定功能和接口形式的獨(dú)立單元。模塊具有三個(gè)基本屬性：“具有相對(duì)獨(dú)立的功能，通過(guò)組合可完成特定的功能用途”、“能夠獨(dú)立地設(shè)計(jì)與制造”、“具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口”。模塊實(shí)體是根據(jù)模塊功能設(shè)計(jì)的實(shí)際物件，具有明確的物理形式、特征參數(shù)值以及與其他模塊實(shí)體之間的接口形式。模塊與模塊實(shí)體的關(guān)系類(lèi)似于面向?qū)ο蠼Ｖ械念?lèi)——成員關(guān)系。

表1 模塊化策略

2)接口

接口是發(fā)生關(guān)聯(lián)的模塊之間彼此對(duì)接交互并通過(guò)它彼此作用的部分。對(duì)于模塊而言，接口是物質(zhì)、能量、信息交互的抽象描述。對(duì)于模塊實(shí)體而言，接口則具有明確的物理形式和特征參數(shù)。接口分為幾何接口和性能接口，幾何接口是模塊之間的裝配關(guān)系，例如配合尺寸、形位精度等要求；性能接口是模塊之間與性能相關(guān)特征參數(shù)的匹配規(guī)則，性能接口決定了整機(jī)性能的優(yōu)劣，因此具有非常高的重要性。為了實(shí)現(xiàn)同一模塊的模塊實(shí)體之間的互換性和通用性，需要對(duì)接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；同時(shí)，接口設(shè)計(jì)還需考慮模塊的兼容性和可升級(jí)性。

3)模塊化策略

產(chǎn)品贏得競(jìng)爭(zhēng)力的三種策略包括：通用化策略——通用零部件以降低成本；客制化策略——滿(mǎn)足客戶(hù)的個(gè)性化需求；技術(shù)進(jìn)化策略——采用新技術(shù)提升產(chǎn)品性能和質(zhì)量。模塊化策略指將通用化、客制化、技術(shù)進(jìn)化策略通過(guò)相應(yīng)模塊分別實(shí)現(xiàn)的開(kāi)發(fā)方式，模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程中必須綜合考慮三種策略的影響。模塊化策略如表1所示。

4)產(chǎn)品架構(gòu)

產(chǎn)品架構(gòu)是基于產(chǎn)品功能和性能分析，構(gòu)建的描述模塊及其相互關(guān)系的抽象的、相對(duì)穩(wěn)定的產(chǎn)品構(gòu)成框架。產(chǎn)品架構(gòu)是模塊化設(shè)計(jì)中的重要概念，由模塊以及模塊之間的接口關(guān)系組成。例如，某類(lèi)冰箱的產(chǎn)品架構(gòu)如圖1所示。需要注意的是，產(chǎn)品架構(gòu)依賴(lài)于模塊定義的結(jié)果，因此同一產(chǎn)品架構(gòu)只能描述一定范圍之內(nèi)的產(chǎn)品。

5)模塊系統(tǒng)

模塊系統(tǒng)是對(duì)產(chǎn)品架構(gòu)中模塊按照模塊化策略實(shí)例化形成的模塊實(shí)體集合。模塊系統(tǒng)中的模塊實(shí)體既包含已有的模塊實(shí)體，也可以包含現(xiàn)有技術(shù)水平無(wú)法達(dá)到的可能方案。

6)產(chǎn)品平臺(tái)

產(chǎn)品平臺(tái)是在模塊系統(tǒng)中根據(jù)一定規(guī)則形成的具有產(chǎn)品基本功能的模塊實(shí)體集合。產(chǎn)品平臺(tái)能針對(duì)某細(xì)分市場(chǎng)開(kāi)發(fā)系列產(chǎn)品。其特點(diǎn)：一是覆蓋產(chǎn)品必須具有的基本功能模塊；二是體現(xiàn)區(qū)分產(chǎn)品類(lèi)型的基本特征?；诋a(chǎn)品平臺(tái)可通過(guò)添加、替換模塊實(shí)體形成系列產(chǎn)品，因此產(chǎn)品平臺(tái)能夠縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并實(shí)現(xiàn)通用化降低成本。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)流程

基于模塊化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵概念，自上而下的模塊化設(shè)計(jì)流程為：根據(jù)產(chǎn)品需求分析產(chǎn)品應(yīng)具有的功能及其關(guān)系，劃分功能模塊并建立產(chǎn)品架構(gòu)；然后根據(jù)模塊化策略設(shè)計(jì)模塊實(shí)體，形成模塊系統(tǒng)；再在模塊系統(tǒng)中選取基本功能形成產(chǎn)品平臺(tái)；最后在產(chǎn)品平臺(tái)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)系列產(chǎn)品。模塊化設(shè)計(jì)的流程如圖2所示。

1)需求分析

選取適當(dāng)?shù)囊蛩貏澐之a(chǎn)品市場(chǎng)，確定細(xì)分市場(chǎng)以及產(chǎn)品的提供計(jì)劃，如橫向覆蓋或縱向覆蓋策略，例如冰箱的市場(chǎng)覆蓋策略可按照產(chǎn)品檔次與用戶(hù)年齡細(xì)分，如圖3所示。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研等方式獲取用戶(hù)需求，同時(shí)通過(guò)競(jìng)品分析、專(zhuān)利分析等手段獲取技術(shù)需求。

2)功能分析

基于產(chǎn)品需求，推導(dǎo)產(chǎn)品應(yīng)具有的功能和性能參數(shù)，進(jìn)行功能分解并構(gòu)建功能樹(shù)。分析功能樹(shù)中的子功能之間的聯(lián)系，形成功能物理關(guān)系與邏輯關(guān)系。功能的物理關(guān)系是功能之間物質(zhì)、能量、信號(hào)的交互關(guān)系；功能邏輯關(guān)系是功能之間的與、或、非關(guān)系。例如圖4、圖5所示的某類(lèi)冰箱的功能樹(shù)圖及功能物理關(guān)系圖。

3)模塊劃分

在功能分析建立的功能樹(shù)圖及功能關(guān)系圖的基礎(chǔ)上，對(duì)子功能進(jìn)行聚類(lèi)形成模塊。將子功能聚類(lèi)成模塊要考慮兩方面的因素，一是根據(jù)功能物理關(guān)系與邏輯關(guān)系，將聯(lián)系緊密、符合邏輯的子功能劃分為模塊，例如圖5中虛線(xiàn)包圍的子功能因?yàn)榫哂袑?qiáng)的物質(zhì)、能量、信息交互，被劃分為模塊；其次，根據(jù)模塊化策略的影響，將符合相同策略的子功能劃分為模塊。

4)建立產(chǎn)品架構(gòu)

在模塊劃分基礎(chǔ)上，將子功能之間的物理關(guān)系轉(zhuǎn)化為模塊之間的接口關(guān)系，建立產(chǎn)品架構(gòu)。

5)模塊實(shí)例化，建立模塊系統(tǒng)

圖1 冰箱的產(chǎn)品架構(gòu)示意圖

圖2 模塊化設(shè)計(jì)流程

圖3 市場(chǎng)覆蓋策略

圖4 功能樹(shù)圖

圖5 功能物理關(guān)系圖

圖6 冰箱兩門(mén)、三門(mén)冰箱的門(mén)體結(jié)構(gòu)

圖7 隔熱模塊與美化模塊的模塊實(shí)體及接口

對(duì)模塊進(jìn)行實(shí)例化形成模塊實(shí)體的過(guò)程中，應(yīng)按照模塊化策略的要求進(jìn)行。模塊實(shí)體的設(shè)計(jì)有兩種方式，第一種方式是按照模塊的功能以及模塊化策略進(jìn)行原理和方案的新設(shè)計(jì)，另一種方式是在現(xiàn)有的產(chǎn)品中尋找能實(shí)現(xiàn)功能的實(shí)體形式，再按照模塊化策略進(jìn)行再設(shè)計(jì)使其符合策略要求。其中第二種方式提供了一種重用已有產(chǎn)品設(shè)計(jì)成果的途徑。

6)建立產(chǎn)品平臺(tái)，開(kāi)發(fā)系列產(chǎn)品

選取實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品基本功能的模塊建立產(chǎn)品平臺(tái)。當(dāng)需要根據(jù)實(shí)際需求開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，按照產(chǎn)品的功能與性能參數(shù)要求，選擇適合的產(chǎn)品平臺(tái)，添加相應(yīng)的模塊實(shí)體并加以必要的匹配和校核計(jì)算組成產(chǎn)品。

按照模塊化設(shè)計(jì)的流程，可以建立符合市場(chǎng)需求和技術(shù)需求的產(chǎn)品架構(gòu)，并在產(chǎn)品架構(gòu)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)模塊系統(tǒng)和產(chǎn)品平臺(tái)來(lái)快速地和低成本地開(kāi)發(fā)一系列產(chǎn)品。因此，自上至下的方法能夠?qū)崿F(xiàn)家電產(chǎn)品的大規(guī)模定制開(kāi)發(fā)方式。

3 實(shí)例分析

以下通過(guò)一個(gè)冰箱門(mén)體的模塊化設(shè)計(jì)實(shí)例簡(jiǎn)要說(shuō)明本文提出的模塊化設(shè)計(jì)流程。兩門(mén)、三門(mén)冰箱的門(mén)體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

門(mén)體有鋼板材質(zhì)和玻璃材質(zhì)兩種樣式，造成門(mén)體結(jié)構(gòu)形式不同，體現(xiàn)在門(mén)殼、飾條、門(mén)內(nèi)襯等零件的不同，采用自底向上的模塊化設(shè)計(jì)方法對(duì)零件進(jìn)行劃分無(wú)法實(shí)現(xiàn)模塊的通用化。因此，用自上而下的設(shè)計(jì)方式分析如下：

1)需求分析

冰箱的需求中包含存取食物的需求和美觀的需求。

2)功能分析

根據(jù)需求，規(guī)劃冰箱的門(mén)體部分應(yīng)具有的功能，即隔熱功能、開(kāi)閉空間功能以及美化功能。

3)模塊劃分

由于三個(gè)功能之間并不涉及復(fù)雜的物理關(guān)系或邏輯關(guān)系，所以模塊劃分主要從策略上考慮，其中美化功能是典型的符合客制化策略的功能，而隔熱功能與開(kāi)閉空間功能符合通用化策略。據(jù)此，將隔熱功能與開(kāi)閉空間功能劃分為一個(gè)隔熱模塊，將美化功能劃分為一個(gè)模塊。

4)建立產(chǎn)品架構(gòu)

門(mén)體部分的架構(gòu)包含隔熱模塊與美化模塊，兩個(gè)模塊之間有支撐力或附著力的關(guān)系。

5)模塊實(shí)例化，建立模塊系統(tǒng)

對(duì)隔熱模塊與美化模塊分別進(jìn)行實(shí)體設(shè)計(jì)，其中隔熱模塊按照通用化策略設(shè)計(jì)通用的模塊實(shí)體，即一塊具有固定形狀的隔熱塊；美化模塊按照客制化策略設(shè)計(jì)鋼板和玻璃兩種外觀形式的模塊實(shí)體，即兩種外觀形式的面板。模塊之間的接口形式細(xì)化為鑲嵌、粘貼等具體方式，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的配合尺寸進(jìn)行保證，如圖7所示。

因此，通過(guò)自上而下的模塊化設(shè)計(jì)方法，由需求分析、功能分析對(duì)門(mén)體進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)，劃分出了兩個(gè)具有獨(dú)立策略的模塊，并按照策略設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的模塊實(shí)體。通過(guò)模塊實(shí)體的組合，可在保證通用化（隔熱模塊）的前提下滿(mǎn)足用戶(hù)的個(gè)性化需求（美化模塊）。

4 結(jié)論

模塊化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)大批量定制模式的重要手段。家電企業(yè)實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)該突破自底向上方法受到產(chǎn)品已有結(jié)構(gòu)所限的束縛，采用自上而下的方式根據(jù)需求分析，功能分析建立產(chǎn)品架構(gòu)，進(jìn)行產(chǎn)品的全新設(shè)計(jì)。本文介紹了自上而下模塊化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵概念，提出了模塊化設(shè)計(jì)的流程，并簡(jiǎn)要介紹了QFD方法在模塊化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為家電企業(yè)開(kāi)展模塊化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

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