田楚楚，石 浩，顧 復(fù)，顧新建

(1.浙江大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.九陽股份有限公司 豆?jié){生活事業(yè)部，浙江 杭州 310018)

“批量法則”是制造業(yè)的基本法則，即產(chǎn)品批量越小則成本越高.但現(xiàn)在的用戶需要個性化、多樣化的產(chǎn)品，同時希望產(chǎn)品成本和價格盡可能地低，(這一要求只有大批量定制產(chǎn)品才能滿足).“鐵三角法則”也是制造業(yè)的基本法則之一，即產(chǎn)品成本、質(zhì)量和交貨期是緊密關(guān)聯(lián)的(產(chǎn)品質(zhì)量要求高了，交貨期短了，成本就會高).現(xiàn)在的用戶需要的是高質(zhì)量、短交貨期的產(chǎn)品，同時希望產(chǎn)品成本和價格低，即大批量定制的產(chǎn)品.在“批量法則”和“鐵三角法則”的框架下，針對用戶需求，人們提出了多種方法，如20世紀(jì)50年代的成組技術(shù)[1-3]、60～80年代的精益生產(chǎn)方式[4]、70年代開始推廣的模塊化技術(shù)[5-6]、80年代進行應(yīng)用示范的計算機集成制造技術(shù)[7]，以及21世紀(jì)初的敏捷制造技術(shù)[8]、最近幾年提出的工業(yè)4.0和信息物理系統(tǒng)(CPS)[9-10]等.這些歸納起來，主要有3種方法：①以人為中心的管理方法，如精益生產(chǎn)方式等，主要是通過組織和管理的優(yōu)化充分調(diào)動員工的積極性和創(chuàng)造性，實現(xiàn)大批量定制；②數(shù)字化和智能化制造的方法，如計算機集成制造、敏捷制造、信息物理系統(tǒng)等，主要是利用信息技術(shù)的柔性、智能等實現(xiàn)大批量定制；③產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，如成組技術(shù)、模塊化技術(shù)等，主要是開展產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過產(chǎn)品配置設(shè)計和變型設(shè)計進行大范圍的專業(yè)化分工，從而實現(xiàn)大批量定制.

本文主要研究產(chǎn)品模塊化技術(shù)，通過產(chǎn)品模塊化設(shè)計，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時降低產(chǎn)品成本、縮短交貨期.但產(chǎn)品模塊化工作本身需要成本和時間，而且并不是任何產(chǎn)品都可使用模塊化設(shè)計，因為模塊化設(shè)計具有一定的投資風(fēng)險.這就需要定量分析產(chǎn)品模塊化設(shè)計能帶來的具體效益，以便企業(yè)管理人員進行正確決策.由于部分指標(biāo)的數(shù)據(jù)需要模塊化設(shè)計實施之后才能收集，因此，在前期決策時可根據(jù)以往經(jīng)驗，針對產(chǎn)品特點進行預(yù)估，以輔助決策是否進行模塊化設(shè)計.同時，每次對已有產(chǎn)品模塊化效益評價的結(jié)果將為后續(xù)的模塊化設(shè)計工作提供反饋意見.

1 機械產(chǎn)品模塊化效益評價的參考模型

1.1 機械產(chǎn)品模塊化效益評價的過程參考模型

機械產(chǎn)品品種繁多，零部件的數(shù)量多、結(jié)構(gòu)變化大、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、產(chǎn)品生命周期較長，且需要開展零部件維護和回收重用.機械產(chǎn)品零部件模塊化設(shè)計的難度和工作量較大，需要很大投入，因此，需要開展機械產(chǎn)品零部件模塊化效益評價.模塊化設(shè)計的效益具有長期性、廣泛性、間接性等特點，模塊化效益評價的難度較大.目前針對模塊化設(shè)計的效益評價指標(biāo)和評價方法較多較雜，需要制定一套通用的機械產(chǎn)品零部件模塊化效益評價體系，從而減少重復(fù)性工作，提高機械產(chǎn)品零部件模塊化效益評價的一致性，推動和引導(dǎo)機械制造企業(yè)開展模塊化設(shè)計，提高產(chǎn)品模塊化設(shè)計水平，促進制造資源的節(jié)約和合理利用.

模塊化效益評價通常是針對產(chǎn)品生命周期而言的，因此，在模塊化設(shè)計、制造和維護階段都需要進行模塊化效益評價.

圖1所示為機械產(chǎn)品模塊化效益評價的過程參考模型.由圖1可知，在產(chǎn)品生命周期中產(chǎn)品設(shè)計、制造和服務(wù)的各個階段都可以提出模塊化評價需求.例如，針對大型裝備運輸困難，可以通過模塊化劃分，分模塊進行運輸.產(chǎn)品模塊化設(shè)計全過程包括模塊化項目立項、控制、驗收和實施，其中每一階段都需要開展模塊化效益評價工作，以保證模塊化設(shè)計達到較好的效益目標(biāo).

圖1 機械產(chǎn)品零部件模塊化效益評價的過程參考模型

1.2 機械產(chǎn)品模塊化效益評價的指標(biāo)體系參考模型

產(chǎn)品模塊化既是手段又是目標(biāo).陳惠云等根據(jù)雷達模塊化效益評價中存在多重性和綜合性的特點，將各項效益指標(biāo)總結(jié)為軍事、經(jīng)濟和技術(shù)三方面，進而對雷達模塊化效益進行評價[11]；許潔等結(jié)合TRIZ 理論與模塊化效益評價法，從質(zhì)量、成本、用戶滿意度、環(huán)境友好性四方面將參數(shù)逐級細(xì)化，建立了電梯模塊化效益評價體系[12].

本文根據(jù)機械產(chǎn)品模塊化設(shè)計的特點，從產(chǎn)品生命周期平均反應(yīng)時間、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品成本、滿足顧客多樣化需求、環(huán)境友好性這五方面，對產(chǎn)品生命周期內(nèi)不同階段的模塊化效益進行評價.

圖2所示為機械產(chǎn)品模塊化效益評價的指標(biāo)體系參考模型.模塊化目標(biāo)和評價指標(biāo)具有層次性的特點.企業(yè)可以根據(jù)產(chǎn)品情況選擇其中若干指標(biāo)進行組合評價，并可根據(jù)需要分解到能夠進行量化計算的粒度.

2 機械產(chǎn)品模塊化效益評價指標(biāo)和方法

結(jié)合豆?jié){機等產(chǎn)品特征，在圖2所示機械產(chǎn)品模塊化效益評價指標(biāo)體系的5項大指標(biāo)中選擇適用的小指標(biāo)進行計算和評價.

2.1 產(chǎn)品生命周期反應(yīng)時間評價

模塊化產(chǎn)品生命周期反應(yīng)時間包括從產(chǎn)品設(shè)計階段到服務(wù)階段的眾多反應(yīng)時間指標(biāo)，具體細(xì)化的三級指標(biāo)如圖3所示.

圖2 機械產(chǎn)品模塊化效益評價的指標(biāo)體系參考模型

圖3 產(chǎn)品生命周期反應(yīng)時間指標(biāo)

因此，在計算平均反應(yīng)時間時，可先對圖3所示的7個三級指標(biāo)進行計算，得到：

t1=t11+t12

(1)

t2=t21+t22

(2)

t3=t31+t32+t33

(3)

最后得到的產(chǎn)品生命周期反應(yīng)時間減少量為：

T=t1+t2+t3

(4)

2.2 產(chǎn)品質(zhì)量評價

對于產(chǎn)品質(zhì)量的評價，孫偉等為開發(fā)機械產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量評判系統(tǒng)，從產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)、工作性能、設(shè)計質(zhì)量等方面進行了模糊綜合評價[13]；劉峰用層次分析法結(jié)合模糊評價法，根據(jù)農(nóng)機產(chǎn)品的類別、品種和型號差異，以定性和定量評價相結(jié)合的方式對產(chǎn)品質(zhì)量進行了各個維度的評價[14].從產(chǎn)品生命周期來看，對于質(zhì)量的評價，從產(chǎn)品模塊化設(shè)計到模塊化制造以及最終的產(chǎn)品使用服務(wù)階段都需要選取指標(biāo)進行評價.圖4所示為細(xì)化到三級的產(chǎn)品質(zhì)量評價指標(biāo).

產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量提高率為：

圖4 產(chǎn)品質(zhì)量評價指標(biāo)

(5)

產(chǎn)品制造和安裝質(zhì)量提高率為：

(6)

產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量提高率為：

(7)

最終產(chǎn)品的生命周期質(zhì)量提高率為：

(8)

式(5)-式(8)中涉及的ai和bi具體數(shù)據(jù)是針對不同產(chǎn)品的特點，使用層次分析法、專家打分法得到的原始數(shù)據(jù).考慮到專家打分過程中存在的猶豫度，原始數(shù)據(jù)需要結(jié)合隸屬度信息和非隸屬度信息算得直覺模糊數(shù)，再結(jié)合加權(quán)算子為各項指標(biāo)確定權(quán)重，即ai和bi的具體值.下文ai和bi均用同樣方法得到.

2.3 產(chǎn)品成本評價

對模塊化產(chǎn)品進行成本分析時，需要從產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)制造、安裝維修、升級維護直到最終的淘汰回收環(huán)節(jié)，進行產(chǎn)品生命周期成本的綜合考量.王偉等對國內(nèi)外模塊化應(yīng)用實例分析總結(jié)得出，模塊化對產(chǎn)品成本的影響主要是模塊的規(guī)?；a(chǎn)效應(yīng)和減少庫存成本兩方面[15].采用模塊化設(shè)計后，從產(chǎn)品生命周期來看，并不是所有階段的成本都可以降低.例如，在產(chǎn)品設(shè)計階段需要進行新模塊的設(shè)計，這會增加設(shè)計成本；在制造階段用新材料去替代舊材料也會增加制造成本等.因此需要對產(chǎn)品生命周期模塊化成本進行綜合評價.其評價指標(biāo)如圖5所示.

圖5 產(chǎn)品成本評價指標(biāo)

2.3.1 模塊化降低成本的評價

通過模塊化設(shè)計來降低成本主要體現(xiàn)在模塊化產(chǎn)品設(shè)計、制造、使用和維護中.大量模塊屬于標(biāo)準(zhǔn)和通用模塊，可以重復(fù)使用和批量生產(chǎn)，從而降低成本.

產(chǎn)品設(shè)計總成本降低率為：

(9)

產(chǎn)品制造總成本降低率為：

(10)

產(chǎn)品服務(wù)總成本降低率為：

(11)

2.3.2 模塊化增加成本的評價

模塊化設(shè)計造成的成本增加主要體現(xiàn)在：①由于選擇通用模塊而不是專用模塊所導(dǎo)致的材料成本增加；②進行模塊化設(shè)計時設(shè)計成本的增加.

模塊化設(shè)計新增成本增加率為：

(12)

因此，產(chǎn)品模塊化總成本降低率為：

(13)

2.4 產(chǎn)品多樣化和用戶滿意度評價

模塊化產(chǎn)品的用戶滿意度同樣可以從產(chǎn)品生命周期的前兩個階段分別進行評價.其具體評價指標(biāo)如圖6所示.

圖6 客戶滿意度評價指標(biāo)

2.4.1 產(chǎn)品設(shè)計階段的客戶滿意度

在產(chǎn)品設(shè)計階段，主要從用戶參與設(shè)計導(dǎo)致的客戶滿意度提升率u11、產(chǎn)品多樣性增加導(dǎo)致的客戶滿意度提升率u12、產(chǎn)品個性化導(dǎo)致的客戶滿意度提升率u13、產(chǎn)品變型設(shè)計能力提升導(dǎo)致的客戶滿意度提升率u14等方面考慮，進行客戶滿意度評價.因此，產(chǎn)品設(shè)計階段的客戶滿意度提升率u1可表示為：

(14)

2.4.2 產(chǎn)品服務(wù)階段的客戶滿意度

產(chǎn)品服務(wù)階段的客戶滿意度提升率為：

(15)

最終用戶滿意度提升率為：

(16)

2.5 環(huán)境友好性評價

對于環(huán)境友好性的評價，通?？梢詮慕档凸I(yè)三廢排放率、降低產(chǎn)品生命周期能耗率、降低庫存浪費率、提高資源回收率四方面進行考慮.顧國剛等用LCA(生命周期評價)時間折扣計算法，計算并預(yù)測了產(chǎn)品生命周期內(nèi)的累計碳排放量[16]；徐晨等對LED照明產(chǎn)品生命周期各階段排放的量化分析后確定，使用階段是其對環(huán)境影響最大的時期[17]；鄧乾旺等以機械企業(yè)為例，用LCA成本集成思想建立綠色評價體系，從資源、環(huán)境、人為因素等多個維度進行綠色效用值計算，評價了機械產(chǎn)品的環(huán)境友好性[18].綜合考慮機械產(chǎn)品的特點，本文從減少環(huán)境污染率e1、減少生命周期能耗率e2、減少生命周期資源消耗率e3、減少庫存浪費率e4這四方面考慮，進行環(huán)境友好性評價.產(chǎn)品和過程的環(huán)境友好性評價具體指標(biāo)如圖7所示.

圖7 產(chǎn)品和過程的環(huán)境友好性評價指標(biāo)

減少生命周期能耗率為：

(17)

減少生命周期資源消耗率為：

(18)

其中，e35為負(fù)數(shù).

因此，環(huán)境友好性提高率為：

(19)

3 案例分析

在豆?jié){機產(chǎn)品的研發(fā)和制造領(lǐng)域，中國的本土企業(yè)相比外資企業(yè)有著無可比擬的先天優(yōu)勢.本文以豆?jié){機為例，從生命周期角度對豆?jié){機產(chǎn)品的模塊化效益進行評價.

3.1 豆?jié){機產(chǎn)品生命周期反應(yīng)時間評價

3.1.1 豆?jié){機產(chǎn)品設(shè)計時間評價

豆?jié){機產(chǎn)品設(shè)計包括基本設(shè)計、修改設(shè)計兩部分.模塊化應(yīng)用前后設(shè)計時間如表1所示.根據(jù)表1數(shù)據(jù)，豆?jié){機產(chǎn)品總設(shè)計時間縮短量為：

t1=t11+t12=61+28=89(d)

表1 豆?jié){機產(chǎn)品設(shè)計時間變化情況 d

3.1.2 豆?jié){機產(chǎn)品制造時間評價

根據(jù)收集的資料，豆?jié){機模塊化設(shè)計前后平均加工時間和裝配時間如表2所示.豆?jié){機產(chǎn)品總制造時間縮短量為：

t2=t21+t22=14(d)

表2 豆?jié){機產(chǎn)品制造時間變化情況 d

3.1.3 豆?jié){機產(chǎn)品服務(wù)時間評價

豆?jié){機屬于小家電產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)簡單，因此豆?jié){機的安裝和拆卸時間都相當(dāng)短，可以忽略不計.

根據(jù)式(4)可得，豆?jié){機產(chǎn)品生命周期反應(yīng)時間減少量為：

T=t1+t2=89+14=103(d)

3.2 豆?jié){機產(chǎn)品質(zhì)量評價

豆?jié){機產(chǎn)品質(zhì)量提升指標(biāo)是相對于模塊化前而言的，因此在計算模塊化設(shè)計質(zhì)量提升率時，要先對模塊化前后豆?jié){機因設(shè)計、制造、服務(wù)等產(chǎn)生的平均質(zhì)量問題的數(shù)量進行調(diào)查統(tǒng)計.經(jīng)調(diào)查，豆?jié){機在模塊化設(shè)計前后，設(shè)計、制造等導(dǎo)致的某段時期平均質(zhì)量提升率如表3所示.

表3 豆?jié){機產(chǎn)品平均質(zhì)量提升率

根據(jù)式(5)，模塊化設(shè)計促使的豆?jié){機產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量提升率為：

根據(jù)式(6)，豆?jié){機產(chǎn)品制造質(zhì)量提升率為：

根據(jù)式(7)，豆?jié){機產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量提升率為：

根據(jù)式(8)，豆?jié){機產(chǎn)品生命周期質(zhì)量提升率為：

3.3 豆?jié){機產(chǎn)品成本評價

產(chǎn)品模塊化設(shè)計在豆?jié){機生產(chǎn)中應(yīng)用的主要作用是減少設(shè)計成本、制造成本和產(chǎn)品服務(wù)成本；但同時，采用模塊化設(shè)計會引起以材料成本、設(shè)計成本為主的成本增加.在具體計算中，增加的成本用負(fù)數(shù)表示.各項具體指標(biāo)和各指標(biāo)的降低或增加率如表4所示.

表4 各項成本的降低或增加率

根據(jù)式(9)，豆?jié){機設(shè)計成本降低率為：

根據(jù)式(10)，豆?jié){機制造成本降低率為：

根據(jù)式(11)，豆?jié){機服務(wù)成本降低率為：

根據(jù)式(12)，豆?jié){機模塊化設(shè)計新增成本增加率為：

根據(jù)式(13)，豆?jié){機產(chǎn)品模塊化設(shè)計總成本降低率為：

3.4 豆?jié){機產(chǎn)品滿足用戶多樣化和個性化需求評價

為更好地響應(yīng)市場需求，某豆?jié){機產(chǎn)品被設(shè)計成低端系列、中端系列和高端系列.這三大系列有不同價位的上百種產(chǎn)品.對各類豆?jié){機的銷售情況、市場占有率、用戶反饋問卷等數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理之后，得到了表5所示的用戶滿意程度調(diào)查結(jié)果.

表5 用戶滿意程度調(diào)查結(jié)果

根據(jù)表5數(shù)據(jù)，利用式(14)計算出的豆?jié){機產(chǎn)品設(shè)計階段的客戶滿意度提升率為：

利用式(15)計算出的豆?jié){機產(chǎn)品服務(wù)階段的客戶滿意度提升率為：

利用式(16)計算出的豆?jié){機產(chǎn)品最終用戶滿意度提升率為：

3.5 提高產(chǎn)品和過程的環(huán)境友好性評價

豆?jié){機的環(huán)境友好性主要體現(xiàn)在，通過合并模塊減少零部件種類及數(shù)量來降低產(chǎn)品制造能耗和使用能耗；通過提高模塊重用率、材料回收率來減少工業(yè)三廢排放.豆?jié){機產(chǎn)品環(huán)境友好性數(shù)據(jù)如表6所示.

表6 豆?jié){機產(chǎn)品環(huán)境友好性數(shù)據(jù)

根據(jù)式(17)，豆?jié){機產(chǎn)品減少生命周期能耗率為：

根據(jù)式(18)，豆?jié){機產(chǎn)品減少生命周期資源消耗率為：

根據(jù)式(19)，最終得到的豆?jié){機產(chǎn)品環(huán)境友好性提升率為：

4 結(jié)束語

機械產(chǎn)品模塊化效益評價的背景是：產(chǎn)品模塊化有很好的效益，但產(chǎn)品模塊化需要投資和時間成本，并不是每種產(chǎn)品都適合模塊化；產(chǎn)品模塊化方法有很多，對這些方法的評價值得研究.

本文建立了機械產(chǎn)品模塊化效益評價的過程參考模型，說明了機械產(chǎn)品模塊化效益評價的目標(biāo)、分析方法和主要環(huán)節(jié).

本文建立了機械產(chǎn)品模塊化效益評價的指標(biāo)體系參考模型，從產(chǎn)品生命周期的時間、成本、質(zhì)量、用戶滿意度、環(huán)境友好性這5個指標(biāo)出發(fā)，對機械產(chǎn)品模塊化效益進行綜合評價.企業(yè)可以根據(jù)產(chǎn)品情況選擇若干指標(biāo)進行組合評價，并可根據(jù)需要分解到能夠進行量化計算的粒度.

最后以豆?jié){機為例對機械產(chǎn)品模塊化效益評價指標(biāo)和評價方法進行了可行性驗證.