石 浩,顧 復(fù),顧新建

(浙江大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州310027)

目前，為適應(yīng)激烈的市場競爭，滿足市場的產(chǎn)品多樣化需求，制造企業(yè)已逐步將定制化的產(chǎn)品作為主流產(chǎn)品.祁國寧等提出了大批量定制技術(shù)的基本原理和方法[1].毛漢忠等以工業(yè)汽輪機部件為主要研究對象，對面向大批量定制產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究，同時指出，產(chǎn)品模塊化設(shè)計是實現(xiàn)大批量定制的主要途徑和基本方法[2].在模塊化設(shè)計理論及方法研究方面，侯亮等論述了模塊化設(shè)計理論、技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用[3].模塊化設(shè)計可通過不同結(jié)構(gòu)和功能模塊的組合來形成不同的產(chǎn)品.模塊化設(shè)計的主要目的可以概括為并行開展開發(fā)工作，使復(fù)雜的產(chǎn)品開發(fā)工作便于管理，并且能夠適應(yīng)未來的不確定性[4].顧新建等通過豐富的實踐案例，對機電產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法進行深入研究，提出了產(chǎn)品模塊化設(shè)計的過程模型——“Y模型”[5].模塊化技術(shù)可應(yīng)用于不同層級的產(chǎn)品開發(fā)，如裝置模塊化、產(chǎn)品模塊化等[6].有關(guān)研究者在混凝土泵車產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用模塊化技術(shù)，使產(chǎn)品零部件規(guī)格的數(shù)量減少了約30%[7].此外，模塊化技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量、成本、開發(fā)周期、用戶滿意度等方面均能夠為應(yīng)用企業(yè)帶來較大好處[8].

模塊化設(shè)計方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、家具、計算機等領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)中，但在小家電產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用較少.本文以家用豆?jié){機為例，系統(tǒng)地提出適用于小家電產(chǎn)品快速開發(fā)的模塊化設(shè)計方法，以快速響應(yīng)市場，提升產(chǎn)品質(zhì)量，滿足市場對小家電產(chǎn)品個性化、多樣化的需求.

1 模塊化設(shè)計方法

與傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計方法不同，模塊化設(shè)計方法的產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)品設(shè)計階段是分開的.產(chǎn)品模塊化設(shè)計的產(chǎn)品開發(fā)階段，通常是指基于市場和技術(shù)發(fā)展趨勢、用戶需求分析等，進行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，將產(chǎn)品模塊化并形成模塊化產(chǎn)品平臺的過程；而產(chǎn)品設(shè)計階段是指接到訂單后，通過產(chǎn)品配置設(shè)計或者變型設(shè)計，快速設(shè)計并制造能滿足用戶需求的訂單產(chǎn)品.

產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法包括產(chǎn)品模塊化分析、模塊化產(chǎn)品平臺構(gòu)建、模塊化設(shè)計應(yīng)用三大過程(圖1).

圖1 產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法的三大過程

2 模塊化分析

2.1 產(chǎn)品需求分析

對于小家電產(chǎn)品，在具有一定市場需求的基礎(chǔ)上，進行需求分析的一般步驟為：①對現(xiàn)有客戶進行調(diào)查，收集相關(guān)需求信息，并對客戶的潛在需求進行預(yù)測；②對獲取的有效需求信息進行規(guī)范化處理，準確定義產(chǎn)品需求信息，并對需求進行分類，如價格、功能、性能、可靠性等；③分析提煉核心客戶需求集，識別并提取客戶群的共性需求，為產(chǎn)品平臺構(gòu)建提供條件.

產(chǎn)品需求分析的方法較多，如司光耀等提出的基于大數(shù)據(jù)和粗糙集的產(chǎn)品需求分析方法[9].本文進行家用豆?jié){機產(chǎn)品需求分析時，結(jié)合市場走訪、網(wǎng)絡(luò)調(diào)研及銷售數(shù)據(jù)分析等，收集客戶需求信息，并對需求進行分類，提煉核心客戶需求集并識別共性需求.表1所示為家用豆?jié){機的核心客戶需求集和共性需求.

表1 家用豆?jié){機的核心客戶需求集和共性需求

2.2 零部件ABC分析

零部件ABC分析是指按照產(chǎn)品特性，將零部件分成A、B、C 3類.零部件ABC分析的目的在于為搭建模塊化產(chǎn)品平臺創(chuàng)造條件，提高零部件通用性.通過零部件ABC分析，篩選可通過模塊化減少類型與數(shù)量的零部件.零部件ABC分析可采用頻譜分析方法，即分析零部件出現(xiàn)的頻率，篩選使用頻率低的零部件,并把使用頻率高的零部件歸為A類或B類，以便模塊化設(shè)計時選用使用頻率高的零部件.

(1) A類零部件標準化程度高，通常屬于標準件，在結(jié)構(gòu)、尺寸、畫法、標記等方面已經(jīng)完全標準化，如螺釘、螺母、軸承、彈簧等.A類零部件可大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本很低.

(2) B類零部件是決定產(chǎn)品關(guān)鍵性能、影響產(chǎn)品功能的零部件.其通用化程度較高，且易進行變型設(shè)計，加工工藝的標準化程度較高.電機、加熱管、溫度傳感器等B類零部件可大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較低.

(3) C類零部件為用于滿足特定需求或外觀差異較大的其他零部件.其通用化程度較低，需根據(jù)產(chǎn)品特定需求來生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較高.

圖2所示為家用豆?jié){機的部分零部件頻譜分析結(jié)果.

圖2 家用豆?jié){機的部分零部件頻譜分析結(jié)果

2.3 產(chǎn)品功能系列化

模塊化設(shè)計依賴于產(chǎn)品功能系列化.產(chǎn)品的模塊劃分、模塊參數(shù)制定、模塊種類規(guī)劃等均以產(chǎn)品功能系列化為依據(jù).

2.3.1 產(chǎn)品型譜分析

產(chǎn)品型譜是以縱軸為產(chǎn)品銷售分布情況，以橫軸為產(chǎn)品主參數(shù)分布情況而構(gòu)成的坐標圖.產(chǎn)品系列型譜是系列化和標準化的產(chǎn)品型譜，其合理性直接影響產(chǎn)品模塊化設(shè)計的難易程度和開發(fā)產(chǎn)品新品種的潛力.圖3所示為某企業(yè)的家用豆?jié){機部分型號的產(chǎn)品系列型譜.

圖3 某企業(yè)的家用豆?jié){機部分型號的產(chǎn)品系列型譜

2.3.2 產(chǎn)品功能模塊的系列化

產(chǎn)品功能模塊劃分是在零部件ABC分析的基礎(chǔ)上，對已有產(chǎn)品的功能原理進行分析，并按照一定原則，結(jié)合產(chǎn)品參數(shù)的系列化，對產(chǎn)品功能模塊進行的系列化規(guī)劃.首先確定產(chǎn)品功能主參數(shù)，然后按照一定原則劃分功能系列，以確保用較少的參數(shù)系列滿足較全面的市場需求.

以家用豆?jié){機為例，其核心功能是粉碎、加熱、控制等，主要功能模塊有電機、加熱管、杯體、控制板組件等.加熱功率是家用豆?jié){機的功能主參數(shù)，可根據(jù)杯體容量使其加熱功率系列化(表2).

表2 根據(jù)杯體容量系列化的家用豆?jié){機加熱功率

2.4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化

文獻[10]將模塊定義為，可組合成系統(tǒng)的、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨立單元.在機械產(chǎn)品模塊化設(shè)計時，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有通用模塊與專用模塊之分[11].

結(jié)構(gòu)模塊是功能模塊的載體[12]，結(jié)構(gòu)模塊劃分應(yīng)結(jié)合功能模塊的劃分，按照相似性原則、相對獨立原則[13]等，以盡可能少的模塊組成盡可能多的產(chǎn)品種類.模塊劃分應(yīng)方便設(shè)計選型、加工制造、倉儲管理等產(chǎn)品開發(fā)過程.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化的基本過程如圖4所示.

圖4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化的基本過程

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊劃分的順序是先整體后局部，依次劃分部件模塊、組件模塊和零件模塊(又分別稱為I級模塊、Ⅱ級模和Ⅲ級模塊)；優(yōu)先劃分對產(chǎn)品功能具有決定意義的核心模塊，其次劃分次要模塊，最后劃分輔助性模塊.

從圖5所示的家用豆?jié){機結(jié)構(gòu)模塊劃分示意圖可知，其Ⅰ級模塊有粉碎模塊、加熱模塊、顯示控制模塊、上蓋組件模塊、下蓋組件模塊、杯體外殼組件模塊等.

圖5 家用豆?jié){機結(jié)構(gòu)模塊劃分示意圖

3 模塊化產(chǎn)品平臺構(gòu)建

3.1 建立產(chǎn)品編碼和零部件名稱體系

產(chǎn)品編碼和零部件名稱體系用于產(chǎn)品和零部件的搜索、分類和統(tǒng)計.建立產(chǎn)品編碼和零部件名稱體系的過程如圖6所示.通過這一過程，最終形成相互關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品編碼庫和零部件名稱庫.

圖6 建立產(chǎn)品編碼和零部件名稱體系的過程

3.1.1 產(chǎn)品編碼體系

常見的產(chǎn)品編碼體系主要有隸屬編碼體系、復(fù)合編碼體系、平行編碼體系和識別編碼體系等.對于家用豆?jié){機，可依據(jù)其特點與產(chǎn)品需求，按文獻[14]的分類編碼方法，建立圖7所示的產(chǎn)品及零部件編碼體系.該編碼體系是一種平行編碼體系，具有較好的擴展性.

圖7 產(chǎn)品及零部件編碼體系

產(chǎn)品代碼表示產(chǎn)品類別.分類碼用于依據(jù)功能原理和結(jié)構(gòu)組成，對部件及零件進行分類.識別碼主要用于對不同模塊化產(chǎn)品信息的區(qū)分和標識，具有唯一性.識別碼是自動生成的順序編號.

3.1.2 零部件名稱體系

零部件名稱是對零部件功能或結(jié)構(gòu)特征的一種描述，簡單而直觀.建立零部件名稱體系就是對零部件名稱進行規(guī)范，以便正確識別零部件，減少零部件種類，提高零部件重用度.

零部件名稱規(guī)范化是對現(xiàn)有零部件名稱進行分析，并制定零部件命名規(guī)則的過程.按照零部件分類，以使用頻次高、名稱簡潔、符合使用習(xí)慣的名稱作為參照標準，提取零部件命名通用原則.如將下蓋、底蓋統(tǒng)一為下蓋，外殼、殼體統(tǒng)一為外殼等.

3.2 產(chǎn)品標準模塊設(shè)計和模塊接口定義

3.2.1 產(chǎn)品標準模塊設(shè)計

產(chǎn)品標準模塊設(shè)計是模塊化設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，包括零件幾何形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析、模塊主模型和各種主文檔的建立等(圖8).產(chǎn)品標準模塊是一種基本模塊，供產(chǎn)品模塊化設(shè)計選用，也可用于產(chǎn)品系列化設(shè)計.

圖8 產(chǎn)品標準模塊設(shè)計過程

通過零件幾何形狀分析，充分挖掘產(chǎn)品和零部件的結(jié)構(gòu)相似性、功能相似性和工藝過程相似性.建立具有通用性的模塊幾何模型，以滿足產(chǎn)品變型模塊的功能設(shè)計要求和約束要求，支持產(chǎn)品變型設(shè)計，減少零部件種類.

通過結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，對參數(shù)類型進行分類(如功能參數(shù)、工藝參數(shù)等)，并辨識其是固化參數(shù)還是可變參數(shù)，了解參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系.圖9所示為豆?jié){機下蓋的結(jié)構(gòu)參數(shù).

圖9 豆?jié){機下蓋的結(jié)構(gòu)參數(shù)

對豆?jié){機下蓋的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析可知，圖9中R1、D5、H2為不變尺寸，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)隨不同裝配要求而變動；而且，僅有D1、D3、H3需要改變，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)可根據(jù)這3個參數(shù)計算出來或者固定不變.與此相應(yīng)，豆?jié){機下蓋的模塊主模型如圖10所示.

圖10 豆?jié){機下蓋的模塊主模型

模塊主模型是與相應(yīng)事物特性表相關(guān)聯(lián)的.事物特性表用于描述模塊族中各模塊的具體尺寸及特有性質(zhì)(如材質(zhì)、顏色等).表3所示為豆?jié){機下蓋的事物特性表.

3.2.2 模塊接口定義

通過模塊接口定義，可實現(xiàn)模塊與模塊的關(guān)聯(lián),以保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性和功能的完整性.對于機械類產(chǎn)品，模塊接口定義主要用于描述兩個模塊之間的裝配關(guān)系，包括連接、固定、限位等關(guān)系.

豆?jié){機粉碎網(wǎng)安裝螺柱接口尺寸設(shè)計規(guī)則如圖11所示.其中，d1、d2、h1、h2需滿足統(tǒng)一的設(shè)計要求.

表3 豆?jié){機下蓋的事物特性表 mm

圖11 豆?jié){機粉碎網(wǎng)安裝螺柱接口尺寸設(shè)計規(guī)則

3.3 構(gòu)建模塊化產(chǎn)品平臺

構(gòu)建模塊化產(chǎn)品平臺時需建立各模塊之間的關(guān)系，以便產(chǎn)品模塊化設(shè)計時選用.模塊化產(chǎn)品平臺構(gòu)建過程包括建立產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品參數(shù)分析、產(chǎn)品系列化分布、模塊系列化設(shè)計等(圖12).模塊化產(chǎn)品平臺包括設(shè)計規(guī)范、設(shè)計模板以及產(chǎn)品模塊化設(shè)計實例等.

產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)是根據(jù)產(chǎn)品原理形成的標準結(jié)構(gòu)樹形式，產(chǎn)品配置設(shè)計時依據(jù)產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)選配不同的模塊，以構(gòu)成特定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu).通過產(chǎn)品參數(shù)分析確定其功能參數(shù)、性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等，形成產(chǎn)品系列化分布.模塊系列化設(shè)計的目的在于減少各種模塊的規(guī)格數(shù)量，盡可能滿足各方面的需求，并通過不同系列的模塊組合形成多樣化的產(chǎn)品規(guī)格.針對家用豆?jié){機粉碎模塊，根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)系列化和粉碎性能要求，可設(shè)計表4所示的系列化的刀片.

圖12 模塊化產(chǎn)品平臺構(gòu)建過程

4 家用豆?jié){機模塊化設(shè)計應(yīng)用

模塊化設(shè)計主要包括基于模塊化平臺的產(chǎn)品配置設(shè)計和產(chǎn)品變型設(shè)計.

4.1 產(chǎn)品配置設(shè)計

產(chǎn)品配置設(shè)計可定義為根據(jù)預(yù)定義的零部件集及它們之間的約束關(guān)系，通過合理組合，形成滿足客戶個性化要求的產(chǎn)品設(shè)計過程[15].豆?jié){機產(chǎn)品配置設(shè)計是根據(jù)豆?jié){機需求定義，在豆?jié){機性能、功能、可靠性等約束下，以產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過選配不同模塊組合，進行設(shè)計檢查和驗證，開發(fā)能滿足各種需求的豆?jié){機產(chǎn)品.

表4 家用豆?jié){機的系列化刀片

注：01、02、03為刀片系列的簡化編碼.

圖13所示為基于PLM(Product Lifecycle Management)系統(tǒng)的豆?jié){機產(chǎn)品配置設(shè)計中電機選型的界面.產(chǎn)品開發(fā)人員在界面中可輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)或選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)，檢索對應(yīng)模塊，根據(jù)綜合需求從檢索對象中選擇合適的模塊；也可查看該模塊下的模型、文檔及其他信息.

圖13 基于PLM系統(tǒng)的豆?jié){機產(chǎn)品配置設(shè)計中電機選型的界面

4.2 產(chǎn)品變型設(shè)計

產(chǎn)品變型設(shè)計的原則是保持原有產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)、功能不變,僅通過產(chǎn)品零部件局部結(jié)構(gòu)的再設(shè)計形成新的產(chǎn)品，來滿足不同的需求.產(chǎn)品變型設(shè)計的最大優(yōu)點是能夠讓產(chǎn)品快速設(shè)計成型.變型設(shè)計往往與配置設(shè)計相結(jié)合，來完成產(chǎn)品模塊化設(shè)計.

變型設(shè)計方法可分為參數(shù)化設(shè)計和局部拓撲結(jié)構(gòu)變型設(shè)計.參數(shù)化設(shè)計是在不改變產(chǎn)品主要功能參數(shù)和結(jié)構(gòu)配置的條件下，重新設(shè)計產(chǎn)品的部分尺寸.如家用豆?jié){機需要設(shè)計一款小容量機型，可根據(jù)電機、加熱杯體等結(jié)構(gòu)配置，在設(shè)計下蓋時采用參數(shù)化設(shè)計方法，根據(jù)圖10和表3來快速設(shè)計系列化尺寸，形成新的下蓋模型，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)和功能參數(shù)隨之改變.

局部拓撲結(jié)構(gòu)變型設(shè)計是在零部件主模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)新產(chǎn)品要求，對零部件局部拓撲結(jié)構(gòu)進行變型.如對豆?jié){機杯體進行局部拓撲結(jié)構(gòu)變型設(shè)計(圖14)時，可在已有圓形杯體模型的基礎(chǔ)上，拓撲局部結(jié)構(gòu)“杯嘴”，而不改變其他結(jié)構(gòu)，以滿足帶杯嘴需求的機型使用.

圖14 豆?jié){機杯體局部拓撲結(jié)構(gòu)變型設(shè)計示意圖

4.3 應(yīng)用總結(jié)

采用模塊化設(shè)計方法，能夠快速設(shè)計滿足市場需求的家用豆?jié){機產(chǎn)品，提高企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計效率，也有助于降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量.通過模塊化設(shè)計，減少了產(chǎn)品的零部件種類和數(shù)量，大幅提升了產(chǎn)品的標準化程度.經(jīng)過應(yīng)用，模塊化設(shè)計方法能夠為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟和管理效益.

5 結(jié)束語

本文基于大量產(chǎn)品數(shù)據(jù)，為滿足企業(yè)對提高產(chǎn)品開發(fā)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本的要求，提出了產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法.以家用豆?jié){機開發(fā)為例，通過產(chǎn)品模塊化分析，劃分結(jié)構(gòu)模塊，為建立產(chǎn)品模塊化設(shè)計平臺提供了條件；通過建立產(chǎn)品編碼和零部件名稱體系，制定模塊接口設(shè)計原則，搭建了產(chǎn)品模塊化設(shè)計平臺.模塊化設(shè)計方法的應(yīng)用實踐表明，基于需求定義快速實現(xiàn)產(chǎn)品配置設(shè)計和變型設(shè)計，能夠為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟和管理效益.本文對模塊化設(shè)計方法的應(yīng)用局限于定性研究，為了更廣泛地推廣模塊化設(shè)計方法，今后應(yīng)著力對其應(yīng)用進行定量研究.