模塊化設計方法及其在家用豆漿機中的應用

石 浩,顧 復,顧新建

(浙江大學 機械工程學院，浙江 杭州310027)

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

模塊化設計方法已經廣泛應用于航空航天、汽車、家具、計算機等領域的產品開發中，但在小家電產品領域應用較少.本文以家用豆漿機為例，系統地提出適用于小家電產品快速開發的模塊化設計方法，以快速響應市場，提升產品質量，滿足市場對小家電產品個性化、多樣化的需求.

1 模塊化設計方法

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

產品模塊化設計方法包括產品模塊化分析、模塊化產品平臺構建、模塊化設計應用三大過程(圖1).

圖1 產品模塊化設計方法的三大過程

2 模塊化分析

2.1 產品需求分析

對于小家電產品，在具有一定市場需求的基礎上，進行需求分析的一般步驟為：①對現有客戶進行調查，收集相關需求信息，并對客戶的潛在需求進行預測；②對獲取的有效需求信息進行規范化處理，準確定義產品需求信息，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，為產品平臺構建提供條件.

產品需求分析的方法較多，如司光耀等提出的基于大數據和粗糙集的產品需求分析方法[9].本文進行家用豆漿機產品需求分析時，結合市場走訪、網絡調研及銷售數據分析等，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所示為家用豆漿機的核心客戶需求集和共性需求.

表1 家用豆漿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品平臺創造條件，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，在結構、尺寸、畫法、標記等方面已經完全標準化，如螺釘、螺母、軸承、彈簧等.A類零部件可大批量生產，生產成本很低.

(2) B類零部件是決定產品關鍵性能、影響產品功能的零部件.其通用化程度較高，且易進行變型設計，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，生產成本較低.

(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，需根據產品特定需求來生產，生產成本較高.

圖2所示為家用豆漿機的部分零部件頻譜分析結果.

圖2 家用豆漿機的部分零部件頻譜分析結果

2.3 產品功能系列化

模塊化設計依賴于產品功能系列化.產品的模塊劃分、模塊參數制定、模塊種類規劃等均以產品功能系列化為依據.

2.3.1 產品型譜分析

產品型譜是以縱軸為產品銷售分布情況，以橫軸為產品主參數分布情況而構成的坐標圖.產品系列型譜是系列化和標準化的產品型譜，其合理性直接影響產品模塊化設計的難易程度和開發產品新品種的潛力.圖3所示為某企業的家用豆漿機部分型號的產品系列型譜.

圖3 某企業的家用豆漿機部分型號的產品系列型譜

2.3.2 產品功能模塊的系列化

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

以家用豆漿機為例，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.加熱功率是家用豆漿機的功能主參數，可根據杯體容量使其加熱功率系列化(表2).

表2 根據杯體容量系列化的家用豆漿機加熱功率

2.4 產品結構模塊化

文獻[10]將模塊定義為，可組合成系統的、具有某種確定功能和接口結構的、典型的通用獨立單元.在機械產品模塊化設計時，產品結構有通用模塊與專用模塊之分[11].

結構模塊是功能模塊的載體[12]，結構模塊劃分應結合功能模塊的劃分，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品種類.模塊劃分應方便設計選型、加工制造、倉儲管理等產品開發過程.產品結構模塊化的基本過程如圖4所示.

圖4 產品結構模塊化的基本過程

產品結構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)；優先劃分對產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所示的家用豆漿機結構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 家用豆漿機結構模塊劃分示意圖

3 模塊化產品平臺構建

3.1 建立產品編碼和零部件名稱體系

產品編碼和零部件名稱體系用于產品和零部件的搜索、分類和統計.建立產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，最終形成相互關聯的產品編碼庫和零部件名稱庫.

圖6 建立產品編碼和零部件名稱體系的過程

3.1.1 產品編碼體系

常見的產品編碼體系主要有隸屬編碼體系、復合編碼體系、平行編碼體系和識別編碼體系等.對于家用豆漿機，可依據其特點與產品需求，按文獻[14]的分類編碼方法，建立圖7所示的產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 產品及零部件編碼體系

產品代碼表示產品類別.分類碼用于依據功能原理和結構組成，對部件及零件進行分類.識別碼主要用于對不同模塊化產品信息的區分和標識，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構特征的一種描述，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.

零部件名稱規范化是對現有零部件名稱進行分析，并制定零部件命名規則的過程.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、底蓋統一為下蓋，外殼、殼體統一為外殼等.

3.2 產品標準模塊設計和模塊接口定義

3.2.1 產品標準模塊設計

產品標準模塊設計是模塊化設計的核心環節，包括零件幾何形狀和結構參數的分析、模塊主模型和各種主文檔的建立等(圖8).產品標準模塊是一種基本模塊，供產品模塊化設計選用，也可用于產品系列化設計.

圖8 產品標準模塊設計過程

通過零件幾何形狀分析，充分挖掘產品和零部件的結構相似性、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，以滿足產品變型模塊的功能設計要求和約束要求，支持產品變型設計，減少零部件種類.

通過結構參數分析，對參數類型進行分類(如功能參數、工藝參數等)，并辨識其是固化參數還是可變參數，了解參數之間的關聯關系.圖9所示為豆漿機下蓋的結構參數.

圖9 豆漿機下蓋的結構參數

對豆漿機下蓋的結構參數分析可知，圖9中R1、D5、H2為不變尺寸，其他結構參數隨不同裝配要求而變動；而且，僅有D1、D3、H3需要改變，其他結構參數可根據這3個參數計算出來或者固定不變.與此相應，豆漿機下蓋的模塊主模型如圖10所示.

圖10 豆漿機下蓋的模塊主模型

模塊主模型是與相應事物特性表相關聯的.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(如材質、顏色等).表3所示為豆漿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，可實現模塊與模塊的關聯,以保證產品結構的可靠性和功能的完整性.對于機械類產品，模塊接口定義主要用于描述兩個模塊之間的裝配關系，包括連接、固定、限位等關系.

豆漿機粉碎網安裝螺柱接口尺寸設計規則如圖11所示.其中，d1、d2、h1、h2需滿足統一的設計要求.

表3 豆漿機下蓋的事物特性表 mm

圖11 豆漿機粉碎網安裝螺柱接口尺寸設計規則

3.3 構建模塊化產品平臺

構建模塊化產品平臺時需建立各模塊之間的關系，以便產品模塊化設計時選用.模塊化產品平臺構建過程包括建立產品主結構、產品參數分析、產品系列化分布、模塊系列化設計等(圖12).模塊化產品平臺包括設計規范、設計模板以及產品模塊化設計實例等.

產品主結構是根據產品原理形成的標準結構樹形式，產品配置設計時依據產品主結構選配不同的模塊，以構成特定的產品結構.通過產品參數分析確定其功能參數、性能參數和結構參數等，形成產品系列化分布.模塊系列化設計的目的在于減少各種模塊的規格數量，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品規格.針對家用豆漿機粉碎模塊，根據產品參數系列化和粉碎性能要求，可設計表4所示的系列化的刀片.

圖12 模塊化產品平臺構建過程

4 家用豆漿機模塊化設計應用

模塊化設計主要包括基于模塊化平臺的產品配置設計和產品變型設計.

4.1 產品配置設計

產品配置設計可定義為根據預定義的零部件集及它們之間的約束關系，通過合理組合，形成滿足客戶個性化要求的產品設計過程[15].豆漿機產品配置設計是根據豆漿機需求定義，在豆漿機性能、功能、可靠性等約束下，以產品主結構為基礎，通過選配不同模塊組合，進行設計檢查和驗證，開發能滿足各種需求的豆漿機產品.

表4 家用豆漿機的系列化刀片

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)系統的豆漿機產品配置設計中電機選型的界面.產品開發人員在界面中可輸入結構參數或選擇結構參數，檢索對應模塊，根據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系統的豆漿機產品配置設計中電機選型的界面

4.2 產品變型設計

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

變型設計方法可分為參數化設計和局部拓撲結構變型設計.參數化設計是在不改變產品主要功能參數和結構配置的條件下，重新設計產品的部分尺寸.如家用豆漿機需要設計一款小容量機型，可根據電機、加熱杯體等結構配置，在設計下蓋時采用參數化設計方法，根據圖10和表3來快速設計系列化尺寸，形成新的下蓋模型，使產品的結構參數和功能參數隨之改變.

局部拓撲結構變型設計是在零部件主模型的基礎上，根據新產品要求，對零部件局部拓撲結構進行變型.如對豆漿機杯體進行局部拓撲結構變型設計(圖14)時，可在已有圓形杯體模型的基礎上，拓撲局部結構“杯嘴”，而不改變其他結構，以滿足帶杯嘴需求的機型使用.

圖14 豆漿機杯體局部拓撲結構變型設計示意圖

4.3 應用總結

采用模塊化設計方法，能夠快速設計滿足市場需求的家用豆漿機產品，提高企業的產品研發設計效率，也有助于降低產品成本、提高產品質量.通過模塊化設計，減少了產品的零部件種類和數量，大幅提升了產品的標準化程度.經過應用，模塊化設計方法能夠為企業帶來較大的經濟和管理效益.

5 結束語

本文基于大量產品數據，為滿足企業對提高產品開發效率、提升產品質量、降低產品成本的要求，提出了產品模塊化設計方法.以家用豆漿機開發為例，通過產品模塊化分析，劃分結構模塊，為建立產品模塊化設計平臺提供了條件；通過建立產品編碼和零部件名稱體系，制定模塊接口設計原則，搭建了產品模塊化設計平臺.模塊化設計方法的應用實踐表明，基于需求定義快速實現產品配置設計和變型設計，能夠為企業帶來較大的經濟和管理效益.本文對模塊化設計方法的應用局限于定性研究，為了更廣泛地推廣模塊化設計方法，今后應著力對其應用進行定量研究.