模块化设计方法及其在家用豆浆机中的应用

石 浩,顾 复,顾新建

(浙江大学 机械工程学院，浙江 杭州310027)

目前，为适应激烈的市场竞争，满足市场的产品多样化需求，制造企业已逐步将定制化的产品作为主流产品.祁国宁等提出了大批量定制技术的基本原理和方法[1].毛汉忠等以工业汽轮机部件为主要研究对象，对面向大批量定制产品开发设计的关键技术进行了深入研究，同时指出，产品模块化设计是实现大批量定制的主要途径和基本方法[2].在模块化设计理论及方法研究方面，侯亮等论述了模块化设计理论、技术及工业应用[3].模块化设计可通过不同结构和功能模块的组合来形成不同的产品.模块化设计的主要目的可以概括为并行开展开发工作，使复杂的产品开发工作便于管理，并且能够适应未来的不确定性[4].顾新建等通过丰富的实践案例，对机电产品模块化设计方法进行深入研究，提出了产品模块化设计的过程模型——“Y模型”[5].模块化技术可应用于不同层级的产品开发，如装置模块化、产品模块化等[6].有关研究者在混凝土泵车产品开发中应用模块化技术，使产品零部件规格的数量减少了约30%[7].此外，模块化技术在产品质量、成本、开发周期、用户满意度等方面均能够为应用企业带来较大好处[8].

模块化设计方法已经广泛应用于航空航天、汽车、家具、计算机等领域的产品开发中，但在小家电产品领域应用较少.本文以家用豆浆机为例，系统地提出适用于小家电产品快速开发的模块化设计方法，以快速响应市场，提升产品质量，满足市场对小家电产品个性化、多样化的需求.

1 模块化设计方法

与传统大批量生产的产品开发设计方法不同，模块化设计方法的产品开发与产品设计阶段是分开的.产品模块化设计的产品开发阶段，通常是指基于市场和技术发展趋势、用户需求分析等，进行产品创新设计，将产品模块化并形成模块化产品平台的过程；而产品设计阶段是指接到订单后，通过产品配置设计或者变型设计，快速设计并制造能满足用户需求的订单产品.

产品模块化设计方法包括产品模块化分析、模块化产品平台构建、模块化设计应用三大过程(图1).

图1 产品模块化设计方法的三大过程

2 模块化分析

2.1 产品需求分析

对于小家电产品，在具有一定市场需求的基础上，进行需求分析的一般步骤为：①对现有客户进行调查，收集相关需求信息，并对客户的潜在需求进行预测；②对获取的有效需求信息进行规范化处理，准确定义产品需求信息，并对需求进行分类，如价格、功能、性能、可靠性等；③分析提炼核心客户需求集，识别并提取客户群的共性需求，为产品平台构建提供条件.

产品需求分析的方法较多，如司光耀等提出的基于大数据和粗糙集的产品需求分析方法[9].本文进行家用豆浆机产品需求分析时，结合市场走访、网络调研及销售数据分析等，收集客户需求信息，并对需求进行分类，提炼核心客户需求集并识别共性需求.表1所示为家用豆浆机的核心客户需求集和共性需求.

表1 家用豆浆机的核心客户需求集和共性需求

2.2 零部件ABC分析

零部件ABC分析是指按照产品特性，将零部件分成A、B、C 3类.零部件ABC分析的目的在于为搭建模块化产品平台创造条件，提高零部件通用性.通过零部件ABC分析，筛选可通过模块化减少类型与数量的零部件.零部件ABC分析可采用频谱分析方法，即分析零部件出现的频率，筛选使用频率低的零部件,并把使用频率高的零部件归为A类或B类，以便模块化设计时选用使用频率高的零部件.

(1) A类零部件标准化程度高，通常属于标准件，在结构、尺寸、画法、标记等方面已经完全标准化，如螺钉、螺母、轴承、弹簧等.A类零部件可大批量生产，生产成本很低.

(2) B类零部件是决定产品关键性能、影响产品功能的零部件.其通用化程度较高，且易进行变型设计，加工工艺的标准化程度较高.电机、加热管、温度传感器等B类零部件可大批量生产，生产成本较低.

(3) C类零部件为用于满足特定需求或外观差异较大的其他零部件.其通用化程度较低，需根据产品特定需求来生产，生产成本较高.

图2所示为家用豆浆机的部分零部件频谱分析结果.

图2 家用豆浆机的部分零部件频谱分析结果

2.3 产品功能系列化

模块化设计依赖于产品功能系列化.产品的模块划分、模块参数制定、模块种类规划等均以产品功能系列化为依据.

2.3.1 产品型谱分析

产品型谱是以纵轴为产品销售分布情况，以横轴为产品主参数分布情况而构成的坐标图.产品系列型谱是系列化和标准化的产品型谱，其合理性直接影响产品模块化设计的难易程度和开发产品新品种的潜力.图3所示为某企业的家用豆浆机部分型号的产品系列型谱.

图3 某企业的家用豆浆机部分型号的产品系列型谱

2.3.2 产品功能模块的系列化

产品功能模块划分是在零部件ABC分析的基础上，对已有产品的功能原理进行分析，并按照一定原则，结合产品参数的系列化，对产品功能模块进行的系列化规划.首先确定产品功能主参数，然后按照一定原则划分功能系列，以确保用较少的参数系列满足较全面的市场需求.

以家用豆浆机为例，其核心功能是粉碎、加热、控制等，主要功能模块有电机、加热管、杯体、控制板组件等.加热功率是家用豆浆机的功能主参数，可根据杯体容量使其加热功率系列化(表2).

表2 根据杯体容量系列化的家用豆浆机加热功率

2.4 产品结构模块化

文献[10]将模块定义为，可组合成系统的、具有某种确定功能和接口结构的、典型的通用独立单元.在机械产品模块化设计时，产品结构有通用模块与专用模块之分[11].

结构模块是功能模块的载体[12]，结构模块划分应结合功能模块的划分，按照相似性原则、相对独立原则[13]等，以尽可能少的模块组成尽可能多的产品种类.模块划分应方便设计选型、加工制造、仓储管理等产品开发过程.产品结构模块化的基本过程如图4所示.

图4 产品结构模块化的基本过程

产品结构模块划分的顺序是先整体后局部，依次划分部件模块、组件模块和零件模块(又分别称为I级模块、Ⅱ级模和Ⅲ级模块)；优先划分对产品功能具有决定意义的核心模块，其次划分次要模块，最后划分辅助性模块.

从图5所示的家用豆浆机结构模块划分示意图可知，其Ⅰ级模块有粉碎模块、加热模块、显示控制模块、上盖组件模块、下盖组件模块、杯体外壳组件模块等.

图5 家用豆浆机结构模块划分示意图

3 模块化产品平台构建

3.1 建立产品编码和零部件名称体系

产品编码和零部件名称体系用于产品和零部件的搜索、分类和统计.建立产品编码和零部件名称体系的过程如图6所示.通过这一过程，最终形成相互关联的产品编码库和零部件名称库.

图6 建立产品编码和零部件名称体系的过程

3.1.1 产品编码体系

常见的产品编码体系主要有隶属编码体系、复合编码体系、平行编码体系和识别编码体系等.对于家用豆浆机，可依据其特点与产品需求，按文献[14]的分类编码方法，建立图7所示的产品及零部件编码体系.该编码体系是一种平行编码体系，具有较好的扩展性.

图7 产品及零部件编码体系

产品代码表示产品类别.分类码用于依据功能原理和结构组成，对部件及零件进行分类.识别码主要用于对不同模块化产品信息的区分和标识，具有唯一性.识别码是自动生成的顺序编号.

3.1.2 零部件名称体系

零部件名称是对零部件功能或结构特征的一种描述，简单而直观.建立零部件名称体系就是对零部件名称进行规范，以便正确识别零部件，减少零部件种类，提高零部件重用度.

零部件名称规范化是对现有零部件名称进行分析，并制定零部件命名规则的过程.按照零部件分类，以使用频次高、名称简洁、符合使用习惯的名称作为参照标准，提取零部件命名通用原则.如将下盖、底盖统一为下盖，外壳、壳体统一为外壳等.

3.2 产品标准模块设计和模块接口定义

3.2.1 产品标准模块设计

产品标准模块设计是模块化设计的核心环节，包括零件几何形状和结构参数的分析、模块主模型和各种主文档的建立等(图8).产品标准模块是一种基本模块，供产品模块化设计选用，也可用于产品系列化设计.

图8 产品标准模块设计过程

通过零件几何形状分析，充分挖掘产品和零部件的结构相似性、功能相似性和工艺过程相似性.建立具有通用性的模块几何模型，以满足产品变型模块的功能设计要求和约束要求，支持产品变型设计，减少零部件种类.

通过结构参数分析，对参数类型进行分类(如功能参数、工艺参数等)，并辨识其是固化参数还是可变参数，了解参数之间的关联关系.图9所示为豆浆机下盖的结构参数.

图9 豆浆机下盖的结构参数

对豆浆机下盖的结构参数分析可知，图9中R1、D5、H2为不变尺寸，其他结构参数随不同装配要求而变动；而且，仅有D1、D3、H3需要改变，其他结构参数可根据这3个参数计算出来或者固定不变.与此相应，豆浆机下盖的模块主模型如图10所示.

图10 豆浆机下盖的模块主模型

模块主模型是与相应事物特性表相关联的.事物特性表用于描述模块族中各模块的具体尺寸及特有性质(如材质、颜色等).表3所示为豆浆机下盖的事物特性表.

3.2.2 模块接口定义

通过模块接口定义，可实现模块与模块的关联,以保证产品结构的可靠性和功能的完整性.对于机械类产品，模块接口定义主要用于描述两个模块之间的装配关系，包括连接、固定、限位等关系.

豆浆机粉碎网安装螺柱接口尺寸设计规则如图11所示.其中，d1、d2、h1、h2需满足统一的设计要求.

表3 豆浆机下盖的事物特性表 mm

图11 豆浆机粉碎网安装螺柱接口尺寸设计规则

3.3 构建模块化产品平台

构建模块化产品平台时需建立各模块之间的关系，以便产品模块化设计时选用.模块化产品平台构建过程包括建立产品主结构、产品参数分析、产品系列化分布、模块系列化设计等(图12).模块化产品平台包括设计规范、设计模板以及产品模块化设计实例等.

产品主结构是根据产品原理形成的标准结构树形式，产品配置设计时依据产品主结构选配不同的模块，以构成特定的产品结构.通过产品参数分析确定其功能参数、性能参数和结构参数等，形成产品系列化分布.模块系列化设计的目的在于减少各种模块的规格数量，尽可能满足各方面的需求，并通过不同系列的模块组合形成多样化的产品规格.针对家用豆浆机粉碎模块，根据产品参数系列化和粉碎性能要求，可设计表4所示的系列化的刀片.

图12 模块化产品平台构建过程

4 家用豆浆机模块化设计应用

模块化设计主要包括基于模块化平台的产品配置设计和产品变型设计.

4.1 产品配置设计

产品配置设计可定义为根据预定义的零部件集及它们之间的约束关系，通过合理组合，形成满足客户个性化要求的产品设计过程[15].豆浆机产品配置设计是根据豆浆机需求定义，在豆浆机性能、功能、可靠性等约束下，以产品主结构为基础，通过选配不同模块组合，进行设计检查和验证，开发能满足各种需求的豆浆机产品.

表4 家用豆浆机的系列化刀片

注：01、02、03为刀片系列的简化编码.

图13所示为基于PLM(Product Lifecycle Management)系统的豆浆机产品配置设计中电机选型的界面.产品开发人员在界面中可输入结构参数或选择结构参数，检索对应模块，根据综合需求从检索对象中选择合适的模块；也可查看该模块下的模型、文档及其他信息.

图13 基于PLM系统的豆浆机产品配置设计中电机选型的界面

4.2 产品变型设计

产品变型设计的原则是保持原有产品的基本结构、功能不变,仅通过产品零部件局部结构的再设计形成新的产品，来满足不同的需求.产品变型设计的最大优点是能够让产品快速设计成型.变型设计往往与配置设计相结合，来完成产品模块化设计.

变型设计方法可分为参数化设计和局部拓扑结构变型设计.参数化设计是在不改变产品主要功能参数和结构配置的条件下，重新设计产品的部分尺寸.如家用豆浆机需要设计一款小容量机型，可根据电机、加热杯体等结构配置，在设计下盖时采用参数化设计方法，根据图10和表3来快速设计系列化尺寸，形成新的下盖模型，使产品的结构参数和功能参数随之改变.

局部拓扑结构变型设计是在零部件主模型的基础上，根据新产品要求，对零部件局部拓扑结构进行变型.如对豆浆机杯体进行局部拓扑结构变型设计(图14)时，可在已有圆形杯体模型的基础上，拓扑局部结构“杯嘴”，而不改变其他结构，以满足带杯嘴需求的机型使用.

图14 豆浆机杯体局部拓扑结构变型设计示意图

4.3 应用总结

采用模块化设计方法，能够快速设计满足市场需求的家用豆浆机产品，提高企业的产品研发设计效率，也有助于降低产品成本、提高产品质量.通过模块化设计，减少了产品的零部件种类和数量，大幅提升了产品的标准化程度.经过应用，模块化设计方法能够为企业带来较大的经济和管理效益.

5 结束语

本文基于大量产品数据，为满足企业对提高产品开发效率、提升产品质量、降低产品成本的要求，提出了产品模块化设计方法.以家用豆浆机开发为例，通过产品模块化分析，划分结构模块，为建立产品模块化设计平台提供了条件；通过建立产品编码和零部件名称体系，制定模块接口设计原则，搭建了产品模块化设计平台.模块化设计方法的应用实践表明，基于需求定义快速实现产品配置设计和变型设计，能够为企业带来较大的经济和管理效益.本文对模块化设计方法的应用局限于定性研究，为了更广泛地推广模块化设计方法，今后应着力对其应用进行定量研究.