家电产品模块化设计

高浪 潘晓勇 彭玲 汪年结 段传凯 向东

（1.清华大学机械系 北京 100084；2.四川长虹电器股份有限公司 四川绵阳 621000）

1 引言

在当今市场环境下，需求的多变性导致家电产品生命周期缩短、品种多样化，传统的大规模制造模式不再适用。大批量定制开发模式是以大规模制造的低成本来实现产品的多样化，是解决家电产品批量与品种之间矛盾的重要措施。作为大批量定制的使能技术，模块化设计受到越来越多家电企业的关注。

传统的模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求。这种方法又称作“自底向上”的方法，特征是对已存在的产品零件进行划分，形成装配体形式的模块再重组形成产品。这种方法本质上是一种再设计，多针对机床等功能系统化，结构分级特性明显的产品进行。家电产品功能丰富，品种多样，更新换代快，且结构无明显分级特性，无法采用传统的模块化设计方法简单地进行结构分解和通用化。同时，自底向上的途径受到产品现有设计所限，不能获得最优的模块划分结果，即产品设计之时若没有考虑需求的多样性，则划分出的模块也无法满足需求的多样性。因此，家电产品的模块化设计应该采用“自上而下”的途径，即面向全新产品开发的模式。本文针对自上而下的模块化设计方式，介绍了模块化设计中的关键概念以及实施的流程，并用一个冰箱门体模块化设计的实例进行了说明。

2 自上而下的模块化设计方式

2.1 关键概念

1)模块与模块实体

模块是具有某种确定功能和接口形式的独立单元。模块具有三个基本属性：“具有相对独立的功能，通过组合可完成特定的功能用途”、“能够独立地设计与制造”、“具有标准化的接口”。模块实体是根据模块功能设计的实际物件，具有明确的物理形式、特征参数值以及与其他模块实体之间的接口形式。模块与模块实体的关系类似于面向对象建模中的类——成员关系。

表1 模块化策略

2)接口

接口是发生关联的模块之间彼此对接交互并通过它彼此作用的部分。对于模块而言，接口是物质、能量、信息交互的抽象描述。对于模块实体而言，接口则具有明确的物理形式和特征参数。接口分为几何接口和性能接口，几何接口是模块之间的装配关系，例如配合尺寸、形位精度等要求；性能接口是模块之间与性能相关特征参数的匹配规则，性能接口决定了整机性能的优劣，因此具有非常高的重要性。为了实现同一模块的模块实体之间的互换性和通用性，需要对接口进行标准化；同时，接口设计还需考虑模块的兼容性和可升级性。

3)模块化策略

产品赢得竞争力的三种策略包括：通用化策略——通用零部件以降低成本；客制化策略——满足客户的个性化需求；技术进化策略——采用新技术提升产品性能和质量。模块化策略指将通用化、客制化、技术进化策略通过相应模块分别实现的开发方式，模块化设计过程中必须综合考虑三种策略的影响。模块化策略如表1所示。

4)产品架构

产品架构是基于产品功能和性能分析，构建的描述模块及其相互关系的抽象的、相对稳定的产品构成框架。产品架构是模块化设计中的重要概念，由模块以及模块之间的接口关系组成。例如，某类冰箱的产品架构如图1所示。需要注意的是，产品架构依赖于模块定义的结果，因此同一产品架构只能描述一定范围之内的产品。

5)模块系统

模块系统是对产品架构中模块按照模块化策略实例化形成的模块实体集合。模块系统中的模块实体既包含已有的模块实体，也可以包含现有技术水平无法达到的可能方案。

6)产品平台

产品平台是在模块系统中根据一定规则形成的具有产品基本功能的模块实体集合。产品平台能针对某细分市场开发系列产品。其特点：一是覆盖产品必须具有的基本功能模块；二是体现区分产品类型的基本特征。基于产品平台可通过添加、替换模块实体形成系列产品，因此产品平台能够缩短开发时间并实现通用化降低成本。

2.2 模块化设计流程

基于模块化设计中的关键概念，自上而下的模块化设计流程为：根据产品需求分析产品应具有的功能及其关系，划分功能模块并建立产品架构；然后根据模块化策略设计模块实体，形成模块系统；再在模块系统中选取基本功能形成产品平台；最后在产品平台的基础上开发系列产品。模块化设计的流程如图2所示。

1)需求分析

选取适当的因素划分产品市场，确定细分市场以及产品的提供计划，如横向覆盖或纵向覆盖策略，例如冰箱的市场覆盖策略可按照产品档次与用户年龄细分，如图3所示。通过市场调研等方式获取用户需求，同时通过竞品分析、专利分析等手段获取技术需求。

2)功能分析

基于产品需求，推导产品应具有的功能和性能参数，进行功能分解并构建功能树。分析功能树中的子功能之间的联系，形成功能物理关系与逻辑关系。功能的物理关系是功能之间物质、能量、信号的交互关系；功能逻辑关系是功能之间的与、或、非关系。例如图4、图5所示的某类冰箱的功能树图及功能物理关系图。

3)模块划分

在功能分析建立的功能树图及功能关系图的基础上，对子功能进行聚类形成模块。将子功能聚类成模块要考虑两方面的因素，一是根据功能物理关系与逻辑关系，将联系紧密、符合逻辑的子功能划分为模块，例如图5中虚线包围的子功能因为具有将强的物质、能量、信息交互，被划分为模块；其次，根据模块化策略的影响，将符合相同策略的子功能划分为模块。

4)建立产品架构

在模块划分基础上，将子功能之间的物理关系转化为模块之间的接口关系，建立产品架构。

5)模块实例化，建立模块系统

图1 冰箱的产品架构示意图

图2 模块化设计流程

图3 市场覆盖策略

图4 功能树图

图5 功能物理关系图

图6 冰箱两门、三门冰箱的门体结构

图7 隔热模块与美化模块的模块实体及接口

对模块进行实例化形成模块实体的过程中，应按照模块化策略的要求进行。模块实体的设计有两种方式，第一种方式是按照模块的功能以及模块化策略进行原理和方案的新设计，另一种方式是在现有的产品中寻找能实现功能的实体形式，再按照模块化策略进行再设计使其符合策略要求。其中第二种方式提供了一种重用已有产品设计成果的途径。

6)建立产品平台，开发系列产品

选取实现产品基本功能的模块建立产品平台。当需要根据实际需求开发产品时，按照产品的功能与性能参数要求，选择适合的产品平台，添加相应的模块实体并加以必要的匹配和校核计算组成产品。

按照模块化设计的流程，可以建立符合市场需求和技术需求的产品架构，并在产品架构的基础上开发模块系统和产品平台来快速地和低成本地开发一系列产品。因此，自上至下的方法能够实现家电产品的大规模定制开发方式。

3 实例分析

以下通过一个冰箱门体的模块化设计实例简要说明本文提出的模块化设计流程。两门、三门冰箱的门体结构如图6所示。

门体有钢板材质和玻璃材质两种样式，造成门体结构形式不同，体现在门壳、饰条、门内衬等零件的不同，采用自底向上的模块化设计方法对零件进行划分无法实现模块的通用化。因此，用自上而下的设计方式分析如下：

1)需求分析

冰箱的需求中包含存取食物的需求和美观的需求。

2)功能分析

根据需求，规划冰箱的门体部分应具有的功能，即隔热功能、开闭空间功能以及美化功能。

3)模块划分

由于三个功能之间并不涉及复杂的物理关系或逻辑关系，所以模块划分主要从策略上考虑，其中美化功能是典型的符合客制化策略的功能，而隔热功能与开闭空间功能符合通用化策略。据此，将隔热功能与开闭空间功能划分为一个隔热模块，将美化功能划分为一个模块。

4)建立产品架构

门体部分的架构包含隔热模块与美化模块，两个模块之间有支撑力或附着力的关系。

5)模块实例化，建立模块系统

对隔热模块与美化模块分别进行实体设计，其中隔热模块按照通用化策略设计通用的模块实体，即一块具有固定形状的隔热块；美化模块按照客制化策略设计钢板和玻璃两种外观形式的模块实体，即两种外观形式的面板。模块之间的接口形式细化为镶嵌、粘贴等具体方式，并通过标准的配合尺寸进行保证，如图7所示。

因此，通过自上而下的模块化设计方法，由需求分析、功能分析对门体进行全新的设计，划分出了两个具有独立策略的模块，并按照策略设计了对应的模块实体。通过模块实体的组合，可在保证通用化（隔热模块）的前提下满足用户的个性化需求（美化模块）。

4 结论

模块化设计是实现大批量定制模式的重要手段。家电企业实施模块化设计应该突破自底向上方法受到产品已有结构所限的束缚，采用自上而下的方式根据需求分析，功能分析建立产品架构，进行产品的全新设计。本文介绍了自上而下模块化设计中的关键概念，提出了模块化设计的流程，并简要介绍了QFD方法在模块化设计中的应用，为家电企业开展模块化设计提供了理论指导。

[1] 贾延林. 模块化设计[M]. 北京: 机械工业出版社,1993.

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