面向产品族的模块创建研究

蔡 磊，李　屹

（贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳550025）



面向产品族的模块创建研究

蔡 磊，李屹

（贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳550025）

摘要：模块的创建是产品族模块化设计中的关键步骤。对产品族模块化设计中模块的创建以及模块创建步骤中模块采集、模块划分、模块使用进行研究，以电暖炉产品族的模块创建为例，给出面向产品族的模块创建步骤，建立了电暖炉的基础模块、定制模块和附加模块。

关键词：产品族；模块化设计；模块；模块创建

随着客户需求多样化、个性化、动态化等特征的日益突出。对于企业来说，快速响应市场、快速更新产品显得极为迫切；对于用户来说，更换产品就会全部更换而不是部分更换，因此，被淘汰的产品就会导致资源浪费，而模块化设计可以降低产品内部的复杂性，提高产品外部的多样性［1］。使用适当的方法为产品族创建模块促进产品族模块化设计，不仅可以促进产品族模块化设计为企业节约成本，而且可以使企业提高快速响应市场的能力。为了创建可靠有效的产品族模块，需要对模块进行适当的规划和准确的划分。本文以电暖炉的模块创建为例，以满足不同的客户需求为目标，围绕产品族模块创建的基本思路，对产品族模块创建过程中的模块采集，模块划分，模块使用等方面进行阐述。通过创建产品族模块帮助企业进行产品族模块化设计，使企业以最快的速度组合出品种最多的产品，有效缩短企业产品开发周期。

1　创建产品族模块的基本思路

模块创建是产品族模块化设计与方法的重要环节，是高效研发生产系列化产品的核心技术。通过创建产品族模块形成产品族模块库，模块库中包括产品的所有模块，并提供了完成模块组合的接口，通过具有标准化的接口以不同方式组合功能模块，比如添加、减少、替换和微调，可以配置为不同客户群体定制的多样化产品。

建立产品族模块分三个步骤完成，如图1，第一步需要进行模块采集，通过分析产品族的所有结构、功能单元获得产品族所有模块；第二步创建模块，将采集到的所有模块通过模块划分，创建产品的基础模块、定制模块、附加模块，其中，基础模块是产品的通用模块，如电暖炉的核心发热模块；第三步模块使用，根据客户需求，依次提取所需要的基础模块、定制模块和附加模块，将这三种模块组合起来就形成了初步的产品方案。

图1　模块创建步骤

2　产品族模块建立步骤

2.1模块采集

模块化设计是在对一定范围内的产品或系统进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能独立、结构独立的基本单元——模块，并使模块系列化、通用化、标准化，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品或系统，以满足不同的需求［2］。创建产品族模块模块的首要问题是模块从哪里来，即模块采集。通过客户需求分析以及产品各部件分析获得产品的功能从而转化为模块。

客户需求是产品存在的先决条件，在任何大规模定制（MC）模式中都占据着极其重要的地位，没有需求就没有产品［3］，模块化设计的根本出发点是客户需求，客户需求决定了设计出的产品应该具有的功能［4］。在模块的创建与划分中需求分析是必要前提，通过获取的需求信息来确定产品的设计内容，才能正确响应市场。根据需求来定性设计产品，然后根据个性化的需求将主要的产品类型进行适当的修改替换，从而生成基础的产品类型以及变型的产品类型。基础产品类型是这类产品的基本形态，即按照市场的主要需求选定的相应的主要模块类型组合而成的产品，因此选定的作为基础产品的模块是基础模块，具有代表性的模块种类；与此对应，变形的产品类型是通过一定的变换方法（替换，增减部分模块的方法）而形成的产品类型称之为定制产品，选定作为定制产品的模块为定制模块，具有个性化特征的模块种类。

根据客户需求，将用户需求转化为正确的功能定义，对产品进行功能分类集合，将不同元件集合为相应的功能模块，尽可能将具有同类功能属性的零件合并在一类大模块中。根据电暖炉的产品简要结构爆炸图，确定各部件的功能定义［1］。图2，表1所示。

图2　电暖炉结构爆炸图

表1　产品主要零部件及其功能定义

在确定功能定义后，将功能转化为相应的模块，进行模块采集。

2.2模块划分

2.2.1模块划分原则——针对产品族

在模块化设计方法中没有标准的模块划分方法，因为研究对象不同，划分的模块类型也不相同。因此，在划分的时候应结合实际情况，应用系统的划分方法，主要以功能分解作为划分基础，但是在划分的时候应遵循以下几个原则。

（1）独立性原则：划分的模块单元要在结构和功能上尽可能做到独立化，不用依附于其它模块而能够独立完整存在，这样便于模块间的相互组合，从而构成多种产品。

（2）典型性原则：以结构相对独立的部件作为模块单元，便于模块的互换，而对结构复杂的部件可进一步细化，将部件中的某些组件模块化对于基础件结构简单，功能独立，应作为单独的模块单元考虑［5］。

（3）客户需求相关性：客户需求相关性是指为了满足不同客户需求，将部分产品零部件从其它的零部件中独立出来形成系列化设计的现象。要对客户需求的相关性进行评价，首先要对获取的客户需求中提取出对模块化设计有重要影响的客户需求，然后在建立客户需求——模块选择的关联关系。

（4）大小适中性:模块分解得太大，模块之间的磨合度会增加，设计加工的余地会减小模块分解得太小，使得模块生产工作过于零碎，加工效率较低［6］。

（5）可配置原则：划分好的所有模块都要进行配置组合，因此在划分的时候应考虑到该模块是否可以配置组合［7］。

2.2.2划分方法

模块化设计思想的核心是模块的划分，模块划分的好坏直接影响到模块系列设计的成功与否［8］，模块化设计是实施大批量定制生产的关键技术，而如何合理地划分模块是模块化设计的基础及关键所在［9］。不同的模块具备不同的功能，在产品族中的重要性也是不一样的，把产品的基本需求对应的基本功能，即产品的主要功能对应的模块类型划分为基础模块，那如何确定哪些是基础模块哪些是定制模块呢？这就需要借助于通用度计算。

在产品族模块库中，有不可变的基础模块，也有可变的定制模块和附加模块，基础模块是产品的通用组件模块，可变模块是根据个性化的细分用户群需求而划分的不同模块类别。对于不同细分市场对应的模块种类应设定一定的阈值，超过这一阈值的模块属于不同类别或不同型号的模块。

对不同系列的产品的不同模块类型进行通用度计算，通用度是针对产品的不同功能模块进行计算，将通用度高的模块划分到通用模块即基础模块类别中去，从而确定该产品族的基础模块应包含哪些。基础模块也是不可变模块，即基础模块的通用度较高，例如一个产品族中，虽然不同的取暖设备产品形态和功能不同，但最基本最通用的功能都是取暖，即取暖模块的通用度最高，因此取暖模块就是核心的基础模块。

模块的通用度是衡量模块在产品族不同的细分产品类型中的共享程度指标，若设任意模块x，其通用度可通过如下公式进行度量计算。

式中：R（x，pi）表示模块x与细分产品类型pi关系。“1”代表细分产品类型中pi中有模块x，“0”表示细分产品类型pi中没有模块x，n是产品族最终的细分产品的数量［10］。若通用度等于1则划分为基础模块，通用度小于1则属于非基础模块。

2.2.3划分结果

（1）基础模块

利用上述公式对产品主要功能模块进行通用度计算可以明确产品应该具备的基础核心模块，如图3所示，将产品的基础模块划分如下：

图3　电暖炉产品基础模块

（2）定制模块

动态化、多样化的客户需求对应划分为不同的细分市场，根据这些细分市场的个性化需求而设定的模块类型称之为定制模块。通过将对基础产品进行适当的添加相应的模块而生成的产品称之为定制产品。

由于产品的使用对象从婴幼儿到老年对象不等，并且不同年龄阶段的人群又会随着市场发展趋势进行相应的变化，因此，在明确不同的细分市场的情况下，根据这些细分市场的个性化需求设定相应的定制模块。通过将对基础产品进行适当的添加相应的定制模块即可生成的定制化产品也成变形产品。根据电取暖炉的结构特征和需求分布，划分图4定制模块。

图4　电暖炉产品定制模块

（3）附加模块

附加模块由潜在需求映射而来的模块类型，由于潜在需求是对市场/客户进行一定的预测而得到的可能存在的需求信息，这种需求在以后可能会被客户提出，是在对市场调研并深入分析市场发展趋势的条件下由设计师或企业提出来的，潜在需求对应的潜在功能是客户没有设想到的，当产品具有这些功能时，也许客户会提高对产品的满意度，一定程度上引导了客户的消费心理，但是由于潜在需求是企业/设计师预测而提出的，因此具有一定的不确定性，对产品的研发成功具有一定的危险性。

附加模块的预测需要一定程度上的把握才进行创建规划，是建立在把握现有市场需求的基础上进一步规划展望而得出的模块类型。

对于附加模块的预测，通过市场调研和企业内部的协商，列举以下一些可能在今后出现的功能需求模块。图5所示。

图5　电暖炉产品附加模块

2.3模块使用

将所有模块进行编码整理，按照之前划分好的模块类型分类入库，如图6，模块库中应包含所有的模块，以及模块信息，以便设计师进行选择匹配。

图6　电暖炉模块库

在进行模块化设计时，首先确定客户需求，将客户的需求转化为具体的产品模块；然后在库中提取对应的模块，再根据客户需求与否对提取出来的模块进行微调；最后在满足客户需求的条件下，将对应的基础模块和定制模块组合起来，并添加适当的辅助模块增强客户满意度，形成初步的配置方案。

3　结束语

产品族模块的创建，以满足不同客户需求为目标，在需求分析和产品零部件分析的基础上采集模块，通过计算模块通用度确定基础模块和定制模块，预测辅助模块。研究表明，只有正确分析用户需求并转化成相应的功能模块，在此基础上才能正确的进行模块划分，创建产品族模块。因此对产品的需求分析、模块的划分是创建产品族模块的关键。

参考文献：

［1］杨勤，肖钦兰.产品族的模块化设计方法研究与应用［J］.机械设计与研究.2014，01，5-16

［2］白桦.面向产品族的大型铣齿机模块化产品平台设计与优化研究［D］.天津：天津大学，2008.

［3］祝凤金.面向大批量定制的客户需求分析技术［J］.工业控制计算机.2008，21（6）:81-83.

［4］常艳，潘双夏，郭峰，张健.面向模块化设计的客户需求分析［J］.浙江大学学报（工学版）.2008，42（2）:248-252.

［5］刘小鹏，张卫国，钟毅芳机床模块化设计中的模块创建及应用［J］.华中理工大学学报，2000，28（5）:16-17.

［6］李琦.工业缝纫机模块化设计方法探究［J］.机电产品开发与创新，2011，24（2）:32-34.

［7］许志力.基于模块化产品族的产品配置研究［D］.天津：天津

工业大学.2006.

［8］吕正刚.基于模块化设计思想的电冰箱概念设计［J］．包装工程，2010，（04）:34-36.

［9］高飞，肖刚，潘双夏，等．产品功能模块划分方法［J］．机械工程学报，2007，43（5）:29-35.

［10］朱斌.江平宇.面向产品族的设计方法学［J］.机械工程学报.2006，（03）:1-8.

Study on Module Creation for Product Family

CAI Lei，LI Yi
（School of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025，China）

Abstract：Module creation is the major task in modular design of product family.Research on the creation of the module in the modular design for product family and module collection、module division、module use in the step of module creation，take the module creation of the electric heater product family for example，steps of module creation for product family are given，basic module customized module and additional module of the electric heater are established.

Key words：product family；modular design；module；module creation

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0238-03

收稿日期：2015-12-02

作者简介：蔡磊（1988-），男，江苏张家港人，硕士研究生，研究方向：现代设计方法；李屹（1973-），女，贵州贵阳人，博士，教授，研究方向：现代设计方法。