家電產品模塊化設計

高浪 潘曉勇 彭玲 汪年結 段傳凱 向東

（1.清華大學機械系 北京 100084；2.四川長虹電器股份有限公司 四川綿陽 621000）

1 引言

在當今市場環境下，需求的多變性導致家電產品生命周期縮短、品種多樣化，傳統的大規模制造模式不再適用。大批量定制開發模式是以大規模制造的低成本來實現產品的多樣化，是解決家電產品批量與品種之間矛盾的重要措施。作為大批量定制的使能技術，模塊化設計受到越來越多家電企業的關注。

傳統的模塊化設計是在對一定范圍內的不同功能或相同功能不同性能、不同規格的產品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構成不同的產品，以滿足市場不同需求。這種方法又稱作“自底向上”的方法，特征是對已存在的產品零件進行劃分，形成裝配體形式的模塊再重組形成產品。這種方法本質上是一種再設計，多針對機床等功能系統化，結構分級特性明顯的產品進行。家電產品功能豐富，品種多樣，更新換代快，且結構無明顯分級特性，無法采用傳統的模塊化設計方法簡單地進行結構分解和通用化。同時，自底向上的途徑受到產品現有設計所限，不能獲得最優的模塊劃分結果，即產品設計之時若沒有考慮需求的多樣性，則劃分出的模塊也無法滿足需求的多樣性。因此，家電產品的模塊化設計應該采用“自上而下”的途徑，即面向全新產品開發的模式。本文針對自上而下的模塊化設計方式，介紹了模塊化設計中的關鍵概念以及實施的流程，并用一個冰箱門體模塊化設計的實例進行了說明。

2 自上而下的模塊化設計方式

2.1 關鍵概念

1)模塊與模塊實體

模塊是具有某種確定功能和接口形式的獨立單元。模塊具有三個基本屬性：“具有相對獨立的功能，通過組合可完成特定的功能用途”、“能夠獨立地設計與制造”、“具有標準化的接口”。模塊實體是根據模塊功能設計的實際物件，具有明確的物理形式、特征參數值以及與其他模塊實體之間的接口形式。模塊與模塊實體的關系類似于面向對象建模中的類——成員關系。

表1 模塊化策略

2)接口

接口是發生關聯的模塊之間彼此對接交互并通過它彼此作用的部分。對于模塊而言，接口是物質、能量、信息交互的抽象描述。對于模塊實體而言，接口則具有明確的物理形式和特征參數。接口分為幾何接口和性能接口，幾何接口是模塊之間的裝配關系，例如配合尺寸、形位精度等要求；性能接口是模塊之間與性能相關特征參數的匹配規則，性能接口決定了整機性能的優劣，因此具有非常高的重要性。為了實現同一模塊的模塊實體之間的互換性和通用性，需要對接口進行標準化；同時，接口設計還需考慮模塊的兼容性和可升級性。

3)模塊化策略

產品贏得競爭力的三種策略包括：通用化策略——通用零部件以降低成本；客制化策略——滿足客戶的個性化需求；技術進化策略——采用新技術提升產品性能和質量。模塊化策略指將通用化、客制化、技術進化策略通過相應模塊分別實現的開發方式，模塊化設計過程中必須綜合考慮三種策略的影響。模塊化策略如表1所示。

4)產品架構

產品架構是基于產品功能和性能分析，構建的描述模塊及其相互關系的抽象的、相對穩定的產品構成框架。產品架構是模塊化設計中的重要概念，由模塊以及模塊之間的接口關系組成。例如，某類冰箱的產品架構如圖1所示。需要注意的是，產品架構依賴于模塊定義的結果，因此同一產品架構只能描述一定范圍之內的產品。

5)模塊系統

模塊系統是對產品架構中模塊按照模塊化策略實例化形成的模塊實體集合。模塊系統中的模塊實體既包含已有的模塊實體，也可以包含現有技術水平無法達到的可能方案。

6)產品平臺

產品平臺是在模塊系統中根據一定規則形成的具有產品基本功能的模塊實體集合。產品平臺能針對某細分市場開發系列產品。其特點：一是覆蓋產品必須具有的基本功能模塊；二是體現區分產品類型的基本特征。基于產品平臺可通過添加、替換模塊實體形成系列產品，因此產品平臺能夠縮短開發時間并實現通用化降低成本。

2.2 模塊化設計流程

基于模塊化設計中的關鍵概念，自上而下的模塊化設計流程為：根據產品需求分析產品應具有的功能及其關系，劃分功能模塊并建立產品架構；然后根據模塊化策略設計模塊實體，形成模塊系統；再在模塊系統中選取基本功能形成產品平臺；最后在產品平臺的基礎上開發系列產品。模塊化設計的流程如圖2所示。

1)需求分析

選取適當的因素劃分產品市場，確定細分市場以及產品的提供計劃，如橫向覆蓋或縱向覆蓋策略，例如冰箱的市場覆蓋策略可按照產品檔次與用戶年齡細分，如圖3所示。通過市場調研等方式獲取用戶需求，同時通過競品分析、專利分析等手段獲取技術需求。

2)功能分析

基于產品需求，推導產品應具有的功能和性能參數，進行功能分解并構建功能樹。分析功能樹中的子功能之間的聯系，形成功能物理關系與邏輯關系。功能的物理關系是功能之間物質、能量、信號的交互關系；功能邏輯關系是功能之間的與、或、非關系。例如圖4、圖5所示的某類冰箱的功能樹圖及功能物理關系圖。

3)模塊劃分

在功能分析建立的功能樹圖及功能關系圖的基礎上，對子功能進行聚類形成模塊。將子功能聚類成模塊要考慮兩方面的因素，一是根據功能物理關系與邏輯關系，將聯系緊密、符合邏輯的子功能劃分為模塊，例如圖5中虛線包圍的子功能因為具有將強的物質、能量、信息交互，被劃分為模塊；其次，根據模塊化策略的影響，將符合相同策略的子功能劃分為模塊。

4)建立產品架構

在模塊劃分基礎上，將子功能之間的物理關系轉化為模塊之間的接口關系，建立產品架構。

5)模塊實例化，建立模塊系統

圖1 冰箱的產品架構示意圖

圖2 模塊化設計流程

圖3 市場覆蓋策略

圖4 功能樹圖

圖5 功能物理關系圖

圖6 冰箱兩門、三門冰箱的門體結構

圖7 隔熱模塊與美化模塊的模塊實體及接口

對模塊進行實例化形成模塊實體的過程中，應按照模塊化策略的要求進行。模塊實體的設計有兩種方式，第一種方式是按照模塊的功能以及模塊化策略進行原理和方案的新設計，另一種方式是在現有的產品中尋找能實現功能的實體形式，再按照模塊化策略進行再設計使其符合策略要求。其中第二種方式提供了一種重用已有產品設計成果的途徑。

6)建立產品平臺，開發系列產品

選取實現產品基本功能的模塊建立產品平臺。當需要根據實際需求開發產品時，按照產品的功能與性能參數要求，選擇適合的產品平臺，添加相應的模塊實體并加以必要的匹配和校核計算組成產品。

按照模塊化設計的流程，可以建立符合市場需求和技術需求的產品架構，并在產品架構的基礎上開發模塊系統和產品平臺來快速地和低成本地開發一系列產品。因此，自上至下的方法能夠實現家電產品的大規模定制開發方式。

3 實例分析

以下通過一個冰箱門體的模塊化設計實例簡要說明本文提出的模塊化設計流程。兩門、三門冰箱的門體結構如圖6所示。

門體有鋼板材質和玻璃材質兩種樣式，造成門體結構形式不同，體現在門殼、飾條、門內襯等零件的不同，采用自底向上的模塊化設計方法對零件進行劃分無法實現模塊的通用化。因此，用自上而下的設計方式分析如下：

1)需求分析

冰箱的需求中包含存取食物的需求和美觀的需求。

2)功能分析

根據需求，規劃冰箱的門體部分應具有的功能，即隔熱功能、開閉空間功能以及美化功能。

3)模塊劃分

由于三個功能之間并不涉及復雜的物理關系或邏輯關系，所以模塊劃分主要從策略上考慮，其中美化功能是典型的符合客制化策略的功能，而隔熱功能與開閉空間功能符合通用化策略。據此，將隔熱功能與開閉空間功能劃分為一個隔熱模塊，將美化功能劃分為一個模塊。

4)建立產品架構

門體部分的架構包含隔熱模塊與美化模塊，兩個模塊之間有支撐力或附著力的關系。

5)模塊實例化，建立模塊系統

對隔熱模塊與美化模塊分別進行實體設計，其中隔熱模塊按照通用化策略設計通用的模塊實體，即一塊具有固定形狀的隔熱塊；美化模塊按照客制化策略設計鋼板和玻璃兩種外觀形式的模塊實體，即兩種外觀形式的面板。模塊之間的接口形式細化為鑲嵌、粘貼等具體方式，并通過標準的配合尺寸進行保證，如圖7所示。

因此，通過自上而下的模塊化設計方法，由需求分析、功能分析對門體進行全新的設計，劃分出了兩個具有獨立策略的模塊，并按照策略設計了對應的模塊實體。通過模塊實體的組合，可在保證通用化（隔熱模塊）的前提下滿足用戶的個性化需求（美化模塊）。

4 結論

模塊化設計是實現大批量定制模式的重要手段。家電企業實施模塊化設計應該突破自底向上方法受到產品已有結構所限的束縛，采用自上而下的方式根據需求分析，功能分析建立產品架構，進行產品的全新設計。本文介紹了自上而下模塊化設計中的關鍵概念，提出了模塊化設計的流程，并簡要介紹了QFD方法在模塊化設計中的應用，為家電企業開展模塊化設計提供了理論指導。

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