模塊化產(chǎn)品族中模塊和零部件通用性分析方法

王浩倫

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330013）

隨著市場(chǎng)需求和技術(shù)的變化，企業(yè)需要進(jìn)行不同層次的產(chǎn)品平臺(tái)創(chuàng)新(如優(yōu)化創(chuàng)新、擴(kuò)展創(chuàng)新和升級(jí)創(chuàng)新)，使產(chǎn)品平臺(tái)不斷地動(dòng)態(tài)更新。在此動(dòng)態(tài)變化過程中，產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)(PFA)也將做出相應(yīng)的調(diào)整和演進(jìn)，其中模塊或零部件功能、結(jié)構(gòu)和使用數(shù)量等的變化影響了產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和成本等，因此，產(chǎn)品族中模塊和零部件通用性成為選擇模塊或零部件作為創(chuàng)新對(duì)象和進(jìn)行合理配置選擇的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)產(chǎn)品族通用性的研究主要集中在3個(gè)方面：①以產(chǎn)品族整體為對(duì)象的通用性研究。主要依據(jù)通用零部件在產(chǎn)品族中的數(shù)量比例關(guān)系[1]；產(chǎn)量、每種操作的次數(shù)和零部件成本[2]；尺寸形狀、材料和制造過程[3]。②以產(chǎn)品族中產(chǎn)品為對(duì)象的通用性研究。文獻(xiàn)[4]通過零部件及相互關(guān)聯(lián)關(guān)系和裝配關(guān)系提出了百分比通用性指標(biāo)；文獻(xiàn)[5]提出了功能相似性指標(biāo)（FSI）幫助模塊化產(chǎn)品的概念開發(fā)和設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[6]提出CMC評(píng)價(jià)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)中每個(gè)產(chǎn)品的通用性；另外還有衡量參數(shù)化產(chǎn)品族中產(chǎn)品多樣化（NCI，PDI）[7]。③以產(chǎn)品族中零部件為研究對(duì)象，文獻(xiàn)[8]提出GVI識(shí)別隨時(shí)間變化滿足市場(chǎng)需求的變化零部件，同時(shí)提出零部件耦合指標(biāo)（coupling index）評(píng)價(jià)產(chǎn)品族中零部件之間的耦合關(guān)系。國(guó)內(nèi)學(xué)者朱斌等[9]通過模塊實(shí)例通用度和變異模塊通用度兩個(gè)指標(biāo)表示產(chǎn)品族中通用性度量；劉夫云，祁國(guó)寧等[10]提出了基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的零部件通用性分析方法。

綜上所述，目前眾多通用性指標(biāo)往往通過不同的參數(shù)（如通用零部件數(shù)量、零部件成本、接口關(guān)系、制造過程等等）來度量產(chǎn)品族的通用性程度，并以此幫助設(shè)計(jì)者均衡產(chǎn)品族通用性和多樣性之間的關(guān)系。然而，在產(chǎn)品族（或產(chǎn)品平臺(tái)）的動(dòng)態(tài)發(fā)展演進(jìn)過程中，根據(jù)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析對(duì)產(chǎn)品族及其組成零部件進(jìn)行精細(xì)化和動(dòng)態(tài)性管理，為演進(jìn)路線和創(chuàng)新對(duì)象的選擇提供支持，特別是在對(duì)產(chǎn)品族中模塊或零部件實(shí)施復(fù)制、轉(zhuǎn)移、刪除等創(chuàng)新操作過程中，需要通過如通用性、成本、性能等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)并確定創(chuàng)新對(duì)象，從而使其在功能或結(jié)構(gòu)上發(fā)生改變，或使其綜合性能得到優(yōu)化，或使其淘汰[11]。因而，產(chǎn)品族中模塊和零部件的通用性作為評(píng)價(jià)和選擇產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演進(jìn)創(chuàng)新對(duì)象和有效管理的重要指標(biāo)有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究。因此，本文在模塊化產(chǎn)品族體系結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，考慮零部件層和模塊層上零部件和模塊的重用數(shù)、成本、產(chǎn)品產(chǎn)量等其他影響因素，提出產(chǎn)品族單個(gè)元素的通用性計(jì)算方法，然后基于PARETO法則和元件通用程度，確定模塊和零部件的類型，并以實(shí)例說明。

1 模塊化產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)樹

圖1為模塊化產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型。模型分為3個(gè)層次，即產(chǎn)品層、模塊層和零部件層。其中，在零部件層次上，將企業(yè)零部件庫(kù)中的零部件分為通用化零部件和個(gè)性化零部件；在模塊層次上，根據(jù)大規(guī)模定制理論的基礎(chǔ)將模塊按不同類型分為通用模塊、柔性模塊和專用模塊，最后通過配置規(guī)則將各類模塊組裝成的各種產(chǎn)品。

圖1 模塊化產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of modular product family

企業(yè)零部件庫(kù)中的零部件可以是通過原材料采購(gòu)進(jìn)而自制得到，也有通過外協(xié)或商品件采購(gòu)得到。在模塊層上，柔性模塊和專用模塊由通用化和個(gè)性化零部件組合而成，但通用模塊僅由通用化零部件組成。其中，通用模塊(C)在原材料采購(gòu)和加工方面采用大批量生產(chǎn)方式，并在裝配階段全部應(yīng)用到每種產(chǎn)品中；柔性模塊(F)可以有柔性模塊矩陣，即模塊矩陣的一列對(duì)應(yīng)某型號(hào)產(chǎn)品的功能模塊，一行是功能模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)的系列變形；專用模塊(S)根據(jù)客戶需求要求特定的采購(gòu)和加工。柔性模塊和專用模塊主要采用定制化生產(chǎn)方式。

假設(shè)該產(chǎn)品族中第i中產(chǎn)品Pi由m個(gè)通用模塊C={C1，C2，…，Cm} ，n 個(gè)柔性模塊 Fi={Fi1，F(xiàn)i2，…，F(xiàn)in}和可任選組合的k個(gè)專用模塊Si={Si1，Si2，…，Sik}組成。根據(jù)需求，采用產(chǎn)品通用模塊、柔性模塊和專用模塊集合中的不同子集組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品集，由此可生成不同需求產(chǎn)品。那么，第i種產(chǎn)品Pi表示為

對(duì)于產(chǎn)品族面向市場(chǎng)需求變化，選擇合理和有效的零部件或模塊形成個(gè)性化的產(chǎn)品，同時(shí)產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。因而，對(duì)產(chǎn)品族中模塊層次和零部件層次上的通用性進(jìn)行分析具有重大的意義。

2 模塊層，零部件層通用性分析

根據(jù)產(chǎn)品BOM表的數(shù)據(jù)，將圖1中的模型細(xì)化為圖2所示的產(chǎn)品族中各種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)層次模型。假設(shè)模塊化產(chǎn)品族中有3個(gè)產(chǎn)品（P1，P2，P3），在模塊層有3種模塊實(shí)例（M1，M2，M3，M3’）組成，其中M3’是M3的變型設(shè)計(jì)模塊。由這些模塊實(shí)例組合成三種產(chǎn)品在零部件層有12種零部件（d1-d12，d12’），其中d12’是d12的變型設(shè)計(jì)的零部件。圖中類似“×2”表示該模塊或零部件在該產(chǎn)品中的用量為2。下面分別計(jì)算模塊層上模塊通用性指標(biāo)和零部件層上零部件通用性指標(biāo)。

圖2 產(chǎn)品族中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)層次Fig.2 Structural hierarchy of products in product family

2.1 模塊通用性指標(biāo)

在產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模塊層次中，模塊 j通用程度可以用該模塊在其產(chǎn)品族中所被n種產(chǎn)品采用的比重，可以表示為

式中：Nj為采用模塊 j的產(chǎn)品種類，如M1被3種產(chǎn)品都采用，那么N1為3；Qij為模塊 j在產(chǎn)品i中的用量，如圖2中M2在產(chǎn)品P1中的用量為2；m為模塊層中模塊的種類數(shù)，如圖2中有3種模塊，即M1，M2，M3；n為產(chǎn)品族中產(chǎn)品種類數(shù)量。

由于不同的產(chǎn)品市場(chǎng)需求量不同，其生產(chǎn)的批量也不同。產(chǎn)品中模塊的通用程度也會(huì)受到影響。

式中：Vi為采用模塊 j的產(chǎn)品生產(chǎn)批量。

另外，考慮到模塊的成本和裝配因素的影響，其中，模塊成本的大小會(huì)影響設(shè)計(jì)者選擇采用該模塊的決定。因而，產(chǎn)品族中模塊層次中模塊 j的通用程度的最終表達(dá)為

2.2 零部件通用性指標(biāo)

在產(chǎn)品族中，零部件層可以由自制件和外協(xié)或采購(gòu)件組成，因而在計(jì)算零部件通用性指標(biāo)時(shí)，將分別計(jì)算自制零部件通用性程度和外協(xié)或采購(gòu)的零部件通用性程度。綜合考慮零部件的數(shù)量、成本或市場(chǎng)價(jià)格、尺寸形狀、材料選擇、加工裝配工藝等因素的影響。因而，自制零部件k在產(chǎn)品族中的通用性程度計(jì)算可以表達(dá)為

然而，對(duì)于外協(xié)或采購(gòu)件，零部件的制造加工工藝的影響因素可以忽略。因而，外協(xié)或采購(gòu)零部件k在產(chǎn)品族中的通用性程度計(jì)算可以表達(dá)為

2.3 模塊，零部件分類

根據(jù)PARETO法則和上述計(jì)算得到的各模塊和各零部件通用性程度，可以在產(chǎn)品族中分別在模塊層和零部件層上對(duì)模塊和零部件進(jìn)行分類，如表1所示。確定模塊層上的通用模塊，柔性模塊和專用模塊，其中通用模塊是通用性較好的模塊，約占產(chǎn)品族中模塊總數(shù)的20%，專用模塊是與客戶需求有關(guān)的特殊模塊，約占產(chǎn)品族模塊總數(shù)的10%，其余的模塊為柔性模塊。另外，零部件層上通用化零部件約占產(chǎn)品族中零部件總數(shù)的20%，而個(gè)性化零部件中，約占產(chǎn)品族零部件總數(shù)70%的為通用性一般，即定制程度一般的零部件，約10%的零部件通用性極低，即為定制化程度較深的零部件。

表1 產(chǎn)品族模塊和零部件分類Tab.1 Modules&parts classification in product family

3 實(shí)例

為了驗(yàn)證通用性計(jì)算方法，以某企業(yè)輪式裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品族為研究對(duì)象。該產(chǎn)品族中包括3種驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品，即ZL40，ZL50，ZL50E。在模塊層次上有輪邊減速、橋殼、制動(dòng)、半軸、傳動(dòng)軸和差速器6個(gè)功能模塊，其中制動(dòng)模塊和傳動(dòng)軸模塊有多種可以選擇的模塊實(shí)例。如圖3所示ZL50產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。

圖3 ZL50產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹Fig.3 Product structure tree of ZL50

3.1 模塊層通用性計(jì)算

表2 驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品族模塊裝配因素確定（部分模塊）Tab.2 Module assemble factors in drive axle family（partial）

假設(shè)ZL40，ZL50，ZL50E的產(chǎn)品分別為100，300，200臺(tái)。根據(jù)公式（5）可以計(jì)算出該驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品族中模塊層上的6個(gè)模塊各自的通用性數(shù)值，如表3所示，模塊層各模塊通用性。不難看出，輪邊減速模塊M1和差速器模塊M6的通用性較高，而制動(dòng)模塊M3和傳動(dòng)軸模塊M5的通用性較低，其中模塊M31和M32都是制動(dòng)模塊M3的兩種變形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)（主要是濕式制動(dòng)片數(shù)量根據(jù)制動(dòng)力矩大小而定），傳動(dòng)軸模塊由于3種產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)橋輸入的主傳動(dòng)比各不相同，因而出現(xiàn)3種不同的傳動(dòng)軸模塊實(shí)例。因此，各模塊通用性計(jì)算值與實(shí)際情況相吻合。

表3 模塊層各模塊通用性Tab.3 The commonality of modules in module layer

3.2 零部件層通用性計(jì)算

3.3 分析與討論

根據(jù)PARETO法則和表3得到的各模塊通用性程度，確定模塊層上的輪邊減速模塊M1和差速器模塊M6為通用模塊，傳動(dòng)軸模塊M5為專用模塊，主要由于成本較高、產(chǎn)品批量較低引起的，其他的模塊為柔性模塊。同理，在零部件層上，分別對(duì)自制件和采購(gòu)件進(jìn)行分類。如表4所示，在自制件中橋殼、行星輪架、端蓋為通用化零部件，其他為定制化零部件；在采購(gòu)件中輪邊減速器的密封圈為通用化零部件，其他為定制化零部件。通過對(duì)模塊和零部件的類型劃分，可以對(duì)產(chǎn)品族中的模塊和零部件進(jìn)行有效地管理。另外，通用性高有利于成本的降低，但往往忽視了其技術(shù)性能提升的必要性。差速器模塊M6的通用性較高，但其在技術(shù)上存在多個(gè)缺陷，如差速限滑等問題。因而，可將此選作為技術(shù)創(chuàng)新對(duì)象。

本文選擇制動(dòng)模塊M3（其變型模塊分別為M31和M32）中的活塞和制動(dòng)片等零件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使得制動(dòng)模塊M3成為ZL40，ZL50，ZL50E驅(qū)動(dòng)橋的通用模塊，通過計(jì)算制動(dòng)模塊的通用性程度提高到了0.748。而對(duì)于該驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品族的通用性，本文采用文獻(xiàn)[6]所提的CMC方法可以計(jì)算制動(dòng)模塊M3通用化前后的產(chǎn)品族整體通用性程度大小分別為0.568和0.606，可以發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品族的通用性提高了6.81%。由此可見，現(xiàn)有文獻(xiàn)中的通用性程度計(jì)算方法不能確定產(chǎn)品中所要改進(jìn)的結(jié)構(gòu)對(duì)象，只能夠通過零部件計(jì)算出產(chǎn)品族的整體性通用程度，而本文的方法通過計(jì)算零件和模塊兩層的通用性可以確定產(chǎn)品族中改進(jìn)的對(duì)象。

表4 零部件層各零部件通用性計(jì)算（部分）Tab.4 Calculating part commonality in part layer（partial）

4 結(jié)論

在企業(yè)實(shí)施MC基于平臺(tái)的產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)品過程中，為應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求和技術(shù)的不斷變化，通過模塊化產(chǎn)品族動(dòng)態(tài)演進(jìn)，即產(chǎn)品族內(nèi)部模塊或零部件的有選擇性的取舍和有目的性的創(chuàng)新以及對(duì)模塊或零部件進(jìn)行有效地分類管理。針對(duì)這些問題并結(jié)合模塊化產(chǎn)品族的特點(diǎn)提出了模塊化產(chǎn)品族中模塊零部件通用性分析方法。①提出產(chǎn)品族中兩個(gè)層次上某具體模塊或零部件的通用性程度計(jì)算，與產(chǎn)品族整體通用性計(jì)算相比，該方法能夠更進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)品族(產(chǎn)品平臺(tái))創(chuàng)新演進(jìn)過程中模塊或零部件選擇和有效的精細(xì)化管理，降低成本以及創(chuàng)新的前提條件。②綜合考慮了零部件或模塊的重用數(shù)、成本、產(chǎn)品品種、產(chǎn)品產(chǎn)量以及尺寸形狀、材料、加工裝配工藝等影響因素。③根據(jù)模塊或零部件通用性分析結(jié)果對(duì)產(chǎn)品族中模塊層中的模塊分成三類，零部件層中的零部件分類成兩類，以便有效地管理。這為選擇合理的設(shè)計(jì)元件以及有效管理通用化和多樣化之間關(guān)系提供了有效途徑。但是在具體的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)或重新設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者采用何種創(chuàng)新設(shè)計(jì)決策對(duì)產(chǎn)品族創(chuàng)新演進(jìn)具有重要意義。因此，在本研究基礎(chǔ)上，結(jié)合各種創(chuàng)新技術(shù)面向MC產(chǎn)品平臺(tái)和產(chǎn)品族創(chuàng)新演進(jìn)的機(jī)制和模式將是下一步的研究重點(diǎn)。

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