产品模块化制造应用探析一Word文件下载.docx
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1.1.1相关概念
①模块与模块化
模块是构成产品的一部分，具有独立功能，具有一致的几何连接接口和一致的输入、输出接口的通用独立单元，相同种类的模块在产品族中可以重用和互换，相关模块的排列组合就可以形成最终的产品。
所谓模块化，就是为了取得最佳效益，从系统观点出发，研究产品（或系统）的构成形式，用分解和组合的方法，建立模块体系，并运用模块组合成产品（或系统）的全过程。
模块化的产品设计可以达到以下几个目的：
1）模块的组合配置，就可以创建不同需求的产品，满足客户的定制需求；
2）相似性的重用，既可以重用已有零部件和已有设计经验，也可以重用整个产品生命周期中的采购、物流、制造和服务资源；
3）减少产品工程复杂程度，因为模块是产品部分功能的封装，产品设计人员使用具体模块时根本不用关心内部实现，可以使研发人员更加关注顶层逻辑，提高产品工程管理质量和产品的可靠性。
由于模块具有不同的组合可以配置生成多样化的满足用户需求的产品的特点，同时模块又具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，如果模块的划分和接口定义符合企业批量化生产中采购、物流、生产和服务的实际情况，这就意味着按照模块化模式配置出来的产品是符合批量化生产的实际情况的，从而使定制化生产和批量化生产这对矛盾得到解决。
另外，模块实现了抽象的模块功能与具体模块实现之间的逻辑分离，整个产品结构十分清晰，容易从全局上理解和设计产品，使技术进步造成的越来越来复杂的工程管理得到改善。
有些公司又将不同的目标市场进行分类，并通过模块化的产品配置，实现对不同目标市场的覆盖，也就形成了所谓的平台化战略和差异化战略。
平台化、模块化的产品战略已经有很多成功的案例在世界很多的著名公司中应用。
日本索尼公司在20世纪80年代仅利用4个基础平台的Walkman产品，生产出250余种录音机随身听。
这250种随身听无论在价位、功能和款式上都有很大的区别，可以满足用户的各种不同需求，但是这4个基础平台却存在着大量的重用模块。
德国大众公司在A4平台上生产Volkswagen/Skoda/SEAT/Audi四个品牌的十余种轿车，象我们熟悉的Golf、Bora、NewBeetle和AudiTT都是这个平台上的产品。
这十余种轿车分布在德国、斯洛伐克、捷克、比利时、西班牙、波兰和墨西哥等国家的大众公司分厂中生产，这些产品可以满足不同市场需求的同时可以共享大众公司整体的技术资源和采购资源。
日本佳能公司的单镜头反光取景相机所有的镜头卡口标准是完全一致的，同时佳能公司庞大的镜头群可以覆盖各种客户需求，这使佳能公司的产品可以满足从入门的摄影爱好者到职业级的摄影家的巨大客户群的需求，这对摄影爱好者具有不可抗拒的吸引力。
②产品平台和产品族
产品平台是产品一系列核心子系统及子系统之间的关系组成的一个公共架构，在这个公共架构上能源源不断地派生产品，具有不同特征和功能、定位不同细分市场的派生产品构成产品族。
Black&
Decker电动工具公司开发的通用电机平台就是一个非常成功的例子。
产品平台是指由一系列不同产品所共享的一组产品开发元素。
这些产品开发元素可以分成四类：
模块：
包括零件设计、制造工装夹具、电路设计、程序模块等
过程：
包括制造模块或装配产品的设备，工艺及供应链设计等
知识：
包括设计专利、技术机密、数学模型等
组织：
包括开发团队及相互之间的联系等。
我们所指的产品平台是以上产品开发元素的有机组合，而不是那种因标准化等原因简单的零件互换共享。
不同的企业对产品平台有不同的理解和应用。
产品族是共享产品平台、同时能够满足顾客不同需求的具有不同特征和功能的一组产品。
产品族以产品平台基础，通过添加不同的个性模块，以满足不同客户的个性化需求。
索尼产品族就是这样的例子，它包括大量具有不同特征和功能的模型。
产品平台与产品族的关系如图：
产品平台与产品族的关系
③派生产品和单个产品
派生产品是产品族中由产品平台派生的一个实例，一个派生产品具有不同于产品族中其他成员的独特的特征和功能。
施乐的1090复印机是从它的1075型派生的，这两个产品都是它的10系列复印机的派生产品。
单个产品是在设计时没有预先与其他产品发生联系的独立的产品。
单个产品是与派生产品相对比的。
④变型设计
Pahl和Beitz最早将设计分为初次设计（originaldesign）、适应设计（adaptivedesign）、变型设计（variantdesign），并指出在实际的设计工作中大约70%属于适应性设计和变型设计。
变型设计是指提取已存在的设计或设计计划，做特定的修改以产生一个和原产品相似的新产品。
这种修改一般不破坏原产品的基本原理和基本结构特征，是一种参数的修改或结构的局部调整或两者兼而有之，其目的是快速、高质量、低成本地生产新产品以满足不断变化的市场的要求。
事实上，产品设计几乎大多数都是从已有的产品中进化而来的，所谓的初次设计、适应性设计和变型设计仅仅是对原来产品的利用程度不同而言。
考虑到适应性设计和变型设计有许多不同于初次设计的共同点，其特点都是在已有解的基础上进行修改以产生一个新解，可以将适应性设计和变型设计统称为变型设计。
简单地说，变型设计就是“留大同变小异”，利用已有的产品设计或平台基础，花很小的变异代价而得到一个新设计，从而大大提高设计效率。
1.1.2模块的特点和产品模块化的优点
由于企业产品平台方案的制订是依赖于企业客户目标市场需求的不同而变化的，同时产品模块的划分必须考虑不同企业的产品功能、研发特点、生产特点、采购及物流方式和售后服务特点等方面的不同需求，所以产品平台和模块化的方案必须结合企业的实际情况，没有一成不变的解决方案。
因此，理解模块的特点及企业要利用模块化达到的目的就显得十分重要。
①模块的特点
理解模块必须抓住模块的主要特点，这三个主要特点是模块的精髓，也是划分企业自身产品平台和产品模块的基础。
1）模块具有独立的功能
模块的功能是整个产品功能的组成部分，且这个功能是自我包含，自我实现的。
在集成化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是多对多的关系，这样导致某个零部件的设计更改会影响到产品的多个功能，也就会导致不确定范围的零部件的修改，同样为了实现产品的某项功能改善，也会导致很多零部件的修改。
随着产品复杂程度和产品零部件重用度的提高，管理这样的产品结构和相关信息就会变得十分困难，尤其是在产品为系列化、批量生产模式的企业中，随着不可互换的相似零部件种类的增加，销售、采购、物流、生产和服务等业务领域中的管理困难会成倍增加。
在模块化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是一对一的关系，这样对于零部件的更改和产品功能的改善不会造成其他零部件和功能的调整，也就是将产品的功能抽象与产品零部件的具体实现分离，模块自身的单独发展不会影响其他模块。
由于模块的功能必须考虑在一系列产品中互换的问题，因此某些模块的功能在某一个产品中有可能是冗余的，但是从全局的角度看这样做是值得的。
比如，计算机主板上PCI插槽一般有4-6个，而大部分计算机上仅仅使用1-2个，这种功能的部分冗余带来的是很强的扩展能力和更大范围的互换能力。
2）标准的几何连接和一致的输入、输出接口
为了实现同类模块之间的互换，严格的尺寸接口和输入输出接口的定义是必须的。
几何连接接口，可以是机械领域的销、面、键和螺栓等，也可以是电器领域的信号、能量等。
著名的玩具供应商Lego乐高公司通过积木模块的不同组合可以拼成几乎无尽数量的形状，于是在市场上取得了巨大的成功。
Lego乐高公司的积木模块定义的主要就是几何连接接口。
当然，在实际的制造业中随着产品复杂度的增加，模块的几何连接接口要比这复杂得多。
输入、输出接口，是模块功能的抽象，此类接口可以是能量、信息、物质（液体、气体）等，是定义该模块功能的输出标准和能够保证输出特定功能所必须的输入条件标准。
例如，如果发电机对于发动机厂来讲是一个模块的话，发电机与发动机的连接尺寸等几何连接接口需要标准化和规范化。
同时，发电机的输入转速、功率，以及输出的电流等输入、输出接口同样需要规范。
3）模块是有层次的，并且受观察角度和范围的影响
模块可以包含子模块，因为模块的功能是整个系统功能的组成部分，所以子模块的功能应该是父模块的基本功能，所以能否称为模块是受观察角度和定义范围的影响而变化的。
同样，模块层次越多管理难度越大，当模块层次划分过多，就与非模块化的产品结构没有什么差异了。
例如，就模块的层次而言，柴油机是整车的一个模块，发电机又是柴油机的一个模块。
站在不同的角度，模块的划分也会不同。
发电机对于发电机生产商来讲是一个产品，对于柴油机生产商来讲是一个模块，而对于整车生产商来讲只是一个总成件了。
整车厂的模块化产品平台中不需要定义发电机模块。
②模块化产品结构的优点
模块化的产品结构对企业的贡献可以从产品研发、提高效率、降低成本和改进企业管理等几个方面考虑。
1）对企业产品研发的贡献
模块是产品知识的载体，模块的重用就是设计知识的重用，大量利用已有的经过试验、生产和市场验证的模块，可以降低设计风险，提高产品的可靠性和设计质量。
模块实现产品功能的分配和隔离，使问题的发现和设计的改进变得容易。
模块实现功能的抽象和实现分离，使设计人员容易掌握产品全局，同时设计人员可以屏蔽掉与自身领域无关的细节，从而关注更高层次的设计逻辑。
模块功能的独立性和接口的一致性，使模块研究更加专业化和深入，可以不断通过升级自身性能来提高产品的整体性能和可靠性，而不会影响到产品其他模块。
模块功能的独立性和接口的一致性，使各个模块可以相对独立的设计和发展，可以进行并行设计、开发和并行试验、验证。
模块的不同组合能满足用户的多样性需求，易于产品的配置和变型设计，同时又能保证这种配置变型可以满足企业批量化生产的需求。
2）对企业工作效率和节省时间的贡献
设计和零部件的重用可以大大缩短设计周期；
并行的产品开发和测试可以大大缩短设计周期；
利用已有成熟模块可大大缩短采购周期、物流周期和生产制造周期，从而加快产品上市时间；
如果划分模块时考虑到企业售后服务的特定需求，同样可以缩短服务周期和耗费资源时间。
3）对企业成本控制的贡献
模块和知识的重用可以大大降低设计成本；
采用成熟的经过验证的模块，可以提高采购批量，降低采购和物流成本；
采用成熟的经过生产验证的模块，可以大大减少由于新产品的投产对生产系统调整的频率，使新产品更容易生产制造，可以降低生产制造成本；
产品平台中及平台之间存在大量的互换模块，可以降低售后服务成本。
4）对企业组织的贡献
有利于企业研发团队分工，规范不同团队间的信息接口，进行更为深入的专业化研究和不同模块系统的并行开发；
抽象平台和模块的建立，可以实现企业组织结构与产品模块结构之间的交互，使并行工程拥有实施的根基，工艺、财务、采购和售后服务可以在产品研发早期就介入产品研发项目；
标准规范的模块接口有利于形成产品的供应商规范；
有利于产业分工的细化（比如计算机行业，以及汽车行业）。
1.2模块化产品的过程
企业模块化产品的大致过程是：
首先根据产品功能和目标市场需求抽象企业的产品平台，然后根据产品平台和企业的业务实际划分模块组成，最后根据模块的划分来重新调整企业研发团队分工。
1.2.1抽象化产品平台
产品平台的定义首先是根据大量的用户需求和不同的目标市场分析，定义出企业产品平台的主要功能目标；
其次将主要的功能目标分解成主要的支撑实现功能，并定义好功能之间大致的输入和输出；
最后根据企业目标市场的差异将企业的产品划分成不同的产品平台。
大多数企业的平台划分都是在已有产品的基础之上进行的，往往企业的产品本身已经形成系列，这样调整的难度不仅是技术上的阻力，还有员工观念上的阻力，调整起来比较困难。
同时随着产品复杂程度的提高，平台的划分也越来越难，必须具备对企业产品的深入理解，具备对企业产品全生命周期管理过程的深刻认识，同时掌握平台化、模块化的思想，才能定义好企业的产品平台。
1.2.2详细划分模块
模块的划分实际上就是在考虑重用和产品整个生命周期中的实际后，对产品功能的重新分配，将原有产品结构的零部件分解后重新组合的过程。
①模块划分的大致原则
基于企业的特定需求，将产品按照产品结构和功能划分成可以重用和互换的不同功能单元，每个功能单元具有相对稳定的、一致的几何连接接口和输入和输出接口。
特定需求包括：
大量的客户需求；
企业产品研发特点；
企业生产和采购实际；
产品的维修服务需求。
因此，模块的划分应尽量考虑整个产品生命周期中各个环节的需求，比如产品的模块可以考虑工艺合件、采购合件和维修合件等。
但是，有的时候企业不同领域可能对某种模块划分的需求是相悖的，这时就需要企业进行平衡，要不改变企业业务模式以适应模块划分，要不容忍这种划分的缺欠并作为以后优化模块方案的内容。
②模块的二元性
一方面，模块自身功能独立，具有标准连接接口和输入输出接口。
另一方面，模块又是整个产品的一部分，不理解模块在产品中的作用和位置，就无法定义模块。
这种既强调自身功能的独立性，又强调系统结构的归属性，就是所谓的二元性。
因此，模块的划分必须既要抽象产品平台，又要考虑模块本身功能的独立。
这两方面是相互影响的，在实际划分中可能会经历多轮的迭代才能形成满意的划分方案。
③按照模块结构，重组研发团队
可以将某个模块或者某些功能相关的模块分配给一个研发团队，同时可以按照模块之间的接口来定义不同研发团队之间的交互信息标准。
如图所示，将两两相互强相关的模块标出，按模块之间的关联、交互关系定义若干种强度等级，把强相关的模块集中（在图中标为灰色），要么将强相关的模块划分给一个团队，要么划分给组织上、地域上关联密切的多个团队。
合理的模块划分和研发团队划分是进行产品的并行开发和并行试验验证的基础。
④根据企业实际业务情况不断修订模块方案
企业的产品模块方案不是一成不变的，必定会随着市场和企业业务的不断变化而做出相应的调整。
如图所示。
模块划分方案的形成过程
1.2.3模块化通过PDM系统的实现
产品数据管理（PDM）是以软件为基础，管理所有与产品相关的信息（包括电子文档、数字化文件、数据库记录等）和所有与产品相关的过程（包括工作流程和更改流程）的技术。
它提供产品周期的信息管理，并可在企业范围内为产品设计与制造建立一个并行化的协作环境。
随着企业产品系列的不断增长，产品之间重用程度越来越高，企业产品数据的增长量会越来越大，保持产品数据的准确性、及时性、有效性以及可追溯性将会越来越困难，同样地由于各种原因引起的工程变更也越来越难以控制，因此企业实施PDM系统就成了必然的选择。
PDM系统提供了很好的产品结构管理、产品配置管理和零部件分类重用管理等功能的工具。
其中，产品结构管理和零部件分类重用管理是企业实现产品的平台化和模块化较常用的两个工具。
①产品结构管理
PDM系统提供产品结构管理功能，可以实现产品结构的描述，提供零部件隶属关系查询，提供产品结构比较、产品结构报表、产品结构版本和有效性控制等一系列功能。
以产品结构层次关系管理为例，利用PDM系统提供的产品结构管理功能可以有效地、直观地描述所有与产品有关的信息。
在产品结构树中，每个零件、部件对象都有自己的属性，如零（部）件标识码、名称、版本号、数量、材料、类型（自制件、外购件）等等。
在PDM中查询零部件时，可以按照单个或多个属性进行单独或者联合查询，以获得零部件的详细情况，如按照类型为“外购件”的属性查询，可得到采购部门关心的信息。
下图给出了产品结构及其基本属性的示例，图中表示了产品零部件之间的层次关系及每个接点包含的相应属性。
通过这样的产品结构图，根据所给查询条件，走不同的分支，就可以迅速地找到所需的数据；
还可以自由选择结构树的分解层次数，展开自行设定的层次中的零部件，在需要时可以输入相应的材料明细表（billofmaterial,BOM）。
产品结构及其基本属性
②零部件分类重用管理
PDM系统提供对相似零部件的分类重用检索功能，可以提供很好的零部件标准化功能，系统用户可以迅速在整个系统中检索到符合设计参数需要的零部件或者设计参数相似的零部件进行重用。
这样可以实现对零部件组件层的标准化、通用化，进而实现压缩零部件种类、支持重用、提供设计参考等目的。
实施了PDM系统并不代表企业就实现了产品的平台化和模块化。
产品平台化和模块化是企业的产品研发方法和业务管理问题，有时甚至涉及到企业的组织机构重组。
所以，产品的平台化、模块化是管理问题，需要企业自身投入大量的精力，以及PDM系统供应商甚至是第三方咨询公司进行大量的工作，来搭建企业的产品平台和模块化方案。
信息系统只是实现企业管理的工具，必须把企业管理实际同信息系统实施结合起来，才能取得预期的效果。
1.3模块化与产品平台的关系
1.3.1模块是依赖产品平台的存在而存在的
虽然模块的功能是自我包含、自我实现的，但是模块的存在和划分必须以产品平台的整体功能为前提。
比如某一个收音机由接收器（Ra）、放大器（Aa）和电源（Pa）三个组件构成，当该收音机只有这样一种产品配置的时候，这里不存在任何模块，接收器（Ra）、放大器（Aa）和电源（Pa）是一个整体，不用区分。
但是，当有另外一种收音机使用了另外一种电源（Pb），这个电源（Pb）又与前一个电源（Pa）可以互换时，那么电源在没有任何变化的情况下，就会成为一个模块。
因此，模块的功能和互换性都是依赖于产品平台的功能和配置变化而存在的，失去产品平台的定义和产品平台的配置需求，模块的存在是没有意义的。
产品平台就是描述产品系列的模块化结构及模块的功能、模块间的几何连接接口和输入输出接口。
产品平台是不同目标市场需求的抽象表达，是企业划分模块的基础，产品平台和模块是相辅相成、相互依存的。
将产品平台和产品模块割裂开来也是没有任何意义的。
因此，产品的平台化、模块化是连接产品研发和大规模定制生产的桥梁。
模块化产品是达到大规模定制和不断的持续改进企业商业能力的首要前提。
1.3.2具体的产品零部件设计依赖于抽象的模块层次逻辑
传统的过程性系统的设计办法倾向于使高层次的模块依赖于低层次的模块，抽象层次依赖于具体层次。
抽象层次包含的是产品系统的顶层的功能逻辑和宏观的、对整个系统来说重要的战略性决定，是必然性的体现，而具体层次则含有一些次要的与功能实现有关的功能和逻辑，以及战术性的决定，带有相当大的偶然性选择。
具体层次的需求会经常改变，抽象层次依赖于具体层次，使许多具体层次的细节变化会立即影响到抽象层次的宏观功能，导致微观决定宏观，战术决定战略，偶然决定必然，这显然是不对的。
将产品模块化，就是要把产品系统顶层的功能逻辑抽象成为模块，使具体的产品零部件设计依赖于抽象的模块层次逻辑。
如下图所示，利用抽象的模块化层次，将企业产品的底层逻辑——数量众多的零部件抽象成为可以重用的模块，再利用模块的排列组合形成企业丰富的富于创造性的满足用户特殊需求的产品配置。
这样，对于零部件组件层（底层逻辑）来讲,企业要尽量标准化，利用成组技术和PDM系统中的模块功能对这些零部件进行分类重用；
合理划分模块层（抽象层）逻辑，使企业可以用数量最少的模块来配置生成数量众多的富于创造性的满足客户特殊需求的产品；
最后，企业要利用平台化的战略，分析企业产品的目标市场，整合企业模块资源，以最少的产品变型满足最大范围的目标市场需求。
抽象的模块层次逻辑
1.4产品平台理论
1.4.1平台策略的涵义
不断开发新产品并根据市场需求对产品进行更新以适应新的市场变化是企业保持创新的关键。
平台策略把新产品开发提升到一个新的高度，基于平台策略的新产品开发不再专注于单个产品或单一市场，而是开发基于平台和过程技术的一系列产品，这些产品形成了产品族，产品族就是满足同一细分市场、共享平台技术的一系列产品。
产品平台与产品族的关系好比树干与树枝和树叶的关系，有效的产品平台可以派生出一系列产品族，一个新平台的出现意味着一代新产品的诞生，它综合了整个新一代产品的最基本、最重要的特征。
从另外一个角度看，产品平台也可以说是夹在企业与市场之间的一个界面。
一方面，企业将各种各样的市场需求抽象为概念性产品，并利用产品平台对各种概念性产品进行过滤、筛选；
另一方面，企业对经过过滤、筛选后的各种概念性产品进行以平台为基础的实体性开发，满足市场的需求。
产品平台的重要特点是能够派生出一系列产品，即产品族，满足用户多样化的需求；
产品平台的另一个重要特点就是能够较容易地进行升级，它可以通过改变一个或多个参数，获得新的功能、部件和原材料，从而派生出新的产品族，随时满足市场需求的变化。
产品平台可以不断地派生出系列产品，并随着产品的派生而获得不断更新，从而生成一系列产品族，企业正是通过这一系列产品族而不断刺激目前的市场，并进入新的市场。
因此，产品平台不仅需要面向现有产品的顾客需求，还要考虑未来发展的顾客需求，满足潜在的需求是新产品平台的最大优势所在。
从设计的角度讲，平台策略实质上是一种有效的部件重新利用策略，基于平台策略的产品开发实际上就是基于产品平台的变型设计。
基于产品平台的变型设计在某种程度上就是通过对产品成本影响较大、使用频率高的零部件进行标准化、模块化，通过对其它零部件的变型，派生出一系列产品族，从而满足多样化的用户需求，它利用了产品族的经济规模，同时又能保证派生产品的独特性[31]。
正是这些产品族才能快速满足用户多样化的需求，促进企业的长期发展。
有效的产品平台可以派生出一系列产品，实现从基型产品到变型产品、从上一代产品到新产品的技术转移，显著缩短产品开发周期、降低成本，从而能够以较低的成本、快速响应客户多样化的需求。
与一次只开发一种单独产品的策略相比，基于平台战略的产品开发的优点是明显的：
①有效的产品平台可以便捷地派生出系列产品，满足不同的细分市场和迅速变化的市场需求，显著缩短产品开发周期；
②利用平台可以实现技术重用和技术转移，可以
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