产品模块化设计与PDM/PLM

2008年8月6日，在e-works举办的“第四届全国PDM/PLM技术、实施与应用高级研修班”上，祁国宁先生讲述的产品模块化与PLM/PDM的的内容节选。

    从60年代资源经济到21世纪体验经济的转变，经历了技术创新、产品创新、价值创新等阶段。所谓体验是指使每一个消费者以个性化的方式参与某个事件，使其情绪、体力、智力和精神达到某一特定水平时在意识中产生的美好感觉。产品提供者不仅仅向消费者提供商品或服务，更要提供最终的体验，充满感性的力量，给消费者留下难以忘怀的愉悦记忆。不难看出，消费者价值观的差异必然导致产品或服务的个性化。个性化成为目前制造企业面临的三大挑战（全球化、绿色化和个性化）之一。全球企业都在不同程度地追求着产品的个性化。然而，个性化生产模式必然会导致产品生产的低效率，如何解决生产效率与个性化的矛盾呢？我们知道，模块化设计可以在减少内部多样化的情况下，获得更多的外部多样化。通过模块化设计可以解决生产效率与个性化的矛盾。PLM技术在提高企业产品设计和管理效率的同时，也能为模块化产品设计提供一些技术支撑。

    当回归产品设计的本源，重新探讨产品开发方法论时，我们会发现，我们曾经忽视了一个重要阶段——产品开发阶段。在产品开发阶段，产品设计师根据市场要求进行产品规划，比如：这个产品采用什么样的架构，企业供应链如何配套，如何进行模块化产品设计？模块化产品还存在哪些问题？下面将会一一讨论这些问题。

    一、产品架构、产品族和产品平台的含义

    1.产品架构：将产品功能映射到产品物理构件的配置方案，其目的是定义组成产品的基本物理模块应该完成的功能以及这些模块之间的接口。

    产品架构分为三类：模块化产品架构、集成产品架构、混合产品架构：

    模块化产品架构：产品的一个功能映射一个或几个模块，当功能要求变化时，只需要换一个或几个模块就可以了；

    集成产品架构：产品的多个功能对应一个或几个模块，当其中某个功能要求变化时，需要更换整个模块；

    混合产品架构：介于模块化产品架构和集成产品架构之间，大部分企业的产品属于混合产品架构。

    2.产品族：一组具有相同特征、构件或子系统，以满足不同市场需求的产品。

    3.产品平台：对某个产品族中所有产品都相同的特征、构件和子系统的集合。

    二、产品架构与供应链

    不同的产品架构需要不同的供应链架构支持。例如：

    Toyota汽车是典型的集成产品架构，从系统总体性能最优出发进行产品设计。Toyota的供应链与这种产品架构相配套，总装厂与各级供应商建立了紧密的深层的合作关系。JIT生产方式正是这种产品架构下的最优实践。我国很多企业实施Toyota生产方式不成功的原因之一很可能就是与其产品架构不配套。

    DELL是典型的模块化产品架构和模块化供应链，通过标准接口、用现成的元器件组

    装成产品。因此，DELL计算机具有大范围的组合可能性。但是，模块化产品的性能并不是最优的。这种产品架构的供应链比较松散，除了Intel和Microsoft以外，其他供应商对DELL来说，都不是不可缺少的，有很多供应商供应同样的产品。这种架构下，供应商也不需要参与设计。

    NOKIA手机是混合产品架构的例子。由于尺寸和功率的约束，要求电子和通讯元器件之间形成紧密的集成，顾客可以根据需要选择内存、处理器、显示器尺寸和键盘。其手机的软件和电路板则实现了模块化。这种架构下，NOKIA与关键供应商保持长期紧密的合作，内存、LCD和显示器等元器件高度独立。软件和电器板的安装则可以外包出去。

    图1模块化产品架构和集成产品架构

    三、不同层次的产品模块化

    产品模块化可以分为装置级、产品级、部件级及零件级四个层次。企业可以根据自身的规模和产品特点，采用不同层次的模块化。

    在汽车行业，模块化的粒度越来越大，比如PASSAT，一台整车由15个大模块组成，分别由14个供应商供货，供应链相当简单。图2表示了可根据顾客要求快速组装的多功能车-铣中心。

    图2可根据顾客要求快速组装的多功能车-铣中心

    四、产品模块化关键技术

    产品开发和产品设计是两个不同的阶段，产品开发过程在PDM/ERP环境下，不针对某个订单或用户；而产品设计过程是在产品平台的基础上针对具体用户的要求开展的。产品模块化的关键技术为系列化和组合化；

    1.系列产品开发过程

    系列产品是具有相同的功能、工作原理和尽可能相同的制造方法的产品集合；它们具有多种参数和性能指标，以满足不同用户的需要，这些参数和性能指标间具有一定的公比级差。系列产品的开发步骤首先是确定基本型，然后确定相似类型、参数和尺寸级比，计算导出产品尺寸，最后调整尺寸，形成产品的主结构和各种主文档。参见图3：

    根据GB/T321-2005的规定，优先数和优先数系适用于各种量值的分级，特别是在确定产品的参数或参数系列时，应该尽可能采用该标准的规定。

    图3系列产品开发过程

    2.组合化产品开发过程

    组合产品是用不同的结构块（或称积木块）通过合理的组合而实现不同功能的技术对象（整机、部件或零件）。

    组合产品中的结构块被划分成不同的参数等级，因而其结构块也是产品系列。组合产品的开发步骤首先是明确要求、划分功能结构，然后确定分功能的作用原理、选择方案和评价，最后计算导出产品尺寸，调整尺寸，形成产品的主结构和各种主文档。参见图4：

    图4组合产品的开发过程