模块化产品族中模块和零部件通用性分析方法

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随着市场需求和技术的变化，企业需要进行不同层次的产品平台创新(如优化创新、扩展创新和升级创新)，使产品平台不断地动态更新。在此动态变化过程中，产品族结构(PFA)也将做出相应的调整和演进，其中拈或零部件功能、结构和使用数量等的变化影响了产品的性能、质量和成本等，因此，产品族中拈和零部件通用性成为选择拈或零部件作为创新对象和进行合理配置选择的关键节点之-。

目前，国内外对产品族通用性的研究主要集中在3个方面：①以产品族整体为对象的通用性研究。主要依据通用零部件在产品族中的数量比例关系；产量、每种操作的次数和零部件成本 ；尺寸形状、材料和制造过程b 。② 以产品族中产品为对象的通用性研究。文献[4]通过零部件及相互关联关系和装配关系提出了百分比通用性指标；文献[5]提出了功能相似性指标(FSI)帮助拈化产品的概念开发和设计；文献[6]提出CMC评价产品族设计中每个产品的通用性；另外还有衡量参数化产品族中产品多样化(NCI，PDI) 。③ 以产品族中零部件为研究对象，文献[8]提出GVI识别随时间变化满足市场需求的变化零部件，同时提出零部件耦合指标(coupling index)评价产品族中零部件之间的耦合关系。国内学者朱斌等 通过拈实例通用度和变异拈通用度两个指标表示产品族中通用性度量；刘夫云，祁国宁等n们提出了基于复杂网络的零部件通用性分析方法。

综上所述，目前众多通用性指标往往通过不同的参数(如通用零部件数量 、零部件成本、接口关系、制造过程等等)来度量产品族的通用性程度，并以此帮助设计者均衡产品族通用性和多样性之间的关系。然而，在产品族(或产品平台)的动态发展演进过程中，根据技术和经济分析对产品族及其组成零部件进行精细化和动态性管理，为演进路线和创新对象的选择提供支持，特别是在对产品族中拈或零部件实施复制、转移、删除等创新操作过程中，需要通过如通用性、成本、性能等指标进行评价并确定创新对象，从而使其在功能或结构上发生改变，或使其综合性能得到优化，或使其淘汰n 。因而，产品族中拈和零部件的收稿日期：2013.01.28基金项目：国家自然科学基金项目(51165007，70772093)；江西势技厅软科学项目(2010DR01001)；江西侍育厅研究项目(GJJ13313)作者简介：王浩伦(1981-)，男，讲师，博士，主要从事大规模定制设计，研发与技术创新管理，现代设计方法及理论。

第2期 王浩伦：拈化产品族中拈和零部件通用性分析方法 79通用性作为评价和选择产品族结构动态演进创新对象和有效管理的重要指标有必要进行进-步研究。因此，本文在拈化产品族体系结构模型的基础上，考虑零部件层和拈层上零部件和拈的重用数、成本、产品产量等其他影响因素，提出产品族单个元素的通用性计算方法，然后基于PARETO法则和元件通用程度，确定拈和零部件的类型，并以实例说明。

1 拈化产品族结构树图1为拈化产品族结构模型。模型分为3个层次，即产品层、拈层和零部件层。其中，在零部件层次上，将企业零部件库中的零部件分为通用化零部件和个性化零部件；在拈层次上，根据大规模定制理论的基传拈按不同类型分为通用拈、柔性拈和专用拈，最后通过配置规则将各类拈组装成的各种产品。

o tl-：· (--' N o - ① ⑥ 通用拈 柔性拈 专用拈 通用化零部件 个性化零部件 必选规则 可选规则图1 拈化产品族结构模型Fig.1 Structure model of modular product family企业零部件库中的零部件可以是通过原材料采购进而自制得到，也有通过外协或商品件采购得到。

在拈层上，柔性拈和专用拈由通用化和个性化零部件组合而成，但通用拈仅由通用化零部件组成。其中，通用拈fc)在原材料采购和加工方面采用大批量生产方式，并在装配阶段全部应用到每种产品中；柔性拈(F)可以有柔性拈矩阵，即拈矩阵的-列对应某型号产品的功能拈，-行是功能拈的结构参数的系列变形；专用拈(s)根据客户需求要求特定的采购和加工。柔性拈和专用拈主要采用定制化生产方式。

假设该产品族中第i中产品P 由m个通用拈 cC1，C2，，Cm， 个柔性拈 。， .， 和可任选组合的k个专用拈SiSi ， ：，， 组成。根据需求，采用产品通用拈、柔性拈和专用拈集合中的不同子集组合构成不同的产品集，由此可生成不同需求产品。那么，第f种产品Pj表示为P CUF u Cl，C2，， )u ， ， uU：。Sj (1)对于产品族面向市场需求变化 ，选择合理和有效的零部件或拈形成个性化的产品，同时产品族结构体系进行优化和创新。因而，对产品族中拈层次和零部件层次上的通用性进行分析具有重大的意义。

2 拈层。零部件层通用性分析根据产品BOM表的数据，将图I中的模型细化为图2所示的产品族中各种产品的结构层次模型。假设拈化产品族中有3个产品(P。，P2，P，)，在拈层有3种拈实例(M ，M ，M，M )组成，其中M，是M 的变型设计拈。由这些拈实例组合成三种产品在零部件层有12种零部件(d。-d d。：)，其中d。：是d， 的变型设计的零部件。图中类似×2”表示该拈或零部件在该产品中的用量为2。下面分别计算拈层上模块通用性指标和零部件层上零部件通用性指标。

华 东 交 通 大 学 学 报 2013年x3 x2 x4 ×5 ×3 x2 x4 x2 ×3 ×l ×3 ×2 ×3 ×5 x2 ×3 ×2图2 产品族中产品的结构层次。

Fig.2 Structural hierarchy of products in product family2.1 拈通用性指标在产品族结构拈层次中，拈.，通用程度可以用该拈在其产品族中所被 种产品采用的比重，可以表示为l0) ] (2)∑I∑ IlU1 J式中： 为采用拈 的产品种类，如M-被3种产品都采用，那么 为3； 为拈 在产品f中的用量，如图2中M：在产品P 中的用量为2； 为拈层中拈的种类数，如图2中有3种拈，即M。，M：，M，；刀为产品族中产品种类数量。

由于不同的产品市场需求量不同，其生产的批量也不同。产品中拈的通用程度也会受到影响。

∑( Q )CjM(2) - 1 (3)∑l∑ JlU1 J式中： 为采用拈 的产品生产批量。

另外，考虑到拈的成本和装配因素的影响，其中，拈成本的大嗅影响设计者选择采用该拈的决定。洇而，产品族中拈层次中拈.，的通用程度的最终表达为C Nj Ee，ec -下--j -- (4)∑I ∑，IL ，1 J式中：c 为拈 的成本或商品件采购价格； M为拈 的装配影响比率。

2.2 零部件通用性指标在产品族中，零部件层可以由自制件和外协或采购件组成，因而在计算零部件通用性指标时，将分别计算自制零部件通用性程度和外协或采购的零部件通用性程度。综合考虑零部件的数量、成本或市驰格、尺寸形状、材料选择、加工装配工艺等因素的影响。因而，自制零部件k在产品族中的通用性程度计算可以表达为4n ∑ Q施) r - (5)∑l 兀 ∑ )l第2期 王浩伦：拈化产品族中拈和零部件通用性分析方法 8l式中：cc为零部件k的成本； 为采用零部件k的产品种类数量；以 (.)c1，2，3，4)分别是：y，c为零部件k尺寸和形状影响比率， 为零部件k材料选择的影响比率， 为零部件k制造加工工艺的影响比率， 为零部件k装配工艺的影响比率；Q腩为零部件 k在产品f中的用量，如图2中零部件d9在产品P。

然而，对于外协或采购件，零部件的制造加工工艺的影响因素可以忽略。因而，外协或采购零部件k在产品族中的通用性程度计算可以表达为C Nk 12 J2Ckfc矗EKei - - T (6)∑I n ∑ Q请)l七It. I f1 J2.3 拈。零部件分类根据PARETO法则和上述计算得到的各拈和各零部件通用性程度，可以在产品族中分别在拈层和零部件层上对拈和零部件进行分类，如表1所示。确定拈层上的通用拈，柔性拈和专用拈，其中通用拈是通用性较好的拈，约占产品族中拈总数的20%，专用拈是与客户需求有关的特殊模块，约占产品族拈总数的10%，其余的拈为柔性拈。另外，零部件层上通用化零部件约占产品族中零部件总数的20%，而个性化零部件中，约占产品族零部件总数70%的为通用性-般，即定制程度-般的零部件，约10%的零部件通用性极低，即为定制化程度较深的零部件。

表 1 产品族拈和零部件分类Tab.1 Modules& parts classification in product family拈类型 占总量比重 说明 零部件类型 占总量比重 说明通用拈 约20% - 通用件 约20% 零部件通用性较高柔性拈 约70% -。

约70% 零部件定制化程度-般专用拈 约10% - 定约1O% 零部件定制化程度较深3 实例为了验证通用性计算方法，以某企业轮式装载机驱动桥产品族为研究对象。该产品族中包括3种驱动桥产品，即ZL40，ZLSO，ZLSOE。在拈层次上有轮边减速、桥壳、制动、半轴、传动轴和差速器6个功能模块，其中制动拈和传动轴拈有多种可以选择的拈实例。如图3所示ZL50产品结构树。

图3 ZL50产品结构树Fig.3 Product structure tree of ZLS082 华 东 交 通 大 学 学 报 2013矩3.1 拈层通用性计算在拈层，首先需要确定拈装配影响比率 ，由该拈所在产品的装配设计的参数和工艺流程确定。如表2所示驱动桥产品族拈装配影响比率的确定。如桥壳拈在3种产品中装配要求是-样的，可以确定 的值为1，若3种产品中装配要求各自不-样，则确定 的值为1/3。同理，可以确定其他拈的 。

表2 驱动桥产品族拈装配因素确定 (部分拈)Tab.2 Module assemble factors in drive axle family(partia1)假设ZL40，ZLS0，ZL5OE的产品分别为100，300，200台。根据公式(5)可以计算出该驱动桥产品族中拈层上的6个拈各自的通用性数值，如表3所示，拈层各拈通用性。不难看出，轮边减速拈M。和差速器拈M 的通用性较高，而制动拈M]和传动轴拈M 的通用性较低，其中拈M，和M 都是制动拈M，的两种变形设计结构(主要是湿式制动片数量根据制动力矩大小而定)，传动轴拈由于3种产品的驱动桥输入的主传动比各不相同，因而出现3种不同的传动轴拈实例。因此，各拈通用性计算值与实际情况相吻合。

表3 拈层各拈通用性Tab.3 The commonality of modules in module layer第2期 王浩伦：拈化产品族中拈 零部件通用性分析方法 833.2 零部件层通用性计算在零部件层，确定 ( 1，2，3，4)值的方法与拈层-样，但需要指出的是零部件有自制件和采购件之分，因而在确定。

。 因此，对各零部件通用性计算将分别对自制件和采购件分别根据公式(5)和公式(6)进行计算。见表4零部件层各零部件通用性计算。

3.3 分析与讨论根据PARETO法则和表3得到的各拈通用性程度，确定拈层上的轮边减速拈M。和差速器拈M6为通用拈，传动轴拈M5为专用拈，主要由于成本较高、产品批量较低引起的，其他的拈为柔性模块。同理，在零部件层上，分别对自制件和采购件进行分类。如表4所示，在自制件中桥壳、行星轮架、端盖为通用化零部件，其他为定制化零部件；在采购件中轮边减速器的密封圈为通用化零部件，其他为定制化零部件。通过对拈和零部件的类型划分，可以对产品族中的拈和零部件进行有效地管理。另外，通用性高有利于成本的降低，但往往忽视了其技术性能提升的必要性。差速器拈M6的通用性较高，但其在技术上存在多个缺陷，如差速限滑等问题。因而，可将此选作为技术创新对象。

本文选择制动拈M，(其变型拈分别为M，。和M )中的活塞和制动片等零件进行标准化，使得制动拈M3成为ZIAO，ZLSO，ZLSOE驱动桥的通用拈，通过计算制动拈的通用性程度提高到了0.748。而对于该驱动桥产品族的通用性，本文采用文献[6]所提的CMC方法可以计算制动拈M3通用化前后的产品族整体通用性程度大小分别为0.568和0.606，可以发现驱动桥产品族的通用性提高了6.81%。由此可见，现有文献中的通用性程度计算方法不能确定产品中所要改进的结构对象，只能够通过零部件计算出产品族的整体性通用程度，而本文的方法通过计算零件和拈两层的通用性可以确定产品族中改进的对象。

表4 零部件层各零部件通用性计算(部分)Tab.4 Calculating part commonality in part layer(partia1)4 结论在企业实施MC基于平台的产品开发产品过程中，为应对市场需求和技术的不断变化，通过拈化产品族动态演进，即产品族内部拈或零部件的有选择性的取舍和有目的性的创新以及对拈或零部件进行有效地分类管理。针对这些问题并结合拈化产品族的特点提出了拈化产品族中拈零部件通用性分析方法。① 提出产品族中两个层次上某具体拈或零部件的通用性程度计算，与产品族整体通用性计算相比，该方法能够更进-步对产品族(产品平台)创新演进过程中拈或零部件选择和有效的精细化管理，降低成本以及创新的前提条件。② 综合考虑了零部件或拈的重用数、成本、产品品种、产品产量以及尺寸形状、材料、加工装配工艺等影响因素。③根据拈或零部件通用性分析结果对产品族中拈层中的拈分成三类，零部件层中的零部件分类成两类，以便有效地管理。这为选择合理的设计元件以及有效管理通用化和多样化之间关系提供了有效途径。但是在具体的产品族设计或重新设计过程中，设计者采用何种创新设计决策对产品族创新演进具有重要意义。因此，在本研究基础上，结合各种创新技术面向MC产品平台和产品族创新演进的机制和模式将是下-步的研究重点。