模块化设计思想.ppt

系统和产品d模块化设计,21 世纪企业竞争的制高点,目录,(一)从模块化设计到模块化时代(二)面向系统总体的设计(三)面向模块化的设计()经典模块化方法(四)面向模块化的设计()现代模块化方法(五)面向模块化的设计()模块化技术过程控制(六)面向可持续发展的设计策略()模块化为核心的技术平台(七）面向可持续发展的设计策略()模块设计的创新,主要参考文献,1 李春田，“现代标准化前沿模块化研究报告”（共十章），中国标 准化20072起连载。2 李春田主编，标准化概论（第4版），中国人民大学出版社，2005。3 李春田主编，工业企业标准化，北京：中国计量出版社，1992。4 童时中，模块化原理、设计方法及应用，中国标准出版社，20005 童时中，童和钦，维修性及其设计技术，中国标准出版社，20056 卡丽斯鲍德温、金克拉克著，张传良等译，设计规则：模块化的力量，北京：中信出版社，2006。7 青木昌彦、安藤晴彦编著，周国荣译，模块时代新产业结构的本质，上海：上海远东出版社，2003。8 B.约瑟夫.派恩著，操云甫等译，大规模定制企业竞争的新前沿，北京：人民大学出版社，2000。9 大卫.M.安德森、B.约瑟夫.派恩著，冯涓等译，21世纪企业竞争前沿大规模定制模式下的敏捷产品开发，北京：机械工业出版社，1999。10 张平、马跷著，标准化与知识产权战略（第二版），北京：知识产权出版社，2005。11 R.S.普雷斯曼美，软件工程，郭肇德、郑少仁译，北京：国防工业出版社，1988。12 童时中主编，人机工程设计与应用手册，中国标准出版社，2007,（一）从模块化设计到模块化时代,1.1 当今企业技术环境面临的挑战 1.2 多样化的挑战模块化是必由之路 1.3 知识经济与“设计规则”的竞争 1.4 基于模块化的大规模定制 21世纪企业竞争的前沿 1.5 现代模块化与模块化时代 模块化进入大发展时期,当今企业技术环境面临的挑战（一）,社会需求的多样化和个性化 生活水平和教育水准的提高，人们的爱好需求、审美观、价值观等逐渐向个性化发展，唤起了多样化的消费心态。市场的激烈竞争，促使各企业不惜标新立异，开发出品种繁多的新产品，以适应市场需求的多变和提高市场的占有率。经济全球化、生产分散化和企业再造工程的兴起 随着经济全球化，世界市场变得越来越开放，协作成为经济结合的流行方式，跨国经济将成为21 世纪的主导。生产的分散化和专业化：企业的生存取决于它的技术能力和应变能力，小企业经营灵活，采用先进技术，随着技术更新的加快，大批中小企业兴起，形成生产的专业化和社会化。企业 再造和企业重组：以增强企业竞争能力和抗风险能力。时间已成为成为竞争的主要因素 时间紧缩：技术开发时间、产品寿命周期和投资回报周期的间隔迅速缩短。,产品的成本和质量虽然仍是竞争的重要因素，但随着先进生产技术和设备的普遍采用，企业间的产品质量日趋接近，新产品的投放速度和交货期已成为决定竞争胜负的最关键因素。技术集成 功能集成：当今随着技术的发展，电子技术、计算机技术已渗透到各个领域，市场上任何一种产品都是一系列不同技术（功能）的集合体。系统集成：现代的各种技术系统都是多种技术设备的综合体，用户希望一个企业不仅是提供一种主产品，而能提供相关的成套设备和系统集成服务。面临挑战的对策 应对上述种种挑战的唯一途径就是模块化。由模块组成的柔性的产品或系统，能够适应多样化的需求和组织专业化生产，可快速组合成新产品，通过通用接口实现技术集成。下述的大规模定制以及现代模块化和模块化时代的理论，都是应对上述挑战的对策和产物,当今企业技术环境面临的挑战（二）,当今企业技术环境面临的挑战（三）现代设计技术,企业竞争要素 设计技术质量 可靠性设计速度 CAD成本 可制造性设计市场：个性化需求 模块化设计 维修性（售后服务）维修性设计 使用性 人机工程设计 艺术性 工业（造型）设计,信息社会标准化会消亡？美国未来学家托夫勒在他的著名的第三次浪潮一书中声称要向标准化“发起进攻”并预言：信息社会是一个“打破标准化后”的多样化社会，今后的一切将“越来越不一致和没有标准了”。标准化对未来的信息社会不再适用，信息社会一旦到来，标准化便不复存在了，它将同工业化社会一同消亡。托夫勒把多样化作为新产业革命的特征非常正确。传统标准化面临多样化挑战 标准化的基本原则：约束多样化，治乱。多样化(源于个性化需求和市场竞争)导致小批量、多品种生产。标准化向何处去？模块化是一条“唯一”、“必由”之路。多样化中含有规范化的因素，任何事物有它典型的构成模式，哪怕是“量体裁衣”，上衣和裤子是截然不同的。集标准化多种要素于一体的“模块化”，能适应多品种、小批量生产的需要，它为多样化时代的标准化工作开辟了一条新路。,多样化的挑战（一）,“传统标准化”的历史性贡献推动了20世纪的经济发展。大规模生产20世纪企业竞争前沿 是制造业的一次革命。（相对于原作坊式的生产）造就了一大批“工业发达国家”。大规模生产创建了“标准化”学科 标准化是大规模生产的需要和产物。标准化是大规模生产的基础。没有标准化，不可能进行大规模生产。现代标准化以模块化为纲 我国的“现代标准化”理论的诞生和价值：为适应多样化需求，在90年代初，以李春田教授为代表的我国标准化工作者提出了以模块化为核心的“现代标准化”理论。指出标准化不会消亡，提出模块化可实现多样化与效益的有机统一，为信息时代的“多品种、小批量”生产模式指明了方向和途径（是必由之路）。“现代标准化”是我国对标准化理论的创新，是标准化的革命。,多样化的挑战（二）,现代标准化的构成：现代标准化传统标准化模块化标准战争 传统标准化：运用其一整套理论和方法，获得模块批生产的低成本和质量。模块化：以产品（系统）的柔性构成模式，满足用户的个性化需求，以新产品上市速度快取得市场竞争优势。标准的竞争：知识产权是市场竞争的重要因素，应运用标准化手段，迅速把技术创新成果予以提升，使之转化为专利；并尽可能将其规范化，成为一种大家都需遵守的“设计规则”标准。取得市场竞争的主导权。模块化为标准化提供了新的转机：可实现多样化，而无损于规模经济。加快产品和技术更新，而又能保证质量和效益。有助于产业结构优化和专业化。推动经济发展。发展了标准化理论，赋予标准化以新的柔性和活力。,多样化的挑战（三）,我国的模块化动态和实践：2007年，李春田教授发表了他的的新作现代标准化前沿“模块化”研究报告，他为我们失去的10年而痛心疾首。他说“我老了，寄希望于年轻一代。努力吧，这里是你们可以为祖国而发扬火力的战场。”李春田教授在他耄耋之年再一次举起了“模块化”的大旗，令人鼓舞，令人唏嘘。衷心地希望他的呼吁能得到广泛的响应。在日本学者青木的2003年中文版序言中称：“多数中国人对 模块化一词可能感到比较陌生”。这是10年沉寂的结果。事实是（仅是局部）：1991年，中国标协把模块化研究列为学术工作的重点任务，先后召开两次全国性模块化研讨会，。作为研究的成果之一，出版了模块化原理、设计方法及应用（2000）。解放军总装备部要求武器装备全面实施模块化。例如，1993年启动雷达模块化研制工作，2000年召开“雷达模块化研讨会”总结。19891991年，机械电子工业部公布模块化设计研究项目86项。90年代初，技术监督局与船舶总公司立“模块化造船研究”课题。80年代初，国电自动化研究院成立模块化小组，推行模块化设计，顺利实现科研成果的模块化、商品化和研究所向企业的转制。,多样化的挑战（四）,知识经济时代，(技术)知识与标准化的关系：贸易壁垒(贸易规则)知识产权 技术标准 知识霸权 标准战争(产品标准)知识经济（Knowledge Economy）知识经济就是以现代科学技术为核心的，建立在知识和信息的生产、存储、使用和消费之上的经济。知识经济概念所描述的是一种继农业经济和工业经济以后的又一种新的社会经济形态。经济发展的主要推动力将是信息和知识。知识经济理论形成于20世纪80年代初期。经济合作与发展组织(OECD)在1996年首次提出“以知识为基础的经济”。预计，人类将在21世纪的下半叶全面进入知识经济时代。知识经济必须以人的智力创造为核心，重视终身教育培训、重视建立创新机制。知识产权经济：知识产权是财富的主要来源，知识产权成为科技进步的主要产出，并对经济增长和社会进步的贡献率越来越大。知识产权权利资本的形式已成为决定生产力发展的主导要素。知识,知识经济与“设计规则”的竞争,融入,形成,导致,大规模定制与模块化（一）,大规模定制（MC）21世纪企业竞争前沿 大规模定制（Mass Customization）（美国，1996年提出）目标：大规模定制是以大规模生产的速度和成本，满足用户的多样化、个性化需求。特点：在产品多样化和定制化的同时，不相应地增加成本。其基本原理如图所示：目标：速度快、成本低 满足多样化、个性化需求 制造手段：大规模生产 定制 大规模定制 产品组成：通用模块 柔性组装 个性化产品 制造业的又一次革命以模块化为技术手段 产生以模块化为核心的现代标准化标准化的一次革命。以适应大规模定制的需要。,大规模定制与模块化（二）,企业生存发展的三大支柱（竞争力要素）分析,目标（世界先进水平，取得竞争优势）,新的功能、性能,速度、成本、质量,技术创新,管理创新,研发模式创新,大规模定制（模块化）,技术创新：非一日之功，有重点地研发、突破。,管理创新：对先进的管理方法，正在消化、吸收，由必然到 自由尚有时日。,研发模式创新：世界上尚在发展完善之中，我们站在相近的 起跑线上，主动权都在自己手中，在这个前沿突破，可取得 速度、成本、质量上的优势。,企业赶超国际水平的模式：以产品的研发生产模式（模块化）为突破口。模块化是企业的内功，主动权完全在自己手中。模块化成为各大公司的追逐目标 IBM的产品策略是，提供一系列非常通用的“模块”，市场部用这些“模块”配置用户的个性化产品。西门子的气轮机研发，面对200种产品统一设计，零件数为3万个；而原来5万个零件仅20 种产品。通用电气公司(GE)重新设计其断路开关箱，用1275个共享构件代替28000个独立零件，形成40000种不同的配置。丰田公司把各个品牌汽车放到一个项目组设计，形成统一的模块化结构。欧洲汽车公司正在联合起来，进行模块化和统一工作(从统一底盘着手)。并提出了一个包括28个模块的生产概念。,技术创新,研发模式创新(模块化),管理创新,国际先进水平,大规模定制与模块化（三）,适应MC的设计技术 要求：建立合理的产品族结构，同时完成一组产品（而不是一个）的设计，通过扩大产品族中模块、标准件的比例来提高定制的速度，并降低成本。设计的瓶颈：面向产品族，面向多用户的个性化需求。需在产品设计早期进行整体概念设计，建立模块化的、由生命力的产品体系模型。需电路、结构同时协调进行；模块划分与零部件结构协调现代标准化理论与大规模定制理论殊途同归 我国对“多品种、小批量”生产模式的研究，形成了系统的以模块化为核心的现代标准化理论（1999）主要从标准化和产品研发技术切入 美国在总结跨国公司经验后，提出以模块化为基础的大规模定制理论（1993）主要从管理切入,大规模定制与模块化（四）,模块化和大规模定制的重要性“大规模定制模式下的敏捷产品开发”是“21世纪企业竞争前沿”。“到目前为止，这是世界领先的制造商们保守得最好的一个秘密。”“大规模定制是企业参与竞争的新方法，是关于企业如何获得成功的一种新的思维模式。”“为了进入大规模定制的模式，要求将产品模块化”，将企业“转向模块化的企业。”安德森（美）认为：“如何更快、更好地完成从现有企业生产方式向大规模定制的转变，已经成了振兴中国制造业的必由之路，也是关系到中国制造业能否在21世纪的全球性竞争环境中占有一席之地的关键。”(21世纪企业竞争前沿中译本序)“我们尚未达到定制的水平，企业在下一个十年中还会面对同样的窘境。”l“没有标准化，任何企业都不能实现有效的定制。再次重申，模块化是大规模定制的产品开发中的关键”。,大规模定制与模块化（五）,解放军总装备部的经验是：“要搞好模块化，必须从高层决策、早期决策开始抓起，做好顶层设计和预先规划，避免分散和各自为政。”“从战略高度充分认识和理解模块化的重要意义。”“是对传统的发展思路、设计思想、管理模式的一种冲击，更是一种改革。”模块化是“高水平继承的前提下，有重点地进行创新”。“是国外武器装备发展的总趋势”美国强调国防科学和技术战略集中的问题之一是“武器平台设计与建造的模块化”。,大规模定制与模块化（六）,现代模块化与模块化时代(一),模块化的回顾与发展四个阶段 原始模块化：模块化思维是人的天性，虽然没有模块化理论指导，但许多事物呈现出模块化特征。是模块化意识的成功应用。人类三次信息革命的实质：1）语言革命：语言是人有别于动物的关键环节，汉语语音（包括四声）共有415个，经组合能表达极其复杂的内容。2）文字革命：每一个汉字都具有特殊的形态和特定意义，文字组合可形成表达不同思想的文件。汉字是公用的通用单元。3）印刷革命：活字印刷术加速了信息的传播，极大地推进了人类社会的进步。用字模排版印刷，拆版后通用的活字可复用。中医中药的模块化实质：具有特定性味（功能）的中药（通用模块）由医师（设计师）据病情（需求）组配成药方（产品）。上述所采取的方法是相同的，就是将具有独立功能的个体，按不同需要进行新的组合。其基本构成模式都是：产品模块接口。,经典模块化系统分解和组合理论指导下的模块化设计设计革命：20世纪初，建筑业出现可以自由组合的建筑单元；1920年，德国等设计出模块化的铣床和车床；随后，机床设计普遍采用了模块化模式。1923年为解决成套电子设备结构的通用互换问题，美国制定了机箱面板和机架尺寸系列标准，后升级为IEC标准，沿用至今。50年代，欧美提出模块化设计概念，扩展应用到军用装备、舰船等设计。例如，1956年美国推出的机载模块化电子设备的ATR系列，后为世界各国所采用，并扩展应用与坦克等系统。现代模块化 1964年IBM360模块型电脑系统的诞生，是一个有里程碑意义的事件。它导致硅谷计算机产业群的兴起。使模块化设计理论得以升华和普及。现代模块化传统模块化设计规则。,现代模块化与模块化时代(二),模块化时代模块化理论的深化和在更高层次上和更广泛范围内的运用。由经济学家推动。处理复杂系统问题的有效方法 由模块化设计延伸到模块化企业。模块化原则和方法引入经济学、管理学领域。产业结构的配置、调整：模块化培育“模块簇群”，推动产业升级，改变现存产业、企业的结构，具有十分强大的冲击力。模块化企业企业竞争的利器：是对企业内部组织进行再设计。由企业家（企业管理者）推动。按模块化原则组织设计团队：总体设计；模块设计；产品设计。按模块化原则构建企业技术平台。按模块化原则改造生产体系（生产线设置，模块“外包”）。面向模块化的组织改造（内部组织及流程的再设计）。,现代模块化与模块化时代(三),模块化新高潮的兴起 19921997“大规模定制”理论问世。把模块化提到新的高度，指出没有模块化就没有大规模定制，模块化成为世界各大公司所追逐的目标。模块化企业是进入大规模定制模式的途径。1997年哈佛商学院发表“模块时代的经营”，提出：模块化进入了大发展时期。模块化是解决复杂问题的有效办法。需对企业内部组织进行再设计。2000年出版了设计规则：模块化的力量。全面分析1964年IBM的电脑设计的模块化战略和价值。分析“硅谷”电脑产业簇群的兴起。归纳出模块化设计的基本方法：“设计规则”。,现代模块化与模块化时代(四),2002年日本青木发表模块时代：新产业结构的本质。经济学和管理学流行的一个关键概念：模块化。模块化组织：设一个研究所专门研究组织结构的模块化。模块化有可能彻底改变现存产业、企业的结构。李春田：发表“现代标准化前沿模块化研究报告”（中国标准化2007，共10章）综合国际上近年来的模块化动态，全面阐述了现代标准化和现代模块化的概念、原理和方法 为失去的10年痛心疾首：我国1991年开第一次模块化研讨会；日本的第一次是2001年，但已远走在前。明确指出：模块化是现代标准化的前沿技术。号召：努力吧！这里是你可以为祖国而发扬火力的战场。2000年，在李春田支持下，我国出版了模块化原理、设计方法及应用。除全面介绍模块化设计外，还论述了模块化思维应用的普遍意义。,现代模块化与模块化时代(五),电子电工产品结构设计内容（一）,整机结构设计内容：本讲稿采用DFX的表达方式。范围：包括电子设备中除功能印制板组件外的全部实体结构。面向X的设计（DFX，Design for X）:近年来，国际上出现了所谓“面向X的设计”，如面向制造/装配/维修/测试/质量/成本/竞争等的设计技术。最常用“面向制造和装配的设计”（DFMA，Design for Manufacture and Assembly）。面向整机结构的设计包括：面向系统总体的设计。面向主体结构的设计：1）机械结构设计。2）各类物理结构设计：天线结构；射频结构；光学结构等。2）配电和电缆设计（包括装连设计）。3）包装设计。面向模块化的设计：1）经典模块化方法 2）现代模块化方法 3）模块化技术过程控制,面向环境防护的设计：1）应用环境条件防护 2）热设计 3）电磁兼容性（EMC）设计 面向制造和装配的设计（DFMA）面向可靠性和安全的设计：1）人机系统的可靠性。2）容错设计 3）维修性设计 4）人机系统安全性设计 面向使用的设计：1）人机工程设计（以人为中心的设计）2）工业（造型）设计 3）工程安装设计 面向可持续发展的设计策略：1）模块化为核心的技术平台 2）模块设计的创新,电子电工产品结构设计内容（二）,