模塊化/KSK汽車線束設(shè)計(jì)

1 模塊化的必要性

早在2011年的德國(guó)漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，由博世公司（Bosch）及利奧波第那科學(xué)院 （Leo-poldina）組成的研究小組就已提出了工業(yè)4.0的概念，其定義為連接數(shù)字互聯(lián)網(wǎng)世界與生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)中的傳統(tǒng)過(guò)程與服務(wù)。

工業(yè)4.0旨在整合當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，優(yōu)化傳統(tǒng)工業(yè)中的生產(chǎn)流程，打造智能工廠，而其最終的目的就是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制，快速響應(yīng)客戶需求，滿足不同客戶的不同個(gè)性化需求， 同時(shí)兼顧低成本、高效率的大規(guī)模生產(chǎn)。

作為高度自動(dòng)化的汽車行業(yè)必將成為工業(yè)4.0的先驅(qū)。而如何滿足日益增長(zhǎng)的客戶定制化需求， 成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0進(jìn)程中的一個(gè)重要課題。當(dāng)汽車高度定制化之后，汽車內(nèi)大部分的配置都可以根據(jù)客戶的需要進(jìn)行選擇。若將這些可能性進(jìn)行排列組合，出現(xiàn)的將會(huì)是成千上萬(wàn)種不同結(jié)果。而線束作為汽車中單獨(dú)的個(gè)體零件，連接了汽車中的所有用電器， 需要滿足不同的功能配置，具有相當(dāng)高的復(fù)雜性。這時(shí)我們必須化繁為簡(jiǎn)，此時(shí)模塊化生產(chǎn)的概念應(yīng)運(yùn)而生。其基本理念為：設(shè)計(jì)時(shí)，將汽車中所有可供客戶選擇的功能劃分成不同的模塊，然后在實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)拉動(dòng)模塊的組合方式來(lái)生產(chǎn)線束，最后與整車定制化生產(chǎn)進(jìn)行匹配。組成汽車線束的每一個(gè)零件，都應(yīng)該有其模塊屬性。模塊化生產(chǎn)的應(yīng)用，能夠讓線束生產(chǎn)更多樣化，實(shí)現(xiàn)一車一線，車車不同，滿足客戶的個(gè)性化需求。

2 如何實(shí)現(xiàn)模塊化

2.1 模塊劃分

在線束設(shè)計(jì)之初，模塊就必須被明確定義，然后再將每一個(gè)零件劃分至不同模塊之中。每個(gè)模塊都必須包含插接件、導(dǎo)線、端子、防水塞、緊固件、熔斷絲、繼電器等線束的組成零件。定義模塊時(shí)，首先要將所有的用電器功能劃分成2種：基礎(chǔ)模塊及功能模塊，如圖1所示。

2.1.1 基礎(chǔ)模塊

基礎(chǔ)模塊定義為Module_Basic，具有唯一性，該模塊內(nèi)所有零件都用于適合所有車型配置的必裝功能，且這些功能不含多種配置。因此線束圖紙中應(yīng)該只存在一個(gè)基礎(chǔ)模塊，并且所有車型都共用同一基礎(chǔ)模塊。基礎(chǔ)模塊一般包含BCM、內(nèi)艙熔斷絲盒及診斷等通用的功能。

2.1.2 功能模塊

功能模塊包含具有多種選擇或者未來(lái)可能發(fā)生多種選擇的功能。隨著當(dāng)下汽車用電器數(shù)量的飛速增長(zhǎng)，繼而會(huì)衍生出龐大的功能模塊群。為了更容易管理這些模塊，可將功能模塊分為3個(gè)等級(jí)：模塊組、功能模塊、分支模塊。

1） 模塊組按功能大類分為模塊組Module_A、Module_B、Module_C等，如ABS模塊、前照燈模塊、收音機(jī)模塊。

2） 功能模塊根據(jù)具體功能差異，細(xì)分模塊Module_AA、Module_AB、Module_AC等，如在前照燈模塊下，可分成鹵素前照燈模塊、氙氣前照燈模塊及LED前照燈模塊。

3） 分支模塊同一功能由于匹配不同鈑金，造成分支長(zhǎng)度不同， 需另外衍生模塊 Module_AAA、Module_AAB等，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可以根據(jù)鈑金需要，選擇不同長(zhǎng)度的分支。

2.2 導(dǎo)線模塊定義

導(dǎo)線作為線束中的重要部件，在模塊化過(guò)程中，需要有明確的模塊定義。但回路總是連接著兩端的設(shè)備，具有其特殊性。某一根回路將被置于設(shè)備端A的模塊還是設(shè)備端B的模塊之中， 則是需要考量的地方。

通常會(huì)遵循以下原則給導(dǎo)線定義模塊：

1） 基礎(chǔ)模塊內(nèi)的2個(gè)用電器連接，該回路屬于基礎(chǔ)模塊。

2） 基礎(chǔ)模塊用電器與功能模塊用電器直接連接，該導(dǎo)線屬于功能模塊。

3） 2個(gè)不同功能模塊的用電器相連，則需判斷其從屬關(guān)系，再將回路分類。

4） 基礎(chǔ)模塊用電器與功能模塊用電器之間存在焊接點(diǎn)，可將焊接點(diǎn)看作一個(gè)用電器，判斷其模塊屬性。然后根據(jù)前3條判斷所連回路的模塊屬性。

5） 若某一回路只有一端連接用電器，另一端搭鐵，則該回路根據(jù)其用電器進(jìn)行模塊定義。圖2以部分回路為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明了不同類型回路的模塊劃分方式。

2.3 復(fù)雜性的降低

前面介紹了如何劃分基礎(chǔ)模塊及功能模塊，但如果將汽車中每一個(gè)可選或潛在可選的用電器單獨(dú)作為一個(gè)功能模塊，將會(huì)衍生出高度復(fù)雜的模塊群，對(duì)于目前的技術(shù)來(lái)說(shuō)， 顯然是不合適的， 因?yàn)檫@樣會(huì)大幅增加管理成本。例如，將4個(gè)搖窗機(jī)分別劃入4個(gè)不同功能模塊，就是模塊定義上的一種浪費(fèi)。因此，需要在保證模塊靈活性的前提下，合并模塊，優(yōu)化模塊管理，降低管理成本。

1） 類型相同??具有相同類型的用電器，并確保會(huì)同時(shí)裝配。例如前后排4個(gè)座椅都有加熱功能， 理論上可以有4個(gè)模塊，但事實(shí)上，并不會(huì)單獨(dú)選某一個(gè)座椅加熱，而是前排加熱或前后排加熱的模式。因此， 可以將前排座椅加熱合并為一個(gè)模塊，后排亦是如此。

2） 功能共存? 不同類型的用電器，但相互連接，服務(wù)于同一功能。例如車載電話中包含了麥克風(fēng)、按鍵、收音機(jī)、天線。如果單獨(dú)劃分模塊，就會(huì)成立4個(gè)模塊。在實(shí)際應(yīng)用中，這4個(gè)用電器同時(shí)服務(wù)于車載電話這一功能，只需將其劃分至車載電話這一個(gè)模塊即可。

3） 配置選型??目前用戶購(gòu)車還是以選型為主，根據(jù)選擇的舒適型或旗艦型，或選裝包來(lái)配置車輛。例如高配車型配有后視鏡電動(dòng)折疊及感應(yīng)刮水，這2個(gè)功能雖然類型功能都不同， 但可以保證會(huì)被同時(shí)選中，那么2個(gè)用電器也可合并在同一模塊之中。這樣可以降低目前的模塊管理成本，在必要時(shí)再將其拆開。

4） 冗余布線? 將一些分支包含在某些特定的配置中，無(wú)論客戶有沒(méi)有訂購(gòu)。例如無(wú)論客戶是否選擇前霧燈，都將這個(gè)分支包含在線束零件內(nèi)。這種方法只有在減少的管理成本大于實(shí)際物料增加成本的情況下才適用。

3 不同軟件實(shí)現(xiàn)模塊化的解決方案

為了實(shí)現(xiàn)線束中的模塊化設(shè)計(jì)，明導(dǎo)公司（Mentor Graphics） 開發(fā)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件 （ESD）簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)階段對(duì)模塊代碼的定義，加快了工程階段對(duì)功能模塊的材料分配和制造階段對(duì)生產(chǎn)模塊的材料分配。在設(shè)計(jì)之初就定義每根導(dǎo)線支持的功能和各功能之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)時(shí)先合成導(dǎo)線，然后自動(dòng)為導(dǎo)線分配模塊，將具有相同表達(dá)式的導(dǎo)線歸為同一模塊，對(duì)于沒(méi)有表達(dá)式的導(dǎo)線，則說(shuō)明該導(dǎo)線對(duì)于所有車型全選，將這類導(dǎo)線賦予核心模塊代碼。在整個(gè)過(guò)程中，軟件可以自動(dòng)完成與模塊化相關(guān)的工作，提供可靠的配置。

針對(duì)具有高度復(fù)雜性的線束設(shè)計(jì)， Aucotec公司推出了Engineering Base軟件（簡(jiǎn)稱EB）。EB通過(guò)中央數(shù)據(jù)模塊的方式覆蓋了從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的整個(gè)流程。該軟件采用150%的模塊化設(shè)計(jì)方法，支持插接件變量設(shè)計(jì)，導(dǎo)線模塊化與變量設(shè)計(jì)，通過(guò)變量與模塊結(jié)合的方式，控制實(shí)際車型的生產(chǎn)配置。此外，EB還可以面向生產(chǎn)，分別配置出每一根單獨(dú)線束的實(shí)際信息，并且自動(dòng)分析將模塊重新分配，并導(dǎo)出制造專用模塊，節(jié)省了生產(chǎn)工藝的大量工作，提高生產(chǎn)效率。

為了滿足KSK的設(shè)計(jì)需求，圖研（Zuken）公司也開發(fā)了E3.Harness Analyzer軟件。這款軟件可以結(jié)合KBL（線束信息列表）及SVG（可縮放矢量圖）數(shù)據(jù)導(dǎo)入HCV數(shù)據(jù)庫(kù)，支持帶有模塊信息的線束圖紙，可根據(jù)STEP AP212 KBL數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)顯示模塊及模塊組的相關(guān)信息。在軟件 中， 用戶可以對(duì)模塊進(jìn)行選型配置，并存于HCV數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4 汽車零件模塊化

如今KSK的線束生產(chǎn)模式已經(jīng)在主機(jī)廠及供應(yīng)商中逐漸普及，但其初級(jí)階段主要還是針對(duì)導(dǎo)線及其相關(guān)附件的客制化。未來(lái)我們可以將這種理念不斷擴(kuò)展，推廣至汽車中的每一個(gè)可供客戶選擇的零件中去。

目前， 較有可能實(shí)現(xiàn)的下一階段為熔斷絲盒的模塊化。可將熔斷絲盒中的熔斷絲及底座拆分為小型的熔斷絲組，并按功能分為基礎(chǔ)及功能模塊。這些熔斷絲組均配有小型熔斷絲盒，而且熔斷絲盒可以互相拼接及拆卸。在實(shí)際生產(chǎn)中按車型配置選擇模塊，再將不同模塊進(jìn)行拼接組裝。這些熔斷絲盒的模塊間同時(shí)存在機(jī)械及電氣連接，可以像拼版一樣根據(jù)需要疊加使用，不斷擴(kuò)展。這樣既增加了熔斷絲盒的通用及穩(wěn)定性，又可減少材料、安裝空間、質(zhì)量以及經(jīng)費(fèi)。這樣就從零件的角度上滿足了客戶訂制的需要，以后還將延伸到更多功能件。

5 結(jié)束語(yǔ)

KSK是客戶訂制化在工業(yè)生產(chǎn)中的初步體現(xiàn)，德國(guó)的一些大型主機(jī)廠現(xiàn)已開始采用模塊化生產(chǎn)， 客戶在確定發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的組合后，可對(duì)汽車的內(nèi)外飾及電子功能等進(jìn)行自由組合搭配。而中國(guó)市場(chǎng)還未普及這樣的生產(chǎn)和開發(fā)方式，目前只有大眾、奧迪、斯柯達(dá)、寶馬及奔馳采用了模塊化的生產(chǎn)方式，其中僅大眾和斯柯達(dá)的部分車型在中國(guó)完成模塊化線束開發(fā)， 其余均為來(lái)圖生產(chǎn)。中國(guó)在模塊化生產(chǎn)的方向，還存在著巨大潛力。

隨著用戶個(gè)性化需求的不斷提高， KSK的生產(chǎn)方式 將會(huì)成為主流，并且未來(lái)還將不斷發(fā)展至各個(gè)領(lǐng)域， 在大規(guī)模量產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜性生產(chǎn)。這需要企業(yè)從研發(fā)到生產(chǎn)，從物流到管理全方位做出改革，即是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。工業(yè)4.0將引領(lǐng)第4次工業(yè)革命，其最終目的就是滿足客戶需求，使工業(yè)產(chǎn)品更為個(gè)性化、人性化。希望在不久的將來(lái)，每個(gè)人都能夠享受到完全符合自己需求的定制產(chǎn)品。