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基于模块化的智能锁新产品研发流程实施

作者:admin1 日期:2022-06-18 11:51:52 点击:86

第4章 基于模块化的智能锁新产品研发流程实施

4.1 引言

第 3 章以模块化理论为基础提出了面向未来的智能锁新产品开发流程和面向订 单的智能锁新产品设计流程,通过分离创新性的开发过程和常规性的设计过程,解 决智能锁研发过程中出现的种种问题。本章在第 3 章提出的方案基础上,结合 W 公 司智能锁产品具体情况,通过智能锁研发相关案例展现基于模块化的智能锁新产品 研发流程的实施。

4.2 基于模块化的智能锁新产品开发流程实施

W 公司原先的智能锁新产品研发流程最主要的考核指标就是客户订单产品的 交付期,导致研发人员采用基于实例的方式进行产品研发,即先寻找类似需求的智 能锁,然后在该智能锁上进行修改,使其满足新需求。该方式使得大部分智能锁产 品均需要从头开始研发,导致研发过程中出现许多问题,研发人员疲于应对订单的 交付。

通过实施第 3 章中的智能锁新产品开发流程(图 3.3),可以实现以模块为基础 的智能锁产品研发方式,能够有效解决智能锁研发过程中设计缺陷反复发生、零部 件重用率低等问题。模块化开发流程主要包括模块划分、产品建模及模块更新等步 骤。

4.2.1 智能锁模块划分

1)机械模块划分

智能锁的机械部分如图 4.1 所示可以分为门外的前拉手、门内的后拉手、门体 内嵌的锁体和锁芯这四部分组成。其中前拉手组件由主框架、盖板、把手等组成, 盖板部分通常有一体盖板和上下分立盖板,把手部分则有提压把手和推拉把手,某 些智能锁还推出了无把手的结构。后拉手则由主框架、盖板、把手、反锁组件组成, 其中盖板部分又可分为电池盖板和固定盖板。前后拉手一方面用于用户控制锁体的 开合动作,另一方面用于放置智能锁电子部分的组件。

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图 4.1 智能锁解构图

锁体是智能锁的重要组成部分,一般内嵌在门体内部。锁体可以从多个角度进 行分类,如图4.2 所示从锁体外形尺寸上可分为特能锁体、8086锁体、霸王锁体等; 从是否支持关门自动上锁功能可以将锁体分为自弹锁体和非自弹锁体。

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图 4.2 基于外形尺寸的锁体分类

锁芯是控制锁体工作的组件,是门锁最重要的防盗组件,决定了门锁防技术开 启能力的等级。如图 4.3 所示外形上可将锁芯分为葫芦锁芯和圆柱锁芯;从防技术 开启等级上可分为A级、B级和超B级。由于市面上门的厚度差异较大,锁芯形成 了如图 4.4 所示的 68mm、 78mm、 108mm、 112mm 等一系列的长度,以覆盖市面上 绝大部分门体的厚度。锁体和锁芯是标准组件,直接能够形成模块,方便后续新产品研发。

image.png

综合上述讨论,可以得到表 4.1 所示的机械模块汇总表。

表 4.1 智能锁机械模块汇总

主框架模块

前主框架模块

■   ■■

后主框架模块


盖板模块

前盖板模块

后盖板模块

tZ       ■

把手模块

前手柄模块


后手柄模块


芯轴模块

芯轴模块

9

方钢模块

方钢模块


衬板模块

前衬板模块

H        亡,

后衬板模块

吃©酒

锁体模块

6068锁体模块

、:iUUU •丰, •耳 * t

霸王锁体模块


特能锁体模块

-空

锁芯模块

圆柱锁芯模块

A

占-f

葫芦锁芯模块

『jj

2)电子模块划分

智能锁电子部分功能如图 4.5 所示,一般分为前后双系统模式:处于门外的前 主控系统负责识别检测、安防监控和人机交互等工作;处于门内的后主控系统则负 责锁体驱动、网络通信和供电等工作,两者之间可以通过有线的方式实现通信。日 常使用时,用户通过验证指纹、输入密码等方式与前主控系统交互,识别通过后前 主控系统将消息发往后主控系统,由其驱动锁体电机实现开锁,并将消息上报云端 供用户查询。同时前主控系统对强拆、暴力破解等安防事件进行监控,并通过后主 控系统将告警消息及时通知到用户手机上,实现家居安全防护。电子系统由于功能 较为明确,组件之间也往往具有标准的接口。

image.png

图 4.5 智能锁系统框图

各个子系统组件的内部,则根据具体的功能进行下一步的划分。例如识别系统, 可以进一步细分为密码识别模块、指纹识别模块、IC卡识别模块等一系列识别模块, 最终可以得到如表4.2所示的智能锁电子模块。

表 4.2 智能锁电子部分模块汇总

主控模块

前主控模块


后主控模块

识别模块

指纹识别模块

!•

人脸识别模块


IC卡识别模块


按键识别模块

UX1&J

UJU0

侦测模块

红外侦测模块


微波侦测模块


通信模块

Wi-Fi通信模块


BLE通信模块


Zigbee通信模块

安防模块

防拆检测模块

IS

视频模块


显示屏模块

*

驱动模块

离合电机模块

M

减速电机模块

机械臂模块

IS

供电模块

市电模块


干电池供电模块


锂电池供电模块


 

4.2.2 智能锁产品建模

1)智能锁模块尺寸与接口

(1)模块尺寸结构

模块的尺寸结构建模是模块建模时必须进行的工作。以指纹模块为例,由于指 纹识别是智能锁产品中最常见的活体识别方式,大部分智能锁都配备指纹识别模块, 因此产品研发时基本上都要考虑指纹模块的尺寸。图4.6 展示了某款指纹识别模块 的外观与尺寸,通过该图即可得知该款指纹模块在产品设计过程中需要注意的尺寸 信息。 

image.png

图 4.6 某款指纹识别模块外观与尺寸

智能锁的某些模块不只有一个尺寸,而是具有一系列的尺寸可供选择,例如智 能锁的锁芯模块,根据门的厚度不同,有 6 个不同的长度可供选择,因此锁芯模块 还包含如表 4.3 所示的模块事物特性表供新产品研发时使用。

2)模块物理接口

模块与模块之间的有多种连接方式,其中机械模块之间以及机械模块和电子模 块之间常采用卡扣连接和紧固件连接,而电子模块之间采用杜邦线、软排线等数据 线连接。以指纹模块为例,如图 4.7 所示一般安装与把手位置,指纹识别成功后即 可下压把手即可开门,因此把手转轴处预留了放置指纹模块的凹槽,通过紧固件固 定在把手上。

4.7 置于把手转轴处的指纹识别模块

对于电子模块而言,除了需要考虑模块之间的结构连接方式外,电气连接也是 非常重要的因素,如图 4.8 所示指纹识别模块通过数据线与前主控模块连接。电子 模块之间具有多种电气连接方式,图 4.9 展示了某款指纹模块使用的通用异步收发 传输器接口。

4.8 指纹模块与主控模块连接

图4.9 某款指纹识别模组电气接口视图

3)模块软件接口

某些模块具有复杂的功能,需要一整套通信协议支持各个功能的执行。以指纹 模块为例,包含了指纹获取、指纹识别、指纹校验等功能,因此指纹模块和主控模块需要如图4.10 所示的指纹模组通信协议约定不同功能的使用。

2)智能锁产品主结构

智能锁产品主结构如图 4.11 所示包含不同类型的模块:标准模块是构成智能锁必选的、无需修改的模块,例如图中的锁芯模块Ml和锁体模块M2),公司研发的任何一款智能锁均需要配备这些模块,且这些模块功能与尺寸均固定不可修改, 研发过程中可直接使用;变型模块则意味着需要根据产品需求进行一定的修改,例如图中的前盖板模块(V9),需要根据客户的外观需求进行相应的调整;可选模块一般对应某项可选择的功能,如果客户需要该功能,只需在产品研发时添加该模块即可,例如客户需要具备指纹识别开锁的功能,只需要添加指纹识别模块(m5),就可 具备该功能。

除了模块以外,智能锁主结构还包含选择规则限定模块的选择,例如表 4.4 所 示电源模块的选择规则(R8):如果是前装市场且预留了市电接口,则选择市电模块, 即模块选择表中 R8-3 和 R8-4 两种情况;如果是未预留市电接口但包含了主动安全 功能,则选择锂电池模块,即模块选择表中R8-2;其他情况下则选择干电池模块, 即模块选择表中R8-1。通过模块选择规则匹配客户需求,即可以确定智能锁的模块 配置。

表 4.4 电源模块选择规则表

模块选择表

R8-1

R8-2

R8-3

R8-4

市电接口预留

=no

=no

=yes

=yes

主动安防功能

=no

=yes

=no

=yes

R8             电源模块

m13

m14

m15

m15

 

3)产品平台与产品线

( 1 )智能锁产品平台构建

产品平台是由一组相似产品的通用模块及其接口构成的通用平台,基于这一平 台可持续衍生出多种产品,形成符合细分市场需求的产品线。通过上述模块划分与 建模工作,可以获得智能锁相关模块使用的各方面资料,同时智能锁主结构描述了 模块组合的逻辑关系。再结合智能锁产品研发所遵循的设计规范、设计标准等内容, 构成如图 4.12 所示的智能锁产品平台。

产品平台中主要的内容是组成产品的模块,通过选取合适的模块即可组成符合 用户需求的智能锁新产品。其中机械模块主要包含尺寸结构设计文件、装配说明等 资料,电子模块则除了包含尺寸结构等资料外,还包含了硬件原理图、制板文件、 电气接口和软件接口等资料。图 4.l3 展示了某款指纹识别模块在智能锁产品平台的 总览视图,方便研发人员快速确定适用产品需求的模块。

图 4.l3 某款指纹识别模块信息总览视图

智能锁产品平台还包含了支持智能锁研发的基础内容,如图 4.l4 所示的GA374-20l9 电子防盗锁》标准是最新颁布的智能锁行业标准,以及如图 4.l5 所 示的《智能锁硬件设计规范》等公司积累的知识与经验。

(2)智能锁产品线梳理

如图 4.16 所示基于智能锁产品平台可以衍生出满足各细分市场需求的产品线, 从而满足不同细分市场下的用户需求。不同群体的用户往往会重点关注产品的不同 特性:例如精装修的商品房往往由开发商集中采购智能锁,他们对产品的价格非常 敏感,同时关注产品的稳定性,但对某些高级功能的需求并不高,因此可以选用如 图 4.17 所示的基础款智能锁产品线的产品;而个人购买者更希望拥有丰富的功能, 例如包含可视功能以取代常规的电子猫眼,因此该类客户更倾向图 4.18 所示的可视 锁产品线的产品。

图 4.16 基于产品平台的各产品线

图 4.17 基础款产品线

图 4.l8 可视款产品线

产品线的梳理总结了公司针对不同细分市场所推出的各款智能锁产品的数据, 既可以方便营销人员为客户展示公司现有产品以供参考,也方便车间实现产品的量 产。另外公司管理人员可以通过分析产品线分布情况,结合市场变化规划新的产品 线,完善细分市场的产品覆盖情况。

4.2.3 智能锁模块更新

随着智能锁市场规模的扩大,越来越多的门锁厂商进军这一领域,竞争也变得 更加激烈。仅仅是满足当下客户的需求,并不能保证公司的产品在未来依然能够赢 得竞争。一方面客户的需求在不断的变化,对产品的各方面要求变得越来越高,另 一方面技术的进步使得厂商能够以更低的成本研发更高性能的智能锁产品。因此, 如何确定智能锁的下一步发展方向,是各个厂商需要解决的问题。

采用模块化的产品研发模式后,可以通过模块的更新实现智能锁产品的创新, 具体而言可以从现有模块升级、新模块开发和产品主结构创新这三个方面进行。

1)现有模块升级

现有模块升级是在模块在保持接口不变的情况下,通过降低模块成本和提升模 块性能等方面实现平台现有模块的升级。

(1)利用国产芯片替代进口芯片降低模块成本 随着生产技术的提高,特别是零部件国产化的进展,产品模块的成本得到了显 著降低。最明显的例子就是智能锁上各个模块所用的芯片,通过国产芯片替代进口 芯片,在保持功能与性能不变的情况下,大幅降低成本。

原先智能锁大量采用意法半导体等国外厂商的芯片,一方面是由于进口芯片性能较高,另一方面国外厂商的技术支持比较好,因此企业基本上会选择进口芯片。然而由于中美贸易战、新冠疫情等的影响,进口芯片的价格上涨了许多倍,甚至有价无市。事实上近些年国产芯片各方面都不逊于进口芯片,甚至有些性能比进口芯 片还要优秀。因此为了应对这一情况, W 公司迅速开始了国产芯片替代计划,凡是 应用了进口芯片的模块,在不改变接口和安装尺寸的要求下,使用国产芯片进行替 换。通过这一计划,既减少了进口芯片供货不稳定的负面影响,同时也降低了产品 的成本。表 4.5 展示了智能锁国产化芯片替代的一些成果。

表 4.5 国产芯片替换进口芯片案例

模块类型

进口芯片

国产替代

主控模块

STM32F030CCT6 (ST,欧洲)

HC32L196KCTA (华大半导体)

触控模块

TSM16C(ADS,韩国)

CSK14S (上海海栎创微电子)

指纹模块

FPC1011 (FPC,瑞典)

AS801 (杭州晟元数据)

驱动模块

DRV8800(TI,美国)

YX7015AM (深圳宇鑫微电子)

 

( 2)应用新技术提升模块性能

随着大数据技术与人工智能的迅速发展,以及硬件的运算能力逐步提升,智能 锁也可以使用更加先进生物识别技术。尤其是人脸识别技术发展非常迅速,在大幅 度提高识别速度的同时,安全防伪能力也大大加强了。

早期的人脸识别技术采用单目摄像头的方式,可以轻易地被照片攻破,后来采 用双目摄像头识别后,可以有效地抵御照片、视频等攻击方式,而最近推出的 3D 结 构光识别方式,不仅提升了识别精度、识别速度等性能,更能抵御硅胶头套等高级 别的攻击方式,使得智能锁的安全性有了极大的提升。表 4.6 比较了不同人脸识别 技术的差异。

表 4.6 不同人脸识别技术的对比

识别技术

单目识别

双目识别

3D结构光

识别速度

1~2秒

1秒以内

1秒以内

防伪能力

容易被攻破

可抵御照片

可抵御照片、硅胶头套

成本

100元以下

200元左右

400元以上

 

基于成本与安全性的衡量,目前智能锁基本上采用双目人脸识别技术,单目识 别由于安全问题基本上已被淘汰, 3D 结构光则由于价格原因而较少配备。近几年随 着人们安全意识的提高和攻击人脸识别门槛的降低,W公司意识到为智能锁配置3D 结构光人脸识别模块,尤其是高端款的智能锁产品,更能凸显安全的特色。

人脸识别模块由外部的供应商提供,但由于各个模块厂家提供的安装尺寸和对接接口不一样,因此模块的研发需要双方协作完成。鉴于公司之前已经完成了双目人脸识别模块的对接,为了使智能锁能够同时适配两种技术的人脸识别模块,于是对结构光模块的外形尺寸进行优化,硬件电气接口和软件通信协议也都进行了整合, 最后成功适配了结构光模块。W公司的相关研发人员将整理了结构光模块的资料, 上传至智能锁产品平台,将结构光模块作为双目模块的升级版,形成了新的模块, 供后续新产品设计人员调用。

2)新模块开发

智能锁产品的模块划分基本上与功能相对应,特别是电子模块部分,模块内部 零部件联系紧密,模块之间联系相对较弱,能满足大量产品需求的配置选择。相比 之下机械部分模块化程度较低,能够复用的零部件较少。

智能锁锁芯与外壳的配合就是一个典型的问题。W公司生产如图4.19所示的两 种形状的锁芯,分别是市面上常见的葫芦锁芯和公司专利产品圆柱锁芯。由于锁芯 是要暴露在智能锁外部,供用户使用机械钥匙开锁,因此智能锁的前主框架上会相 应开孔进行适配。由于存在两种形状的锁芯,导致为了给同一款锁适配两种锁芯, 必须设计两个形状的前主框架。而前主框架一般采用压铸工艺生产,因此需要开两 套模具,增加了新产品的研发成本。

图 4.19 不同形状的锁芯需要不同的主框架结构适配

通过进一步的分析,机械工程师意识到可以将前主框架与锁芯适配的部分如图4.20 所示相分离,以形成两个模块。在主框架模块不变的基础上,通过更换不同的 锁芯支架模块,即可适配两种锁芯。而且锁芯支架模块可以作为通用模块,在大部分智能锁上均可使用,因此可以大批量生产并备货。

锁芯支架模块的引入,有效地降低了智能锁机械部分的研发工作量,通过安装 不同的锁芯支架,即可适配不同的锁芯,后续其他形状的锁芯也可以通过增加相应 的锁芯支架类型来适配。该模块降低了智能锁研发和生产的成本,将客户订单分离 点从设计阶段转移至装配阶段。因此工程师将锁芯支架作为通用模块注册至智能锁 产品平台,为设计人员调用。该方案也作为标准设计模板导入产品平台,作为后续 新产品设计的参考模板。

3)产品主结构创新

由于智能锁逐渐进入前装市场,作为精装修的一部分,可由开发商完成智能锁 的安装。同时公司推出了可接入市电的防盗门,智能锁的供电完全可采用市电,电 池仅仅作为停电时候紧急使用。这一条件使得智能锁能集成更多的功能。

例如研发人员开发了如图4.21 所示以智能家居网关为核心功能的智能锁系统架 构,在满足普通智能锁功能的同时,还可以作为其他智能家居设备网关的网关使用, 实现智能家居本地联动功能。4.21 具备网关功能的智能锁系统框图

通过更新智能锁主结构,公司研发部门确定了后续智能锁升级的方向,并以此 为基础升级现有模块和引入新模块。

4.3     基于模块化的智能锁新产品设计流程实施

W 公司在全国配置了近万家经销网点进行产品销售,每年 W 公司均会举行经 销商大会,同各地经销商讨论智能锁的销售计划。在以往的研发模式下,新产品研 发的速度往往跟不上销售的节点,错失了许多商机。

通过实施第 3 章中的智能锁新产品设计流程(图 3.11),采用智能锁产品平台上 成熟模块组合出新产品,能够有效提高新产品研发速度,加快订单产品的交付。该 流程主要包含需求分析、配置设计和变型设计等步骤。

4.3.1 智能锁需求分析

智能锁的需求分析需要采用如图 4.22 所示的层次化的方式进行。首先是智能锁 产品的外观与材质的确定,这块是客户能直观感受到的。其次是产品的基本功能, 例如开锁功能是客户几乎每天都要用到的功能。最后是产品的附加功能,这块能为 客户提供差异化的功能,例如本地音视频功能可为客户提供电子猫眼的功能。在获 得客户完整的产品需求后,还需要对需求进行进一步的整理。

图 4.22 智能锁需求分解流程

1)互斥需求消除

需求冲突的情况很多,例如图 4.23 所示由于智能锁产品尺寸受限,其内部可利 用空间不多,仅能安装一种联网模块。而当前物联网通信没有统一的标准,每个厂商尚未实现互联互通,某些厂商倾向于使用 Wi-Fi 联网实现物联网联动,另一些厂 商则可能要求采用低功耗蓝牙搭配蓝牙网关的形式实现。因此当客户希望智能锁能 同时接入这两类厂商的物联网系统时,就产生了互斥的需求,客户只能选择其中一 种功能。

image.png

图 4.23 空间受限导致联网模块选择受限 

2)需求优先级排序

尽管客户总是希望产品具备的功能越多越好,但由于技术限制等原因,必须做 出一定取舍。例如由于智能锁配备的电池容量有限,某些高耗电的功能需要一定的 限制,最典型的就是智能锁摄像头功能的使用。如果客户对电池使用时间要求更高, 同时要求提供摄像头功能,可以通过如图4.24 所示屏蔽侦测模块减少摄像头的主动 监视功能,从而减少电量消耗,满足客户的长时间使用的要求。

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4.3.2 智能锁配置设计

在获得完整的产品需求后,研发人员通过选择智能锁产品平台上的模块即可配 置出符合客户需求的智能锁。智能锁产品具体配置流程如图4.25 所示,其中机械工 程师首先根据锁芯锁体需求配置相应模块,然后对前后拉手主框架进行配置,最后 根据外观需求对盖板进行配置;软硬件工程师则根据产品功能需求配置相应的电子 模块,包括基础的供电、驱动模块和主控、识别模块,以及附加功能模块如通信模 块等。

某客户下单一款智能锁XC200PRO,机械方面要求前后都为一体面板,门内外 可下压把手开锁,电子方面只需要基础识别功能,配置Wi-Fi模块联动其他智能家频模块且同时支持本地音视频和远程音视频,因此其相应的产品 结构如图 4.26 所示: 

图 4.26 XC200PRO 智能锁结构

尽管公司之前没有研发过完全一样配置的智能锁,但所需的模块在产品平台上 均已开发完成,因此根据客户的需求选择相关的模块即可配置该款智能锁,该款智能锁的具体配置清单如表 4.7 所示:

表 4.7 XC200PRO 智能锁模块配置清单

大类

模块

物料编号

大类

模块

物料编号

机械

前主框架

120066437

电子

前主控模块

200206998

后主框架

120066438

后主控模块

200206997

前盖板

120099502

指纹识别模块

120062008

后盖板

120099512

IC卡识别模块

120052099

前把手

120066439

按键识别模块

120059848

后把手

120066439

微波侦测模块

120062958

前衬板

206000012

Wi-Fi通信模块

120099478

后衬板

206000013

防拆检测模块

200206999

方钢

120042952

视频对讲模块

120060568

芯轴

120054379

显示屏模块

120060665

6068锁体

120099499

离合电机模块

120059741

葫芦锁芯

120099501

锂电池供电模块

120056154

 

2)智能锁XC107-2产品配置设计案例

某客户下单一款智能锁XC107-2,机械方面要求前后均为一体面板,无需配置 门外把手而是采用全自动开锁功能,电子方面需要基础识别功能和人脸识别功能, 配置减速电机实现自动开锁,配置Wi-Fi模块联动其他智能家居产品。因此其相应 的产品结构如图4.27所示:

尽管公司之前没有研发过完全一样配置的智能锁,但该款锁是基于 W 公司之前 推出的 XC107 基础上修改而成,产品的大部分配置是一样的,仅有人脸识别功能的 差异。人脸款与非人脸款智能锁的区别仅仅在于前主框架模块、前盖板模块以及人 脸识别模块,因此通过重新配置前主框架和前盖板,并增加人脸识别模块,即可实

现客户需要的功能,该款智能锁的具体配置清单如表 4.8 所示:

表 4.8 XC107-2 智能锁模块配置清单

大类

模块

物料编号

大类

模块

物料编号

机械

前主框架

120099443

电子

前主控模块

200206998

后主框架

120099451

后主控模块

200206997

前盖板

120068088

指纹识别模块

120062008

后盖板

120099456

IC卡识别模块

120052099

后把手

120099452

按键识别模块

120059848

前衬板

206000012

人脸识别模块

120054395

后衬板

206000013

微波侦测模块

120062958

霸王锁体

120068631

Wi-Fi通信模块

120099478

圆柱锁芯

120034889

防拆检测模块

200206999


减速电机模块

120057865

锂电池供电模块

120056154

 

4.3.3 智能锁变型设计

尽管绝大部分客户的产品需求均可通过智能锁产品平台上的模块组合而实现, 然而仍有少部分客户的定制化需求不能直接通过模块配置满足,此时需要利用如图 4.28 所示的智能锁变型设计流程对模块进行变型。智能锁的变型主要包含机械变型 和电子变型两部分内容,通过变型设计可以有效实现客户的定制需求。

1 )机械部分变型设计

智能锁的主框架是内部镂空的铝合金或锌合金框架,用于容纳各类模块,其变 型主要为宽度、高度和厚度的尺寸变化。智能锁主框架的尺寸范围一般是:宽度变 化范围由75mm到80mm,高度变化范围由380mm到400mm,厚度变化范围由 25mm到35mm。由于各个模块的尺寸约束,主框架高度的变型受到许多限制,例如 由主框架既需要匹配锁体上把手通孔与锁芯通孔的距离,也需要匹配把手到反锁旋 钮的距离,因此锁体适配区域需要满足约束要求,其他区域如键盘区、可视区、电 池区等,也都有各种装配模块的尺寸限制,因此智能锁机械的变型一般通过如图4.29 所示的各个区域的尺寸调整来实现。


智能锁的盖板尺寸的变型设计跟随主框架尺寸的变型,而材质的变型则包含亚克力、钢化玻璃等材质,同时盖板可分为一体盖板或上下分离盖板。外观是消费电 子产品的非常重要的特征,用户对智能锁的第一印象就是智能锁的盖板样式。目前 盖板采用按订单设计的模式,使得每款产品都有独特的外观。

2)电子部分变型设计

电子模块是智能锁许多功能实现的载体,其中电子设计可分为如图 4.30 所示的 电路原理图设计和电路板设计。原理图设计是从逻辑的角度连接各个元器件,实现 元器件之间的电气连接,而电路板设计则考虑元器件的具体尺寸参数来布局布线, 实现元器件的物理连接,最终得到硬件电路板。

image.png

图 4.30 智能锁主控模块电路原理图与电路板设计图

当设计某新款智能锁时,如果智能锁功能没有变动,相应的原理图则无需改动 的,而电路板设计则需要根据具体的安装尺寸进行调整。由于智能锁机械部分的变 型设计可能会影响电路板的尺寸,因此电子也需要相应的变型设计,即需要修改电 路板设计文件,调整元器件的布局布线。

智能锁的硬件电路板功能相对比较简单,变型设计集中在尺寸的调整上,例如 前主控电路板目前有如表 4.9 所示的几个尺寸类型。通过相应的变型流程,可以形 成新尺寸的前主控板模块以满足产品需求,供新产品设计时调用。

表 4.9 前主控模块尺寸特性表


变型1

变型2

变型3

长度(mm)

60

45

55

宽度(mm)

70

80

75

3)智能锁变型设计案例

W 公司研发的智能锁,按键之间的间距都是固定值,其中横向中心距为 15mm, 纵向中心距为16mm。相比市面上其他厂商的智能锁,W公司的尺寸相对小一些, 可以使智能锁整体的外形更加纤细,外观更加时尚。

但并不是所有的客户都满意这样的方案,例如某客户向 W 公司下单定制一款智 能锁,由于该锁主要面向酒店、公寓等需要集中管理的场所,因此该款智能锁主要 采用按键密码识别解锁方式,辅助 IC 卡识别解锁方式。原先的产品主推指纹识别、 人脸识别等生物识别的解锁方式,按键间距设计过小导致客户体验并不好。而该款 锁主要使用按键密码识别,需要对按键部分进行优化,因此进入变型设计流程。

按键间距的变型不仅要通过机械变型对智能锁机械部分进行调整,同时由于按键底部还安装有触摸识别模块,因此也涉及到电子部分的变型。通过如图 4.31 所示 的变型过程,通过扩大按键间距到20mm并调整按键字体,改善了客户按键密码识别解锁的体验。

4.4 总结

本章讨论了基于模块化的智能锁新产品研发流程在W公司的具体实施情况。实 施了智能锁新产品开发流程,在对以往产品分析的基础上实现了智能锁模块划分, 以及通过对模块的建模构建了智能锁产品平台,并讨论了以模块更新实现智能锁升 级迭代的具体案例。实施了智能锁新产品设计流程,实现订单需求的规范分解与整 理,通过配置设计实现智能锁机械模块和电子模块的配置,以及通过机械变型和电 子变型满足客户的定制化需求。

第5章 实施保障与效果评价

5.1 新流程实施难点与保障措施

5.1.1     实施难点

基于模块化的智能锁新产品研发流程在 W 公司的推行并非一帆风顺,而是遇到 了各方面的阻力。一方面是由于公司上下对新事物接受程度不高,对新流程的内容 尚未完全理解,因此对新流程的效果持怀疑态度,另一方面是由于公司没有及时地 根据新流程对组织架构和员工考核标准进行相应的调整。

1)  对新流程存在一定的抵触态度

公司原先实行基于实例的新产品研发流程,接到研发任务后,工程师通过对以 往的产品实例进行修改,研发出符合需求的智能锁新产品。尽管该流程有种种问题, 但由于多年来均按此方式工作,而且已经研发了多款成功的产品,因此大部分员工 对该流程仍然比较认同。同时新事物总是难以立刻被接受,大部分人习惯于按照原 先成功的经验工作,对新方法天然具有抵触心理。

对公司高层来说,推广新流程必然要投入一定资源,而且对新流程是否能改善 原先出现的问题仍存疑虑,因此高层对新流程的推广存在犹豫的心态。同时产品研 发工程师对新流程也存在一定的抵触心态:一方面公司源源不断的新产品研发项目 已经使大部分工程师的工作非常饱和,新流程的实施进一步延缓了已经延期的各类 项目的进度,而且会影响工程师们的绩效考核;另一方面,由于新的流程是以产品 模块为基础的,需要将产品的各个模块的资料统一管理并由研发人员共享,部分工 程师尤其是具备多年经验的工程师,既不善于整理自己多年的工作成果,又对共享 经验知识这一举措心存不安。

2)  没有合理的组织架构支持新流程

W 公司的组织架构是典型的科层制架构,公司整体层面上各个部门责权明确, 销售部负责市场需求提炼与产品销售,研发部负责新产品研发,中试部负责产品可 制造性确认,生产部负责产品大批量生产。同时研发部内部也是科层制管理,产品 的机械、电子硬件、电子固件分别由不同的小组负责,各组之间的合作并不明显, 主要由小组主管负责工作内容的划分与分配。

科层制尽管存在责权分明、汇报关系清晰等优点,但也存在不少问题。一方面部门之间沟通难,部门之间的合作需要层层汇报,各个部门由于利益冲突,往往会 有很厚的部门墙,各方合作意愿不强,尤其是出现问题时更容易出现相互推诿的现 象;另一方面公司的目标划分到各个部门各个员工后,每个人只对自己的工作要求 负责,都只是完成各自的指标,而将所有成果汇总之后,获得的并不是最初想要的 产品,因此科层制的组织架构往往会扭曲公司的目标。当下新产品的研发不仅仅是 研发部门的事情,而是需要许多部门通力合作,群策群力,因此新流程的推广,需 要对公司组织架构进行优化。

3)考核指标与新流程脱节

新流程的推行以及组织架构的调整,必然导致考核指标的变更。原先W公司基 于工作量对工程师进行考核,例如机械工程师以机械设计图纸作为工作成果进行考 核、硬件工程师以完成电路板设计图作为考核指标,这就引导工程师设计更多的零 部件以满足绩效考核要求,而这些工作成果却也导致了零部件种类过多、库存压力 大等问题,影响了公司整体的运行。

5.1.2     保障措施

针对新流程推广中的种种问题,必须制定相应的保障措施,才能充分发挥新流 程的作用。

1)成立产品研发管理委员会

公司传统的科层制组织架构是面向执行部门的架构模式,而不是面向产品的, 因此阻碍了新产品研发绩效的提高。通过对组织架构进行调整,使得所有部门以产 品研发为中心,统一大家的目标,进而提升研发绩效。

新流程能否有效推广使用,高层领导的支持态度非常重要,因此公司成立了如 图 5.1 所示的以总经理为主导,包含各部门负责人的产品研发管理委员会,从公司 战略层面把控新产品研发流程的实施。同时委员会指派相关人员对公司各层人员进 行宣贯,普及基于模块化的智能锁新产品研发流程的具体内容。

2)优化产品研发团队成员构成

新产品研发不仅仅是研发部门的工作,更是需要各部门协同研发。原先的组织 架构下,公司各个人员分属不同部门,工作上难以协调对接,因此公司采取了如图5.2     所示的组织架构,将同属于某一产品设计项目的工程师、销售人员以及生产人员 组成一个小组,由产品负责人负责该项产品的研发管理工作。通过打破各个部门之 间的部门墙,使得研发人员能够及时地沟通产品研发过程中的问题,同时产品团队 中的销售人员能够确保新产品始终符合用户的需求,而中试人员则负责保证产品的 可制造性。图 5.2 项目团队成员构成

3)优化新产品研发人员考核指标

传统上以工作量为指标的衡量方式并不能合理考核员工在新流程下的工作绩效 且由于新流程将产品研发工作分成了产品开发与产品设计两类,因此对从事不同工 作的研发人员应该有不同的考核指标。

新产品开发人员关注用户需求和产品相关技术的发展趋势,其工作的重点是产 品建模及产品平台上的模块的更新迭代,并根据细分市场的筛选识别开发出符合相 应需求的产品结构,提升智能锁产品竞争力。因此产品开发人员的考核指标需要如 图 5.3 所示从加快新模块引入、加快产品迭代更新和提高平台模块使用率等这几个 方面设计,考核产品开发人员的工作绩效。图 5.3 新产品开发人员考核指标新产品设计人员的职责,则是根据销售部门提出的新产品需求,基于产品主结 构从产品平台上选取合适的模块,将模块快速地组合成符合需求的新产品,并在必 要情况下对模块做适当的变型设计。因此新产品设计人员的考核指标需要如图 5.4 所示从加快新产品设计、提高平台模块使用率和提高新产品效益这几个角度设计,图 5.4 新产品设计人员考核指标

5.2 新流程实施效果

通过分析流程改善前后的产品研发过程,对比新产品研发项目进度、成本等数 据,可以看出新流程的实施缩短了智能锁新产品研发周期、降低了智能锁生产成本、 提高了智能锁新产品质量和可维护性以及提高了 W公司新产品创新能力,新产品研 发绩效的提升效果显著。

1)杜绝了同样设计缺陷反复发生的问题,缩短了智能锁新产品研发周期

原先订单产品采用基于实例的方式进行研发,不仅研发进度缓慢,同时由于同 样的设计缺陷反复发生,进一步延误了订单产品的交付,造成交付时间不可控。原 先订单产品从需求导入到产品小批量试产,基本上都在五个月以上。同时由于每款 产品都是重新研发的,导致测试部门必须测试所有功能,一款锁需要两周以上的时 间才能完成测试。表5.1展示了新流程实施前部分订单产品完成时间。

表 5.1 2020 年部分产品下单时间与项目持续时间

产品型号

Z150

Z219

Z216

Z117

R500

R501

Z123

Z124

Z125

Z301

下单时间

4月份

4月份

4月份

5月份

5月份

5月份

8月份

8月份

8月份

8月份

项目耗时

27周

26周

27周

25周

22周

28周

25周

23周

22周

26周

 

引入新流程之后,由于大量采用成熟的模块进行产品组合,基本杜绝了设计缺 陷反复发生的问题,订单产品设计时间大大缩短,从接单到批量基本上在三个月可以完成,且多个设计项目可以同时开展,进一步提高了研发部整体的工作效率。同 时模块组合的方式也减少了测试部门进行单元测试的工作,仅做整机测试即可,每 款锁的测试时间也压缩到了一周以内。表 5.2 展示了新流程实施后部分订单产品完 成时间,相比 2020 年大部分新产品的研发时间都在 5 个月以上,流程改进后新产品 研发时间基本都在 2 到 3 个月的时间。

表 5.2 2021 年部分产品下单时间与项目持续时间

产品型号

XC200

XC201

XC202

CL70

CL71

XD106

XD509

AD103

IV108

IV109

下单时间

4 月份

4月份

4月份

4月份

4月份

6月份

6月份

6月份

7月份

7月份

项目耗时

9周

7周

7周

11周

10周

12周

9周

11周

10周

10周

2)

提高了零部件重用率,

降低了智能锁生产成本

原先每款新产品的研发都是重新设计,不仅需要公司投入大量资源进行研发, 而且由于每款产品的零部件都不太一样,导致每个零部件重用率很低,每次生产的 数量都比较少。无论是机械部分还是电子部分,零部件的价格都会随着生产数量的 增加而降低。由于零部件每次生产的数量比较少,从而导致产品整体的成本居高不 下,而且零部件数量过多也影响库存的管理和配料的效率。

引入了新流程之后,由于新产品大量使用产品平台上的成熟模块,模块种类数 量不再大量增加,而且每个模块的用量也有了很大提高,使得模块的成本下降了许 多。例如通过优化前主控模块结构尺寸,前主控模块的种类由原先的 7 种下降到目 前的 3 种,提高了单次做板的数量,使得单片电路板成本显著下降。具体而言,前 主控板模块电路板为双层板单面贴片,板上包括电容电阻在内约 80 颗元器件,焊点 约 300 个,另外还有 5 个左右的接插件。制板厂除了按焊点收费外,还有固定的千 元左右的开机费。图 5.5 展示了单次做板数量不同时每片的价格。流程优化前每单只做几百片前主控模块,每片价格超过 10 元,而流程优化后大大减少了前主控模块的种类,每单贴片数超过 5000 片,每片价格下降到 4 元左右,成本优化效果明显。

新流程实施后,通过降低模块的成本,使智能锁产品整体成本下降显著。以工 程款智能锁为例,原先工程款智能锁整机生产成本基本在600元以上,实施新流程 后工程款智能锁的成本下降到400元左右:其中公司自己研发的电子模块由于提高 了做板数量使得做板成本显著下降,工程款智能锁整机包含10块左右的电路板,相 应的生产成本下降70元左右;机械模块原先每款锁基本上有4个零部件需要开模, 由于提高了模块通用性使得每款智能锁的开模数量下降许多,目前工程款智能锁最 多只有盖板模块需要开模,机械模块的成本因此大约下降了 50元;外购模块通过提 高采购量使得成本下降了 80 左右,例如指纹识别模块的成本从 60 元降低至 30 元 左右。通过降低各个模块的成本,智能锁整体的成本得到了有效的控制。

3)提高了智能锁新产品质量和可维护性

由于W公司没有根据产品质量情况考核产品研发人员的绩效,导致研发人员很 少在产品研发阶段充分考虑产品质量,尤其是产品的售后维护问题,另外质量问题 产生的费用也较少计入产品成本内。然而因产品质量问题导致的售后维护会产生大 量损失,侵占产品利润的很大一部分,尤其是发生大规模召回时,不仅仅是企业利 润上的损失,更是严重影响企业的形象和声誉,对后续产品的推广也会形成阻碍。 W公司曾因某款智能锁静电不达标的问题,召回过几千套该款产品,造成近百万的 损失,同时经销商一时间也不再信任公司的新产品。尽管通过替换损坏的部件就可 以修复出问题的产品,但由于产品组装复杂可维护性低,经销商难以现场维修,导 致最后只能返厂。

自从开始实施新流程后,智能锁的质量问题有了较大的改善。由于产品上使用 的模块都是反复使用的成熟模块,产品质量有了很大提高,大规模售后问题不再发 生。从图5.6可以看出,自2021年1月新流程实施后,智能锁返厂维修数量有了很 大程度的改善。原先每个月返厂维修的数量基本在600起以上,实施新流程后由于 产品设计都使用成熟稳定的模块,每月退件数降至200起左右。同时模块化的设计 方式有效加强了产品的可维护性,方便经销商现场维修出问题的产品。90%以上的 问题不需要返厂维修,通过模块的替换就可以解决,既节省了智能锁的维护成本, 又加快了响应速度,进而提高了客户满意度。另外由于限制了模块种类,仓库可以 保留较大数量的模块备件,避免了因临时生产相应模块而导致问题不能及时被解决 的情况。

图 5.6 智能锁每月退件维修数量(单位:套)

4)提高了新产品创新能力,加快了产品创新进度

产品创新是企业不断发展的动力,尽管W公司高层越来越重视产品创新,然而 在原先的产品研发流程下,研发人员忙于应对订单交付,无暇进行产品创新。尤其 是经验丰富的高级工程师,更是忙于在各个项目中“救火”,产品创新进展缓慢。在 竞争对手推出新功能产品后,W公司才开始立项研发类似产品,致使W公司的产 品总是落后于头部企业的产品。

自从实施新流程以后,研发人员有了足够的时间进行产品创新,新技术新工艺 都能较快地应用于新产品。以人脸识别模块为例,原先仅对接了一家厂商,尽管其 模块价格较高且效果不佳,由于没时间对接其他厂商的产品,一直难以替换。新流 程实施后,产品研发管理委员会提出的第一个项目即是替换该人脸识别模块。研发 人员对接了多家主流厂商并对比各个厂商的模块后,选择了两家厂商并按照产品平 台上模块的尺寸和通信协议与厂商合作,两个月内便推出了成本更低性能更好的人 脸识别模块,使得人脸识别模块的成本从500元以上下降到350元左右。其他模块 例如毫米波防夹模块、Wi-Fi常在线模块等,均在两到三个月的时间内完成对接测 试,导入产品平台供新产品设计使用。

综上所述,通过对比新流程实施前后智能锁新产品研发情况以及相关数据,可 以看出新流程的实施对W公司智能锁新产品的多个方面都有了很大的提升,同时这 也为研发流程的持续改进指明了方向。

5.3 本章小结

本章首先讨论了新研发流程实施过程中遇到的问题,包括组织架构问题与人员 考核问题,进而针对这些问题设计了相应的解决方案,如设立产品研发管理委员会、 60

调整产品研发团队结构以及优化相关人员的考核方式,使得新流程能够顺利实施。 然后讨论了新流程对产品研发问题的改善情况,从缩短智能锁新产品研发周期、降 低智能锁生产成本、提高智能锁产品质量和可维护性以及加快新技术引入这四个角 度评价新流程实施效果。

第6章 总结与展望

6.1 总结

能否迅速推出符合用户需求的新产品,已经成为企业能否在激烈的市场竞争中 胜出的关键因素。用户既要定制化的产品,又只接受批量产品的价格,这对企业的 新产品研发能力提出了更高的要求。企业通过实施基于模块化的新产品研发流程, 能够有效地应对这一挑战。

本文通过对W公司现状的调研与分析,以模块化理论为基础,提出了面向未来 的智能锁新产品开发流程和面向订单的智能锁新产品设计流程,提高了 W 公司的新 产品研发绩效。取得的具体研究成果如下:

1) 总结了 W 公司在智能锁新产品研发过程中遇到的问题,包括同样的设计缺 陷反复发生、零部件重用率低、未考虑产品的可维护性和产品创新进度慢等四类问 题,并从研发流程的角度分析了问题产生的原因,即未区分创造性开发工作与常规 性设计工作以及未结合智能锁产品研发的实际情况等原因。

2) 提出了基于模块化的智能锁新产品研发流程改善方案,主要包括向未来的智 能锁新产品开发流程和面向订单的智能锁新产品设计流程。智能锁新产品开发流程 通过模块划分和产品建模工作构建智能锁产品平台,作为客户订单产品研发的基础; 智能锁新产品设计流程通过分析整理智能锁订单需求,以智能锁模块为基础进行智 能锁产品的快速设计,实现订单的及时交付。

3) 实施了基于模块化的智能锁新产品研发流程。将改善后的基于模块化的研发 流程应用到 W 公司智能锁新产品研发中,结合具体案例展示了智能锁模块化划分、 产品建模、配置设计和变型设计等结果。

4) 对 W 公司新流程实施效果进行了评价。新流程实施后, W 公司在新产品研 发周期、产品生产成本、产品质量、产品可维护性、新产品创新能力等方面均有所 改善。

6.2 展望

尽管通过本课题的研究, W 公司的智能锁新产品研发绩效有了显著的提高,但 仍有很多内容需要进一步研究。

首先,本文对智能锁产品的模块化分析更多是从功能与装配的角度考虑,后续可以增加智能锁模块对环境影响的考虑。模块化技术除了能够提升新产品研发绩效 外,也有利于产品的绿色开发,满足环保要求。一方面智能锁产品中部分零部件, 如把手换向模块等,可以通过回收再次利用。另一方面现有产品中仍然使用了较多 不能降解的材料。后续可以从绿色开发的角度进一步研究,在满足企业对新产品研 发绩效要求的同时,推出更加利于环境保护的产品。

其次,本文依然是站在企业的角度讨论新产品开发与设计流程,尚未充分地让 客户参与企业的研发过程。企业无法掌握产品创新的所有知识,客户的参与是企业 获得产品创新理念的重要途径。一方面企业可以通过与客户的深入沟通和协作,提 高对产品的洞察力,优化产品的使用体验。另一方面客户的参与和反馈是企业判断 产品发展趋势的重要依据,尤其在产品研发的早期阶段,客户的参与能有效调节产 品研发的方向,验证产品的可行性。通过客户参与提升W公司智能锁产品的创新能 力,进一步提高客户满意度,是后续重要的研究方向。

最后,本文主要关注新产品研发在企业内部的绩效提升问题,然而当下新产品 研发的参与者早已超出了企业本身的范围,需要上下游各个企业协同进行。如何提 高不同企业之间的配合度,如何规范不同企业提供的产品模块的接口,这些问题都 可以作为后续进一步研究的方向。

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