加快產品開發的技術措施研究

劉 濤，吳笑偉

（河南交通職業技術學院，鄭州 450005）

0 引言

產品開發是一項十分重要而又復雜的系統活動，是企業科技應用能力、生產制造能力、外部市場適應能力等多種能力的綜合，是企業占有市場的基本活動，其基本要求是保證產品上市早、質量高、成本低。加快產品開發速度，縮短產品開發時間，盡早將產品投放市場已成為企業取得競爭優勢的關鍵。

各種新技術、新工藝的出現加快了產品的開發進程。產品開發中的工程設計技術是先進制造技術的重要組成部分，是制造技術的第一個環節，決定了產品的質量。產品開發中的制造工藝技術是先進制造技術的基礎，任何系統都無法取代先進制造工藝技術的作用。

1 產品設計技術

產品設計思想和設計技術是先進制造技術的核心，決定了產品的核心競爭力。

1.1 設計思想

先進制造技術的設計思想就是在最短時間內完成新產品的開發設計過程，以便在當前激烈的市場競爭中除了確保產品的功能、質量外還要有創新和快速響應的能力。面向“X”的設計、并行工程、反向工程等設計思想都從不同角度縮短了產品開發的時間過程。

1.1.1 并行工程CE(Concurrent Engineering)

并行工程（或稱并行設計）是指集成地、平行地處理產品設計制造及其相關過程的系統方法。并行設計要求產品的設計開發者一開始就考慮產品從概念設計到產品報廢整個生命周期的所有因

素。它改變了傳統的串行工作方法，使得在設計階段就有制造和營銷人員的介入和彼此信息的交互。可以避免失誤，減少反復，從而達到提高質量、縮短開發周期和降低成本的目的。

并行工程是一種設計思想，也是一門管理藝術。其主要特征是：一是強調團隊合作（Team work）精神，要求不同專業的技術人員協同工作；二是強調產品的生產準備過程和設計過程并行進行，要求在產品設計的同時進行工藝設計；三是強調產品設計過程的系統集成性，不僅注重企業內部的技術和信息集成，也重視與企業外部供應商、營銷商和最終用戶之間的信息交互與集成，采用公共的CAD/CAPP/CAM軟件平臺，綜合考慮產品質量、成本、生產進度等因素，盡可能將產品可能產生的缺陷消滅在萌芽狀態。正確運用并行工程的設計思想有利于縮短新產品的開發和上市時間，有利于提高產品質量、減少降低成本，從根本上提高產品的核心競爭力。

1.1.2 面向“X”的設計DF“X”(Design for “X”)

面向“X”的設計最初是面向制造的設計（DFM）和面向裝配的設計（DFA）。傳統設計主要考慮產品使用性能，很少考慮制造、維修、回收等因素，存在著較多的弊端。面向制造的設計強調在產品設計過程中考慮產品的加工因素，即考慮產品的可加工性和加工方便性。面向裝配的設計則強調在設計過程中考慮產品的裝配因素，即產品的裝配成本、可裝配性和裝配方便性。

面向“X”的設計是產品設計向產品生命周期各階段擴展的結果，并逐漸形成一個技術族。“X”包含很多內容，如制造、裝配、質量、成本、維修、壽命、操作、環保等。面向“X”的設計對于提高產品的設計質量，降低產品的制造成本和使用成本具有重要意義。

1.1.3 反向工程RE(Reverse Engineering)

反向工程也稱反求工程或反向設計，是根據已有的產品實物測得數據，構造出CAD模型，并將這些模型和設計特征應用于產品的設計和制造的一種設計思想。此外,還有集成反向工程IRE是在減少人工干預的情況下，采用面向對象的思想，將系統中各種類型的數據和特征按類集合起來，以適應制造過程不同工藝流程的要求，達到直接從實物模型創造出產品模型的目的。

反向工程和集成反向工程的產品設計通過對多種方案的篩選和評估，集中各種方案的優點，能實現方案的優選，同時集成反向工程可由計算機輔助進行，縮短了方案的設計時間，提高了方案的可靠性。反求工程雖不屬于創造性設計過程，但作為一種設計思想，對于消化吸收國外先進技術，提高我國制造業的設計水平具有重要的意義。

1.2 設計技術

產品設計是制造業的靈魂，設計技術是先進制造技術中的核心技術，產品的性能、質量、成本等因素都是在設計階段形成的。它直接關系到產品的全生命周期成本。

1.2.1 可靠性設計(Reliability Design)

在設計過程中，不僅要把系統設計得滿足功能要求，還應設計得使其能有效地執行功能。因而就必須對系統進行可靠性設計。可靠性設計就是在滿足產品（系統）功能、成本等要求的同時，根據產品的失效規律確定產品的可靠度、平均故障間隔、故障率等可靠性指標。

可靠性設計包括可靠性預測和可靠性分配兩部分設計內容。系統可靠性預測是根據已知單元和子系統的可靠度計算而求得的，按單元→子系統→系統自下而上地落實可靠性指標，是一種合成的方法。系統的可靠性分配是將已知系統的可靠性指標合理地分配到其組成的各子系統和單元上去，從而求出各單元的可靠度，按系統→子系統→單元自上而下地落實可靠性指標，是一種分解方法，比可靠性預測復雜。

1.2.2 魯棒設計(Robust Design)

魯棒設計又稱健壯設計，是指三次設計理論中的參數設計，隨著模糊數學的發展與應用，已經由傳統魯棒設計發展為模糊魯棒設計。模糊魯棒設計是綜合考慮產品設計、制造、使用過程中客觀存在的各種隨機因素，研究這些因素引起質量不確定性的規律，從而使產品設計達到優質低價的現代設計方法。三次設計理論是一種系統化設計方法，其核心思想是在產品設計階段就進行質量控制，用最低地生產成本制造出滿足顧客要求的、對社會造成損失最小的產品。三次設計是指將產品設計分成系統設計、參數設計和公差設計三個階段。系統設計相當于傳統的概念設計和結構設計，公差設計就是確定各個參數的誤差范圍從而在保證產品質量的同時使成本最低，三次設計的重點在魯棒設計階段。

魯棒設計的實質是利用產品輸出特性和元件參數之間的非線性關系，力圖用公差范圍較寬的廉價元件組裝出高質量的產品。包括兩項主要內容：第一項是考慮各種因素，選擇最佳參數值，使產品對種種干擾的反應不靈敏；第二項是減少各種干擾因素的干擾性。

1.2.3 精度設計

精度設計是通過適當選擇零部件的加工精度和裝配精度，在保證產品精度要求的前提下使其制造成本最低。一般來說，精度越高，性能越好，成本相應也高。但在精度較低的區間提高精度，其制造成本增幅不大，而在精度較高的區間提高精度，其制造成本會成倍增加。因此機械產品都存在著較為經濟的精度區間。精度設計的任務就是確定產品的精度并在零部件、加工工序之間進行精度分配。

1.2.4 優化設計（Optimal Design）

產品設計方案的優化是產品設計的重要環節，從多個設計方案中尋找“盡可能好”或“最佳化”方案的過程稱為優化設計。優化設計是以數學規劃為理論基礎，以計算機為工具，在充分考慮多種約束的前提下，尋求滿足某項預定指標的最佳設計方案過程。

優化設計的基本思想是搜索、迭代和逼近。在求解時，從某一初始點x0出發，利用函數在某一區域的性質和信息，確定下一步迭代的搜索方向和步長，去尋找新的迭代點x1。然后利用x1取代x0，x1點的目標函數應比x0點的值小（對極小值問題），這樣經過不斷的重復迭代，可以逐步改進目標函數值，直到最終逼近極值點。優化設計的難點在于建立優化問題的數學模型，即將產品設計方案抽象為一個有約束的單目標數學規劃問題。優化數學規劃的求解一般都有比較成熟的應用程序，工程設計人員可以方便地調用。

1.2.5 計算機輔助設計（Computer Aided Design）

計算機輔助設計是利用計算機作為工具，幫助設計人員進行設計過程的一項技術。計算機輔助設計包括的內容有很多，如概念設計、有限元分析、計算機仿真、虛擬設計等。早期的CAD技術只能幫助設計人員進行一些分析計算和文件編寫工作，后來發展到計算機輔助繪圖和設計結果模擬，目前正朝著人工智能和知識工程方向發展。另外，CIMS技術也是CAD技術的發展方向。

在以人工設計和傳統CAD為代表的傳統設計技術階段，設計智能活動由人類專家完成。在以智能CAD（ICAD，Intelligent CAD）為代表的現代設計技術階段，智能活動由設計型專家系統完成。在以集成化智能CAD（I2CAD，Integrated Intelligent CAD）為代表的先進設計技術階段，智能活動由人機共同承擔，這就是人機智能化設計系統。

2 產品制造技術

產品制造技術是先進制造技術的基礎，是產品質量的重要保證。

2.1 制造思想

激烈的市場競爭要求產品加工制造的速度更快、效率更高、具有高柔性以快速響應市場的需求。

2.1.1 敏捷制造AM(Agile Manufacturing)

敏捷制造是為了對市場需求做出靈活快速反應的一種新的制造生產模式。是利用人工智能和信息技術，以敏捷、動態、優化的組織形式實現新產品的快速研制開發，并及時交付投放市場，以迅速響應市場需求，從而贏得競爭的優勢。敏捷制造的實質是在先進的柔性制造技術的基礎上，通過企業內部的多功能項目組和企業外部的多功能項目組，組建虛擬公司。

敏捷制造企業要在激烈的市場競爭中求得生存和發展，必須具有敏捷性，即具有在瞬息萬變中把握各種機遇，并通過不斷技術創新、產品創新來領導市場潮流的能力。敏捷制造的特征是：以滿足用戶要求，獲得利潤為目標；以競爭能力和信譽為依據，選擇組成動態公司的合作伙伴；基于合作間的相互信任、分工協作、共同目標來有力地增強整體實力；把知識、技藝、信息投入底層生產線。隨著敏捷性的提高，企業向精良生產（Lean Production）過渡將更為迅速。為實現敏捷制造方式，企業的生產系統及生產過程應具備可重構性(Reconfigurable)、可重用性(Reusable)和規模可調性(Scaleable)，即RRS特性。一個企業的敏捷與否，將取決于其組織形態和組織靈活性、先進柔性制造技術的適應性和可靠性，以及員工的文化素質及決策能力，即通過人員、組織和技術的有機結合發揮最大的經濟效益。

2.1.2 柔性制造系統FMS (Flexible Manufacturing System)

柔性制造系統是指適用于多品種、中小批量生產的具有高柔性且自動化程度高的制造系統。其主要特征是在加工某種工件到一定批量后能自動向另一種工件轉換，即具有柔性。它克服了剛性自動線只適用于大量生產的局限性，表現出了對多品種、中小批量生產制造自動化的適應能力。它提高了制造過程的柔性、質量以及設備的利用率，并能充分挖掘和節約現有資源，加快新產品的上市時間，提高企業對市場變化的適應性。

FMS標志著傳統的機械制造行業進入了一個發展變革的新時代，自其誕生以來就顯示出強大的生命力。柔性制造系統是現代機器制造業中的新型自動化生產系統與設備，是當今制造領域迅速發展和應用的高新技術之一。

2.1.3 現代集成制造系統CIMS (Contemporary Integrated Manufacturing System)

現代集成制造系統是在計算機集成制造系統的基礎上發展起來的，是現代制造業的發展方向，是一種新的制造哲理。傳統CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）是以CAD/CAPP/CAM集成技術為基礎的計算機集成制造系統。

現代集成制造系統是以客戶需求為核心，以企業組織和協同工作小組為紐帶，在企業公共信息資源的支持下，實現各個應用系統的協調運行，實現人員、組織體制及技術的集成，達到縮短產品上市時間、提高產品質量、降低成本和提供更良好的服務的目的。

2.2 制造工藝技術

先進制造工藝技術是指在傳統制造工藝技術基礎上不斷變化和發展起來的制造工藝技術，包括常規工藝經優化后的工藝技術，以及不斷出現和發展的新型加工方法。采用先進制造工藝技術進行產品開發，是加快產品進程的必然選擇。

2.2.1 快速原型制造技術RPM (Rapid Prototype Manufacturing)

快速原型制造技術是80年代初發展起來的一門新的制造技術，是直接根據產品CAD的三維實體模型數據，經計算機數據處理后，將三維實體數據模型轉化為許多二維平面模型的疊加，再直接通過計算機控制這些二維平面模型，并將其順次連接，形成復雜的三維實體零件模型。快速原型制造技術是機械技術、數控技術、CAD與CAM技術、激光技術以及新型材料技術的集成。它可以自動迅速地把設計思想物化為具有一定結構和功能的原型或直接制造零件，可以對產品設計進行快速評價、修改，以響應市場需求，提高企業的競爭能力。

快速原型制造技術是一種完全新型的制造技術，它以材料的逐步累加取代了已有的對材料切除或變形的傳統制造技術。目前，快速原型制造技術主要有選擇性激光燒結法SLS(Selective Laser Sintering)、分層實體制造法LOM(Laminated Object Manufacturing)和熔化堆積造型法FDM(Fused Deposit Manufacturing)。隨著該項技術日趨完善，勢必對今后工業產品的設計和制造帶來重大影響，并將取得巨大的社會濟效益。

2.2.2 虛擬制造技術VM (Virtual Manufacturing)

虛擬制造技術在制造業中有廣闊的應用前景，是提高企業競爭能力的有力武器。被譽為21世紀的新型生產模式，是制造業迎接21世紀挑戰的有效技術。它是由多學科先進知識形成的綜合系統技術，對設計、制造等生產過程進行統一建模，在產品設計階段，實時地并行地模擬出產品未來制造全過程及其對產品設計的影響，預測產品性能、產品制造成本、產品的可制造性，從而更有效、更經濟、更靈活地組織生產，使工廠和車間的資源得到合理配置，以使產品的開發周期最短化，生產成本最小化，產品質量最優化，生產效率最高化。虛擬制造具體表現為虛擬企業、虛擬機構、虛擬公司及動態聯盟，而分散網絡化制造系統DNPS(Dispersed Network Production System)是虛擬企業的一種模式，是適合我國國情的一種虛擬制造模式。它可以充分利用現有資源，保證可持續發展并達到快速響應市場需要的目的。

虛擬制造技術是利用計算機技術建立一種逼真的虛擬環境，制造和使用的產品不是實物，不消耗實際材料，也不需要機床等設備，只是一種“數字產品”。利用這種“數字產品”，可以進行產品的外觀審查和修改、裝配模擬和干涉檢查、機械的運動仿真、零件的加工模擬，乃至產品的工作性能模擬與評價，以便在產品的生命周期的設計階段就能消除產品缺陷、評價加工的可行性和合理性，預測產品的成本和使用性能，提出修改的措施和方法。

2.2.3 其他制造工藝技術

此外，先進制造工藝技術還包括精密潔凈鑄造工藝、精確高效金屬塑性成形工藝、優質高效焊接及切割技術、優質低耗潔凈熱處理技術、優質清潔表面工程技術、超高速加工技術、超精密加工技術、微型機械加工技術和非傳統加工技術等。

3 結束語

質量是企業尊嚴和品牌價值的起點，快速響應市場和以時間為基礎的競爭策略是制勝的法寶。面對激烈的市場競爭，企業應更好地利用各種先進技術加快產品的開發，以快速響應市場和用戶定單為主旨，以標準化、系列化、模塊化為手段，以信息技術為支撐，尋求跨企業、跨行業、跨地區甚至跨國界的最優的產品資源組合，實現產品快速設計、制造及上市。在產品開發過程中綜合應用計算機技術開，在虛擬環境下開發產品，在產品設計開始時便考慮產品整個生命周期中的所有因素，采用并行方法處理產品設計、生產、銷售中的各種問題，可以降低開發產品的成本，從而有效地縮短產品開發周期，增強產品的競爭力。

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