基于柔性制造技術的產品設計研究

摘要：柔性制造技術是當前制造領域的主流技術，以其為基礎上產生的適合多品種、中小批量生產的新型生產模式能夠幫助企業及時調整生產、快速應對市場變化，同時柔性制造技術也為產品設計發展創造了良好條件并提出了新的要求。產品設計必須針對柔性制造技術的機理特性和發展趨勢等因素，通過不斷改進和創新，形成與之相適應的設計理論、模式和手段等，從而更好地為社會、企業以及消費大眾服務。

關鍵詞：柔性制造技術 產品設計 創新 模式 流程

工業革命后形成的標準化、大批量生產方式在短期內創造了巨大的社會財富，滿足了物質相對匱乏時期社會大眾的基本生活需求。但這種大一統的生產方式在一定程度上限制了產品的多樣性，導致了消費需求多元化與產品品種相對單一之間的矛盾。尤其進入豐裕社會后這一矛盾日漸突出，20世紀60年代出現的波普風格、后現代主義等設計風格就是大眾對單調、乏味的標準化設計形式的直接對抗。與此同時，在制造領域中適應多品種、中小批量生產的柔性制造技術逐漸成型，并在計算機信息技術的支持下將工程設計、生產制造和經營管理等環節整合為一個有機系統，實現全局動態最優化和總體的高效益、高柔性[1]。

1 柔性制造技術綜述

柔性制造技術集現代信息技術、自動化技術以及機械裝備加工等高精技術于一體，是指導現代制造業快速應對市場變化，實現訂單式生產的實用性先進制造技術[2]。柔性制造技術與傳統制造技術有較大區別：運用傳統制造技術的生產線比較適合單一品種產品的大批量生產，所以傳統制造技術也被稱為剛性制造技術；而運用柔性制造技術的生產線則具有較高的可塑性，可以通過調整設備、工藝、流程等要素適應不同產品的制造要求，能夠在滿足社會大眾的多元需求的同時較好地控制成本，提高產品性價比，增強市場競爭力。

1.1 柔性制造技術發展概述 柔性制造技術產生于上世紀60年代，英國莫林斯公司研制的“Molins system-24”被認為是最早運用了這一技術及理念的柔性制造系統（Flexible Manufacturing System，簡稱FMS）。隨后柔性制造技術在歐美、日本以及蘇聯等國家和地區倍受重視，形成了不同的技術特點和豐富的理論內涵：1988年美國通用公司和里海大學共同提出敏捷制造戰略；1990年開始，美國、日本、加拿大等國聯合進行為期十年的智能制造系統（IMS）的研究與開發；1992年德國和美國提出精益生產理念（Lean Production） [3]等等。目前，柔性制造技術已成為制造領域的核心技術，廣泛應用于現代制造系統中。

1.2 我國的柔性制造技術研究現狀 我國對柔性制造技術的研究和應用起步較晚，第一套柔性制造系統誕生于1985年；1985年之后我國對柔性制造技術的重視程度不斷提高，在國家機電部“七五”重點科技攻關項目等工程項目的帶動下，柔性制造技術進入自行開發和部分進口相結合的發展階段。總體而言，我國比較注重對柔性制造技術本身的應用，對產品設計、生產組織、資源配置以及經營銷售等相關環節及配套理論的關注度較低。但事實上柔性制造技術對這些環節的要求與傳統制造方式有較大區別，因此在應用柔性制造技術的同時還必須對相關環節及理論進行研究和改進，才能充分發揮柔性制造技術的效能，而產品設計作為產品生產的初始環節更是首當其沖地需要加以改進。

2 柔性制造技術對產品設計發展的意義

當前，柔性制造技術作為一種現代化工業生產的科學“哲理”和工廠自動化的先進模式而被國際上所公認，成為現代制造業生產方式發展的主流方向[4]。柔性制造技術的進步不僅推動了制造工藝技術群的快速發展，同時也對產品設計的發展產生了積極促進作用。

2.1 推動產品更新換代，構建了有利于產品設計發展的外部環境 就產品設計的角度而言，產品品種越豐富、更新速度越快對產品設計理論、方法以及技術等發展的促進作用就越大。由傳統剛性制造技術形成的自動化生產線由于資金投入大、建設周期長，改造成本極高，所以往往在較長時期內持續生產同一產品。比如福特的T型車從投產到停產延續將近20年，總產量超過1500萬臺，成為汽車發展史當中的傳奇。但在這近20年的生產過程中T型車只做了少量的局部設計改進，其功能、造型基本保持不變，原因之一就是生產線的改造成本過高。可見傳統剛性制造技術成為了產品更新換代的障礙，不利于產品設計的發展。而柔性制造技術的特征之一就是產品的“柔性”，能夠根據市場變化快速適應新產品的生產，促進產品更替。同時，柔性制造系統已經逐漸成為現代社會的基礎性生產方式：到上世紀末，在歐、美、日等制造業發達國家中以中小批量生產的產品在數量上約占85%，在產值上約占60%-70%[5]。柔性制造技術的廣泛應用為產品的快速更替提供了技術保障，也為產品設計的發展創造了良好的外部環境。

2.2 促進學科交叉滲透，增強了推動產品設計發展的內在動力 柔性制造技術充分應用現代信息技術、傳感技術、自動化技術以及管理技術等最新成果，這些成果提高了生產制造的難度、精度和速度，同時也成為產品設計發展的驅動力。如隨著計算機輔助設計技術（CAD）的出現和成熟，使產品設計的平面、三維虛擬表現變的更加快捷，有效地縮短了設計周期、提高設計效率；而計算機輔助制造技術（CAM）的發展則使得不規則曲面等原來難以批量生產的形態變得易如反掌，大幅提升了產品設計的創新空間；此外，柔性制造技術涉及領域的相關理論也為產品設計的理論發展提供了豐富的養分，如模塊化、并行工程以及產品族等理論的應用就極大地豐富了產品設計的理論內涵。柔性制造技術在技術和理論兩個層面都為產品設計的發展提供了充足的“燃料”，只要加以合理利用就能轉化為強大的動力。

3 柔性制造技術條件下產品設計的發展要點

現代產品設計理論產生于工業革命之后，主要建立在傳統剛性制造技術基礎之上。由于柔性制造技術與剛性制造技術各方面差異較大，原有的產品設計理論、模式等已不能很好地適應制造業發展的要求，必須深入研究柔性制造技術的機理特性、發展趨勢等，在此基礎上不斷改進、創新產品設計的理論、流程、模式以及手段等，才能適應社會經濟、市場需求的快速變化，符合制造技術發展的要求。endprint

3.1 持續深化產品設計與其他學科的理論融合 現代產品設計涉及經濟、技術、文化和藝術等眾多領域，是不同學科交叉滲透的成果。產品設計必須加強對相關領域的理論研究，從中汲取可借鑒的內容充實自己，才能突破固有設計理論的限制，不斷發掘、豐富自身理論內涵，如模塊化設計就是產品設計與模塊化理論融合的成果。模塊化是柔性制造系統構建的基本理念，而模塊化設計則是在對產品進行市場預測、功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列通用的功能模塊；并根據用戶的要求對模塊進行選擇和組合，以構成不同功能或功能相同但性能、規格不同的產品[6]。模塊化設計注重功能模塊的相對獨立，使各功能模塊的設計、測試、制造等工作能夠同步進行，有效縮短產品的設計、生產周期，較好地適應柔性制造技術高效、靈活的生產特性；同時，模塊化設計可以通過不同功能模塊的交叉組合形成產品族，而柔性制造技術源于成組技術，其特點之一就是較適合同一產品族產品的生產。模塊化設計理論與柔性制造技術各方面的高度適配性使它成為了當前產品設計的重要指導理論之一，被企業和設計師廣泛采用。柔性制造技術綜合運用了多學科、多領域的最新理論，產品設計應充分利用這一平臺加強與其他學科的滲透與融合，不斷充實、深化理論內涵。

3.2 深入推進設計模式的創新實踐 理論與實踐相對獨立又相輔相成的：理論引導實踐、實踐檢驗理論，兩者必須緊密結合才能實現各自價值。產品設計領域同樣如此，在充實設計理論的同時還必須改進設計流程、步驟等環節，形成與理論相匹配的設計模式，才能更好地適應柔性制造技術。并行設計就是在并行工程、模塊化等理論指導下創新設計模式的實踐成果。在傳統批量化大生產方式條件下，產品設計往往采用串行設計模式：整個設計過程被盡量細致地劃分為一系列連續的工作環節，不同環節的設計任務由不同部門或個人分別承擔，依次執行和完成。串行設計模式以職能和分工任務為中心，條理清晰、職責明確，但設計周期長、運行效率低，且容易導致設計與制造等其他環節脫節，不能適應柔性制造技術條件下短、頻、快的生產節奏，而并行設計則較好地解決上述問題。并行設計借鑒了并行工程的工作模式，對產品及其相關過程（包括制造和支持過程）進行一體化設計[7]，并運用模塊化理念打破了傳統的部門劃分和封閉的組織模式，強調不同功能模塊團隊的協同工作，重視對產品開發流程的優化重組，從而達到縮短開發周期、提高產品質量、降低產品成本等目的。產品設計的“并行”主要表現在以下幾個方面：其一是同一產品不同功能模塊的設計工作并行開展；其二是同一產品族不同產品的設計工作并行開展；其三是產品的設計與制造、裝配、檢測等環節并行開展。并行設計模式本身還需不斷改進和完善，同時它作為一種對設計模式的創新實踐也值得進一步研究和推廣。

3.3 不斷加強高新科技的設計應用 “科學技術是第一生產力”，現代產品設計注重創意，同時也必須充分利用高新科技改進設計方法和手段、拓展設計范圍和內容。產品設計對高新科技的應用包括以下幾個方面：一是利用高新科技作為設計輔助手段，提高設計能力和效率。比如以往設計中常常需要花費大量的財力、物力和時間在產品模型的制作上，而3D打印技術的應用使這一環節變的簡便、快捷。福特公司利用這一技術打印出同一零部件的不同式樣供測試使用，將這一環節由數月縮短至幾天，極大地提高了設計的效率和質量；二是將高新科技應用于產品的生產制造當中，創新個性化生產模式。同樣以3D打印技術為例，近年來隨著相關技術日益成熟，3D打印的成本不斷下降，個人用戶持續上升。在不久的將來，每個人都可以成為設計師和生產者，完全按照個人意愿設計、制造日常用品。可以預見這一全新的設計、制造模式將對產品設計和制造產業產生巨大沖擊，需提前準備、及時應對；三是將高新技術運用于產品當中，開發新產品、滿足新需求。比如觸屏技術在數碼產品中的應用、3D虛擬顯示技術在行車導航儀中的應用等。

3.4 實時更新設計師的信息儲備 柔性制造技術能夠根據生產需要對制造工藝、流程以及資源等進行適度調整，但其調整是相對有限的。設計師一方面需充分了解包括柔性制造技術在內的科技發展整體趨勢，另一方面還需掌握企業本身的柔性制造能力、資源配置能力等個體信息。在此基礎上通過信息的整合、分析，綜合考慮整體和個體的各方因素，以便有針對性地進行設計創新，避免因產品設計要求超越企業的“柔性”范圍而增加額外成本，同時也能夠從設計的角度對企業的生產組織、工藝設置等提出較為專業的建議。

4 結語

柔性制造技術在國內、外的制造企業中被廣泛應用，成為現代制造領域的核心技術。產品設計必須深入了解柔性制造技術及相關理論，并以此為平臺不斷創新設計理論、模式和手段等，充分適應以柔性制造技術為基礎的現代生產制造模式，才能設計出性能更卓越、價格更合理、品種更豐富的產品，更好地為社會、企業以及消費者服務。

參考文獻：

[1]張強.淺談柔性制造技術的現狀及發展[J].技術與市場，2008.（5）：39-40.

[2]沈向東.柔性制造技術[M].北京：機械工業出版社，2013.2.

[3]吳立.關于柔性制造的研究[J].機床與液壓，2010，38（14）：9-11.

[4]陳琪.制造業企業推行柔性制造的意義及對策[J].企業經濟，2005（4）：7-8.

[5]崔培枝，朱勝，姚巨坤.柔性再制造系統研究[J].機械制造，2003（11）：7-9.

[6]王志，張進生，于豐業，等.基于模塊化的機械產品快速設計[J].機械設計，2004，21（8）：1-3.

[7]周紅，甘茂治，劉安清，等.基于并行工程的產品維修性設計[J].機械設計，2003，20（9）：3-5.

作者簡介：王岳（1975-），男，浙江諸暨人，柳州職業技術學院講師，碩士，研究方向：工業設計。endprint