加快產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)措施研究

劉 濤，吳笑偉

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450005）

0 引言

產(chǎn)品開發(fā)是一項十分重要而又復(fù)雜的系統(tǒng)活動，是企業(yè)科技應(yīng)用能力、生產(chǎn)制造能力、外部市場適應(yīng)能力等多種能力的綜合，是企業(yè)占有市場的基本活動，其基本要求是保證產(chǎn)品上市早、質(zhì)量高、成本低。加快產(chǎn)品開發(fā)速度，縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，盡早將產(chǎn)品投放市場已成為企業(yè)取得競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵。

各種新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)加快了產(chǎn)品的開發(fā)進程。產(chǎn)品開發(fā)中的工程設(shè)計技術(shù)是先進制造技術(shù)的重要組成部分，是制造技術(shù)的第一個環(huán)節(jié)，決定了產(chǎn)品的質(zhì)量。產(chǎn)品開發(fā)中的制造工藝技術(shù)是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)，任何系統(tǒng)都無法取代先進制造工藝技術(shù)的作用。

1 產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)

產(chǎn)品設(shè)計思想和設(shè)計技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心，決定了產(chǎn)品的核心競爭力。

1.1 設(shè)計思想

先進制造技術(shù)的設(shè)計思想就是在最短時間內(nèi)完成新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計過程，以便在當(dāng)前激烈的市場競爭中除了確保產(chǎn)品的功能、質(zhì)量外還要有創(chuàng)新和快速響應(yīng)的能力。面向“X”的設(shè)計、并行工程、反向工程等設(shè)計思想都從不同角度縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間過程。

1.1.1 并行工程CE(Concurrent Engineering)

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

素。它改變了傳統(tǒng)的串行工作方法，使得在設(shè)計階段就有制造和營銷人員的介入和彼此信息的交互?？梢员苊馐д`，減少反復(fù)，從而達到提高質(zhì)量、縮短開發(fā)周期和降低成本的目的。

并行工程是一種設(shè)計思想，也是一門管理藝術(shù)。其主要特征是：一是強調(diào)團隊合作（Team work）精神，要求不同專業(yè)的技術(shù)人員協(xié)同工作；二是強調(diào)產(chǎn)品的生產(chǎn)準備過程和設(shè)計過程并行進行，要求在產(chǎn)品設(shè)計的同時進行工藝設(shè)計；三是強調(diào)產(chǎn)品設(shè)計過程的系統(tǒng)集成性，不僅注重企業(yè)內(nèi)部的技術(shù)和信息集成，也重視與企業(yè)外部供應(yīng)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(chǎn)品質(zhì)量、成本、生產(chǎn)進度等因素，盡可能將產(chǎn)品可能產(chǎn)生的缺陷消滅在萌芽狀態(tài)。正確運用并行工程的設(shè)計思想有利于縮短新產(chǎn)品的開發(fā)和上市時間，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少降低成本，從根本上提高產(chǎn)品的核心競爭力。

1.1.2 面向“X”的設(shè)計DF“X”(Design for “X”)

面向“X”的設(shè)計最初是面向制造的設(shè)計（DFM）和面向裝配的設(shè)計（DFA）。傳統(tǒng)設(shè)計主要考慮產(chǎn)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(shè)計強調(diào)在產(chǎn)品設(shè)計過程中考慮產(chǎn)品的加工因素，即考慮產(chǎn)品的可加工性和加工方便性。面向裝配的設(shè)計則強調(diào)在設(shè)計過程中考慮產(chǎn)品的裝配因素，即產(chǎn)品的裝配成本、可裝配性和裝配方便性。

面向“X”的設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計向產(chǎn)品生命周期各階段擴展的結(jié)果，并逐漸形成一個技術(shù)族?！癤”包含很多內(nèi)容，如制造、裝配、質(zhì)量、成本、維修、壽命、操作、環(huán)保等。面向“X”的設(shè)計對于提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低產(chǎn)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(shè)計，是根據(jù)已有的產(chǎn)品實物測得數(shù)據(jù)，構(gòu)造出CAD模型，并將這些模型和設(shè)計特征應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計和制造的一種設(shè)計思想。此外,還有集成反向工程IRE是在減少人工干預(yù)的情況下，采用面向?qū)ο蟮乃枷?，將系統(tǒng)中各種類型的數(shù)據(jù)和特征按類集合起來，以適應(yīng)制造過程不同工藝流程的要求，達到直接從實物模型創(chuàng)造出產(chǎn)品模型的目的。

反向工程和集成反向工程的產(chǎn)品設(shè)計通過對多種方案的篩選和評估，集中各種方案的優(yōu)點，能實現(xiàn)方案的優(yōu)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(shè)計時間，提高了方案的可靠性。反求工程雖不屬于創(chuàng)造性設(shè)計過程，但作為一種設(shè)計思想，對于消化吸收國外先進技術(shù)，提高我國制造業(yè)的設(shè)計水平具有重要的意義。

1.2 設(shè)計技術(shù)

產(chǎn)品設(shè)計是制造業(yè)的靈魂，設(shè)計技術(shù)是先進制造技術(shù)中的核心技術(shù)，產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、成本等因素都是在設(shè)計階段形成的。它直接關(guān)系到產(chǎn)品的全生命周期成本。

1.2.1 可靠性設(shè)計(Reliability Design)

在設(shè)計過程中，不僅要把系統(tǒng)設(shè)計得滿足功能要求，還應(yīng)設(shè)計得使其能有效地執(zhí)行功能。因而就必須對系統(tǒng)進行可靠性設(shè)計?？煽啃栽O(shè)計就是在滿足產(chǎn)品（系統(tǒng)）功能、成本等要求的同時，根據(jù)產(chǎn)品的失效規(guī)律確定產(chǎn)品的可靠度、平均故障間隔、故障率等可靠性指標。

可靠性設(shè)計包括可靠性預(yù)測和可靠性分配兩部分設(shè)計內(nèi)容。系統(tǒng)可靠性預(yù)測是根據(jù)已知單元和子系統(tǒng)的可靠度計算而求得的，按單元→子系統(tǒng)→系統(tǒng)自下而上地落實可靠性指標，是一種合成的方法。系統(tǒng)的可靠性分配是將已知系統(tǒng)的可靠性指標合理地分配到其組成的各子系統(tǒng)和單元上去，從而求出各單元的可靠度，按系統(tǒng)→子系統(tǒng)→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(yù)測復(fù)雜。

1.2.2 魯棒設(shè)計(Robust Design)

魯棒設(shè)計又稱健壯設(shè)計，是指三次設(shè)計理論中的參數(shù)設(shè)計，隨著模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用，已經(jīng)由傳統(tǒng)魯棒設(shè)計發(fā)展為模糊魯棒設(shè)計。模糊魯棒設(shè)計是綜合考慮產(chǎn)品設(shè)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(zhì)量不確定性的規(guī)律，從而使產(chǎn)品設(shè)計達到優(yōu)質(zhì)低價的現(xiàn)代設(shè)計方法。三次設(shè)計理論是一種系統(tǒng)化設(shè)計方法，其核心思想是在產(chǎn)品設(shè)計階段就進行質(zhì)量控制，用最低地生產(chǎn)成本制造出滿足顧客要求的、對社會造成損失最小的產(chǎn)品。三次設(shè)計是指將產(chǎn)品設(shè)計分成系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)計和公差設(shè)計三個階段。系統(tǒng)設(shè)計相當(dāng)于傳統(tǒng)的概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，公差設(shè)計就是確定各個參數(shù)的誤差范圍從而在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時使成本最低，三次設(shè)計的重點在魯棒設(shè)計階段。

魯棒設(shè)計的實質(zhì)是利用產(chǎn)品輸出特性和元件參數(shù)之間的非線性關(guān)系，力圖用公差范圍較寬的廉價元件組裝出高質(zhì)量的產(chǎn)品。包括兩項主要內(nèi)容：第一項是考慮各種因素，選擇最佳參數(shù)值，使產(chǎn)品對種種干擾的反應(yīng)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(shè)計

精度設(shè)計是通過適當(dāng)選擇零部件的加工精度和裝配精度，在保證產(chǎn)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(yīng)也高。但在精度較低的區(qū)間提高精度，其制造成本增幅不大，而在精度較高的區(qū)間提高精度，其制造成本會成倍增加。因此機械產(chǎn)品都存在著較為經(jīng)濟的精度區(qū)間。精度設(shè)計的任務(wù)就是確定產(chǎn)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(yōu)化設(shè)計（Optimal Design）

產(chǎn)品設(shè)計方案的優(yōu)化是產(chǎn)品設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，從多個設(shè)計方案中尋找“盡可能好”或“最佳化”方案的過程稱為優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計是以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，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(yù)定指標的最佳設(shè)計方案過程。

優(yōu)化設(shè)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(fā)，利用函數(shù)在某一區(qū)域的性質(zhì)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(shù)應(yīng)比x0點的值小（對極小值問題），這樣經(jīng)過不斷的重復(fù)迭代，可以逐步改進目標函數(shù)值，直到最終逼近極值點。優(yōu)化設(shè)計的難點在于建立優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，即將產(chǎn)品設(shè)計方案抽象為一個有約束的單目標數(shù)學(xué)規(guī)劃問題。優(yōu)化數(shù)學(xué)規(guī)劃的求解一般都有比較成熟的應(yīng)用程序，工程設(shè)計人員可以方便地調(diào)用。

1.2.5 計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design）

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

在以人工設(shè)計和傳統(tǒng)CAD為代表的傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)階段，設(shè)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(xiàn)代設(shè)計技術(shù)階段，智能活動由設(shè)計型專家系統(tǒng)完成。在以集成化智能CAD（I2CAD，Integrated Intelligent CAD）為代表的先進設(shè)計技術(shù)階段，智能活動由人機共同承擔(dān)，這就是人機智能化設(shè)計系統(tǒng)。

2 產(chǎn)品制造技術(shù)

產(chǎn)品制造技術(shù)是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)，是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。

2.1 制造思想

激烈的市場競爭要求產(chǎn)品加工制造的速度更快、效率更高、具有高柔性以快速響應(yīng)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(yīng)的一種新的制造生產(chǎn)模式。是利用人工智能和信息技術(shù)，以敏捷、動態(tài)、優(yōu)化的組織形式實現(xiàn)新產(chǎn)品的快速研制開發(fā)，并及時交付投放市場，以迅速響應(yīng)市場需求，從而贏得競爭的優(yōu)勢。敏捷制造的實質(zhì)是在先進的柔性制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過企業(yè)內(nèi)部的多功能項目組和企業(yè)外部的多功能項目組，組建虛擬公司。

敏捷制造企業(yè)要在激烈的市場競爭中求得生存和發(fā)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(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新來領(lǐng)導(dǎo)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(jù)，選擇組成動態(tài)公司的合作伙伴；基于合作間的相互信任、分工協(xié)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(chǎn)線。隨著敏捷性的提高，企業(yè)向精良生產(chǎn)（Lean Production）過渡將更為迅速。為實現(xiàn)敏捷制造方式，企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)及生產(chǎn)過程應(yīng)具備可重構(gòu)性(Reconfigurable)、可重用性(Reusable)和規(guī)模可調(diào)性(Scaleable)，即RRS特性。一個企業(yè)的敏捷與否，將取決于其組織形態(tài)和組織靈活性、先進柔性制造技術(shù)的適應(yīng)性和可靠性，以及員工的文化素質(zhì)及決策能力，即通過人員、組織和技術(shù)的有機結(jié)合發(fā)揮最大的經(jīng)濟效益。

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

柔性制造系統(tǒng)是指適用于多品種、中小批量生產(chǎn)的具有高柔性且自動化程度高的制造系統(tǒng)。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(zhuǎn)換，即具有柔性。它克服了剛性自動線只適用于大量生產(chǎn)的局限性，表現(xiàn)出了對多品種、中小批量生產(chǎn)制造自動化的適應(yīng)能力。它提高了制造過程的柔性、質(zhì)量以及設(shè)備的利用率，并能充分挖掘和節(jié)約現(xiàn)有資源，加快新產(chǎn)品的上市時間，提高企業(yè)對市場變化的適應(yīng)性。

FMS標志著傳統(tǒng)的機械制造行業(yè)進入了一個發(fā)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(tǒng)是現(xiàn)代機器制造業(yè)中的新型自動化生產(chǎn)系統(tǒng)與設(shè)備，是當(dāng)今制造領(lǐng)域迅速發(fā)展和應(yīng)用的高新技術(shù)之一。

2.1.3 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)CIMS (Contemporary Integrated Manufacturing System)

現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)是在計算機集成制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展方向，是一種新的制造哲理。傳統(tǒng)CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）是以CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機集成制造系統(tǒng)。

現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)是以客戶需求為核心，以企業(yè)組織和協(xié)同工作小組為紐帶，在企業(yè)公共信息資源的支持下，實現(xiàn)各個應(yīng)用系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)人員、組織體制及技術(shù)的集成，達到縮短產(chǎn)品上市時間、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和提供更良好的服務(wù)的目的。

2.2 制造工藝技術(shù)

先進制造工藝技術(shù)是指在傳統(tǒng)制造工藝技術(shù)基礎(chǔ)上不斷變化和發(fā)展起來的制造工藝技術(shù)，包括常規(guī)工藝經(jīng)優(yōu)化后的工藝技術(shù)，以及不斷出現(xiàn)和發(fā)展的新型加工方法。采用先進制造工藝技術(shù)進行產(chǎn)品開發(fā)，是加快產(chǎn)品進程的必然選擇。

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

快速原型制造技術(shù)是80年代初發(fā)展起來的一門新的制造技術(shù)，是直接根據(jù)產(chǎn)品CAD的三維實體模型數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機數(shù)據(jù)處理后，將三維實體數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)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(fù)雜的三維實體零件模型?？焖僭椭圃旒夹g(shù)是機械技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、CAD與CAM技術(shù)、激光技術(shù)以及新型材料技術(shù)的集成。它可以自動迅速地把設(shè)計思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零件，可以對產(chǎn)品設(shè)計進行快速評價、修改，以響應(yīng)市場需求，提高企業(yè)的競爭能力。

快速原型制造技術(shù)是一種完全新型的制造技術(shù)，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(tǒng)制造技術(shù)。目前，快速原型制造技術(shù)主要有選擇性激光燒結(jié)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(shù)日趨完善，勢必對今后工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)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(shù)VM (Virtual Manufacturing)

虛擬制造技術(shù)在制造業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景，是提高企業(yè)競爭能力的有力武器。被譽為21世紀的新型生產(chǎn)模式，是制造業(yè)迎接21世紀挑戰(zhàn)的有效技術(shù)。它是由多學(xué)科先進知識形成的綜合系統(tǒng)技術(shù)，對設(shè)計、制造等生產(chǎn)過程進行統(tǒng)一建模，在產(chǎn)品設(shè)計階段，實時地并行地模擬出產(chǎn)品未來制造全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計的影響，預(yù)測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品制造成本、產(chǎn)品的可制造性，從而更有效、更經(jīng)濟、更靈活地組織生產(chǎn)，使工廠和車間的資源得到合理配置，以使產(chǎn)品的開發(fā)周期最短化，生產(chǎn)成本最小化，產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)化，生產(chǎn)效率最高化。虛擬制造具體表現(xiàn)為虛擬企業(yè)、虛擬機構(gòu)、虛擬公司及動態(tài)聯(lián)盟，而分散網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)DNPS(Dispersed Network Production System)是虛擬企業(yè)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(xiàn)有資源，保證可持續(xù)發(fā)展并達到快速響應(yīng)市場需要的目的。

虛擬制造技術(shù)是利用計算機技術(shù)建立一種逼真的虛擬環(huán)境，制造和使用的產(chǎn)品不是實物，不消耗實際材料，也不需要機床等設(shè)備，只是一種“數(shù)字產(chǎn)品”。利用這種“數(shù)字產(chǎn)品”，可以進行產(chǎn)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(chǎn)品的工作性能模擬與評價，以便在產(chǎn)品的生命周期的設(shè)計階段就能消除產(chǎn)品缺陷、評價加工的可行性和合理性，預(yù)測產(chǎn)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(shù)

此外，先進制造工藝技術(shù)還包括精密潔凈鑄造工藝、精確高效金屬塑性成形工藝、優(yōu)質(zhì)高效焊接及切割技術(shù)、優(yōu)質(zhì)低耗潔凈熱處理技術(shù)、優(yōu)質(zhì)清潔表面工程技術(shù)、超高速加工技術(shù)、超精密加工技術(shù)、微型機械加工技術(shù)和非傳統(tǒng)加工技術(shù)等。

3 結(jié)束語

質(zhì)量是企業(yè)尊嚴和品牌價值的起點，快速響應(yīng)市場和以時間為基礎(chǔ)的競爭策略是制勝的法寶。面對激烈的市場競爭，企業(yè)應(yīng)更好地利用各種先進技術(shù)加快產(chǎn)品的開發(fā)，以快速響應(yīng)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(shù)為支撐，尋求跨企業(yè)、跨行業(yè)、跨地區(qū)甚至跨國界的最優(yōu)的產(chǎn)品資源組合，實現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計、制造及上市。在產(chǎn)品開發(fā)過程中綜合應(yīng)用計算機技術(shù)開，在虛擬環(huán)境下開發(fā)產(chǎn)品，在產(chǎn)品設(shè)計開始時便考慮產(chǎn)品整個生命周期中的所有因素，采用并行方法處理產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、銷售中的各種問題，可以降低開發(fā)產(chǎn)品的成本，從而有效地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強產(chǎn)品的競爭力。

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