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标题: 【资料】机械产品可靠性设计方法评述 [打印本页]

作者: weizq73 时间: 2003-6-25 15:27
标题: 【资料】机械产品可靠性设计方法评述
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--------By alexsung

机械产品可靠性设计方法评述

一、前言

一个产品的可靠性是通过设计、制造直至使用的各个阶段的共同努力才得以保证的。“设计”奠定产品可靠性的基础，“制造”实现产品的可靠性设计目标，“使用”则是验证和维持产品可靠性目标。任一环节的疏忽都会影响产品的可靠性水平，尤其是设计阶段的可靠性保证更为重要。



二、应用可靠性工程理论指导产品可靠性设计

可靠性设计，实质上是指在设计开发阶段运用各种技术和方法，预测和预防产品在制造和使用过程中可能发生的各种偏差、隐患和故障，保证设计一次成功的过程。日本工业标准JISZ8115-1981《可靠性术语》将可靠性设计定义为“赋予产品可靠性为目的的设计技术”。这种设计要求设计者考虑一般的设计特性如应力、重量、外结构等方面外，还须正确评价在整个寿命周期内可能发生的环境条件和材料性能等变化对产品可靠性的影响，采取事前预防措施，保证定性或定量可靠性目标的实现。

为了实施产品可靠性设计，必须提高设计人员预测和预防故障的能力，除了传统的设计技术外，还要采用各种分析、预测和保证产品可靠性的方法和原则。 “可靠性工程”技术，就是应此需求发展起来的以解决可靠性为出发点的一门新兴学科，它提出了一套指导产品可靠性设计、试验、预测、分析和评估的方法和技术，这些方法和各产品的固有专业技术结合，能以较少的费用，设计出所要求的可靠性。



三、机械类产品可靠性特点

在应用可靠性工程技术的理论和方法时，应注意机械类和电子类产品的可靠性问题的差别（见表1）。可靠性工程技术起源于电子领域，现已颁发的一些可靠性设计、试验和分析方法或标准，大都是根据电子产品故障多属随机性、寿命服从指数分布等特点制定的。这些方法或标准对机械类产品不完全适宜，因为机械产品的零部件大多是耗损性失效为主；零部件的故障和连接、维修、使用方式密切相关，可靠性建模很困难；而且，机械零部件一般都是为特定用途设计，通用性不强，不易积累共用数据。因此，在应用可靠性工程理论指导机械产品设计时，不能完全照搬电子类产品的办法，一定要注意其应用的前提条件，结合机械产品的特点合理选用方法。



表1 机械类和电子类产品可靠性特点的比较



四、机械产品可靠性设计、分析中常用的一些原则和方法

      尽管目前对于机械类产品可靠性设计还没总结出一套成熟的经验和标准，但是实践证明，只要应用适当，以下一些方法和原则对保证产品可靠性设计是有益的。

1．简单化和标准化

对于机械产品，根据可靠性模型分析，大部分属于串联系统，因此提高整机可靠性的最基本原则是从选用可靠的零部件、减少零部件数目和简化结构做起。尽量采用结构简单、具有成熟使用经验或标准化的零件和技术，尽量减少不必要的和可有可无的零件，目的是减少零部件故障的可能性，保证整机系统可靠性目标的实现。

2．失效经验的反馈应用

这是保证产品可靠性的最直接的经验方法。所谓可靠性设计，就是要求在设计阶段预测和预防产品可能发生的故障。要做到这一点，一是借助于一定的理论分析和试验手段，二是凭借个人和前人成功和失败的经验。成功经验多半总结在设计规范和手册中，对于失败的经验往往得不到重视，对于可靠性设计来说，这是极为重要的信息。国外企业十分重视对产品的失效分析和失效事例的收集工作，汇编成册，供设计参考，避免同类或相似失效再次发生，提高设计人员的故障预测和预防能力。

3．FMECA（故障模式影响和危害度分析）、FTA（故障树分析）和设计评审

这些方法无论对电子或机械产品都适合，可帮助设计者及早有效地找出设计中的故障和隐患。尤其是FMECA和设计评审方法，被认为是目前非电子产品可靠性分析中具有最高效益比的方法，在国外普遍应用，并规定为设计阶段必须进行的工作。FTA（故障树分析）方法主要适用于复杂构成的机组或系统，对于一般串联构成的机械设备意义不是很大。

4．安全裕度设计

在电子产品中使元器件工作应力低于额定值，从而降低元件故障率，保证整机目标实现，称作降额设计。对于机械零件则是加大安全系数，提高承载能力。对于涉及安全性的零件，则可采用极限设计方法，保证在最严酷状态下使用也不发生故障或破坏。

5．失效安全和损伤容限设计

当设备或系统的一部分发生故障时，依靠产品自身结构可确保系统或设备安全的设计，称作失效安全设计。在机械结构中，一部分结构发生裂纹或损伤时，能使这种损伤限制在一定范围内，直到下一个检测或维修周期前，整个结构不会发生致命破坏或影响整机功能的正常发挥，称作损伤容限设计，这在航空、船舶及压力容器等涉及安全性的重要结构中经常使用。

6．冗余设计

为完成规定功能，增加多余的零部件或设备数，即使其中一部分发生故障，也不会引起整机或系统的故障称作冗余设计。这种方法将可靠性水平不高的零部件设计组成较高可靠性的整机系统，一般用于电子产品中，但是随着机械设备复杂化以及使用可靠性要求的提高，在成本、重量和可靠性的权衡下，也可采用此方法，例如，双泵、双发动机配置的工程机械设备的出现。

7．机械零件、结构的概率设计

这是在考虑载荷、环境条件变化和材料、工艺波动等因素对可靠性影响的基础上预计和设计可靠性的一种方法，相对传统的安全系数设计方法更为科学合理。该方法论已成功应用于一些高可靠性要求的结构设计中，对于一般机械产品，由于缺乏基础数据和建模经验，应用尚不普遍。

8．健壮设计

这是日本田口玄一提出的一种统计分析设计方法，在国外较为流行。其主要观点是产品的质量可用对用户造成的损失来衡量，此损失一般正比于产品功能特性与其目标值之间的偏差。偏差越大，给用户造成的损失越大，也即质量越差，因此，改进质量的途径就是不断减少偏差。对待偏差问题，传统的做法是通过产品检测剔除超差部分，或是加严对材料、工艺的控制以缩小偏差。这些方法很不经济，有时技术上也难以实现。田口方法是调整设计参数，使产品的功能、性能对偏差的起因不敏感，提高产品自身的抗干扰（引起偏差的内、外条件）能力，这种方法称作健壮设计。

9．系统可靠性分析和预计

对由许多零部件组成的机械系统，尽管零件是耗损性故障为主，如果采用定时维修或保养，系统的故障率也可视作恒定形式，因此，一般也可应用可靠性建模技术进行预计和分析。据资料介绍，只要有足够的零部件数据，预计和评估的精度可不低于电子系统。

10．维修性设计

从保证设备可用性目的出发，缩短设备的维修时间和提高设备的寿命同等重要。当前发展起来的以可靠性为中心的维修性工程技术，正是为此目的从定性和定量角度分析和提高设备的维修性而采取的方法。维修性设计就是在设计时就要考虑维修的可能性和应采取的维修策略和措施。

11．可靠性试验

目前，适用于机械可靠性预测、评估的理论和方法还很不成熟。目前保证设计可靠性，主要依靠可靠性验证试验和故障暴露试验。而可靠性试验是花钱和花时间的工作，因此制订高效、合理的试验计划十分重要。机械和电子故障机制不同，不能完全照搬电子产品的试验方案。对于机械产品试验应因地制宜，采用能描述疲劳、磨损等耗损性失效模式特点为主的方法。（孙惠琴）

作者: weizq73 时间: 2003-6-25 17:53
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现代分析设计方法概观

编者按本文作者系统地总结和提出了现代分析设计方法学的19种设计方法，包括信息分析、功能分析、系统分析、创造性分析、智能分析、优化分析、相似分析、动态分析、离散分析、模糊分析、虚拟分析、物元分析、网络分析、人工神经网络分析、艺术分析、工程遗传分析、反求分析、下一代设计制造系统分析和绿色设计制造系统分析等设计方法。希望通过本文，读者可以了解现代分析设计方法的概貌。

1．信息分析设计方法

当代是信息社会，信息分析与处理是现代设计的依据。

通过信息采样、统计、分析、处理，得出规律、结论，作为现代设计的客观依据。例如，运输机械的结构强度设计，要对该机械载荷信息的采样、统计、分析、处理，有一套设计方法，得出规律，作为结构设计的依据。

信息分析设计方法有：预测分析法、信号分析法、谱分析法、信息合成法等。

2．功能分析设计方法

功能的实现是现代设计的目标。

通过良好的功能，设计出具有较高性能、价格比的产品是设计的目标。其基本特征是通过功能分析法、功能――技术分析法，建立起一套设计方法。

功能分析设计方法有：功能分析法、功能分解、价值工程、可靠性设计等。

3．系统分析设计方法

系统分析是现代设计的前提。

系统是现代设计的对象。系统分析方法把研究的事物看作是一个整体、一个系统，从系统的整体角度出发来研究系统内部各个组成部分之间的有机联系以及和系统外部之间的相互关系。它是一个综合的研究方法。

例如，系统工程方法，它的体系基础就是运用系统思想方法和各种数学方法、控制理论，以及计算机等工具来实现系统的模型化和最优化，进行系统分析和系统设计。为了完成一项复杂任务，系统工程的做法可分为三个主要区段：信息获取、信息处理、信息整理。

系统分析设计方法有：灰色系统设计法、系统工程、人机工程、逻辑分析法等。

4．创造性分析设计方法

突变创造是现代设计的基石。

使传统的闭式系统变成开式系统，在与外界的物质、能量、信息的交互中产生突变，远离平衡稳态，克服自回归力，进行多元广角的发散思维，主动发现与运用突变，利用压力、轰击、流动、调节等原理、采用创造性分析方法形成创新成果。

创造性分析设计方法有：综合法则、还原法则、对应法则、移植法则、离散法则、强化法则、换元法则、组合法则、逆反法则、仿形法则、群体法则等。

5．智能分析设计方法

智能的运用是现代设计的升华。

它是以发挥智能载体（人、机、生物、有机物等）的作用为核心的方法学。

智能分析设计方法有：设计专家系统、智能工程、智能诊断、智能CAD等。

6．优化分析设计方法

广义优化是现代设计的宗旨

优化设计是把最优化数学原理应用于工程设计问题，在众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案的一种现代设计方法。优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，采用优化设计方法能大大提高设计效率和设计质量。

优化是合理化、科学化、满意化，是一个系统分析、系统综合、系统检验的反复交叉过程，是一个永无止境的过程。在优化设计过程中，常常需要根据产品设计的要求，合理确定各种参数，以期达到最佳的设计目标。

优化分析设计方法有：优化设计法、广义优化设计法、方案优化法、图论及网络优化、离散优化、交叉优化、模糊优化等。

7．相似分析设计方法

相似模拟是现代设计的捷径

相似性设计是尽可能利用已有设计成果快速高效地进行新产品开发和设计，从而提高设计标准化水平，缩短产品开发周期。

相似理论是从描述自然现象所应服从的客观规律的数理议程及其定解条件出发，即从现象发生和发展的内部规律性和外部条件出发，从这些数理议程所固有的在量纲上的齐次性以及数理议程的形式不受度量单位制的选择的影响等前提出发，通过线性变换等数学演绎手段而达到自己的结论。

相似理论的发展趋势是，相似理论与模糊分析结合以解决建模过程某些不确定问题；相似理论与优化设计技术结合以解决模型最优化问题；相似理论与专家系统结合以解决建模过程中专家知识利用问题等。

相似分析设计方法有：相似分析设计法、模拟分析设计法、仿真设计法、仿生分析设计法等。

8．动态分析设计方法

动态分析是现代设计的深化。

根据世界是物质的，物质是运动的，运动是物质的存在形式，静止是相对的，运动是绝对的规律，动态分析是现代设计的深入要求。

例如，可靠性设计，又称为概率设计，以非确定性的随机方法研究与设计产品。其核心内容是针对研究对象的失效与防失效问题，建立设计计算理论和方法。在规定条件和规定时间内，完成规定功能的能力。研究产品工作状态的随机规律和可靠性，不仅揭示了事物的本来面貌，而且较全面地提供设计信息，能有效地处理设计中的一些问题，提高产品质量，减少零件尺寸，从而节约原材料，降低成本，带来较大的经济效益。

动态分析设计方法有：动态分析、模态分析、实验模态分析、可靠性设计、动态仿真、柔性设计法等。

9．离散分析设计方法

离散处理是现代设计的细解。

根据事物的可分性，离散――集合的规律，任何复杂研究对象、系统都可以离散成有限个或无限个基本的、简单的单元或子系统来分析、细解和处理，然后回复合成，得到总体的近似与圆满的求解。

例如，模块化设计。模块化产品是由一组特定模块在一定范围内组成不同功能或功能相同而性能不同的产品。设计模块和模块化产品，可以满足日益增长的多品种、多规格的要求。模块系统的特点是便于发展变型产品，更新换代，缩短设计和供货周期，提高性能价格比，便于维修，但对于结合部位和形体设计有特殊要求。

离散分析设计方法有：离散分析法、模块化设计、并行工程、成组设计、三次设计、反求工程、有限元法、边界元法、离散元法、离散仿真等。

10．模糊分析设计方法

模糊分析是现代设计的发展。

模糊性是事物客观存在的一种属性，运用模糊分析的度量方法是现代设计的发展和补充。

例如，聚类分析法是对事物按一定的要求进行分类的数学方法。聚类分析是数理统计中研究“物以类聚”的一种多元分析方法，即用数学定量地确定样品的亲疏关系，从而客观地分型划类。现实的分类，多伴随着模糊性，因此把模糊数学的方法引入聚类分析，就能使分类更切合实际。

模糊分析设计方法有：模糊概率设计、模糊控制设计、模糊优化、模糊决策、模式识别法、聚类分析法等。

11．虚拟分析设计方法

虚拟分析是现代设计的灵境。

虚拟现实（VR）又称之为灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。

例如，虚拟现实技术就是要把计算机从善于处理数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的、在思维过程中所接触到的、除了数字化信息之外的其他各种表现形式的多维信息。

VR是一系列高新技术的汇集，这些技术包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的形为学研究等多项关键技术。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术的更高层次的集成和渗透；它能给用户以更逼真的体验，它为人们探索宏观世界和微观世界以及由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律，提供了极大的便利。在虚拟现实技术的未来发展中，虚拟现实和实际境界之间的界线会变得越来越模糊。

虚拟分析设计方法有：虚拟分析设计法、虚拟现实技术等。

12．物元分析设计方法

物元分析是现代设计的拓换。

物元分析以物元理论和可拓集合理论为理论框架，这个硬核也包括了利用物元模型和可拓集合而把实际问题形式化的数学模型。物元分析把研究对象扩展到事物的质、特征和量值。物元分析试图在再次建立纯数学与应用科学的有机结合方面进行一种尝试，它朝着科学的同一化与综合化方向、沿着自然科学与社会科学结合的方向努力。

目前，物元分析已经在决策支持、创造性思维、企业管理、工程设计、过程控制、产品设计、智能CAD等领域得到应用，并取得了一定的成功。

物元分析设计方法有：可拓工程方法、可拓控制、可拓决策、可拓设计、可拓诊断、可拓识别与评判等。

13．网络分析设计方法

网络分析是现代设计的网化。

计算机网络是当今最热门的学科之一，计算机网络具有数据通信功能、资源共享功能、提高了可靠性、促进分布式数据处理和分布数据库的发展。计算机网络为进行远程设计、网络设计提供了极大的方便。

例如，计算机支持的协同工作与协同设计（CSCW）是研究和探索计算机技术对人类群体工作的支持。特别是利用现有的技术，如多媒体技术、网络与通信技术、分布式处理技术等建立一个多模式协同工作环境。CSCW为在时空上分散的人们提供了一个“面对面”和“你见即我见”的协同工作环境。改善了人类的信息交流方式，提高了工作质量和效率。从概念和思想方法上突破了传统办公自动化只能提高个人工作效率的限制。CSCW已被普遍认为是下一个世纪的人类工作的基本方式之一。

网络分析设计方法有：计算机支持的协同设计、远程设计、远程诊断、遥测、系统网络设计等。

14．人工神经网络分析设计方法

人工神经网络分析是现代设计的拟人。

人工神经网络的分类：按拓扑结构，神经网络可分为层次型、全互连型、混合型和区组设计型等；按信息流向，神经网络可分为前馈型、反馈型和混合型；按学习方法，可分为有教师指导型、无教师指导型等。对神经网络的研究主要有神经网络理论，混沌与时间序列的预测，新学习体系结构，回归神经网络，联想记忆，神经控制与系统建模，神经模糊系统，神经网络优化方法，神经网络用于图象处理，神经网络用于模式识列，神经网络专家系统，神经网络硬件实现方法等。

目前已提出的网络模型多达30种以上。

15．艺术分析设计方法

悦心宜人是现代设计的美感。

产品艺术造型设计是工程技术与美学艺术相结合的一门新学科。它是指产品在保证使用功能的前提下，用艺术手段按照美学法则对产品进行艺术造型设计工作，具有美的、富有表现力的审美特性。造型是艺术设计的重要一环。

造型设计由这样一些因素决定：色彩、形态、环境要素、人的要素、功能、构造、新技术、新材料、加工方法、经济性、人机关系专利、法规、法令等。造型设计应能体现高新科技水平的功能美，显示新型材质的肌理美，体现先进加工手段的工艺美，表达各造型因素整体调和统一的和谐美，追求时代精神的新颖美，体现色光新成就的色彩美等。

艺术分析设计方法有：造型设计、摄视设计、形象设计等。

16．工程遗传分析设计方法

工程遗传分析是现代设计的生化。

工程遗传算法是一种植根于自然遗传学的一种搜索算法，其综合了适者生成和遗传信息结构性及随机性交换的生物进化特点，使满足目标的决策获得最大的生存可能。工程遗传算法充分利用历经的信息来确定新的更好的搜索点。工程遗传算法完全不同于传统的优化方法，它是模拟生物进化机制而发展起来的一种并行全局搜索方法，是一种具有鲁棒性（即稳定收敛性）的搜索方法，适用于不同性质、不同类型的问题并能获得满意的解。工程遗传算法具有引人注目的优点：应用的广泛性、高度的非线性，适应性宽，并行性。

17．反求分析设计方法

反求工程是现代设计的逆化。

反求工程是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的组合。以先进的产品的实物、软件或景象作为研究对象，应用现代设计的理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识，进行系统的分析研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类产品。反求工程一般分三种反求方法：实物反求设计，软件反求工程设计，景象反求工程设计。反求工程包括设计反求、工艺反求、管理反求等各个方面。

18．下一代设计制造系统分析设计方法

下一代设计制造系统是现代设计的延伸。

下一代设计制造系统（Next Design Generation Manufacturing System）的概念源于美国国际智能制造系统（IMS）计划中的NGMS研究项目，其内涵包容了来自美国、欧洲及日本的有关先进制造技术的新概念，如敏捷制造、分形公司、精良生产、自主分布制造系统、生物制造系统等先进制造哲理、技术及方法形成的新一代设计制造系统。下一代设计制造系统是分别来自不同国家的制造新模式均有机互渗透、相互交叉的内涵，其核心为敏捷、自主、分布与协同，是所有这些概念的有机融合。下一代设计制造系统将以虚拟企业或准虚拟企业的形式，将具有自主与分布特性的企业通过国际互联网/企业内部网进行企业之间的集成，实现敏捷设计制造的策略。

19．绿色设计制造系统分析设计方法

可持续发展是现代设计的绿化。

绿色设计制造（Green Design Manufacturing），又称环境意识设计制造、面向环境设计制造等。1996年，美国SME提出绿色设计制造的概念，它的基本内涵可描述如下：绿色设计制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代设计制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小、资源效率最高。绿色设计制造涉及问题的领域包括：设计制造领域，含产品生命周期全过程；环境领域；资源领域。绿色设计制造是这三大领域内容的交叉和集成。

绿色设计制造的内容涉及产品整个生命周期的所有问题，主要是“五绿”问题的集成――绿色设计、绿色材料、绿色工艺、绿色包装、绿色处理。其中绿色设计是关键。

绿色设计制造的研究方法：模块化设计，神经网络和模糊数学的应用，公理化设计，虚拟拆卸等。（丁予展李畅）

作者: weizq73 时间: 2003-6-25 17:55
集中灌水

作者: weizq73 时间: 2003-6-25 17:55
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我国先进制造技术的发展及关键

一、概述

我国制造业产值占国民生产总值的40％，预计未来15年内制造业的年平均增长率将高于国民生产总值的年平均增长率。随着市场的全球化、多样化以及信息时代的到来，振兴国家的经济、提高综合国力的根本动力在于制造业的振兴。

对于制造业而言，竞争的核心是创新工艺和创新产品。进入90年代以来，各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，如美国的先进制造技术计划AMTP、日本的智能制造技术（IMS）国际合作计划、韩国的高级先进技术国家计划（G－7）和欧共体的ESPRIT和BRITE－EURAM计划。面临着市场、信息、环境和资源的严峻挑战，我国制造业的紧迫任务是要提高企业产品市场竞争力。而产品竞争力的关键在于创新，“设计是制造业的灵魂”，现代的设计理论和方法是我国制造业发展的首要问题。

二、先进制造技术的内涵与外延

先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology，AMT）是在制造全过程以及制造理念上融入信息科学、电子科学，计算机科学、材料科学、环境科学等新的知识和技术，产生出与传统的面向制造的生产技术有本质区别的，面向市场、面向用户的涵盖从设计、制造、生产管理、产品维护以至到报废的整个生产周期的集成制造技术，以实现快速、灵活、高效、清洁的生产模式。

先进制造技术是一个大制造的概念，涵盖了市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、监控检测、质量保证、生产管理、售后服务等整个生产过程。综合国内外在先进制造技术领域的发展，其外延归结如下。

1．现代设计理论和方法

市场竞争对产品设计的要求是要面向市场、面向用户的。并行工程（CE）的设计方法，以及由此派生出的一系列新的设计理念，如面向制造的设计（Design for Manufacturability，DFM）、面向装配的设计（Design for Assembly，DFA）、面向检测的设计（Design for Testability）、可负担性设计（Design for Affordability）、绿色设计等，使设计与制造系统的全过程相结合，产品开发的重点向产品设计过程转移，使设计涵盖了从产品概念设计到产品报废处理的整个生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户需求，并通过CAD/CAPP/CAM、快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）、虚拟制造技术（Virtual Manufacturing，VM）等在设计的初期对产品的结构、工艺进行优化，对产品的性能进行预测。

2．先进的加工制造技术

产品的加工制造是AMT的基础，是实现快速、灵活地生产出创新产品的主体，进入90年代以来，加工制造技术有以下的发展趋势：

（1）精密成形技术包括精密铸造、精密锻造、精密焊接以及精密超精密机加工。

（2）特种加工技术如激光、电子、离子束、高压水束、电化学及电火花加工技术。

（3）快速原型制造技术RPM（Rapid Prototyping manufacturing）。

（4）CAD/CAE/CAM/PDM集成的制造系统。

（5）柔性快速制造系统FMS。

（6）微米/纳米加工技术。

（7）少无污染制造与报废产品的可拆卸重组技术。

（8）制造过程自动化如数控（NC）技术、CIMS，虚拟制造（Virtual Manufacturing）、全能制造（Holonic Manufacturing）、智能制造（Intelligent Manufacturing）、敏捷制造（Agile Manufacturing）、智能4M（Modeling，Manufacturing，Measurement，Manipulation）技术等。

3．先进的生产资源管理模式

制造企业从社会大市场中获得资金、物资、人才等资源，又将资源转化为某种社会需求的产品，因而制造企业必须用最少的资源消耗，获取最大的增值。有效的资源获取、转换和分配就成为制造企业经营活动的主要内容，如编制满足需求数量和交付期的计划，监督和控制该计划的实现，并且保证资源的分配最合理和消耗最少。从60年代初的物料需求计划（Material Requirement Planning，MRP）到制造资源计划（Manufacturing Resource Planning，MRPⅡ），以至准时化生产（Just-In-time，JIT）、企业资源计划（Enterprise Resources Planning，ERP），形成以MRPⅡ/ERP为代表的，以信息技术为基础的，包含先进管理哲理、理论和方法的，进行企业资源计划与控制的高度集成的管理信息系统，成为对企业影响深远的战略工具。

同时，产品的质量已经成为企业生存的命脉，对制造全过程进行质量管理，把形成产品质量的设计试制过程、制造过程、辅助生产过程、使用过程都管起来的全面质量管理（Total Quality Control，TQC）应运而生，它不仅全面提高产品质量，而且还要保证使用质量，把质量管理从原来的生产制造过程扩展到市场调研、质量发展规划、研究开发、设计、试制、试验、工艺技术、原材料供应、检测仪表、生产、工序控制、成品检验、包装、销售、用户服务等各个环节。

三、我国发展先进制造技术的经验和教训

1．产品的研究开发与生产制造过程脱节

制造业中广泛存在市场意识淡薄的问题。长期以来，产品品种单调，竞争力不强，特别是市场需求对企业的要求不能有效地反映在技术创新上，科研、教育机构对企业的技术需求也认识不够，这也反映了国家科技政策中对技术服务于市场才能创造新的生产力的忽视，最终的结果表现为官、产、学、研的脱节。

2．国外先进制造技术的引进与国产化弱的矛盾

一是我国在引进先进制造技术的过程中，很多企业存在盲目引进的状况，不注重引进后的消化吸收，而且在一些具体技术的引进中，买到的技术往往要有一定的滞后性，如果不能很好的消化吸收并进行提升的话，只能是“引进一代，落后一代”。

二是在引进中“重硬轻软”，大型生产线、设备引进的巨大投资与对先进的管理机制、管理模式的忽视很不协调，这在汽车、船舶、机床等行业都普遍存在。以MRPⅡ为例，在引进上投入的巨资达80亿，但用得好的企业并不多。因为MRPⅡ并不单纯是一个硬件的先进程度和计算机用得好不好的问题，更重要的是其内涵的管理思想和模式。

3．设计开发的方法和手段落后

当前世界上现代的设计理论和方法已经形成体系，如全寿命设计、绿色设计、可靠性设计等，将生产的全过程和环保等要求贯穿于设计中。而我国的大多数企业还是停留在经验设计阶段，缺乏自主开发能力，即使在开发成功的机电产品中，也有相当一部分是要利用国外的技术。

从设计手段上来讲，以CAD技术为例，大多数企业还是局限在甩图板的水平。而目前的世界水平已经达到三维快速实体造型、结构强度分析以及工艺优化的整体设计。第一架无图纸、无样机上天的飞机――波音777，开创了制造技术史上的新时代。当前工业发达国家的CAD技术普及率已达到60％，而我们国家平均仅为5％左右，无论从质上还是量上都亟待发展。

四、先进的设计理论、方法和手段是发展我国先进制造技术的关键

缺乏自主开发能力，产品缺乏市场竞争力是我国制造业的突出问题。如果没有好的产品，再好的CIMS系统、柔性加工系统，或者MRPⅡ、ERP以及TQC、并行工程等用得再好，企业也无法生存。因此，发展先进制造技术的首要问题是更新传统的设计方式，建立基于知识、面向市场的设计。

现代的设计是基于知识的设计，知识信息以数字化的形式存在于设计制造过程。产品和工艺越来越复杂，包含越来越多的规则，要求多个远程的组织和个人进行协同设计。而且，对产品可靠性和安全性的进一步认识要求更安全的设计；对环境恶化与全球人口膨胀的认识要求更具有环境友好性的产品和工艺设计；对可持续性发展的认识也要求对产品报废后的可回收性进行设计。以下对我国未来21世纪工程设计理论和技术进行分析。

1．设计决策的准确评价与虚拟技术

设计是一个建立在决策理论上的、基于规则的决策过程，决策理论包含三方面的因素：决策目标选项的获取与识别、选项结果的预估或期望、优选项的确定过程中参数或取值的使用。对设计的评价需要各方面的分析，如有限元分析、传热分析、流体分析等，所使用的技术主要依赖计算机技术，而虚拟设计（Virtual Design）就是未来有潜力的进行设计决策评价的有效工具。

CAD通常只考虑产品各个子部件的几何特征和相互间的几何约束。而虚拟技术在虚拟现实（VR）的环境中，将安全性、人机工程学、易维护性和装配标准等多种所需满足的条件集成到设计过程中一并考虑。这一技术以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持，在产品进入物质流程以前，在信息流程中通过对虚拟环境下的软产品原型（Soft prototype）进行感受、试验，对产品将来的性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短设计开发周期，降低开发成本，提高企业的快速响应能力。

虚拟设计将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，以优化产品设计及工艺过程，其发展趋势有：

（1）产品及工艺建模，通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型，建立将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来的，包括物理和数学模型、统计模型、计算机工艺仿真、制造数据表和制造规则的工艺模型。

（2）仿真技术，利用产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真，对设计结果进行评价，实现设计过程的早期反馈。

（3）以互联网为基础，建立虚拟研究开发中心、虚拟企业，将异地的研究开发力量和经济实体联系起来，以联合设计和资源共享为制造提供全球性的技术支持。

2．并行设计（Concurrent Design）

并行工程（Concurring Engineering，CE）的首要目的，就是通过各生产准备部门的并行工作，而使产品的生产技术准备时间显著缩短。其次，由于各部门的工作同步进行，各种相关问题在生产准备阶段便能得到及时沟通和解决，不至于将问题拖到日后正式投产时才暴露，防止对生产可能造成的极大损失。从这一意义上说，CE还有保证并提高产品质量的功能，而且缩短生产准备时间，有利于降低成本。

现行的CAD技术是一种顺序设计，往往不能排除实际生产中屡见不鲜的工程更改问题。这种工程更改往往导致在制品半途而废、已准备好的工艺装备不能使用，从而造成不应有的生产中断、生产费用增加以及产品交货期的延迟。CE这种系统的集成方法，在现行CAD的基础上，根据企业的不同考虑，进一步发展DFX设计方法，如面向制造的设计、面向装配的设计、面向检测的设计、可负担性设计等。目的是使设计人员在新产品的设计阶段便考虑到它们应该易于制造、装配和检测维修，从而使新产品在制造与装配过程中的工程更改减少到最小程度。

如何有效地将产品仿真模型的几何信息转化为制造信息是并行设计的关键，由CAD产生模型的几何信息通过处理、转换后，生成制造模型后直接用于可制造性评价、数控编程，CAD/CAPP/CAM的一体化使设计和制造在制造模型辅助下并行地进行。并行工程的思想要求CAD将不再只是单纯的利用计算机软件绘图，而是要利用先进的计算机技术，进行产品的三维实体造型、机构学分析、结构强度的校核、制造工艺的优化等全方位的设计，是C3P（CAD/CAE/CAM/PDM）以及CAPP技术的整合，并以RPM及VM等技术与制造过程相衔接。

3．协同设计与设计信息管理

在设计过程中，设计数据及设计所需的各种文件需要方便快捷的数据库来管理和维护，而且现代的工程设计已经成为由多个远程的团队和个体进行协同工作的过程，这些团队包括不同组织的设计人员，他们的设计目标往往有一定的交叉，因而，从数学上理解，协同设计是一种合作决策。在这种合作中，多个设计人员要同时对设计数据库进行访问和修改，并且，由一个设计人员所作的修改能迅速更新并为其他人员所获得。为实现这种协同设计，要由计算机网络通信技术保证优质的传输协议、有效的信息集成和快速安全的通信，如SDRC公司在其刚刚发布的I-DEALS7.0版本中，增加了利用普通浏览器从网络上查阅产品设计信息的功能，为远程的协同工作提供支持。

4．全寿命设计的思想

现代产品设计要求对设计、制造、装配、安装、维护、报废等产品的整个生命周期进行综合考虑，全寿命设计是面向产品的整个生命周期中的多个目标进行设计，以满足市场、用户、资源、环境的多方要求。一辆汽车出厂后，后边的运行、维修，一直到报废都是设计中要考虑的问题。

在全寿命设计中，设计对象是一个时变的系统，不仅设计师要知道设计对象的时变规律，而且要让用户随时知道产品使用过程中当前的状况，因此，对重大的产品，要考虑其状态监测和故障诊断功能，对状态稳定要求高的产品，状态补偿和控制结构也是必然考虑的因素。

5．绿色设计

制造业的可持续性发展是全球可持续性发展战略的重要组成部分。绿色设计是以节省资源和保护环境为指导思想的一种新的工业设计方法。传统的产品设计制造往往忽略了对自然环境的影响，使得越来越多的有害废弃物轻易地进入环境而在无形中破坏了环境，在原料取得、制造、销售过程中随处可见废弃物。若不将最终消费者的行为计算在整个过程内，仍然有许多可再制或再生的资源未经使用就被废弃了。全球环境的日益恶化使制造业面临如何在获取最大效益的同时，提高资源的利用率、减少废弃物排放的挑战。

围绕绿色设计这一设计思想，国际上还提出了环境意识的设计与制造（Environmentally Conscious Design and Manufacturing，ECD&M）、面向环境的设计与制造（Design and Manufacturing For Environment D&MFE）、生态工厂（Ecofactory）、清洁化生产(Clean Production)等概念，它们的研究都是全球可持续发展战略在制造业中的体现。

绿色设计要考虑以下的因素：

（1）环境友好在制造和使用过程中对人体无害，对生态环境无影响，人体环境舒适、友好。1993年，美国三大汽车公司联合实施清洁车计划（Clean Car Initiative），提高燃料效率、应用轻型、可回收材料和减少大气污染的催化剂。

（2）节省资源节省材料、能源和人力资源，尽可能利用可再生或易于再生的资源，如太阳能、可再生生物资源（以不破坏生态平衡为准）和信息资源，使产品在使用过程中能耗低。

（3）可回收性采用面向拆卸以及回收再利用（Design for Disassembly and Recycle）的设计方法，并且要尽可能地减少使用材料种类，选用可回收、可分解材料，以利于产品在报废后分类回收和循环再利用。（姚福生连军）

作者: weizq73 时间: 2003-6-25 17:57
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制造业产品的创新设计
谢友柏

多层次产品创新

    制造业的产品创新问题涉及许多方面，不能就创新讨论创新，最重要的是要研究创新的环境、创新的动力、创新的过程和创新的源泉。

    我国制造业的发展经验主要是仿制和引进，仿制当然越来越不合法了，引进就是依赖国外成熟的技术图样和加工设备进行制造。当然，人家是不会把竞争力让你引进的，所以许多企业在竞争中始终处于劣势，不得不反复引进。另一方面自从开放改革以来，整个社会发展很快，特别是经济，少数制造业在产品创新上搞得很好，其产品的先进性已经具有在世界范围中竞争的能力。所以，我国实际上是一个多元体系的社会。考虑问题，不能离开多元体系的特点。这就是说，既要充分发展和利用那些先进的因素，又不能离开存在广泛贫穷和落后的现实。而且还要看到，这种先进与贫穷落后的关系，又是在不断的变化和重组之中。重组可能是我国制造业今后相当长时期中变化的最重要的形式。

    产品创新是为企业利益服务的。生存于这样一个多元体系环境中的制造业，其产品创新可以有非常广泛的内涵。除了技术上的创新，当然还可以有管理上的创新，销售上的创新，售后服务上的创新，等等。现主要讨论技术上的创新。如果举两个极端情况来看，一个是能满足大范围当前需求的产品创新，例如农用车的设计和生产。这里面包括能更好地解决大多数人的衣、食、住、行问题和因为有了市场从而能解决大量劳动力的就业问题，虽然往往并不含有很多新的技术。即使是主要依赖引进技术，对人家讲并无创新可言，但对我们来讲，只要产品在技术上有了进步，给企业带来了效益，就不能否认这种创新的意义。但是这种产品创新并不总能为企业带来效益，原因是它并不总能在技术飞快发展的今天为企业带来竞争力。于是就产生了对另一种产品创新的追逐，这就是开发在技术上占有竞争力制高点的新产品（有重要技术进步，且为独有，并形成国际范围中的竞争力）。在我国可以举程控交换机和磁悬浮支承作为例子。

    因此，产品创新可以有很多层次，不能用一种简单的理解去解决建模问题。关于这个问题目前是各说各的，原因是这些研究仅仅从技术上争论，实际上产品创新问题是不能脱离社会环境来讨论的。

    制造业的产品在技术创新上大致可以作以下分类：

    第一种是无重要新技术，但在形式上翻新，因而能获得相应竞争能力；例如按用户定单生产不同颜色的自行车，虽然在生产管理上有所创新，也形成了新的竞争能力，但自行车的性能并无重要变化。

    第二种是含有（开发了）重要新技术，使产品竞争力有重要提高，或形成新竞争力的制高点。例如程控交换机，原来用的是5mm线宽的芯片，现在做出了3mm线宽的芯片，结果功能增加，体积减小，这种设计和制造更小线宽芯片的技术，就是新竞争力的制高点。又如膨胀机，原来用滚动轴承或滑动轴承，后来开发出和应用了磁悬浮技术，不仅具有自平衡和自诊断的功能，而且没有润滑剂的污染，这也是一种新竞争力的制高点。

第三种是有完全创新的功能。例如电子宠物，原来没有这种宠物，原来没有这种产品，企业发明并把它变成了产品，从而获得了很大的利润。DNA分析仪也是一例，过去不知道DNA，后来知道了，而且想利用它，才产生了许多支持各种研究DNA所需的仪器。

竞争力诸要素

    要提高产品的竞争力，就要研究构成竞争力的诸要素。这是一个复杂、模糊的问题。既有技术上的因素，又有社会上的因素。既有经济上的因素，又有心理上的因素。有的已经可以量化，有的目前还很难量化。因此很难放在一个模型中运算。但是这个问题必须要不断地进行研究和加以解决。原则上讲，制造业产品的竞争力可产生于以下各方面的部分或全体：功能，质量（功能的实现及保持），价格（全成本，效益），交货期，售后服务（维修，升级，培训），环境（含人，机）相容性，营销活动。

    通常说产品的性能，实际上是指产品的功能和质量两个部分。这是竞争力的首要内容。用户购买某个产品，首先是购买它的功能，也就是实现其所需要的某种行为的能力。例如买一台计算机，就要看它的运算速度，内存大小，硬盘大小，带有什么软件，能处理哪些工作？质量是指产品功能实现的程度和在使用期内功能的保持性。

    其次是价格，这是一个错综复杂的关系。首先它与性能有关。顾客购买商品，它要在付出和受益两方面权衡。付出不仅在购买时，而且在整个使用期中，有时甚至包括报废处理。而使用期中的付出，又和售后服务有密切关系。

    交货期直接影响到顾客的受益，也是一个重要的因素。缩短设计和加工周期是制造业正在认真对待的事，要求充分利用各种现代技术快速获取设计和加工工艺的新知识，以期在极短时间内设计和制造出具有新功能的新产品。

    售后服务也是影响用户利益的重要因素。目前国内家电市场上，售后服务已经成为顾客首先考虑的问题之一。

    产品与人的关系，产品与环境的关系是必须加以考虑的。产品使用时对人的友好程度，也是性能的一个组成部分。是否对环境造成危害常常成为法律问题。甚至连报废后的处理，也是企业必须考虑的。

    营销基本上是一个社会活动，但在竞争力中占有极重要的地位。营销活动必须有坚强的技术知识作为后盾。许多企业，例如MAN公司的销售经理，任职之前必须曾在公司多个技术部门和车间做过负责工作。

    研究竞争力要素，首先要为各个要素建立合适的量化模型，在可取范围中确定度量的方法，使定性的描述量化。然后建立各要素之间关系的模型，研究综合考虑各要素的运算方法。有时性能（设计和制造）上的创新可以给产品带来很大的竞争力，但并不一定总是如此。不能在创新和竞争力之间划一个等号。但一般说来，无论哪一方面的创新总会提高竞争力；而性能上的创新，则往往起着根本的和持久的作用。

    从以上的分析中可以看到，大部分构成竞争力的要素，都是在产品的设计阶段确定的。首先，产品的功能只可能由设计决定。产品的质量则是取决于设计和加工两个方面。产品生命周期成本的80%~90％是由设计阶段最早的10%~20％环节决定的。合同生产型企业的设计开发周期要占整个产品交货期的60％以上。售后服务的难易和成本，直接与设计有关。而产品与人和环境的关系，则主要来自于设计。所以凡是讲产品创新，总是要联系到产品的设计创新。所以应当把设计看成是决定竞争力的最重要的阶段。

    关于产品创新设计中的决策，已有很多技术参数优化方面的研究成果，但在市场导向的环境中，仅从技术上优化是不够的。研究竞争力要素，目的就是突出综合考虑社会因素和技术因素。支持这种模型的理论，可以称之为优势设计理论。而优势设计理论中目前最难解决的，就是那些社会因素的建模问题。

产品创新与知识获取

     技术上的创新可以有很多层次和广泛的内容，但又并不是什么都可以列为产品的技术创新。产品技术上的创新，应当有其一定的内容、范围和特点。否则，把创新神秘化或庸俗化，对提高竞争力都没有好处。

     发现新的科学规律不属于产品创新范畴，至少科学规律还不被公认为制造业的产品。虽然它们是新知识的组成部分，但其中往往只有很小一部分以后也许能支持某些产品的技术创新。而且还要经过有明确目的的研究，才能确定其在什么条件下能够加以利用和如何加以利用，这个过程有时会是很长的，所以一般不能激起企业的投资激情。

    仿制已有产品不属于产品创新范畴。虽然仿制本身同样需要克服很多困难，但是在产品中并没有物化了新的知识。过去常常把填补空白给以很高的评价，这是封闭时代的概念。在开放的环境里，不会有很多空着的市场，其他企业很快就会把这些空白填满。只满足于填补空白，不争取更上一层楼，给企业和国家都不会带来什么好处，所以以后应当不鼓励这种填补空白的仿制。

    在科学发现与产品之间，有以下一个公式：科学发现 [$reg] 技术 [$reg] 产品。而企业有兴趣的，可以是后半部或全部，但主要是后半部，这取决于企业的投入能力和远见。当然要企业投资于公式的前半部，就必须要有非常明确的产品创新目标。

    把技术变成产品，使产品中含有创新的成分，是多数企业竭尽全力竞争的目标。技术并不等于产品。把一种技术用于设计或制造产品，仍需要进行研究和获取有关应用这种技术的知识。这就是为什么有些企业虽然仿制了别人的产品，甚至引进了别人的图样或技术，却仍然做不出具有与别人相同质量的产品，这就说明其中还有未知的知识。不思创新的仿制，往往会得到这样的结果。把技术变成产品的过程较短，投入的目标比较明确，风险也较小，多数企业可以做而又非做不可。实力较大的企业，就把研究向上述公式的前半部推进，以期取得更大的竞争优势。

    什么是推动产品创新的动力，答案是利润，也可以说是市场，利润来自市场，只有更多地满足用户的要求，才能更多地获得利润。但并不是所有用户的需求都能在有利润的条件下实现，否则就没有竞争了。解决这个矛盾要靠新技术，也就是新知识，这常常是竞争的核心。一方面要了解和研究用户的需求，包括潜在的需求；另一方面又要对技术可能进行思考，在各种可能的或潜在的技术方案中进行搜索。所谓搜索，就是针对各种方案的全局或局部的实现可能性去获取知识（这个问题将在下面做更详尽的讨论），进行比较，作出判断并在产品中予以实施。这个过程实质上是一个研究的过程，更确切的说，是一个知识获取的过程。当矛盾统一时，就是过程的终了，也就是创新的完成。在竞争中，谁完成这个过程早，谁完成得好，谁就是竞争的胜者。所以可以说：产品创新是市场需求与技术可能对立的统一。产品创新设计就是企业完成这个统一的行为的决定性环节。

    既不能把产品的技术创新看成是由灵感支配的，因为它基本上是一个基于知识和获取知识的过程，离开知识将一事无成，又不能把它看成是一个可以由已有知识推算出来的结果，所以这个过程是不可能完全由计算机来执行的。至少有两方面原因：一方面是因为它依赖于新知识的获取，而新知识又不是都能从计算机中产生出来的。另一方面原因是把已有知识和新知识的片断连结起来时，仍然需要经验和灵感。当需求和技术矛盾在人的大脑中激化时，推动人的思维积极进行，此时常常会如火花迸发一样地产生出解决问题的办法。没有尖锐的矛盾，产生不出好的设计。这个过程现在还不是很清楚，还仍然是以人为主。不过如上产生的解决办法只是一种设想或甚至是幻想，能否实现或能否经济地实现，需要依赖针对这种设想或幻想去获取新知识。只有确知其可行性，才能确认新产品的成立。

    产品的创新设计可以由以下公式描述：

需求的确认 [$reg] 技术可能（含潜在可能）扫描 [$reg] 矛盾统一设想（概念）的产生 [$reg] 经济分析（贯穿全过程）[$reg] 设想的优选和确认 [$reg] 结构的优选和确认 [$reg] 加工过程的优选和确认。从这个公式可以认为，创新的源泉是不断更新的知识集合。

设计知识获取资源的利用

    前面已经说过，创新的源泉是不断更新的知识集合。产品创新设计和新知识获取是两个不可分割的过程。设计一个产品的知识，通常产生于以下几方面来源的信息：已有知识，

市场信息，数字仿真或虚拟现实，物理模型试验，样机试验，已有产品运行中的表现（用户反映）。

取得上述信息并由之获取设计知识，并不是容易的事。它需要大量的人力、物力和财力。

设计知识获取能力是一种综合实力，既包括经营管理，也包括技术水平；既包括综合实力，也包括人才实力；既包括先进的设备，也包括过去的经验。它们的总和，可以看成是一种资源。我国制造业当前所面临的严重的问题，就是缺少或甚至基本上没有这种资源。这个任务当然首先要由企业自己来解决。企业如果不能从根本上改变对这个问题的认识，那么谁也帮不了忙。很多企业并非完全没有资金，但是过去他们往往宁愿用来添置加工设备。这种倾向与我国制造业在长期仿制和引进中形成的观念是分不开的。出于同样原因，具有获取设计知识能力的人才，也不被重视或仅仅得到一般的重视。

    我国的确也存在相当一批可以支持产品开发中设计知识获取的资源或潜在资源。这些资源大多存在于科研院所、大专院校、国家和部门的重点实验室或开放实验室、工程研究中心等机构中，拥有这些资源的单位往往在某些技术领域中雄踞一方。它们的总和被认为是内地与香港、台湾甚至东南亚相比的优势，即“具有比较完整的科学研究体系和雄厚的科技力量”。但是它们目前的状态是分散的，不在企业内部，而且其中不少还并没有准备好为这一目标服务，只能算是“潜在资源”。这种潜在资源，他们习惯的工作方式是：立项、给经费、组成课题组、研究一年数载、结题、鉴定。如此方式较适合基础性研究，不适合支持激烈竞争中的产品开发。为使这些资源能发挥企业内部研究开发中心的作用，特别是对于潜在资源，以下两方面工作必须认真去做：

（1）持续地建设这些支持为开发产品获取设计知识的资源，让潜在的能力变成现实的能力，既包括采用许多现代的技术措施，也包括改造与此相关的部份管理机制，目标是能快速响应产品设计任务所提出的需要。

（2）让这些企业外的资源能以企业开发某项产品的行为为中心和企业组织在一起，共同为这个项目的完成进行设计知识、特别是新知识获取的工作。

    做成这两方面工作，并非易事。有三个层次的问题需要解决。

首先的层次是观念上的问题。现在大家都讲竞争，竞争是优胜劣汰。强强联合优于单干，所以合作在竞争中占有极其重要的位置。

第二个层次是管理上的问题。管理不好的合作当然还不如单干，愿望要靠组织和规章（法律）保证。这里面有两个具体问题：一是参与各方所提供的知识的知识产权问题；二是利益在参与各方之间的合理分配问题。

    第三个层次是技术上的问题，因为这种资源是一种分布式的资源，有关部分相距甚远，如果不利用现代的网络技术，就根本不可能使它们像一个整体一样运行。

作者: weizq73 时间: 2003-6-25 17:58
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产品开发的可制造性设计方法

李宗斌陈富民

    进入九十年代以后，世界市场发生了根本的变化，新产品的开发周期和产品的上市时间成为竞争的主要因素。为此，企业必须掌握并很好地利用先进的产品开发设计技术，尽可能缩短新产品的开发周期和产品的上市时间，才能使自己在激烈的竞争中得以生存和发展。

可制造性设计（DFM,Design for Manufacture）是并行工程中最重要的内容之一，其主要目标是：提高新产品开发全过程（包括设计、工艺、制造、销售服务等）中的质量，降低新产品全生命周期中的成本（包括产品设计、工艺、制造、发送、支持、客户使用乃至产品报废等成本），缩短产品研制开发周期（包括减少设计反复，降低设计、生产准备、制造及投放市场的时间）。

可制造性设计（DFM）是把CAE／CAD／CAPP／CAM的集成化和可制造性分析结合起来，在设计的初期就把制造因素考虑进去。其组成部分有：（1）确认当前制造过程的能力和限制。产生生产过程的结构化分析和数据流向图，由相应部门对其进行审查，剔除多余的操作并验证实际过程。（2）对设计的新部件及其装配关系，进行可制造性、可装配性、可测试性、可维护性及整体设计质量的论证和检查。

    现代技术的不断进步和市场的激烈竞争，促使新产品的开发过程跟着迅速的变化。面对来自市场的竞争压力，企业的财政前景在很大程度上依赖于新产品的推出。新产品的开发周期包括产品的概念设计和开发设计两个阶段。

在产品的要领设计阶段可以采取的方法有：可制造性设计原理（PDFM，Principles of Design for Manufacture）方法；质量功能配置（QFD，Quality Function Deployment）方法。

一、可制造性设计原理方法和质量功能配置方法

1. 可制造性设计原理方法

可制造性设计原理方法是一种结构化方法，它从一系列的功能要求出发，完成产品的设计。可制造性设计原理方法可用于开创性的产品设计。它是由美国麻省理工学院（MIT）的Nam Suh提出来的，它把设计过程看成功能要求的开发，把这些要求通过设计矩阵映射成设计参数，然后再映射成制造过程的参数。功能要求和设计参数是层次性的，应将其分解成为子要求和子参数。在设计中存在两类约束条件：输入约束，由产品说明描述决定；另一类是系统约束，由产品的使用条件决定。设计函数由这两类约束条件限定。

可制造性设计原理方法中有两条基本的设计原则：独立性原则，保持功能要求的独立性；最小信息量原则，使设计的信息量最小。从这两条基本设计原则出发可得到一些推论（设计准则）；耦合设计的去耦；功能要求的最小化；物理部件的集成、标准化；对称性；最大的公差。

2.质量功能配置方法

     质量功能配置方法属于设计质量工程的范畴，于70年代初起源于日本三菱重工的神户造船厂。福特公司于1985年在美国率先采用QFD方法，使福特公司的产品市场占有率得到很大的改善。现在美国很多公司都采用QFD方法。质量功能配置方法是在产品生命周期的较早阶段实现的，着重于用户的输入。质量功能配置方法可作为系列产品设计的准则。在这种情况，用户已熟悉产品功能、预期的用途，设计技术也已成熟。为了保证产品满足顾客需求，能为顾客所接受，企业必须认真研究和分析顾客需求，并将这些需求通过产品规划矩阵、零件配置矩阵、工艺规划矩阵、工艺／质量控制矩阵映射成技术需求（最终产品特征）、零件特征、工艺特征如质量控制方法。质量功能配置方法的最为显著的特点是要求企业不断地倾听顾客的意见和需求，然后通过合适的方法和措施在开发的产品中体现这些需求。所以说，质量功能配置方法是一种顾客驱动的方法。

二、工艺设计规范、公差分析、鲁棒设计

1.制造工艺设计规范

对可制造性设计来说工艺设计规范非常重要。大多数工艺设计规范方法最初是作为人工装配的准则，以后发展到包括自动和柔性装配，金属薄板加工、塑料模具以及印刷电路板的加工等。它们很快被自动化程度很高的大公司所采用，如汽车制造和计算机领域中的大公司。由于这个原因，人们普遍认为这些设计规范方法只对那些大批量生产的制造企业有益。然而，它们对小批量生产的行业甚至可能更加重要。由于单件产品的成本非常高，此外，专门的加工设备和备件的成本也在不断地增加，这些行业的重点在于降低产品的制造和现场支持的成本

2.公差分析

现代制造技术要研究几何尺寸和公差及其在可制造性设计中的关系。几何尺寸和公差（GDT,Geometry Dimension and Tolerance）能使设计师从功能和制造前景两方面客观评价产品。而且，这是在产品设计的早期阶段进行的，所以，GDT经常被称为是可制造性设计的有利工具。GFT已被证实具有可重复性、能降低零件成本、扩展公差、具有更好的互换性、概念表达清晰等优点。

公差分析包括零件的功能分析和可装配性分析。它并不是新概念，但它的重要性是不容低估的。零件的样品原型和实际生产的零件之间，还存在一定的尺寸差别。设计因而被分成完全不同的两类：原型设计和第二次的生产设计。每个阶段的目的不同，所以制造、装配的工艺以及胜任都不同。如果意识不到这一点，就意味着要冒很大的失败危险。常常存在这样的情况，产品在原型样品阶段完美无缺，而一旦投入生产就可能成为废品。公差分析就是避免这种情况发生的有力工具。

目前CAD系统猛增，这对产品设计非常有益，能起到促进作用。但是，应注意到的是公差分析涉及到对产品功能的理解，以及制造零件时的工艺知识等等。即使采用CAD制作原型样品，仍要进行一个单独的公差分析研究。

一个产品是由用不同材料制成的零件组成的。由于这些用不同材料制成的零件不仅在性质上各不相同，而且零件规定的公差也会有一个很大的范围。薄板零件与机械加工零件相比，要求有一个更宽的公差带。塑料模制零件，一旦模具制成，并规定工艺，各批零件的尺寸偏差就会非常小。而用机械加工制成的零件，每批产品的尺寸偏差就会不同。了解制造工艺可以防止过于保守的设计，而保守的设计必定会增加成本。

三、可制造性设计（DFM）工程项目的管理

可制造性设计工程项目的管理是非技术的，但又是非常重要的一个方面。其主要的内容是可制造性设计工作组（Teamwork）的组织、管理和评估。

可制造性设计工程项目工作组是多学科项目组，是由各功能小组（如设计、可靠性、制造、质量等）的人员，以及采购人员、供应商及用户等组成。这种工作组把设计和开发产品的各个技术方面统统管理起来，并将其集成。项目负责人具有更多的责、权、利，掌握更多的权限。小组成员向项目负责人汇报，项目负责人再向更上一级的管理人员汇报。很显然，这种管理方式有可能引起职能部门管理人员的不满，他们会认为他们的权限被篡夺。在传统机构内成功的运行可制造性设计，就必须克服这种观念上的障碍。同时全体工作人员必须有这样的态度：即可制造性设计是每个人的事。

四、实施可制造性设计在信息技术方面需要解决的问题

1.统一的模型

统一的产品信息模型是实现集成的关键，它保证产品信息的唯一性，使设计人员使用“同一种语言”对同一产品进行交流和数据操作。

2.分布式环境

分布式环境就是可互操作的计算机环境，是为了使各工作小组中的技术人员有效地进行各自的工作，在各自的工作站和微机上共享统一的产品信息模型，利用各自的计算机辅助系统进行分析、设计、仿真、评论、并提出改进意见。计算机网络和分布式数据库保证了它们之间的信息传递。

3.统一的数据交换标准和开放式集成框架

在制造环境中，要以计算机可识别的形式来表示和存储产品数据，并在各个自动化系统间交换这些数据。产品数据交换经常出现在下列情况：（a）不同技术设计部门之间；(b)设计、生产准备和加工部门之间；（c）组装厂家与零部件供应商之间；(d)不同时期研制的产品型号之间；(e)不同用途的CAD／CAPP／CAM系统之间；（f）同一CAD／CAPP／CAM系统的不同版本之间。

现有的CAD／CAPP／CAM系统大多是以单元自动化为目标来开发和应用的，各系统的数据在逻辑结构和物理结构上存在较大差异，给数据交换带来困难，因此，产品数据交换就成为亟待解决的问题。利用统一的数据交换标准和开放式集成框架，提供统一的图形用户界面（GUI），实现数据和异族工具的互操作。

STEP是国际标准化组织ISO 10303从1984年开发的产品数据交换标准（Standard for thd Exchange of Product Model Data），是一套关于产品全生命周期内数据的表达与交换的国际标准。它的一些应用协议已陆续开发完成并在工业中应用。

4.自动化的产品数据管理（产品数据管理（PDM－Product Data Management）技术

在制造企业中，产品的制造活动不仅是一个物料转换的过程，而且是一个复杂的信息变换过程、信息传递是否正确，直接影响着制造活动能否正常进行。因此，对信息的有序管理在企业中有着举足轻重的地位。许多企业都为大量的设计数据困扰，由于缺乏有效的管理工具，经常出现数据文件误置和数据传递错误以及数据查找困难等问题。企业对工程数据管理问题以前没有引起足够重视，大量的设计数据依靠人工管理，设计数据查找困难，重用性差，而且经常发生错误。总之，在制造企业计算机集成制造环境中，在现代产品开发及设计过程自动化需求的驱动下，能够集数据库的管理数据能力、网络的通信能力以及过程的控制能力与一体，能够实现分布式环境下设计活动的信息交换与共享并对设计过程进行动态高速与监控的PDM系统就应运而生了。

PDM技术的功能有：设计检索；BOM（Bill of Material）与配置管理；版本管理；工作流及过程管理；数据流管理；工程更改管理、检查与圈阅等。PDM技术给制造企业带来以下的好处：能及时提供给设计人员正确的产品数据，避免了繁琐的资料查找，提高了设计效率；保证产品设计的详细资料能有序存取，提高了设计数据的再利用率，减少重复劳动；有效控制工程设计更改，决策人员可以方便地进行设计审查；可以进行产品设计过程控制，提供了并行设计的协同工作环境；有利于整个产品开发过程的系统集成（包括供应商、销售、支持与维修服务等）。

作者: weizq73 时间: 2003-6-25 17:59
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产品生产新思路：大规模定制 　　　　　　　　　　　　　　方霏

掏出28块钱后，我是最后一个离开书店的。整整四个小时，靠着书架一口气读完这一精彩之作：《21世纪企业竞争前沿――大规模定制模式下的敏捷产品开发》。

David M.Anderson（大卫M.安德森）博士是安德森研究与咨询公司的管理咨询顾问，专门提供实施敏捷制造和大规模定制方面的咨询。安德森博士具有23年的工业经验，曾担任英特尔系统集团公司柔性制造部门的经理。B.Joseph Pine Ⅱ（B.约瑟夫.派恩二世）是策划前景LLP公司的创始人，致力于大规模定制的咨询顾问。有了对中国企业具体国情的了解，有了大规模定制生产模式的理念升华，有了面向全球竞争的现代企业管理思想，也就有了安德森博士和约瑟夫.派恩二世先生的这本十分有价值、不可多得的好书。

在大规模生产模式中，企业通过提高相同产品的生产数量达到降低产品成本的目的。但是，随着全球化市场的形成和竞争的加剧，用户已经越来越不满足于接受厂家提供的“大众化”产品，他们需要真正符合自己的需要的产品。这就要求生产企业对这种产品进行定制。

定制是指应特定客户的要求而专门进行的生产，与产品的多样化截然不同。多样化是指先生产出产品，等待需要它们的客户出现，是在试图给更多的客户以更多的选择，希望他们找到最接近其需求的产品。但这样一来，经常使客户陷于大量的产品之中，决策过程过长。实际上客户根本不想在各种产品中进行选择，他们只想得到他们真正想要的东西。

大规模定制是指以大规模生产的成本和速度，为单个客户或特殊需求的市场定制生产任意数量的产品。大规模定制模式所面临的巨大挑战是：既要展现无限的产品外部多样化，同时又不能因产品内部多样化而导致额外的成本和时间的延误。它能在不牺牲企业经济效益的前提下，了解并满足单个客户的需求，并因此成为企业经营中新的必然趋势。大规模定制模式要求企业在产品的设计、开发、生产组织、成本统计等各个方面都采取相应的运作方式。

大规模定制模式能够降低因产品多样化所增加的成本，减少企业的库存，并从用户那里获取更大的收益，从而使企业在竞争中处于有利地位。多数的大规模定制企业发现，虽然在开发产品、工艺和技术方面需要有很大的投资，但当市场分化到一定程度，使大规模生产技术不再能够有效地预测客户的需求时，大规模定制产品的成本就几乎与大规模生产的产品成本相等，甚至更低。

这本书谈到的大规模定制具有极其广泛的含义，包括了从有效地参与特殊需求市场的竞争，到实际上为每一位客户提供独一无二的定制产品的整个范围。书中第一部分提出生产方式已经演变到大规模定制的模式，作者用大量的实例说明大规模定制是一种强有力的竞争策略；第二部分针对现有产品系列讨论产品多样化成本及如何合理化问题，提出标准化是实现任何敏捷模式（如大规模定制、敏捷制造、准时生产、柔性制造、按订单生产以及有效地制造特殊需求的产品）的前提条件；第三部分为您回答了“如何才能以大规模生产速度和成本进行真正的产品定制？”这一关键问题；第四部分论述了如何为大规模定制、特殊需求的市场、按订单生产和柔性制造环境进行产品的开发；第五部分对大规模定制产品的前景展望，更是值得企业战略规划者和热衷于思考未来的人们仔细阅读。

读完全书，企业应当如何完成以下各方面的工作将不再成为问题。

1. 通过理解、量化和尽量降低“多样化的成本”，大幅度地降低产品的成本。

2. 通过对产品线进行合理化，消减低利润产品的生产，极大地提高利润，充分利用宝贵资源，提高生产的柔性程度，并且促进大规模定制产品的开发。

3. 通过对零件、工艺、特征、工具和原材料进行标准化，以此作为实施JIT、敏捷制造模式和大规模定制模式的前提条件，或者作为一个独立的项目，从而降低产品成本并提高加工柔性。

4. 将“大规模”的概念融入大规模定制中，以低成本生产定制的产品。

5. 实现敏捷制造，在无需生产准备时间和库存的条件下，根据订单进行产品的快速生产。

6. 实现敏捷产品开发过程，以实现产品的“超速”上市。此时，“新”产品实际上是一种变种。

7. 并行设计产品族和柔性制造工艺，围绕模块化结构、通用零件、通用模块、标准化接口和标准工艺进行敏捷产品设计。

离开书店的路上，有几个问题在我脑中不停地萦绕。大规模定制模式是21世纪企业参与竞争的新方法，是关于企业如何获得成功的一种新的思维模型，在国外已有许多大企业开始定制其产品。那么，如何运用这种方式才能够为我国企业造福？我国企业不能脱离自己的国情，大规模定制作为精益生产的最高境界之一，在我国实施可能遇到哪些瓶颈关键问题？大规模定制对我国企业生产重点及生产资源会产生什么样的深刻影响？……

作者: weizq73 时间: 2003-6-26 08:37
虽然文章有点长，但内容还是值得浏览的。可以培养、拓展设计理念。
好的话请顶顶！

作者: o-o 时间: 2003-7-24 10:35

作者: kevinlll 时间: 2003-7-24 14:08

作者: hwang5 时间: 2003-7-29 17:51

作者: storydown 时间: 2003-7-29 21:25
不错，是基础设计必需知道的。

作者: hubeiyiejian 时间: 2003-9-4 14:03
课本上的!

作者: kevinlll 时间: 2003-9-5 08:35
觀念正確頂

作者: twjing 时间: 2003-9-5 11:04
长见识。
上面的为什么要加密？看不见的人又说会了。

作者: phil yang 时间: 2003-9-5 21:32
::y::g::g::gthanks

作者: cxy510 时间: 2006-6-8 13:41
看看

作者: 模具 时间: 2006-6-11 11:36
太长了！老大１

作者: wtf-ff 时间: 2007-6-6 08:19
值得一看啊~~!

作者: 我叫不高兴 时间: 2007-6-6 09:53
不错不错~

作者: qqvox 时间: 2007-6-6 13:33
好长呀

作者: xujinyong 时间: 2007-10-31 09:30
务虚，需要一些务虚的人

作者: jackchen6 时间: 2008-3-4 11:03
谢谢哦，学习了

作者: 123xjf 时间: 2008-3-9 17:30
谢谢分享！

作者: lned2003 时间: 2008-3-10 10:55
为什么是２　分啊＞？

作者: picked 时间: 2008-4-29 11:32
晕倒,我有没有2分啊??

作者: kdguai 时间: 2008-4-29 20:59
前一段时间正好接受了可靠性培训，这里又见到相关内容，呵呵够巧的！

作者: wuxianhua2002 时间: 2008-4-29 21:15
顶了..........................

作者: blackdevil 时间: 2009-12-4 20:43
怎么看不到了啊

作者: 试走刀口 时间: 2010-2-5 15:43
瞧一瞧，看一看，这年头想免费下下都那么难哦

作者: wayway201 时间: 2010-2-21 12:52
好帖子,顶你了.

作者: fengqh 时间: 2011-3-24 09:51
不错.谢谢!

作者: xiaolongnu 时间: 2011-4-10 15:12
dddddddddddddd

作者: hulang23 时间: 2011-12-27 20:05
应该就是闻邦椿老教授的书

作者: lilong555 时间: 2011-12-30 21:28
不错，提纲挈领。

作者: DENGYONG213 时间: 2011-12-31 10:52
理论总结,值得学习

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