加快产品开发的技术措施研究

刘 涛，吴笑伟

（河南交通职业技术学院，郑州 450005）

0 引言

产品开发是一项十分重要而又复杂的系统活动，是企业科技应用能力、生产制造能力、外部市场适应能力等多种能力的综合，是企业占有市场的基本活动，其基本要求是保证产品上市早、质量高、成本低。加快产品开发速度，缩短产品开发时间，尽早将产品投放市场已成为企业取得竞争优势的关键。

各种新技术、新工艺的出现加快了产品的开发进程。产品开发中的工程设计技术是先进制造技术的重要组成部分，是制造技术的第一个环节，决定了产品的质量。产品开发中的制造工艺技术是先进制造技术的基础，任何系统都无法取代先进制造工艺技术的作用。

1 产品设计技术

产品设计思想和设计技术是先进制造技术的核心，决定了产品的核心竞争力。

1.1 设计思想

先进制造技术的设计思想就是在最短时间内完成新产品的开发设计过程，以便在当前激烈的市场竞争中除了确保产品的功能、质量外还要有创新和快速响应的能力。面向“X”的设计、并行工程、反向工程等设计思想都从不同角度缩短了产品开发的时间过程。

1.1.1 并行工程CE(Concurrent Engineering)

并行工程（或称并行设计）是指集成地、平行地处理产品设计制造及其相关过程的系统方法。并行设计要求产品的设计开发者一开始就考虑产品从概念设计到产品报废整个生命周期的所有因

素。它改变了传统的串行工作方法，使得在设计阶段就有制造和营销人员的介入和彼此信息的交互。可以避免失误，减少反复，从而达到提高质量、缩短开发周期和降低成本的目的。

并行工程是一种设计思想，也是一门管理艺术。其主要特征是：一是强调团队合作（Team work）精神，要求不同专业的技术人员协同工作；二是强调产品的生产准备过程和设计过程并行进行，要求在产品设计的同时进行工艺设计；三是强调产品设计过程的系统集成性，不仅注重企业内部的技术和信息集成，也重视与企业外部供应商、营销商和最终用户之间的信息交互与集成，采用公共的CAD/CAPP/CAM软件平台，综合考虑产品质量、成本、生产进度等因素，尽可能将产品可能产生的缺陷消灭在萌芽状态。正确运用并行工程的设计思想有利于缩短新产品的开发和上市时间，有利于提高产品质量、减少降低成本，从根本上提高产品的核心竞争力。

1.1.2 面向“X”的设计DF“X”(Design for “X”)

面向“X”的设计最初是面向制造的设计（DFM）和面向装配的设计（DFA）。传统设计主要考虑产品使用性能，很少考虑制造、维修、回收等因素，存在着较多的弊端。面向制造的设计强调在产品设计过程中考虑产品的加工因素，即考虑产品的可加工性和加工方便性。面向装配的设计则强调在设计过程中考虑产品的装配因素，即产品的装配成本、可装配性和装配方便性。

面向“X”的设计是产品设计向产品生命周期各阶段扩展的结果，并逐渐形成一个技术族。“X”包含很多内容，如制造、装配、质量、成本、维修、寿命、操作、环保等。面向“X”的设计对于提高产品的设计质量，降低产品的制造成本和使用成本具有重要意义。

1.1.3 反向工程RE(Reverse Engineering)

反向工程也称反求工程或反向设计，是根据已有的产品实物测得数据，构造出CAD模型，并将这些模型和设计特征应用于产品的设计和制造的一种设计思想。此外,还有集成反向工程IRE是在减少人工干预的情况下，采用面向对象的思想，将系统中各种类型的数据和特征按类集合起来，以适应制造过程不同工艺流程的要求，达到直接从实物模型创造出产品模型的目的。

反向工程和集成反向工程的产品设计通过对多种方案的筛选和评估，集中各种方案的优点，能实现方案的优选，同时集成反向工程可由计算机辅助进行，缩短了方案的设计时间，提高了方案的可靠性。反求工程虽不属于创造性设计过程，但作为一种设计思想，对于消化吸收国外先进技术，提高我国制造业的设计水平具有重要的意义。

1.2 设计技术

产品设计是制造业的灵魂，设计技术是先进制造技术中的核心技术，产品的性能、质量、成本等因素都是在设计阶段形成的。它直接关系到产品的全生命周期成本。

1.2.1 可靠性设计(Reliability Design)

在设计过程中，不仅要把系统设计得满足功能要求，还应设计得使其能有效地执行功能。因而就必须对系统进行可靠性设计。可靠性设计就是在满足产品（系统）功能、成本等要求的同时，根据产品的失效规律确定产品的可靠度、平均故障间隔、故障率等可靠性指标。

可靠性设计包括可靠性预测和可靠性分配两部分设计内容。系统可靠性预测是根据已知单元和子系统的可靠度计算而求得的，按单元→子系统→系统自下而上地落实可靠性指标，是一种合成的方法。系统的可靠性分配是将已知系统的可靠性指标合理地分配到其组成的各子系统和单元上去，从而求出各单元的可靠度，按系统→子系统→单元自上而下地落实可靠性指标，是一种分解方法，比可靠性预测复杂。

1.2.2 鲁棒设计(Robust Design)

鲁棒设计又称健壮设计，是指三次设计理论中的参数设计，随着模糊数学的发展与应用，已经由传统鲁棒设计发展为模糊鲁棒设计。模糊鲁棒设计是综合考虑产品设计、制造、使用过程中客观存在的各种随机因素，研究这些因素引起质量不确定性的规律，从而使产品设计达到优质低价的现代设计方法。三次设计理论是一种系统化设计方法，其核心思想是在产品设计阶段就进行质量控制，用最低地生产成本制造出满足顾客要求的、对社会造成损失最小的产品。三次设计是指将产品设计分成系统设计、参数设计和公差设计三个阶段。系统设计相当于传统的概念设计和结构设计，公差设计就是确定各个参数的误差范围从而在保证产品质量的同时使成本最低，三次设计的重点在鲁棒设计阶段。

鲁棒设计的实质是利用产品输出特性和元件参数之间的非线性关系，力图用公差范围较宽的廉价元件组装出高质量的产品。包括两项主要内容：第一项是考虑各种因素，选择最佳参数值，使产品对种种干扰的反应不灵敏；第二项是减少各种干扰因素的干扰性。

1.2.3 精度设计

精度设计是通过适当选择零部件的加工精度和装配精度，在保证产品精度要求的前提下使其制造成本最低。一般来说，精度越高，性能越好，成本相应也高。但在精度较低的区间提高精度，其制造成本增幅不大，而在精度较高的区间提高精度，其制造成本会成倍增加。因此机械产品都存在着较为经济的精度区间。精度设计的任务就是确定产品的精度并在零部件、加工工序之间进行精度分配。

1.2.4 优化设计（Optimal Design）

产品设计方案的优化是产品设计的重要环节，从多个设计方案中寻找“尽可能好”或“最佳化”方案的过程称为优化设计。优化设计是以数学规划为理论基础，以计算机为工具，在充分考虑多种约束的前提下，寻求满足某项预定指标的最佳设计方案过程。

优化设计的基本思想是搜索、迭代和逼近。在求解时，从某一初始点x0出发，利用函数在某一区域的性质和信息，确定下一步迭代的搜索方向和步长，去寻找新的迭代点x1。然后利用x1取代x0，x1点的目标函数应比x0点的值小（对极小值问题），这样经过不断的重复迭代，可以逐步改进目标函数值，直到最终逼近极值点。优化设计的难点在于建立优化问题的数学模型，即将产品设计方案抽象为一个有约束的单目标数学规划问题。优化数学规划的求解一般都有比较成熟的应用程序，工程设计人员可以方便地调用。

1.2.5 计算机辅助设计（Computer Aided Design）

计算机辅助设计是利用计算机作为工具，帮助设计人员进行设计过程的一项技术。计算机辅助设计包括的内容有很多，如概念设计、有限元分析、计算机仿真、虚拟设计等。早期的CAD技术只能帮助设计人员进行一些分析计算和文件编写工作，后来发展到计算机辅助绘图和设计结果模拟，目前正朝着人工智能和知识工程方向发展。另外，CIMS技术也是CAD技术的发展方向。

在以人工设计和传统CAD为代表的传统设计技术阶段，设计智能活动由人类专家完成。在以智能CAD（ICAD，Intelligent CAD）为代表的现代设计技术阶段，智能活动由设计型专家系统完成。在以集成化智能CAD（I2CAD，Integrated Intelligent CAD）为代表的先进设计技术阶段，智能活动由人机共同承担，这就是人机智能化设计系统。

2 产品制造技术

产品制造技术是先进制造技术的基础，是产品质量的重要保证。

2.1 制造思想

激烈的市场竞争要求产品加工制造的速度更快、效率更高、具有高柔性以快速响应市场的需求。

2.1.1 敏捷制造AM(Agile Manufacturing)

敏捷制造是为了对市场需求做出灵活快速反应的一种新的制造生产模式。是利用人工智能和信息技术，以敏捷、动态、优化的组织形式实现新产品的快速研制开发，并及时交付投放市场，以迅速响应市场需求，从而赢得竞争的优势。敏捷制造的实质是在先进的柔性制造技术的基础上，通过企业内部的多功能项目组和企业外部的多功能项目组，组建虚拟公司。

敏捷制造企业要在激烈的市场竞争中求得生存和发展，必须具有敏捷性，即具有在瞬息万变中把握各种机遇，并通过不断技术创新、产品创新来领导市场潮流的能力。敏捷制造的特征是：以满足用户要求，获得利润为目标；以竞争能力和信誉为依据，选择组成动态公司的合作伙伴；基于合作间的相互信任、分工协作、共同目标来有力地增强整体实力；把知识、技艺、信息投入底层生产线。随着敏捷性的提高，企业向精良生产（Lean Production）过渡将更为迅速。为实现敏捷制造方式，企业的生产系统及生产过程应具备可重构性(Reconfigurable)、可重用性(Reusable)和规模可调性(Scaleable)，即RRS特性。一个企业的敏捷与否，将取决于其组织形态和组织灵活性、先进柔性制造技术的适应性和可靠性，以及员工的文化素质及决策能力，即通过人员、组织和技术的有机结合发挥最大的经济效益。

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

柔性制造系统是指适用于多品种、中小批量生产的具有高柔性且自动化程度高的制造系统。其主要特征是在加工某种工件到一定批量后能自动向另一种工件转换，即具有柔性。它克服了刚性自动线只适用于大量生产的局限性，表现出了对多品种、中小批量生产制造自动化的适应能力。它提高了制造过程的柔性、质量以及设备的利用率，并能充分挖掘和节约现有资源，加快新产品的上市时间，提高企业对市场变化的适应性。

FMS标志着传统的机械制造行业进入了一个发展变革的新时代，自其诞生以来就显示出强大的生命力。柔性制造系统是现代机器制造业中的新型自动化生产系统与设备，是当今制造领域迅速发展和应用的高新技术之一。

2.1.3 现代集成制造系统CIMS (Contemporary Integrated Manufacturing System)

现代集成制造系统是在计算机集成制造系统的基础上发展起来的，是现代制造业的发展方向，是一种新的制造哲理。传统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）是以CAD/CAPP/CAM集成技术为基础的计算机集成制造系统。

现代集成制造系统是以客户需求为核心，以企业组织和协同工作小组为纽带，在企业公共信息资源的支持下，实现各个应用系统的协调运行，实现人员、组织体制及技术的集成，达到缩短产品上市时间、提高产品质量、降低成本和提供更良好的服务的目的。

2.2 制造工艺技术

先进制造工艺技术是指在传统制造工艺技术基础上不断变化和发展起来的制造工艺技术，包括常规工艺经优化后的工艺技术，以及不断出现和发展的新型加工方法。采用先进制造工艺技术进行产品开发，是加快产品进程的必然选择。

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

快速原型制造技术是80年代初发展起来的一门新的制造技术，是直接根据产品CAD的三维实体模型数据，经计算机数据处理后，将三维实体数据模型转化为许多二维平面模型的叠加，再直接通过计算机控制这些二维平面模型，并将其顺次连接，形成复杂的三维实体零件模型。快速原型制造技术是机械技术、数控技术、CAD与CAM技术、激光技术以及新型材料技术的集成。它可以自动迅速地把设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件，可以对产品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能力。

快速原型制造技术是一种完全新型的制造技术，它以材料的逐步累加取代了已有的对材料切除或变形的传统制造技术。目前，快速原型制造技术主要有选择性激光烧结法SLS(Selective Laser Sintering)、分层实体制造法LOM(Laminated Object Manufacturing)和熔化堆积造型法FDM(Fused Deposit Manufacturing)。随着该项技术日趋完善，势必对今后工业产品的设计和制造带来重大影响，并将取得巨大的社会济效益。

2.2.2 虚拟制造技术VM (Virtual Manufacturing)

虚拟制造技术在制造业中有广阔的应用前景，是提高企业竞争能力的有力武器。被誉为21世纪的新型生产模式，是制造业迎接21世纪挑战的有效技术。它是由多学科先进知识形成的综合系统技术，对设计、制造等生产过程进行统一建模，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性，从而更有效、更经济、更灵活地组织生产，使工厂和车间的资源得到合理配置，以使产品的开发周期最短化，生产成本最小化，产品质量最优化，生产效率最高化。虚拟制造具体表现为虚拟企业、虚拟机构、虚拟公司及动态联盟，而分散网络化制造系统DNPS(Dispersed Network Production System)是虚拟企业的一种模式，是适合我国国情的一种虚拟制造模式。它可以充分利用现有资源，保证可持续发展并达到快速响应市场需要的目的。

虚拟制造技术是利用计算机技术建立一种逼真的虚拟环境，制造和使用的产品不是实物，不消耗实际材料，也不需要机床等设备，只是一种“数字产品”。利用这种“数字产品”，可以进行产品的外观审查和修改、装配模拟和干涉检查、机械的运动仿真、零件的加工模拟，乃至产品的工作性能模拟与评价，以便在产品的生命周期的设计阶段就能消除产品缺陷、评价加工的可行性和合理性，预测产品的成本和使用性能，提出修改的措施和方法。

2.2.3 其他制造工艺技术

此外，先进制造工艺技术还包括精密洁净铸造工艺、精确高效金属塑性成形工艺、优质高效焊接及切割技术、优质低耗洁净热处理技术、优质清洁表面工程技术、超高速加工技术、超精密加工技术、微型机械加工技术和非传统加工技术等。

3 结束语

质量是企业尊严和品牌价值的起点，快速响应市场和以时间为基础的竞争策略是制胜的法宝。面对激烈的市场竞争，企业应更好地利用各种先进技术加快产品的开发，以快速响应市场和用户定单为主旨，以标准化、系列化、模块化为手段，以信息技术为支撑，寻求跨企业、跨行业、跨地区甚至跨国界的最优的产品资源组合，实现产品快速设计、制造及上市。在产品开发过程中综合应用计算机技术开，在虚拟环境下开发产品，在产品设计开始时便考虑产品整个生命周期中的所有因素，采用并行方法处理产品设计、生产、销售中的各种问题，可以降低开发产品的成本，从而有效地缩短产品开发周期，增强产品的竞争力。

[1] 吴笑伟. 先进制造核心技术的研究[J]. 水利电力机械,2006, 28(4): 27-30.

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