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[關鍵詞]現代設計 加工制造
一、 概述
我國制造業產值占國民生產總值的40％，預計未來15年內制造業的年平均增長率將高于國民生產總值的年平均增長率。隨著市場的全球化、多樣化以及信息時代的到來，振興國家的經濟、提高綜合國力的根本動力在于制造業的振興。
對于制造業而言，競爭的核心是創新工藝和創新產品。進入90年代以來，各國都把制造技術的研究和開發作為國家的關鍵技術進行優先發展，如美國的先進制造技術計劃AMTP、日本的智能制造技術（IMS）國際合作計劃、韓國的高級先進技術國家計劃（G－7）和歐共體的ESPRIT和BRITE－EURAM計劃。面臨著市場、信息、環境和資源的嚴峻挑戰，我國制造業的緊迫任務是要提高企業產品市場競爭力。而產品競爭力的關鍵在于創新，“設計是制造業的靈魂”，現代的設計理論和方法是我國制造業發展的首要問題。
二、 先進制造技術的內涵與外延
先進制造技術（Advanced Manufacturing Technology，AMT）是在制造全過程以及制造理念上融入信息科學、電子科學，計算機科學、材料科學、環境科學等新的知識和技術，產生出與傳統的面向制造的生產技術有本質區別的，面向市場、面向用戶的涵蓋從設計、制造、生產管理、產品維護以至到報廢的整個生產周期的集成制造技術，以實現快速、靈活、高效、清潔的生產模式。
先進制造技術是一個大制造的概念，涵蓋了市場分析、產品設計、工藝規劃、制造裝配、監控檢測、質量保證、生產管理、售后服務等整個生產過程。綜合國內外在先進制造技術領域的發展，其外延歸結如下。
1．現代設計理論和方法
市場競爭對產品設計的要求是要面向市場、面向用戶的。并行工程（CE）的設計方法，以及由此派生出的一系列新的設計理念，如面向制造的設計（Design for Manufacturability，DFM）、面向裝配的設計（Design for Assembly，DFA）、面向檢測的設計（Design for Testability）、可負擔性設計（Design for Affordability）、綠色設計等，使設計與制造系統的全過程相結合，產品開發的重點向產品設計過程轉移，使設計涵蓋了從產品概念設計到產品報廢處理的整個生命周期中的所有因素，包括質量、成本、進度計劃和用戶需求，并通過CAD/CAPP/CAM、快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）、虛擬制造技術（Virtual Manufacturing，VM）等在設計的初期對產品的結構、工藝進行優化，對產品的性能進行預測。
2．先進的加工制造技術
產品的加工制造是AMT的基礎，是實現快速、靈活地生產出創新產品的主體，進入90年代以來，加工制造技術有以下的發展趨勢：
（1）精密成形技術 包括精密鑄造、精密鍛造、精密焊接以及精密超精密機加工。
（2）特種加工技術 如激光、電子、離子束、高壓水束、電化學及電火花加工技術。
（3）快速原型制造技術RPM（Rapid Prototyping manufacturing）。
（4）CAD/CAE/CAM/PDM集成的制造系統。
（5）柔性快速制造系統FMS。
（6）微米/納米加工技術。
（7）少無污染制造與報廢產品的可拆卸重組技術。
（8）制造過程自動化 如數控（NC）技術、CIMS，虛擬制造（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）技術等。
3．先進的生產資源管理模式
制造企業從社會大市場中獲得資金、物資、人才等資源，又將資源轉化為某種社會需求的產品，因而制造企業必須用最少的資源消耗，獲取最大的增值。有效的資源獲取、轉換和分配就成為制造企業經營活動的主要內容，如編制滿足需求數量和交付期的計劃，監督和控制該計劃的實現，并且保證資源的分配最合理和消耗最少。從60年代初的物料需求計劃（Material Requirement Planning，MRP）到制造資源計劃（Manufacturing Resource Planning，MRPⅡ），以至準時化生產（Just-In-time，JIT）、企業資源計劃（Enterprise Resources Planning，ERP），形成以MRPⅡ/ERP為代表的，以信息技術為基礎的，包含先進管理哲理、理論和方法的，進行企業資源計劃與控制的高度集成的管理信息系統，成為對企業影響深遠的戰略工具。
同時，產品的質量已經成為企業生存的命脈，對制造全過程進行質量管理，把形成產品質量的設計試制過程、制造過程、輔助生產過程、使用過程都管起來的全面質量管理（Total Quality Control，TQC）應運而生，它不僅全面提高產品質量，而且還要保證使用質量，把質量管理從原來的生產制造過程擴展到市場調研、質量發展規劃、研究開發、設計、試制、試驗、工藝技術、原材料供應、檢測儀表、生產、工序控制、成品檢驗、包裝、銷售、用戶服務等各個環節。
三、 我國發展先進制造技術的經驗和教訓
1．產品的研究開發與生產制造過程脫節
制造業中廣泛存在市場意識淡薄的問題。長期以來，產品品種單調，競爭力不強，特別是市場需求對企業的要求不能有效地反映在技術創新上，科研、教育機構對企業的技術需求也認識不夠，這也反映了國家科技政策中對技術服務于市場才能創造新的生產力的忽視，最終的結果表現為官、產、學、研的脫節。
2．國外先進制造技術的引進與國產化弱的矛盾
一是我國在引進先進制造技術的過程中，很多企業存在盲目引進的狀況，不注重引進后的消化吸收，而且在一些具體技術的引進中，買到的技術往往要有一定的滯后性，如果不能很好的消化吸收并進行提升的話，只能是“引進一代，落后一代”。
二是在引進中“重硬輕軟”，大型生產線、設備引進的巨大投資與對先進的管理機制、管理模式的忽視很不協調，這在汽車、船舶、機床等行業都普遍存在。以MRPⅡ為例，在引進上投入的巨資達80億，但用得好的企業并不多。因為MRPⅡ并不單純是一個硬件的先進程度和計算機用得好不好的問題，更重要的是其內涵的管理思想和模式。
3．設計開發的方法和手段落后
當前世界上現代的設計理論和方法已經形成體系，如全壽命設計、綠色設計、可靠性設計等，將生產的全過程和環保等要求貫穿于設計中。而我國的大多數企業還是停留在經驗設計階段，缺乏自主開發能力，即使在開發成功的機電產品中，也有相當一部分是要利用國外的技術。
從設計手段上來講，以CAD技術為例，大多數企業還是局限在甩圖板的水平。而目前的世界水平已經達到三維快速實體造型、結構強度分析以及工藝優化的整體設計。第一架無圖紙、無樣機上天的飛機――波音777，開創了制造技術史上的新時代。當前工業發達國家的CAD技術普及率已達到60％，而我們國家平均僅為5％左右，無論從質上還是量上都亟待發展。
四、 先進的設計理論、方法和手段是發展我國先進制造技術的關鍵
缺乏自主開發能力，產品缺乏市場競爭力是我國制造業的突出問題。如果沒有好的產品，再好的CIMS系統、柔性加工系統，或者MRPⅡ、ERP以及TQC、并行工程等用得再好，企業也無法生存。因此，發展先進制造技術的首要問題是更新傳統的設計方式，建立基于知識、面向市場的設計。
現代的設計是基于知識的設計，知識信息以數字化的形式存在于設計制造過程。產品和工藝越來越復雜，包含越來越多的規則，要求多個遠程的組織和個人進行協同設計。而且，對產品可靠性和安全性的進一步認識要求更安全的設計；對環境惡化與全球人口膨脹的認識要求更具有環境友好性的產品和工藝設計；對可持續性發展的認識也要求對產品報廢后的可回收性進行設計。以下對我國未來21世紀工程設計理論和技術進行分析。
1．設計決策的準確評價與虛擬技術
設計是一個建立在決策理論上的、基于規則的決策過程，決策理論包含三方面的因素：決策目標選項的獲取與識別、選項結果的預估或期望、優選項的確定過程中參數或取值的使用。對設計的評價需要各方面的分析，如有限元分析、傳熱分析、流體分析等，所使用的技術主要依賴計算機技術，而虛擬設計（Virtual Design）就是未來有潛力的進行設計決策評價的有效工具。
CAD通常只考慮產品各個子部件的幾何特征和相互間的幾何約束。而虛擬技術在虛擬現實（VR）的環境中，將安全性、人機工程學、易維護性和裝配標準等多種所需滿足的條件集成到設計過程中一并考慮。這一技術以信息技術、仿真技術、虛擬現實技術為支持，在產品進入物質流程以前，在信息流程中通過對虛擬環境下的軟產品原型（Soft prototype）進行感受、試驗，對產品將來的性能和可制造性進行預測和評價，從而縮短設計開發周期，降低開發成本，提高企業的快速響應能力。
虛擬設計將制造信息加入到產品設計與工藝設計過程中，以優化產品設計及工藝過程，其發展趨勢有：
（1） 產品及工藝建模，通過映射、抽象等方法提取產品實施中各活動所需的模型，建立將工藝參數與影響制造功能的產品設計屬性聯系起來的，包括物理和數學模型、統計模型、計算機工藝仿真、制造數據表和制造規則的工藝模型。
（2） 仿真技術，利用產品建模仿真、設計過程規劃仿真、設計思維過程和設計交互行為仿真，對設計結果進行評價，實現設計過程的早期反饋。
（3） 以互聯網為基礎，建立虛擬研究開發中心、虛擬企業，將異地的研究開發力量和經濟實體聯系起來，以聯合設計和資源共享為制造提供全球性的技術支持。
2．并行設計（Concurrent Design）
并行工程（Concurring Engineering，CE）的首要目的，就是通過各生產準備部門的并行工作，而使產品的生產技術準備時間顯著縮短。其次，由于各部門的工作同步進行，各種相關問題在生產準備階段便能得到及時溝通和解決，不至于將問題拖到日后正式投產時才暴露，防止對生產可能造成的極大損失。從這一意義上說，CE還有保證并提高產品質量的功能，而且縮短生產準備時間，有利于降低成本。
現行的CAD技術是一種順序設計，往往不能排除實際生產中屢見不鮮的工程更改問題。這種工程更改往往導致在制品半途而廢、已準備好的工藝裝備不能使用，從而造成不應有的生產中斷、生產費用增加以及產品交貨期的延遲。CE這種系統的集成方法，在現行CAD的基礎上，根據企業的不同考慮，進一步發展DFX設計方法，如面向制造的設計、面向裝配的設計、面向檢測的設計、可負擔性設計等。目的是使設計人員在新產品的設計階段便考慮到它們應該易于制造、裝配和檢測維修，從而使新產品在制造與裝配過程中的工程更改減少到最小程度。
如何有效地將產品仿真模型的幾何信息轉化為制造信息是并行設計的關鍵，由CAD產生模型的幾何信息通過處理、轉換后，生成制造模型后直接用于可制造性評價、數控編程，CAD/CAPP/CAM的一體化使設計和制造在制造模型輔助下并行地進行。并行工程的思想要求CAD將不再只是單純的利用計算機軟件繪圖，而是要利用先進的計算機技術，進行產品的三維實體造型、機構學分析、結構強度的校核、制造工藝的優化等全方位的設計，是C3P（CAD/CAE/CAM/PDM）以及CAPP技術的整合，并以RPM及VM等技術與制造過程相銜接。
3．協同設計與設計信息管理
在設計過程中，設計數據及設計所需的各種文件需要方便快捷的數據庫來管理和維護，而且現代的工程設計已經成為由多個遠程的團隊和個體進行協同工作的過程，這些團隊包括不同組織的設計人員，他們的設計目標往往有一定的交叉，因而，從數學上理解，協同設計是一種合作決策。在這種合作中，多個設計人員要同時對設計數據庫進行訪問和修改，并且，由一個設計人員所作的修改能迅速更新并為其他人員所獲得。為實現這種協同設計，要由計算機網絡通信技術保證優質的傳輸協議、有效的信息集成和快速安全的通信，如SDRC公司在其剛剛發布的I-DEALS7.0版本中，增加了利用普通瀏覽器從網絡上查閱產品設計信息的功能，為遠程的協同工作提供支持。
4．全壽命設計的思想
現代產品設計要求對設計、制造、裝配、安裝、維護、報廢等產品的整個生命周期進行綜合考慮，全壽命設計是面向產品的整個生命周期中的多個目標進行設計，以滿足市場、用戶、資源、環境的多方要求。一輛汽車出廠后，后邊的運行、維修，一直到報廢都是設計中要考慮的問題。
在全壽命設計中，設計對象是一個時變的系統，不僅設計師要知道設計對象的時變規律，而且要讓用戶隨時知道產品使用過程中當前的狀況，因此，對重大的產品，要考慮其狀態監測和故障診斷功能，對狀態穩定要求高的產品，狀態補償和控制結構也是必然考慮的因素。
5．綠色設計
制造業的可持續性發展是全球可持續性發展戰略的重要組成部分。綠色設計是以節省資源和保護環境為指導思想的一種新的工業設計方法。傳統的產品設計制造往往忽略了對自然環境的影響，使得越來越多的有害廢棄物輕易地進入環境而在無形中破壞了環境，在原料取得、制造、銷售過程中隨處可見廢棄物。若不將最終消費者的行為計算在整個過程內，仍然有許多可再制或再生的資源未經使用就被廢棄了。全球環境的日益惡化使制造業面臨如何在獲取最大效益的同時，提高資源的利用率、減少廢棄物排放的挑戰。
圍繞綠色設計這一設計思想，國際上還提出了環境意識的設計與制造（Environmentally Conscious Design and Manufacturing，ECD&M）、面向環境的設計與制造（Design and Manufacturing For Environment D&MFE）、生態工廠（Ecofactory）、清潔化生產(Clean Production)等概念，它們的研究都是全球可持續發展戰略在制造業中的體現。
綠色設計要考慮以下的因素：
（1）環境友好 在制造和使用過程中對人體無害，對生態環境無影響，人體環境舒適、友好。1993年，美國三大汽車公司聯合實施清潔車計劃（Clean Car Initiative），提高燃料效率、應用輕型、可回收材料和減少大氣污染的催化劑。
（2）節省資源 節省材料、能源和人力資源，盡可能利用可再生或易于再生的資源，如太陽能、可再生生物資源（以不破壞生態平衡為準）和信息資源，使產品在使用過程中能耗低。
（3）可回收性 采用面向拆卸以及回收再利用（Design for Disassembly and Recycle）的設計方法，并且要盡可能地減少使用材料種類，選用可回收、可分解材料，以利于產品在報廢后分類回收和循環再利用。
姚福生 連軍 | 
發表于 2006-7-8 22:27:04
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