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[关键词]现代设计 加工制造
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 | 
发表于 2006-7-8 22:27:04
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