设计理念的更新

智能制造技术的发展促进了产品个性化设计、系统生命周期管理和绿色制造等理念的实施与发展。现详述如下。

1.需求驱动、个性化设计、用户参与、锐意创新是机电一体化技术和产品发展的趋势

为了人们的生活而生产是人类生存的永恒主题。随着社会的进步,科学技术发展了,物质越来越丰富了,现在已进入了人们个性化需求的时代。因此,大规模生产已过时,应用高科技设计制造智能产品正方兴未艾,且会一直延续下去,其特点表现在以下几方面。

(1)需求驱动

生产的产品有人要,才能体现产品的社会价值,也能促进社会的发展。若生产的产品无人要,企不是浪费?这对社会就毫无益而有害。因此,从人类社会发展的长远利益考虑,生产必须采取“需求驱动”的方式。只有生产出的产品既适用,又节能、环保、低耗,才能使人类社会永远持续发展。

(2)个性化设计、用户参与、锐意创新

要使产品做到适用、节能、环节、低耗,就必须遵照“个性化设计、用户参与、锐意创新”的理念去研发制造。

所谓个性化设计,就是针对用户个人的需求设计。将来生产的产品,几乎都是以单件为主。这是由于使用者的爱好、审美和用途的差异,同一个产品的功能、外形、尺寸、材料可能都不一样。比如汽车,有人喜欢自动挡,有人喜欢手动挡;有人喜欢音响,有人不喜欢音响;有人喜欢越野车,有人喜欢高级轿车;有人喜欢红色,有人喜欢黑色。在当前已达到的技术水平来看,完全可以做到个性化设计与个性化生产,以满足个人对产品的不同需要。

那么,怎么样做好个性化设计呢?很简单,那就是“用户参与,锐意创新”。用户参与就是让用户参与到产品的开发设计中来,与设计者一起去“创新”。本来产品策划与设计就是设计者与用户沟通的过程。产品设计基本就两类:第一类是对用户不满意的已有产品改进设计;第二类是目前还没有的产品,用户希望设计一个新的。对于第一类产品,表明用户基本上是满意的,只是有一些不满之处,这时设计者与用户经过深入的沟通,按用户的要求去改进即可。对于第二类产品,由于没有参照物,设计者与用户尽管去大胆创新。首先用户提出对产品的需求,然后设计者帮用户参谋,说明用户所需求的产品可以用哪些原理和技术去完成其功能,同时还可以向用户介绍一些高新技术,使用户所提出的产品更智能、更好用,通过双方反复沟通,产生头脑风暴和火花,最后必然会构思出一个用户满意的产品。现在电子商务如此之发达,这一点是完全能够做到的。

2.完善并发展“系统生命周期管理”的理念

“产品生命周期”是产品研发、生产、运行、回收整个过程的一个过程模型。它由三维要素去描述。第一维是以时间顺序描述的“产品生命周期”,即形成创意(产品策划)、制订草案(概念设计)、拟订解决方案(详细设计)、生产机器(样机试制)、确保运行(改进设计)。第二维是“所跨学科”,包括机械、电子、测控、智能、计算机软硬件和服务。第三维是“产业价值链”。

在产品的生命周期中,人们有许多工作要做。这些工作可以分为两类:一类是跨学科的技术工作(如机械、电工电子、测控、智能、计算机等),另一类是管理工作(如开发设计与生产的组织管理、营销管理、运维管理等)。由于计算机技术的高速发展,无论在技术领域还是在管理领域,人们在20世纪五六十年代开始就着手编制了许多工具软件,辅助人们工作,如数学的Matlab,机械学科的CAD、CAE、CAM、CAPP,电工电子学科的EDA,仿真的Simulink,管理学科的ERP等。

为了适应产品多样化和开发周期缩短的需求,到1989年前后,人们开始研发“产品生命周期管理”(PLM)软件。该软件可以追踪产品生命周期的各个阶段,并通过建模的方式虚拟出产品的生命周期,这样就可以在模型制作的基础上,通过相应的模型设置来掌握真实产品生命周期的所有阶段。从而在该软件工具的支持下,运行整个开发过程,在早期对产品进行虚拟建模,并将开发任务的大部分进行仿真。该仿真从需求分析开始到产品体系结构中的系统结构,最后到规范、验证和实现模型。为了提高工作效率,该软件特别做了两项工作:其一是将常用的机械零件和自控系统做成模型存到数据库中,可随时调用,以减少构建系统(产品)的时间;其二是在程序中统一语义与数据结构,以方便整个软件在运行时数据共享和各阶段之间通信流畅。

随着产品个性化需求的高速增长和智能网络(有线、无线)技术水平的迅猛提高,在前几年又有人提出构建一个“系统生命周期管理”系统(Sys LM)。其思路是:将产品生命周期软件(PLM)和跨学科的技术开发软件整合到一起,以便充分做到资源共享、缩短开发时间。具体设想如下。

(1)Sys LM软件总体上分上、下两层:上层是系统生命周期管理(Sys LM),由PLM改编;下层是自动化系统(Doors,Sys ML Editoron,Modelica and CAD,CAD,CAM等系统集成)。上层包括:需求结构(由用户需求分析确定)、性能结构、行为结构、系统结构、BOM(模型化的机械零件和自动控制模块)等软件模块。下层包括:需求结构(需求管理工具),系统/功能结构(系统要求、系统工程行为、系统结构),开发结构(上述自动化系统软件)等软件模块。

(2)Sys LM软件要解决的核心问题是建立顺畅的通信机制(包括:每层内各个模块之间的通信和上、下层之间的通信)和数据共享。最好的方法是整个系统内统一数据结构和语义;暂时做不到时,可以由XML语言做好接口。

(3)Sys LM软件的运行流程是上、下层循环迭式。其具体步骤如下:

①应用上层软件,从使用的角度,依据需求结构、性能结构、行为结构和系统结构在BOM中选取合适的机械零件和自动控制模块构成一个用户要求的虚拟的机电一体化系统(产品),在本层内进行初步的分析评价以后给出一个用数据描述的系统(产品)的初步草案(相当于初步进行产品策划与概念设计)。

②将上述草案的数据导入下层软件中,再从自然科学的角度重新审视并修改该草案,然后对整个系统(产品)用自动化系统中的软件进行校核、检验(相当于详细设计)。

③将②中的结果(数据)再导入上层,重复上层的工作流程,进行方案的系统结构修改,修改满意了再将结果(数据)导入下层。

④重复上述选代工作直到获得一个优化的最终方案。

⑤将上述最终方案交付生产,建造一个真实的物理系统(产品),同时还要进行实际的调试和检验(相当于样机试制)。

(4)对SysLM软件的功能还有三个设想:

①Sys LM不仅包括设计、制造和检验,还包括原材料采购和出厂后的运行维护〔即Sys LM中还安装了故障检测模块,运维人员可以随时通过该模块了解系统(产品)的运行状况,适时维护;或由售后人员通过计算机网远程维护〕。

②Sys LM在进行系统架构设计时应为产品生命周期的不同阶段提供量身定制的工具,这些工具应按照项目(产品)参与者(机电设计师、控制程序设计师、可视化程序设计师、维护技师)的任务和工作方式去编制。

③Sys LM是开放式的,在系统生命周期内所有参加工作的人员都共用该软件(数据是共享的),并且允许参与者把自己做好的构件或插件存在系统内,以供共享,免得别人做重复工作,浪费资源。

3.切实贯彻绿色制造的理念

“绿色制造”理念是针对环保和低耗问题对制造业提出的要求。

绿色制造是产业可持续发展的前提,也是人类长期生存的保证。随着工业的发展,环境越来越差,资源越来越少,为了未来子孙的生存,从现在起必须加强环境保护,必须节约资源。具体到机电行业,我们在搞产品开发时,就应当考虑产品在制造和使用过程中的环境保护与低耗问题,这也是提出“系统生命周期管理”的初衷。绿色制造的具体要求是:

(1)注意研发绿色产品。产品要做到轻量化(省材)、低耗(节能、节水等)、易回收利用(不污染)。

(2)注意人力资源共享。在项目开发时充分利用社会资源,请各方(国内外)专业人士参加研发工作,做到省时省力。

(3)注意知识资源共享。在软件工具中要建立开放式数据库,将每个人的创新设计都存到数据库中,使每个人的劳动成果都能复用,节省人力资源。

(4)注意材料资源共享。要推行产业链的循环生产方式,注意我们为产品所选的材料的上下家的应用。

(5)注意环境保护。在研发产品时,注意所选材料无害化,使用的能源低碳化,产品的废物资源化。能做到余热回收、水循环利用、重金属污染减量、脱硝、脱硫、除尘。

(6)产品生产时使用绿色生产工艺。如清洁高效的铸造、锻压、焊接、切削、表面热处理等加工工艺。