基于柔性制造技术的产品设计研究

摘要：柔性制造技术是当前制造领域的主流技术，以其为基础上产生的适合多品种、中小批量生产的新型生产模式能够帮助企业及时调整生产、快速应对市场变化，同时柔性制造技术也为产品设计发展创造了良好条件并提出了新的要求。产品设计必须针对柔性制造技术的机理特性和发展趋势等因素，通过不断改进和创新，形成与之相适应的设计理论、模式和手段等，从而更好地为社会、企业以及消费大众服务。

关键词：柔性制造技术 产品设计 创新 模式 流程

工业革命后形成的标准化、大批量生产方式在短期内创造了巨大的社会财富，满足了物质相对匮乏时期社会大众的基本生活需求。但这种大一统的生产方式在一定程度上限制了产品的多样性，导致了消费需求多元化与产品品种相对单一之间的矛盾。尤其进入丰裕社会后这一矛盾日渐突出，20世纪60年代出现的波普风格、后现代主义等设计风格就是大众对单调、乏味的标准化设计形式的直接对抗。与此同时，在制造领域中适应多品种、中小批量生产的柔性制造技术逐渐成型，并在计算机信息技术的支持下将工程设计、生产制造和经营管理等环节整合为一个有机系统，实现全局动态最优化和总体的高效益、高柔性[1]。

1 柔性制造技术综述

柔性制造技术集现代信息技术、自动化技术以及机械装备加工等高精技术于一体，是指导现代制造业快速应对市场变化，实现订单式生产的实用性先进制造技术[2]。柔性制造技术与传统制造技术有较大区别：运用传统制造技术的生产线比较适合单一品种产品的大批量生产，所以传统制造技术也被称为刚性制造技术；而运用柔性制造技术的生产线则具有较高的可塑性，可以通过调整设备、工艺、流程等要素适应不同产品的制造要求，能够在满足社会大众的多元需求的同时较好地控制成本，提高产品性价比，增强市场竞争力。

1.1 柔性制造技术发展概述 柔性制造技术产生于上世纪60年代，英国莫林斯公司研制的“Molins system-24”被认为是最早运用了这一技术及理念的柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，简称FMS）。随后柔性制造技术在欧美、日本以及苏联等国家和地区倍受重视，形成了不同的技术特点和丰富的理论内涵：1988年美国通用公司和里海大学共同提出敏捷制造战略；1990年开始，美国、日本、加拿大等国联合进行为期十年的智能制造系统（IMS）的研究与开发；1992年德国和美国提出精益生产理念（Lean Production） [3]等等。目前，柔性制造技术已成为制造领域的核心技术，广泛应用于现代制造系统中。

1.2 我国的柔性制造技术研究现状 我国对柔性制造技术的研究和应用起步较晚，第一套柔性制造系统诞生于1985年；1985年之后我国对柔性制造技术的重视程度不断提高，在国家机电部“七五”重点科技攻关项目等工程项目的带动下，柔性制造技术进入自行开发和部分进口相结合的发展阶段。总体而言，我国比较注重对柔性制造技术本身的应用，对产品设计、生产组织、资源配置以及经营销售等相关环节及配套理论的关注度较低。但事实上柔性制造技术对这些环节的要求与传统制造方式有较大区别，因此在应用柔性制造技术的同时还必须对相关环节及理论进行研究和改进，才能充分发挥柔性制造技术的效能，而产品设计作为产品生产的初始环节更是首当其冲地需要加以改进。

2 柔性制造技术对产品设计发展的意义

当前，柔性制造技术作为一种现代化工业生产的科学“哲理”和工厂自动化的先进模式而被国际上所公认，成为现代制造业生产方式发展的主流方向[4]。柔性制造技术的进步不仅推动了制造工艺技术群的快速发展，同时也对产品设计的发展产生了积极促进作用。

2.1 推动产品更新换代，构建了有利于产品设计发展的外部环境 就产品设计的角度而言，产品品种越丰富、更新速度越快对产品设计理论、方法以及技术等发展的促进作用就越大。由传统刚性制造技术形成的自动化生产线由于资金投入大、建设周期长，改造成本极高，所以往往在较长时期内持续生产同一产品。比如福特的T型车从投产到停产延续将近20年，总产量超过1500万台，成为汽车发展史当中的传奇。但在这近20年的生产过程中T型车只做了少量的局部设计改进，其功能、造型基本保持不变，原因之一就是生产线的改造成本过高。可见传统刚性制造技术成为了产品更新换代的障碍，不利于产品设计的发展。而柔性制造技术的特征之一就是产品的“柔性”，能够根据市场变化快速适应新产品的生产，促进产品更替。同时，柔性制造系统已经逐渐成为现代社会的基础性生产方式：到上世纪末，在欧、美、日等制造业发达国家中以中小批量生产的产品在数量上约占85%，在产值上约占60%-70%[5]。柔性制造技术的广泛应用为产品的快速更替提供了技术保障，也为产品设计的发展创造了良好的外部环境。

2.2 促进学科交叉渗透，增强了推动产品设计发展的内在动力 柔性制造技术充分应用现代信息技术、传感技术、自动化技术以及管理技术等最新成果，这些成果提高了生产制造的难度、精度和速度，同时也成为产品设计发展的驱动力。如随着计算机辅助设计技术（CAD）的出现和成熟，使产品设计的平面、三维虚拟表现变的更加快捷，有效地缩短了设计周期、提高设计效率；而计算机辅助制造技术（CAM）的发展则使得不规则曲面等原来难以批量生产的形态变得易如反掌，大幅提升了产品设计的创新空间；此外，柔性制造技术涉及领域的相关理论也为产品设计的理论发展提供了丰富的养分，如模块化、并行工程以及产品族等理论的应用就极大地丰富了产品设计的理论内涵。柔性制造技术在技术和理论两个层面都为产品设计的发展提供了充足的“燃料”，只要加以合理利用就能转化为强大的动力。

3 柔性制造技术条件下产品设计的发展要点

现代产品设计理论产生于工业革命之后，主要建立在传统刚性制造技术基础之上。由于柔性制造技术与刚性制造技术各方面差异较大，原有的产品设计理论、模式等已不能很好地适应制造业发展的要求，必须深入研究柔性制造技术的机理特性、发展趋势等，在此基础上不断改进、创新产品设计的理论、流程、模式以及手段等，才能适应社会经济、市场需求的快速变化，符合制造技术发展的要求。endprint

3.1 持续深化产品设计与其他学科的理论融合 现代产品设计涉及经济、技术、文化和艺术等众多领域，是不同学科交叉渗透的成果。产品设计必须加强对相关领域的理论研究，从中汲取可借鉴的内容充实自己，才能突破固有设计理论的限制，不断发掘、丰富自身理论内涵，如模块化设计就是产品设计与模块化理论融合的成果。模块化是柔性制造系统构建的基本理念，而模块化设计则是在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块；并根据用户的要求对模块进行选择和组合，以构成不同功能或功能相同但性能、规格不同的产品[6]。模块化设计注重功能模块的相对独立，使各功能模块的设计、测试、制造等工作能够同步进行，有效缩短产品的设计、生产周期，较好地适应柔性制造技术高效、灵活的生产特性；同时，模块化设计可以通过不同功能模块的交叉组合形成产品族，而柔性制造技术源于成组技术，其特点之一就是较适合同一产品族产品的生产。模块化设计理论与柔性制造技术各方面的高度适配性使它成为了当前产品设计的重要指导理论之一，被企业和设计师广泛采用。柔性制造技术综合运用了多学科、多领域的最新理论，产品设计应充分利用这一平台加强与其他学科的渗透与融合，不断充实、深化理论内涵。

3.2 深入推进设计模式的创新实践 理论与实践相对独立又相辅相成的：理论引导实践、实践检验理论，两者必须紧密结合才能实现各自价值。产品设计领域同样如此，在充实设计理论的同时还必须改进设计流程、步骤等环节，形成与理论相匹配的设计模式，才能更好地适应柔性制造技术。并行设计就是在并行工程、模块化等理论指导下创新设计模式的实践成果。在传统批量化大生产方式条件下，产品设计往往采用串行设计模式：整个设计过程被尽量细致地划分为一系列连续的工作环节，不同环节的设计任务由不同部门或个人分别承担，依次执行和完成。串行设计模式以职能和分工任务为中心，条理清晰、职责明确，但设计周期长、运行效率低，且容易导致设计与制造等其他环节脱节，不能适应柔性制造技术条件下短、频、快的生产节奏，而并行设计则较好地解决上述问题。并行设计借鉴了并行工程的工作模式，对产品及其相关过程（包括制造和支持过程）进行一体化设计[7]，并运用模块化理念打破了传统的部门划分和封闭的组织模式，强调不同功能模块团队的协同工作，重视对产品开发流程的优化重组，从而达到缩短开发周期、提高产品质量、降低产品成本等目的。产品设计的“并行”主要表现在以下几个方面：其一是同一产品不同功能模块的设计工作并行开展；其二是同一产品族不同产品的设计工作并行开展；其三是产品的设计与制造、装配、检测等环节并行开展。并行设计模式本身还需不断改进和完善，同时它作为一种对设计模式的创新实践也值得进一步研究和推广。

3.3 不断加强高新科技的设计应用 “科学技术是第一生产力”，现代产品设计注重创意，同时也必须充分利用高新科技改进设计方法和手段、拓展设计范围和内容。产品设计对高新科技的应用包括以下几个方面：一是利用高新科技作为设计辅助手段，提高设计能力和效率。比如以往设计中常常需要花费大量的财力、物力和时间在产品模型的制作上，而3D打印技术的应用使这一环节变的简便、快捷。福特公司利用这一技术打印出同一零部件的不同式样供测试使用，将这一环节由数月缩短至几天，极大地提高了设计的效率和质量；二是将高新科技应用于产品的生产制造当中，创新个性化生产模式。同样以3D打印技术为例，近年来随着相关技术日益成熟，3D打印的成本不断下降，个人用户持续上升。在不久的将来，每个人都可以成为设计师和生产者，完全按照个人意愿设计、制造日常用品。可以预见这一全新的设计、制造模式将对产品设计和制造产业产生巨大冲击，需提前准备、及时应对；三是将高新技术运用于产品当中，开发新产品、满足新需求。比如触屏技术在数码产品中的应用、3D虚拟显示技术在行车导航仪中的应用等。

3.4 实时更新设计师的信息储备 柔性制造技术能够根据生产需要对制造工艺、流程以及资源等进行适度调整，但其调整是相对有限的。设计师一方面需充分了解包括柔性制造技术在内的科技发展整体趋势，另一方面还需掌握企业本身的柔性制造能力、资源配置能力等个体信息。在此基础上通过信息的整合、分析，综合考虑整体和个体的各方因素，以便有针对性地进行设计创新，避免因产品设计要求超越企业的“柔性”范围而增加额外成本，同时也能够从设计的角度对企业的生产组织、工艺设置等提出较为专业的建议。

4 结语

柔性制造技术在国内、外的制造企业中被广泛应用，成为现代制造领域的核心技术。产品设计必须深入了解柔性制造技术及相关理论，并以此为平台不断创新设计理论、模式和手段等，充分适应以柔性制造技术为基础的现代生产制造模式，才能设计出性能更卓越、价格更合理、品种更丰富的产品，更好地为社会、企业以及消费者服务。

参考文献：

[1]张强.浅谈柔性制造技术的现状及发展[J].技术与市场，2008.（5）：39-40.

[2]沈向东.柔性制造技术[M].北京：机械工业出版社，2013.2.

[3]吴立.关于柔性制造的研究[J].机床与液压，2010，38（14）：9-11.

[4]陈琪.制造业企业推行柔性制造的意义及对策[J].企业经济，2005（4）：7-8.

[5]崔培枝，朱胜，姚巨坤.柔性再制造系统研究[J].机械制造，2003（11）：7-9.

[6]王志，张进生，于丰业，等.基于模块化的机械产品快速设计[J].机械设计，2004，21（8）：1-3.

[7]周红，甘茂治，刘安清，等.基于并行工程的产品维修性设计[J].机械设计，2003，20（9）：3-5.

作者简介：王岳（1975-），男，浙江诸暨人，柳州职业技术学院讲师，硕士，研究方向：工业设计。endprint