精益设计技术在家电设计中的应用研究

吴建军

（合肥华凌股份有限公司，安徽 合肥 230001）

当前各种新技术迅猛发展，为精益设计技术的应用提供了很大的空间。由于家电行业竞争激烈，产品对成本和开发效率的要求很高，其直接影响了产品的市场竞争力，因此，如何在设计阶段有效应用精益设计技术成为当前家电行业面临的主要问题。

1 家电研发设计存在的主要问题

1.1 缺乏系统的设计评价标准

目前家电行业在家电设计方案的评价方面并没有建立系统的标准，比较普遍的做法是召开设计方案评审会，组建专家组，借助专家经验进行评价。由于各个专家的知识结构及设计经验存在差异，导致评价结果不够全面且缺乏系统性，不能充分发现设计方案的风险和不足。同时，由于缺乏系统的设计评价标准，也增加了后期设计方案评审的难度和风险。

1.2 设计变更和模具变更次数多

产品方案设计变更和模具变更主要是由于产品方案设计阶段没有充分考虑后期制造环节的情况，导致在产品制造阶段出现了设计原因引起的问题，造成设计方案和模具方案变更。虽然工程人员也会参与设计阶段的方案评审，但由于参与深度不够、经验不足、对设计方案理解不充分等原因，导致设计方案在后期还是会出现各种各样的问题。由于设计变更和模具变更时间长、资源投入大，因此，严重影响了研发的质量和效率[1]。

1.3 产品综合成本设计能力不足

所谓综合成本是指包含材料成本、人工成本、设备分担成本和质量损失成本在内的整体成本。目前家电在研发设计阶段关注比较多的是材料成本，对综合成本的概念认知和分析能力不足。过多的关注材料成本，而忽视了其他方面的成本，最终抬高了产品整体的成本，减弱了产品的市场竞争力。

2 精益设计技术体系框架

2.1 整体技术框架

精益设计技术主要包括量化建模、综合成本设计、DFMA设计、简单化设计，其体系架构如图1 所示。通过对设计方案进行量化建模，可以把设计方案中的零部件组成、加工工序工时、综合成本、装配工序工时等对设计、制造有影响的因子通过模型化的方式表达，为后期的因子量化分析做好准备。综合成本设计、DFMA 设计及简单化设计都是在量化建模的基础上对设计方案进行相关维度的量化分析和评估，以便发现设计方案的风险和问题，并进行优化改进。通过精益设计技术对产品设计和制造过程进行仿真建模和量化分析，能够在设计阶段就对产品的可制造性、可装配性、综合成本等因素进行充分论证和优化。

2.2 量化建模

图1 精益设计技术体系框架

精益设计量化分析的基础是构建因子数据库和进行仿真建模。因子数据库作为整个仿真模型的底层数据支撑，可以提供相关量化分析的数据。因子数据库主要包括零件库、设备库、工艺库、人工成本库、材料库。零件库包括零件基本信息和零件技术信息。零件基本信息不仅包括零件的编码、名称、数量、重量、成本、供应商等信息，还包括零件的模具投入、工程设备投入等信息。零件技术信息包括零件的技术参数、可制造性评价、质量评价等信息。设备库涵盖了产品制造生产各个环节所使用的设备，如各类生产线、各类检测设备、注塑机、冲床、机床等，设备库中的信息包括设备的成本投入、占地面积、使用年限、资源消耗等，设备库主要为设备分担成本核算及工序工时核算提供数据支持。工艺库主要包括生产制造过程中所用的各类工具、操作动作和操作时间等信息。人工成本库用来定义不同岗位的人工单位费率，以便进行人工成本的相关核算。材料库包括了制造过程中所使用的各类材料的类型、名称、牌号、物理特性、工艺适用性等信息，不同的材料可以匹配不同的加工工艺及设计特征，为设计优化提供参考。

仿真模型包括零部件模型和装配模型2 个部分，零部件模型主要以零件库、设备库、材料库为数据支撑，包括零部件设计及零件加工制造的相关信息，装配模型主要以设备库、工艺库和人工成本库为数据支撑，包括装配工序工时、生产设备、操作动作等装配相关信息。

2.3 设计优化

精益设计的优化是基于对仿真模型的量化分析进行的，通过量化分析可以发现现有设计方案的缺陷和不足，然后针对这些设计缺陷进行相应的改进。

设计优化主要包括综合成本设计、DFMA 设计和简单化设计3 个方面。综合成本设计是指包括材料成本、人工成本、设备分担成本和质量损失成本在内的整体成本，通过构建成本影响因子数据库，结合对设计和制造过程的仿真建模，就可以实现产品综合成本的量化分析和评估，实现在研发设计阶段对产品成本进行准确预测和优化。DFMA 设计是针对产品可制造性和可装配性进行的分析优化，通过对加工工艺、加工过程、装配过程的量化分析，结合DFMA 的设计评价维度，可以实现对产品可制造性和可装配性的量化评分，该量化评分是基于时间和成本的综合指标，分数越高说明可制造性和可装配性越差，从而可以指导工程师对重点问题进行分析改进。简单化设计的思想是基于对整个价值链的资源分析得出的，当产品的设计比较复杂时，增加的不仅是研发单个环节的资源投入，而且是包括制造、物流、仓储、销售等环节在内的整个价值链的资源，反之，如果能在研发环节降低产品的复杂度，进行简单化设计，那么就会极大程度地降低整个价值链的资源消耗。简单化设计通过发现系统中价值低的零部件，并对这类零部件进行精简，从而降低整个产品的设计复杂度[2]。

3 关键技术点

3.1 图形化建模技术

GDI+图形技术为实现交互式图形建模提供了平台，通过编写基于GDI+图形技术的应用程序，可以对图形模型进行绘制、修改、编辑等各种操作。图形建模的技术思路主要体现在图形建模界面、应用程序、数据库3 个方面，如图2 所示。

图2 图形建模技术思路

图形建模界面为用户操作提供窗口，该界面既可以完成用户的一般数据操作，如数据删除、修改、保存等，也可以响应用户交互式绘图操作，并可以通过修改命令窗口的图形坐标实现图形的修改等操作。

应用程序主要封装了各类事件的基于GDI+技术的程序代码，当用户在图形建模界面进行操作时，应用程序就会对用户操作触发的事件进行响应，并完成一系列操作，如当用户在图形建模界面用鼠标进行绘图时就会触发鼠标事件，应用程序中的鼠标事件程序响应并执行，从而实现图形绘制。

数据库以数据为支撑，实现分段模型信息等数据的存储和管理，并实现对应用程序的数据支持，通过应用程序的执行可以完成数据的读写、删除等操作。

3.2 DFMA设计技术

DFMA 是面向可制造性和可装配性的设计，其分析维度如图3、图4 所示。DFM 主要对材料物性、加工工艺、加工设备、模具、成型工艺、零件后处理环节进行可制造性分析。DFA 主要对零件装配前的处理环节和零件装配环节进行可装配性分析。根据分析维度的不同可以进行相应的量化评分，从而实现DFMA 的量化分析和评估，并进一步优化设计方案。

图3 DFM 分析维度

3.3 简单化设计技术

图4 DFA 分析维度

简单化设计是指尽量用最少的零部件实现产品或组件的功能的设计方法，其设计思路如图5 所示。通过对组件内的零部件进行装配分析和相互作用分析，可以构建该组件系统的功能模型，在对功能模型和零部件的价值进行分析后，可以发现功能缺陷和价值比较低的零部件，对功能缺陷和低价值零部件进行裁剪设计后，就能得到简化后的设计方案。简单化设计不仅可以减少由于产品复杂所带来的工程和可靠性问题，还能减少产品在设计、采购、制造、测试、运输等各个环节的资源投入，从而实现整个价值链的资源优化。

图5 简单化设计思路图

4 结语

精益设计技术通过构建成本因子数据库和对设计制造过程的图形进行仿真建模，可以实现在研发设计阶段对产品的可制造性、可装配性以及综合成本的量化分析和评估，并对相应的设计不足进行优化提升，减少了后期的设计变更，提高了产品开发的质量和效率。

参考文献·

[1]李作学，魏利峰．研发管理关键点精益设计[M]．北京：人民邮电出版社，2016．

[2]Barnhart T M．Creating a Lean R&D Sstem[C]//America：CRC Press，2012．