精益設(shè)計(jì)技術(shù)在家電設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

吳建軍

（合肥華凌股份有限公司，安徽 合肥 230001）

當(dāng)前各種新技術(shù)迅猛發(fā)展，為精益設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用提供了很大的空間。由于家電行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，產(chǎn)品對(duì)成本和開發(fā)效率的要求很高，其直接影響了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因此，如何在設(shè)計(jì)階段有效應(yīng)用精益設(shè)計(jì)技術(shù)成為當(dāng)前家電行業(yè)面臨的主要問(wèn)題。

1 家電研發(fā)設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題

1.1 缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前家電行業(yè)在家電設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)方面并沒(méi)有建立系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，比較普遍的做法是召開設(shè)計(jì)方案評(píng)審會(huì)，組建專家組，借助專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于各個(gè)專家的知識(shí)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)存在差異，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不夠全面且缺乏系統(tǒng)性，不能充分發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的風(fēng)險(xiǎn)和不足。同時(shí)，由于缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也增加了后期設(shè)計(jì)方案評(píng)審的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 設(shè)計(jì)變更和模具變更次數(shù)多

產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)變更和模具變更主要是由于產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段沒(méi)有充分考慮后期制造環(huán)節(jié)的情況，導(dǎo)致在產(chǎn)品制造階段出現(xiàn)了設(shè)計(jì)原因引起的問(wèn)題，造成設(shè)計(jì)方案和模具方案變更。雖然工程人員也會(huì)參與設(shè)計(jì)階段的方案評(píng)審，但由于參與深度不夠、經(jīng)驗(yàn)不足、對(duì)設(shè)計(jì)方案理解不充分等原因，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案在后期還是會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題。由于設(shè)計(jì)變更和模具變更時(shí)間長(zhǎng)、資源投入大，因此，嚴(yán)重影響了研發(fā)的質(zhì)量和效率[1]。

1.3 產(chǎn)品綜合成本設(shè)計(jì)能力不足

所謂綜合成本是指包含材料成本、人工成本、設(shè)備分擔(dān)成本和質(zhì)量損失成本在內(nèi)的整體成本。目前家電在研發(fā)設(shè)計(jì)階段關(guān)注比較多的是材料成本，對(duì)綜合成本的概念認(rèn)知和分析能力不足。過(guò)多的關(guān)注材料成本，而忽視了其他方面的成本，最終抬高了產(chǎn)品整體的成本，減弱了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 精益設(shè)計(jì)技術(shù)體系框架

2.1 整體技術(shù)框架

精益設(shè)計(jì)技術(shù)主要包括量化建模、綜合成本設(shè)計(jì)、DFMA設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)，其體系架構(gòu)如圖1 所示。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行量化建模，可以把設(shè)計(jì)方案中的零部件組成、加工工序工時(shí)、綜合成本、裝配工序工時(shí)等對(duì)設(shè)計(jì)、制造有影響的因子通過(guò)模型化的方式表達(dá)，為后期的因子量化分析做好準(zhǔn)備。綜合成本設(shè)計(jì)、DFMA 設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)都是在量化建模的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相關(guān)維度的量化分析和評(píng)估，以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題，并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過(guò)精益設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程進(jìn)行仿真建模和量化分析，能夠在設(shè)計(jì)階段就對(duì)產(chǎn)品的可制造性、可裝配性、綜合成本等因素進(jìn)行充分論證和優(yōu)化。

2.2 量化建模

圖1 精益設(shè)計(jì)技術(shù)體系框架

精益設(shè)計(jì)量化分析的基礎(chǔ)是構(gòu)建因子數(shù)據(jù)庫(kù)和進(jìn)行仿真建模。因子數(shù)據(jù)庫(kù)作為整個(gè)仿真模型的底層數(shù)據(jù)支撐，可以提供相關(guān)量化分析的數(shù)據(jù)。因子數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括零件庫(kù)、設(shè)備庫(kù)、工藝庫(kù)、人工成本庫(kù)、材料庫(kù)。零件庫(kù)包括零件基本信息和零件技術(shù)信息。零件基本信息不僅包括零件的編碼、名稱、數(shù)量、重量、成本、供應(yīng)商等信息，還包括零件的模具投入、工程設(shè)備投入等信息。零件技術(shù)信息包括零件的技術(shù)參數(shù)、可制造性評(píng)價(jià)、質(zhì)量評(píng)價(jià)等信息。設(shè)備庫(kù)涵蓋了產(chǎn)品制造生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)所使用的設(shè)備，如各類生產(chǎn)線、各類檢測(cè)設(shè)備、注塑機(jī)、沖床、機(jī)床等，設(shè)備庫(kù)中的信息包括設(shè)備的成本投入、占地面積、使用年限、資源消耗等，設(shè)備庫(kù)主要為設(shè)備分擔(dān)成本核算及工序工時(shí)核算提供數(shù)據(jù)支持。工藝庫(kù)主要包括生產(chǎn)制造過(guò)程中所用的各類工具、操作動(dòng)作和操作時(shí)間等信息。人工成本庫(kù)用來(lái)定義不同崗位的人工單位費(fèi)率，以便進(jìn)行人工成本的相關(guān)核算。材料庫(kù)包括了制造過(guò)程中所使用的各類材料的類型、名稱、牌號(hào)、物理特性、工藝適用性等信息，不同的材料可以匹配不同的加工工藝及設(shè)計(jì)特征，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

仿真模型包括零部件模型和裝配模型2 個(gè)部分，零部件模型主要以零件庫(kù)、設(shè)備庫(kù)、材料庫(kù)為數(shù)據(jù)支撐，包括零部件設(shè)計(jì)及零件加工制造的相關(guān)信息，裝配模型主要以設(shè)備庫(kù)、工藝庫(kù)和人工成本庫(kù)為數(shù)據(jù)支撐，包括裝配工序工時(shí)、生產(chǎn)設(shè)備、操作動(dòng)作等裝配相關(guān)信息。

2.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

精益設(shè)計(jì)的優(yōu)化是基于對(duì)仿真模型的量化分析進(jìn)行的，通過(guò)量化分析可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的缺陷和不足，然后針對(duì)這些設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

設(shè)計(jì)優(yōu)化主要包括綜合成本設(shè)計(jì)、DFMA 設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)3 個(gè)方面。綜合成本設(shè)計(jì)是指包括材料成本、人工成本、設(shè)備分擔(dān)成本和質(zhì)量損失成本在內(nèi)的整體成本，通過(guò)構(gòu)建成本影響因子數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合對(duì)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的仿真建模，就可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品綜合成本的量化分析和評(píng)估，實(shí)現(xiàn)在研發(fā)設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品成本進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和優(yōu)化。DFMA 設(shè)計(jì)是針對(duì)產(chǎn)品可制造性和可裝配性進(jìn)行的分析優(yōu)化，通過(guò)對(duì)加工工藝、加工過(guò)程、裝配過(guò)程的量化分析，結(jié)合DFMA 的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)維度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品可制造性和可裝配性的量化評(píng)分，該量化評(píng)分是基于時(shí)間和成本的綜合指標(biāo)，分?jǐn)?shù)越高說(shuō)明可制造性和可裝配性越差，從而可以指導(dǎo)工程師對(duì)重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析改進(jìn)。簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)的思想是基于對(duì)整個(gè)價(jià)值鏈的資源分析得出的，當(dāng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜時(shí)，增加的不僅是研發(fā)單個(gè)環(huán)節(jié)的資源投入，而且是包括制造、物流、倉(cāng)儲(chǔ)、銷售等環(huán)節(jié)在內(nèi)的整個(gè)價(jià)值鏈的資源，反之，如果能在研發(fā)環(huán)節(jié)降低產(chǎn)品的復(fù)雜度，進(jìn)行簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)，那么就會(huì)極大程度地降低整個(gè)價(jià)值鏈的資源消耗。簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)通過(guò)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中價(jià)值低的零部件，并對(duì)這類零部件進(jìn)行精簡(jiǎn)，從而降低整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)復(fù)雜度[2]。

3 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

3.1 圖形化建模技術(shù)

GDI+圖形技術(shù)為實(shí)現(xiàn)交互式圖形建模提供了平臺(tái)，通過(guò)編寫基于GDI+圖形技術(shù)的應(yīng)用程序，可以對(duì)圖形模型進(jìn)行繪制、修改、編輯等各種操作。圖形建模的技術(shù)思路主要體現(xiàn)在圖形建模界面、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)3 個(gè)方面，如圖2 所示。

圖2 圖形建模技術(shù)思路

圖形建模界面為用戶操作提供窗口，該界面既可以完成用戶的一般數(shù)據(jù)操作，如數(shù)據(jù)刪除、修改、保存等，也可以響應(yīng)用戶交互式繪圖操作，并可以通過(guò)修改命令窗口的圖形坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)圖形的修改等操作。

應(yīng)用程序主要封裝了各類事件的基于GDI+技術(shù)的程序代碼，當(dāng)用戶在圖形建模界面進(jìn)行操作時(shí)，應(yīng)用程序就會(huì)對(duì)用戶操作觸發(fā)的事件進(jìn)行響應(yīng)，并完成一系列操作，如當(dāng)用戶在圖形建模界面用鼠標(biāo)進(jìn)行繪圖時(shí)就會(huì)觸發(fā)鼠標(biāo)事件，應(yīng)用程序中的鼠標(biāo)事件程序響應(yīng)并執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)圖形繪制。

數(shù)據(jù)庫(kù)以數(shù)據(jù)為支撐，實(shí)現(xiàn)分段模型信息等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)支持，通過(guò)應(yīng)用程序的執(zhí)行可以完成數(shù)據(jù)的讀寫、刪除等操作。

3.2 DFMA設(shè)計(jì)技術(shù)

DFMA 是面向可制造性和可裝配性的設(shè)計(jì)，其分析維度如圖3、圖4 所示。DFM 主要對(duì)材料物性、加工工藝、加工設(shè)備、模具、成型工藝、零件后處理環(huán)節(jié)進(jìn)行可制造性分析。DFA 主要對(duì)零件裝配前的處理環(huán)節(jié)和零件裝配環(huán)節(jié)進(jìn)行可裝配性分析。根據(jù)分析維度的不同可以進(jìn)行相應(yīng)的量化評(píng)分，從而實(shí)現(xiàn)DFMA 的量化分析和評(píng)估，并進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖3 DFM 分析維度

3.3 簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)技術(shù)

圖4 DFA 分析維度

簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)是指盡量用最少的零部件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或組件的功能的設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)思路如圖5 所示。通過(guò)對(duì)組件內(nèi)的零部件進(jìn)行裝配分析和相互作用分析，可以構(gòu)建該組件系統(tǒng)的功能模型，在對(duì)功能模型和零部件的價(jià)值進(jìn)行分析后，可以發(fā)現(xiàn)功能缺陷和價(jià)值比較低的零部件，對(duì)功能缺陷和低價(jià)值零部件進(jìn)行裁剪設(shè)計(jì)后，就能得到簡(jiǎn)化后的設(shè)計(jì)方案。簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)不僅可以減少由于產(chǎn)品復(fù)雜所帶來(lái)的工程和可靠性問(wèn)題，還能減少產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造、測(cè)試、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)的資源投入，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)價(jià)值鏈的資源優(yōu)化。

圖5 簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)思路圖

4 結(jié)語(yǔ)

精益設(shè)計(jì)技術(shù)通過(guò)構(gòu)建成本因子數(shù)據(jù)庫(kù)和對(duì)設(shè)計(jì)制造過(guò)程的圖形進(jìn)行仿真建模，可以實(shí)現(xiàn)在研發(fā)設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品的可制造性、可裝配性以及綜合成本的量化分析和評(píng)估，并對(duì)相應(yīng)的設(shè)計(jì)不足進(jìn)行優(yōu)化提升，減少了后期的設(shè)計(jì)變更，提高了產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量和效率。

參考文獻(xiàn)·

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