现代机械产品设计在新产品开发中的重要作用--兼论面向产品总体质量的＂动态优化、智能化和可视化＂三化综合设计法（下） 　　

　　2.2产品设计在保证产品质量过程中的重要作用

　　为了研制与开发出工作安全可靠的、具有高技术性能的经济、耐用的产品，首先要搞好产品的设计工作。据有关专家统计，一种产品的质量，设计的贡献率可达70%;有的专家认为：产品的设计是产品质量的灵魂。举一个简单的例子，如果一种新产品，它的设计是落后的，那么，在制造过程中，花了九牛二虎之力把它制造出来，这种产品还是落后的。所以产品设计质量是好是坏，可以赋予某种产品"先天特优"、"先天良好"、"先天一般"和"先天不足"等不同档次的"先天性"的本质特性，由此可见，产品设计在保证产品质量、提高产品在市场中的竞争力，即在新产品开发与老产品改造中，起着头等重要的作用。

　　日本曾对机械设备发生的故障进行过分析统计，发现因设计造成设备故障的比例占50%，因元件、材料原因造成故障的比例为37%，因制造不良造成设备故障的比例为17%。而全产品成本水平的70%~80%取决于产品的设汁。因此，产品设计不仅能够提高产品的质量，还能缩短产品开发周期，降低设计与制造成本，可以满足用户多方面的需求。

　　前面提到的这么多的设计方法，如何来选择呢？每一种方法都会在实现机器的广义质量，即结构性能、工作性能和制造性能等三个方面，或Q、C、T、E、S等的一个方面或一些方面发挥它一定的作用。如果在设计中全面考虑与采用所有这些方法，需要花费很大的精力和较长的设计时间，也是很难做到的，因此，应该因不同产品的不同情况而侧重于不同的设计方法，这就是提出将三种主要设计方法有机结合在一起的所谓三化综合设计法的初衷。

　　3.三化综合设计方法

　　3.1三化综合设计法的意义

　　三化综合设计法，即综合动态优化设计、智能控制系统设计和可视化设计三种设计方法为一体的设计法对产品进行设计，这可以在较大范围内考虑前面提出的对产品广义综合质量，或总体质量，（即包括机器的结构性能、工作性包括Q、T、C、E、S等)的基本要求。

　　综合设计法，可克服单一设计方法的局限性，在现有的一些主要方法中找出对产品总体质量，包括结构性能(可靠性、安全性与耐久性)、技术性能(实效性、稳定性与指标优越性)、制造性能(工艺性、制造成本与生产周期)等有决定性影响，或有重要影响的3种(根据所设计产品的情况，也可以是2种或4种)方法，在设计中加以综合地考虑与实施。将所提出的"动态优化、智能化和可视化"三种方法综合在一起的设计方法，称为三化综合设计法。这种综合设计法可以在较大范围内，考虑设计中应该考虑综合质量的几个主要问题，能相对较多地或较全面地反映用户对产品设计综合质量的要求。

　　3.2三化综合设计理论与方法的具体内容

　　动态设计是机械设计内容中最重要和最具广泛性的问题。而在目前机械装备设计中，不少产品的设计还是以静态设计为主，或是采用传统的动态设计方法。这对大型机械装备，特别是大型旋转机械设备的设计来说是远远不能满足实际需要的。目前国内外对机械设备的动态设计十分重视，机械系统的非线性动力学问题是国际上研究的热点，许多原来认识不清的问题，现在可以用非线性动力学理论与方法来解决，因此，对重大机械装备进行高层次的动力学设计，引入与采用非线性动力学理论与方法，这是十分必需的。

　　设备可靠性设计是机电设备产品设计的主要内容之一。对现代机械设备除进行动态优化设计外，设备的可靠性设计也是广义动态设计的重要内容之一。可靠性设计起于20世纪40年代，源于军工电子设备。20世纪60年代开始进入机电产品设计领域，使机电产品设计发生了深刻的变化，特别是近些年来，国内外一些有代表性的机电产品(如数控机床、汽车和仪表等)在设计上更加强调可靠性指标。进入20世纪80年代后，美国开始把可靠性工作放在与产品性能、成本和开发周期同等重要的位置，并颁布一系列管理措施，推动可靠性技术的研究与应用。日本进一步发展了可靠性技术，在民用电子产品的高可靠性方面已经取得了世界领先的地位，日本的汽车、家用电器和数控机床等产品，凭借高质量优势而在国际市场上占据较大的份额。当前，以可靠性为核心的全面质量管理和质量可靠性保证正在取代传统上以功能为核心的质量工程，产品设计也由单一追求功能的设计转变为使综合质量与成本费用在整个寿命周期内达到平衡优化的设计。可以说，可靠性工程与质量管理、环境工程、价值工程、人机工程学、运筹学以及计算机技术相结合，已成为工程设计、经营决策和维修管理中不可缺少的有力工具。

　　机械装备的智能化设计是我国既定的科技政策和主要方向。实现高水平的智能化，才能使机械产品的技术性能得到提高，才能实现过去不能实现的对产品高技术性能的要求。要有目的地完成一些真正对实际产品设计起决定作用的智能化技术，来完成产品设计。目前我国许多机械设备和国外的主要差距在于智能化水平太低。以挖掘机为例，正是由于这种差距使得我国的挖掘机在国内市场的占有率显著降低；目前在国外有些装载机已实现无人操作，并正在设法打入我国市场。采用上述智能控制方法，可以使我国的工程机械赶上和达到国际先进水平。

　　工作状态智能监测系统的设计是智能化设计的一项十分重要的工作。为了实现对机械设备工作过程的智能控制，必须首先对其工作状态进行智能监测。同时，为了实现现代机械高速化、高效化、自动化、大规模、连续性生产的要求和为了使机械装备在运转过程中具有高可靠性、高安全性和高经济性，应对设备的工况进行智能监测。此外，在对设备进行监测的基础上，建立设备的更先进、更科学的管理和检修制度，也是一项重要的工作。根据国内电力系统统计，全国每年在100MW、125MW和200MW汽轮机组非计划停运和降出力责任原因的设备检修约占30%-40%的比例，由此可见，该项制度的建立十分必要。设备状态的监测在国内外一直受到人们的重视，计算机技术和传感器技术的发展为设备状态监测技术的发展奠定了基础。20年来，我国在这一方面获得了迅速的发展和全面的进步。当前，国外最新的方向就是以状态监测系统的数据来指导生产和计划检修，并且在备件采购、资金和物流等方面纳入企业的管理信息系统。

　　设备装配的可视化设计的基本内容是虚拟装配技术。虚拟设计制造(VDM)是信息时代设计制造技术发展的重要标志，它利用了在计算机上形成的虚拟模型和仿真环境。这里提出的装配可视化指仅是虚拟装配，是有限范围内的虚拟技术，是对产品的设计可行性、可制造性、可装配性等进行综合评价和检验。基于产品虚拟装配的装配模型是新兴的虚拟产品开发研究中的重要内容，近年来引起了人们的广泛关注。如美国波音公司的波音777客机的开发完全是在计算机上实现的，全部在虚拟的环境下进行。总的来看，我国虚拟设计制造技术的研究刚刚起步，多数是在原先的CAD/CAM及仿真技术的基础上进行，系统的、全面的虚拟制造技术的研究尚未开展，目前多数仍停留在国外理论的消化与国内环境的结合上。可以看出，以装配过程为核心的产品数据管理技术、智能化装配与检验技术、综合分析与评价技术等，以及开发自主知识产权的软件，将是今后一段时间人们研究的热点和发展方向。

　　设备主要工作过程的可视化设计可通过虚拟的实用性较强的虚拟设计平台来实现。该种技术除了可在虚拟的环境下，对产品的可制造性、可装配性等进行检验和评价，还可对设备工作过程的功能进行检验和评价。这项工作可以使新产品开发周期缩短、风险降低、投资减少、工效增大。基于产品虚拟技术的装配模型以及机器主要工作过程的模型是新兴的虚拟产品开发研究中的重要内容，近年来已成为人们研究的热点，工业发达国家，如美、英、德等国家率先成立了相应的研究机构或中心，推出了一些实用性较强的虚拟设计制造平台。我国在这方面的研究虽然起步较晚，但发展较快，我国有些研究部门已开发了数字化产品设计制造系统和分布式虚拟制造系统的框架体系。虽然国内在虚拟设计与制造领域取得了一些成果，但与工业发达国家相比尚有一定差距。

　　应用基于网络的虚拟设计与制造技术、以及以装配过程与重要工作过程为核心的产品三维建模等技术应是三化综合设计法的重要内容之一。