产品系统化设计的核心内容探究

产品系统化设计中以设计内容命名的设计方法多达20余种（见图4-3），设计时要对主要设计内容做具体的安排，这是保证产品安全、可靠、经济、有效运行的重要措施，也是争取市场的重要条件。在产品设计总体规划及系统化设计都做了妥善的考虑。

图4-3 完成产品系统化设计具体内容的各种设计方法

产品的系统化设计实施阶段应该涵盖产品设计的一些主要内容，它是产品的功能设计、面向产品结构性能的动态优化设计、面向产品工作性能的智能优化设计、面向产品制造性能的可视优化设计，以及面向产品特殊性能的设计的综合。

系统化设计可分为一般系统化设计和深层次的系统化设计两类。前者是以线性理论为基础的一般系统化设计，而后者是以非线性理论为基础的深层次的系统化设计。

无论是常规的或一般的系统化设计，还是深层次的系统化设计，具体实施阶段的理论框架是相同的，即1+3+X的具体工作内容（见图4-4），其中1为功能设计，3为面向产品结构性能、使用性能和制造性能的设计，X为面向特殊要求的设计。

产品的功能设计包括了方案设计、机构设计、结构设计、参数设计、系统设计等。

（1）功能设计 采用合理的机构、系统和机器结构，以及合理的几何参数、工艺参数、运动参数和动力参数，使产品具有良好的功能。

图4-4 面向产品功能、三大性能和特殊要求的1+3+X的系统化设计

（2）面向产品结构性能的动态优化设计 动态优化设计包括了机器及其零部件的运动学设计、动力学设计、动强度设计、动态可靠性设计和摩擦学设计及优化。

通过以动态设计为核心的综合设计，可以使产品获得良好的结构性能（安全、可靠、耐用等），这对产品综合质量的提高具有十分重要的意义。

1）动力学设计或产品的动态设计。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，或是采用以线性理论为基础的传统动态设计方法。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。因此，对重大机械装备进行深层次的动力学设计，引入及采用非线性动力学理论与方法，是十分必需的。

2）可靠性设计和产品的寿命设计。对现代机械设备除进行动态设计外，设备的可靠性设计也是广义动态设计的重要内容之一。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、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。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取得了世界领先的地位，日本的汽车、家用电器、数控机床等产品，凭借高质量优势在国际市场上占据较大的份额。

（3）面向产品使用性能的智能优化设计 这是我国既定的科技政策和主要方向。实现自动化与智能化，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自动化与智能化技术，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自动化与智能化程度。

1）状态检测系统设计。它是智能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检测。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检测技术的发展奠定了基础。二十多年来，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、物流等方面纳入企业的管理信息系统。

2）机器操作系统和指令系统的设计。任何机器都要完成启动、运行、工作状态调整、制动、停机等各种工作过程，对于各种运行状态都需要发出指令，以使所设计的产品按照实际所需的要求运行，这样机器的操纵系统就必须要根据实际的工作要求进行设计。在目前有不少机器中根据机器的工作特点和要求，采用人机对话的方式，对机器实现所需要的工作过程。机器人的工作过程通常要通过自动操纵来完成所需要的工作，在许多情况下，操纵系统的设计是和控制系统的设计结合在一起的。

3）工作状态及工作过程的控制与优化。为了使机械设备具有实用的功效和良好的技术指标，对设备的工作参数及工作状态进行智能控制与优化是一项十分重要的工作。由于设备的工作参数及状态受内部和外部各种因素的影响，它们会随这些因素的改变而发生变化，使得机器在运行时不能获得最理想的工况，也就是说机器不能在最优的条件或工况下工作，由此机器不能获得最优的指标。所以，必须对机器最主要的工作参数和状态进行智能控制，智能控制的条件是使机器工作参数和工作状态实现最优化，首先应找出最优的工况，以便进一步实现控制。

为了使机械设备在整个工作过程中获得最优的工作状态，例如，尽量减少空余时间，即非有效工作时间，以最高的效率利用机器的有效工作时间，这是提高机器单位时间工作效率的基本措施。

4）机器故障的检测与诊断。机器在运转时，常常会出现各种故障，在设计产品时往往不可能完全设法避免，这是因为在设计产品时有许多因素无法准确估计；虽然有些故障即使在设计时已经经过充分考虑，但使用过程中有时会出现失误而引发一些故障，对绝大多数机械来说，故障的出现是不可避免的。因此近十多年来，在一些重大机械设备中安装有故障检测与诊断系统，据统计，安装诊断系统的产出与投入产出比为10～17∶1。由此可见，对于这些重大机械装备来说安装诊断系统是有重大实际意义的。

（4）面向产品制造性能为主的可视化设计 通过以可视化设计和仿真为核心的综合设计，可以使产品获得良好的制造性能。除此以外，可视化对产品的结构性能和工作性能也会有重要影响。(www.xing528.com)

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、功效增大。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。

1）制造过程的可视化。虚拟制造（VDM）是信息时代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。

2）装配过程的可视化。我们提出的装配可视化指的仅是虚拟装配，是有限范围内的虚拟技术，是对设计产品装配的可行性和合理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。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。

3）运动过程的可视化。运动过程的可视化用来检验运动过程的可行性和合理性，如运动的形式：直线运动、圆周运动、椭圆运动或其他运动；运动是否会出现干涉；运动各个阶段的位移、速度和加速度等，这些运动参数对于所要完成的功能是否是可行和合理的，它对产品的结构性能、工作性能和工艺性能影响如何，都要通过运动过程可视化予以检验。

4）动力学过程的可视化。产品的某些零部件的动力学特性可以通过动力学过程的可视化予以表示。产品的零部件通过动力学分析，可以求出它们的各阶模态和振动型，求出它们的振动响应，可以显示它们启动和停机时通过共振时振幅增大、减小的变化过程。对于非线性振动系统，还可以求出其高次谐波和次谐波，可显示出其非线性振动系统在慢变、参变和突变情况下的变化过程，甚至可以显示非线性的某些特性：滞后、跳跃、频率捕获等各种过程。

5）工作过程的可视化。机器完成所执行的功能的整个工作过程可以通过可视化技术予以表示。通过工作过程中的连续动作，可以发现其完成工作的情况，并对其工作的优劣予以评价。找出不合理的工作状态及其影响因素，以及采取相应有效措施，使机器在有效的工况工作，进而提高机器的工作效率。

系统化设计依据其所采用的理论基础即线理论和非线性理论可分为常规系统化设计和深层次的系统化设计。

（5）面向产品特殊要求的设计 有不少产品都有它们的特殊要求，即1+3+X表示式中的X。对于这些产品要根据它们的特殊要求开展相应的设计工作，即所谓面向特殊要求或特殊性能的设计。例如，有的产品在十分恶劣的环境中工作，要求这些产品能满足防爆、防辐射、耐腐蚀等方面的要求；有的产品在高真空和低温条件下工作，例如，宇航设备和仪器等；有的产品在高压的条件下工作，如在海洋深处工作的设备和仪器等。对于这些产品自然地要根据它们的特殊要求，采用特殊的设计理论和方法，开展产品的设计工作，以使它们在使用过程中能适应环境的要求，保证机器正常和有效地工作。

（6）产品的系统化设计与其他设计方法的区别

1）产品设计要以科学发展观作指导。在产品的设计中必须强调要有正确思想的指导，也就是要用科学发展观的思想和方法指导产品设计是十分重要的。科学发展观既强调了以人为本的指导思想，还特别提出要用哲学思想来指导产品设计工作。这样可以使产品的设计能全面、系统、协调、稳定和可持续地开展，从而使产品设计考虑人民的利益和用户的要求，还使所生产的产品实现多快好省的设计原则和目标。

2）用产品设计的六大要素IQCTES来代替五大要素QCTES。以往所提的产品设计五大要素QCTES是不全面的，存在明显的不足。我们可以举出在国际经济的活动中造成严重后果的许多事例。如2008年国际金融危机而引起世界各国经济发展延缓的沉痛教训。因此，提出用六大设计要素来代替五大要素是有充分的理论及实际依据的。

3）系统化设计的具体目标。对产品设计的具体要求是：应该满足产品的主辅功能及产品的结构性能、使用性能和制造性能，如图4-4所示。在这里，我们将产品的功能分为主功能和辅助功能，将产品的性能分为结构性能、使用性能和制造性能，此外还有特殊性能。它的公式是n+m+X，其中n为产品的主要功能和辅助功能；m为产品的结构性能、使用性能和制造性能；X为特殊性能。

4）系统化设计的具体内容。系统化设计的内容包括机器的各个系统、各类参数、各种机构、实现主辅功能的结构、机器整体构造的组合。因此，设计的具体内容为五大系统、四类参数、三种机构、两类结构、一种组合。

5）系统化设计要采用各种有效方法。系统化设计通过功能优化设计来完成主辅功能的设计，通过动态优化设计来完成结构性能的设计，通过智能优化设计来完成使用性能的设计，通过可视优化设计来完成制造性能的设计，通过采用特殊的设计方法来完成产品特殊性能的设计。这里要采用全功能和全性能的综合设计和创新设计、产品的绿色设计和和谐设计、动态优化设计、智能优化设计、可视优化设计或数字化设计、协同设计和并行设计等。

6）产品深层次系统化设计。前者是以线性理论为基础；后者是以非线性理论为基础，即在设计中要考虑高维、非稳态、非线性、强耦合、不确定等目前国内外正在研究的一些较高难度的关键理论问题。

7）系统化设计是多学科的交叉融合一体化设计。该法建立在先进的设计与制造的理论、线性与非线性动力学理论、可靠性理论、线性与非线性控制理论、现代仿真理论、材料科学及理论的基础上。

8）提出了产品设计质量的评价体系和准则。用以检验产品设计工作的质量，并通过信息反馈获知设计工作的可行性和合理性，进而改进和完善产品的全部设计。

深层次系统化设计是面向产品广义质量的、集动态设计、智能设计和可视化设计为一体的一种系统化设计。这一方法对功能已经完成的产品更加适用，例如，汽轮机组的基本功能是实现能量的转换，将热能转变为电能。从总体方案来看，一般情况下不做任意的改变，而为了保证产品运行的可靠性、稳定性等各方面性能要求，必须对其结构性能、工作性能和工艺性能通过动态设计、操作与控制系统设计及可视化设计使产品具有优良性能。

这三种方法的综合，可以使产品的综合质量：结构性能、工作性能和制造性能得到较全面的保证。不论在新产品的设计中，或老产品的改造中，采用这种三优的系统化设计是十分必要的，而且是十分有效的，这对提高产品设计的六项要求，全面地实现产品的各项指标，具有重要的意义。

由图4-4可知，面向产品功能和三大性能的设计法的不足是没有指出采用什么设计方法，近几年来，大量的设计工作实践已经充分证明，动态设计、智能设计和可视化设计在保证产品设计质量的过程中已发挥十分重要的作用。为克服设计工作中时常会出现的随意性、主观性、片面性和盲目性，对保证与提高产品设计质量是十分有益的。