精益研发设计，从源头提升质量、降低成本

精益生产已经家喻户晓，其核心是以整体优化的观点合理地配置和利用企业拥有的生产要素，消除生产全过程一切不产生附加价值的劳动和资源。

 

 

然而，精益生产是在产品定型后实施的，如果产品设计存在缺陷、不合理，或者不是质量、成本最优的设计方案，那么很可能会给实施精益生产带来困难，或者严重影响实施效果。因此，产品设计是提升质量和降低成本的源头和关键。

 

 1. 什么是精益设计？

 

近年来，制造工程学专家学者将“精益”的思想从制造向设计环节延伸，提出了“精益设计”的概念，即在设计的每一个环节、步骤、流程中都尽可能地使用最优的方案，同时又能够在设计活动中对产品设计的流程和状态进行精确控制和优化，实现设计的产品价值最高，成本最低。

 

2. 产品概念设计中的精益设计

 

设计方法学专家学者一直倡导产品的每一个设计环节都要创新和优化，与精益设计的理念是一致的，仅仅是术语不同而已。德国教授G. Pahl, W. Beitz 等在Engineering Design 著作中强调，从产品概念设计阶段开始，就要对方案的技术、经济和安全等方面进行综合评估。概念设计所花费的成本只占整个产品全生命周期成本的约1 % ,但它却决定了整个全生命周期成本的70%。概念设计不仅决定着开发产品的成本、周期和质量，而且产生的设计缺陷无法由后续设计过程弥补。

 

G. Pahl, W. Beitz, Engineering Design 著作，简明扼要地介绍了理论和方法，建议大家在设计中尝试。

 

我们可以从两个方面理解产品概念设计中的精益设计：

（1）采用物质-能量-信息流和动宾名称定义功能模型，为原理解的创新创造了无限的空间。可以采用发散思维、头脑风暴等创新思维，产生更多可以优化选择的原理解方案，如图1、图2 土豆收割机设计案例。习惯性地根据经验从结构方案开始设计，不仅难免产生设计缺陷，而且难以获得更优的设计方案。

 

 

（图 1  土豆收割机功能结构图）

 

（图 2  土豆收割机功能-原理解形态学矩阵）

 

（2）以提升产品质量和降低成本为目标，对所有可行的原理解方案进行定性或者半定量的技术和经济评估，获得优化的原理解方案。例如：1）对于简单和明确的功能，选定的原理具有足够的物理效应和尽可能少的干扰因素；2）少量的零部件，低复杂性，低空间需求，对空间布局设计无特殊要求；3）常规制造工艺，无需特殊或昂贵设备，部件结构简单、数量不多；4）装配容易、方便、快速、无需特殊辅助工具。其它评估标准举例请参照“产品需求分析与概念设计方法”或者其它标准、文献。

 

3. 产品详细设计中的精益设计

 

产品详细设计阶段实施精益设计，一方面以成本最小化为目标，对结构模型进行优化设计，或者对系统进行多学科优化设计。图3 为某悬臂梁可靠性优化设计模型，以截面积最小化为目标，强度和刚度可靠性等为约束条件，求解截面的长度和宽度。在满足期望可靠性的前提下，获得成本最小化的设计解。

 

 

（图 3 某悬臂梁可靠性优化设计数学模型）

 

另一方面，可以根据产品数据库和库存等信息，分析预估设计方案的制造成本和工艺合理性，在保证质量的前提下得到成本最优的设计方案。

 

产品设计研发流程优化等方面的精益设计问题请关注后续文章。实施精益设计和精益生产为推进智能制造创造了重要的基础。