智能制造精益研发的综合设计体系

智能制造精益研发的综合设计体系

综合设计有广义和狭义之分。广义的综合设计包含V模型左半边的设计过程，以及对这些设计的仿真、试验验证（即多V模型的右半边）。狭义的综合设计则只包含V模型的左半边的设计过程。

一、综合设计概述

综合设计旨在建立正向设计体系，包括系统设计和物理设计两部分。系统设计是形成系统框架的过程，物理设计则是确定设备的具体结构和参数。不论何种产品，系统设计部分的形态都是相似的，均表现为框架形态。物理设计部分的形态针对机械、电子和软件则各不相同。

产品正向设计是装备制造业迫切需要发展的能力，系统设计则是正向设计的基础。恰恰在这方面，中国企业对此较为陌生。因此，本文重点介绍系统设计的方法和工具。

由于长期沿袭逆向工程模式，中国工业体系中产品开发的主体工作为物理设计，对此类设计方法较熟悉，所以，本文对于这部分只介绍当前中国企业所欠缺的总体论证部分，对于企业所熟悉的基于CAD的经典设计方法不做介绍。

中国企业对经典软件工程也比较熟悉，因此本文也不做详细介绍，只讨论当前中国企业应对国军标CMMI（GJB 5000A）标准中常遇见的问题及建议方略。

最后，针对数字化时代的协同设计模式及设计过程数据的管理方法做简单介绍。

二、综合设计体系模型

同精益研发体系一样，综合设计体系也属于社会技术学范畴，是由许多相互联系的要素组成的一个复杂整体，如图1所示。这些要素包括战略、人、技术、流程和平台。

图1　综合设计体系模型

综合设计体系以“正向设计驱动产品创新”为指导战略。在技术方面，重点是正向设计相关的技术、工具、方法和软硬件建设，以及最佳实践的获取和积累。在流程方面，重点是正向设计工作的流程、规范和标准的建设。在人才与组织方面，重点是适应正向设计特点的组织体系、任职资格体系、考核激励和人员培养体系的建设。因此，综合设计体系建设应确定正向设计战略，制定整体和长期规划及建设方案，从人

才与组织、流程标准规范、技术工具方法三方面综合建设，最终还应形成服务于综合设计的信息化平台。

三、综合设计成熟度模型

一家企业的设计能力可以从产品设计的起点来做判断。从V模型的哪个阶段入手设计产品，基本可以断定该企业的设计能力就是这个起点所对应的能级。这样，可以把企业设计成熟度（能级）分为五级：仿制级、逆向级、系统级、正向级和自由级。各级别的细部特征描述如下。

图2　综合设计能级模型

1.一级成熟度：仿制级

本等级的定位是：基于现有图纸的制造。主要特征如下。

·总体特征：对产品的物理设计参数有清晰的理解，具有工艺设计能力，对现有产品可做少量改进。

·研发部门以设计人员为主，仿真相关人员较少，甚至没有仿真人员，数字化人才和仿真人才处于边缘化状态。

·显性设计流程基本没有，按照约定俗成开展工作。

·数字化开始影响传统设计过程，但仿真手段对设计过程的影响不大。

·设计数据零散管理，主要在个人手中。

·软硬件选型较为随意。

·设计软件主要是二维CAD软件、单场/单学科仿真和Inhouse工具。

·尚无设计平台出现。

·研发基础IT主要是个人机或工作站。

2.二级成熟度：逆向级

本等级的定位是：基于现有产品的设计。主要特征如下。

·总体特征：对产品的系统架构和运作逻辑具有清晰的理解，可以根据现有产品或系统进行逆向设计以形成“新产品”或“新系统”。

·数字化人才增加，仿真人才专职化。

·开始进行薪资体系建立，在设计组织中出现专职的仿真团队。

·对设计流程管理的重要性有所意识，并启动局部的管理工作。

·企业开始进行部分数字化设计规范的梳理，开始认识到仿真在设计中的重要性。

·开展了产品数据管理、仿真数据管理。

·软硬件的选型主要依据型号（项目）的需求而进行。

·设计仿真软件主要是三维CAD软件、单场/单学科仿真优化等。

·在设计平台方面，开始使用PDM、SDM平台。

·研发基础IT中开始出现HPC硬件及调度软件。

3.三级成熟度：系统级

本等级的定位是：基于系统架构的设计。主要特征如下。

·总体特征：对产品或系统的功能架构具有清晰的理解，根据功能

架构设计系统架构与仿真，可以对物理产品的参数提出清晰的要求，必要时可进行物理设计。

·数字化人才和仿真已成为主力。

·任职资格体系定型，仿真人才形成独立部门。

·设计流程管理已经成为保持设计过程有序进行的保障，出现与系统设计相关的流程。

·设计过程已经开始进行数字化变革，仿真成为设计的重要过程。

·产品数据、仿真数据、过程数据、知识和质量数据等单独管理。

·软硬件选型基于部门和能力建设的规划进行。

·开始将CAE与三维CAD集成使用，并使用多场耦合仿真工具、多学科集成系统。开始引入CAI、CAQ及系统设计与仿真软件。

·在设计平台方面，PDM和SDM平台成为设计相关数据的日常工作平台；

·研发基础IT中开始出现部门级网格计算体系。

4.四级成熟度：正向级