机电产品的设计与发展

传统的机电产品的设计过程采用串行方式，即设计任务按时序从一个环节传入下一个环节，产品生命周期各环节相互独立，往往容易造成设计与制造脱节，产品开发周期长，成本较高，质量难以得到保证，而且在产品设计过程中很少考虑产品对生态环境的负面影响，难以实施绿色设计和开发绿色产品。欧盟EuP指令的出台，将生命周期理念引入产品设计环节，规定生产商必须自行承担报废产品回收、处理及再循环的费用。这就要求我国现代的绿色制造业必须考虑包括产品设计、制造、使用、后期处理等全生命周期。考虑到设计阶段的重要性，为了缩短产品开发周期，在机电产品的开发中应引入面向制造DFM、面向装配DFA、面向成本DFC设计等并行工程的理念，并按照并行工程思想，采用协同式工作组的模式进行并行式绿色设计的方法。

1 并行工程

并行工程是一种以集成方式并行地进行产品设计和制造以及支持等相关过程的系统化方法，也就是要对产品设计和制造系统中相关过程同时进行考虑，以确保产品结构符合其功能及相关的制造工艺要求，包括产品生命周期的所有上下游活动，即从市场分析、原材料获取、产品成本分析、产品的加工、装配、检验，直到产品售后服务、维修以及最后的退役、报废回收等。与传统设计方法相比，并行工程的设计方法是立足于产品的整个生命周期，以最快的上市速度T、最好的质量Q、最低的成本C、最优的服务S及最清洁的环境E来满足顾客的不同需求和社会可持续发展的需求。

2 绿色设计

传统设计面向对象的主体是人，过多地考虑到了人的使用因素，忽略了对环境的影响，在产品使用报废后，就成了废品。绿色设计是一种全新的设计理念，绿色设计又称为:生态设计(Ecological Design, ED )、环境设计(Design for Environment,DFE)、生命周期设计(Life Cycle Design, LCD)等，是一种综合产品功能、性能、质量、寿命、成本和环境于一体的现代设计理念和方法。绿色制造必须集成到产品和工艺设计与开发系统中去，其目的是使产品制造、使用和废弃过程对环境的不利影响降低到最小。绿色设计实际上包括两方面的内容:首先是分析产品在其生命周期过程中对环境的影响，从产品的构思开始，就应考虑产品的结构设计、零部件的选材、制造、使用、报废和回收利用过程中对环境、资源的影响，从而以最小的代价实现产品“从摇篮到再现”的循环；其次是根据分析结果改进设计，包括面向可拆卸的设计(Design for Disassably)和面向回收重用的设计(Design for Recycling )，前者关注废弃产品的拆卸问题，后者主要关注原材料的

回收重用问题。

3 并行式绿色设计的方法

从以上对并行工程和绿色设计的简单阐述可以看出，并行工程与绿色设计关系紧密，设计理念非常吻合。为此，我们考虑用并行工程的设计思想来指导绿色设计的全过程，即并行式绿色设计。并行式绿色设计实质上是“绿色”与“并行”有机结合的先进设计方法，如图1所示。


图1并行式绿色设计的结构框架

产品结构设计要在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计方法，充分考虑对资源和环境的影响。在设计中，广泛运用现代的设计技术，如采用系列化、模块化和标准化设计方法，为产品在报废后的再制造奠定技术基础；注意考虑产品的装拆结构设计，并在产品报废后可使重用部分能有效地回收和重用，以达到节约资源和保护环境的目的。

绿色材料设计是在选材时，不仅要考虑产品的功能、质量、成本等多方面的因素，还应考虑对环境的影响，所选材料不是一味地追求产品的经久耐用，应尽量减少材料用量，尽量使用能采用较经济的方法一起回收的材料，即在满足使用要求的同时，还要求在生产过程中和产品废弃后尽可能不对环境造成污染，并应加强对材料的合理使用和有效管理。

产品工艺设计和制造环境设计要根据制造系统的实际，尽量采用物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的工艺方案，如采用精密成形技术；尽量减少边角废料，使用干式切削技术，消除切削液的污染及简化工艺系统等；尽量避免用粘结剂装配固定塑料零件，尽可能采用超声焊接、热熔接等同种材料直接连接的方法，方便产品的重用。

包装方案设计要把绿色包装技术作为包装工业发展的重点，如开发各种可替代塑料的防潮薄膜、保鲜的纸包装制品，适当发展易回收利用的金属包装及高强度且壁薄质轻的玻璃包装，研究开发塑料的回收再生产品等。

使用维修设计要求产品在使用中能耗低，噪声小，操作简便，安全可靠，保养维护方便，符合人机工程学要求，且不对使用者造成不便和危害，不造成新的环境污染。

回收处理设计要求从产品设计开始就要充分考虑这个问题，并做系统分类处理。产品生命终结后，可以有多种不同的处理方案，如再使用、再利用、废弃等，各种方案的处理成本和回收价值都不一样，需要对各种方案进行分析与评估，确定出最佳的回收处理方案，从而以最少的成本代价，获得最高的回收价值，即进行绿色产品回收处理方案设计。评价产品回收处理方案设计主要考察3个方面:效益最大化、重新利用的零部件尽可

能多、废弃部分尽可少。


4 并行式绿色设计的关键技术

4.1 基础数据库的建立

绿色设计数据是指设计过程中使用和产生的数据；绿色设计知识是指支持绿色设计决策所需的规则。

绿色设计由于涉及产品全生命周期，因而设计绿色设计由于涉及产品全生命周期，因而设计所需的数据和知识是产品生命周期各阶段所需数据和知识的融合与集成。为了满足绿色设计的需要，必须建立相应的数据库和知识库，以便为绿色产品的方案设计、结构设计、材料设计、工艺设计、包装设计、使用设计及回收设计等提供重要的数据支撑和知识支撑。绿色设计的主要内容包括:面向拆卸设计数据库、面向回收设计数据库、面向运行设计数据库、材料选择数据库、绿色知识库等。

4.2 定量评估设计的环保性

为实现绿色设计，首先应分析所设计的产品在其生命周期过程中对环境的影响，即生命周期评估技术(Life Cycle Assessment, LCA)；其次是根据分析结果来改进设计。产品生命周期的特征模型可以用多目标评估方法将它们综合为一个参数，其目标函数有3个，即在产品生命周期范围内，产品的回用时间(ft)最长，资源综合利用率( fr )最高，环境负影响(fe)最小。其约束条件主要有5个，即产品的功能(F)、交货期(T)、质量(Q)、成本(C)、服务(S)达到相应的指标值。

产品生命周期工程特征模型的计算方法为



式中:X = (x1,x2,x3,…,xn)表示影响产品生命工程的回用时间、资源利用率、环境状况以及产品Q,F,C,T,S的各种因素；gq(X),gf(X),ge(X), gt （X), gs(X)分别为产品的质量、功能、成本、交货期及服务的函数；Iq， If， Ic ，It ，Is分别为产品的质量、功能、成本、交货期及服务指标常数。

在求得产品设计的环保指数后，可按照设计规则对其进行再设计，然后计算出新方案的环保指数，上述过程一直进行到环保指数的计算结果值相差甚微时，即可认为产品的设计相对地达到了最优。

4.3 产品数据库管理

为实现多种设计技术的无缝集成，将LCA分析结果直接用于指导产品的装配设计，并将产品数据管理技术用于并行式绿色设计之中。产品数据管理(PDM)系统能将各类信息，如CAD/CAPP/CAM/CAE文件、材料清单、产品规格说明书、数控程序、生产成本等集成在一个统一的平台上，提供产品全生命周期的信息管理。PDM是产品重组、并行工程、协同产品开发等新技术的基础，可有效地对从产品概念设计、计算分析、结构设计、工艺流程、制造、销售、维修服务直至产品废弃后处理处置全过程的相关数据予以定义、组织和管理，使各项数据保持一致、共享及

创新，并且能跟踪、保存与管理产品设计、制造和技术支持所需的大量数据，从而控制产品信息的处理和使用，优化产品的开发。

4.4 并行式绿色设计环境的构建

传统的CAD, CAM系统由于缺乏功能交互和对协同活动机制的管理，很难实现功能和设计过程的交互，并行效果差。要实现并行设计，CAD人员在进行绿色设计的同时必须对设计过程进行控制，使CAPP及CAM人员能够参与到产品的绿色设计当中，可以采取相互之间信息的传递、知识的交互或讨论方式来指导设计人员的行为。通过PDM平台，能提供给各设计小组一个柔性的产品数据管理工具，将全体设计人员集成于一个统一的大环境中。这需要充分利用计算机网络和Internet技术，运用分布式数据库技术、面向对象的方法进行系统设计，形成集成的、并行的产品设计开发环境，其结构如图2所示。



图2产品开发环境的体系结构

5 结束语

环境、资源、人口是当今人类社会面临的3大主要问题。并行式绿色设计通过综合考虑产品性能、环境影响和资源效率，使得产品从设计、制造、包装、运输使用到报废处理的整个产品生命周期过程对环境的负面影响达到最小，而对资源的利用率却达到最高。并行式绿色设计的应用必将提升我国制造业的水平，也将成为现代制造业可持续发展的一种模式。