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        全生命周期設(shè)計(jì)方法論的教學(xué)及應(yīng)用

        2023-12-22 06:48:04麥青群肖英捷
        裝備制造技術(shù) 2023年10期
        關(guān)鍵詞:方法論優(yōu)化產(chǎn)品

        麥青群,肖英捷,張 平

        (廣東海洋大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,廣東 湛江 524088)

        0 引言

        中國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)2022 年發(fā)布的《工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)解讀及使用指南》指出,學(xué)生應(yīng)了解“面向工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全周期、全流程設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案”的基本方法和技術(shù),具備分析、解決“復(fù)雜工程問(wèn)題”的能力,“在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)”。全生命周期設(shè)計(jì)基本方法和技術(shù)是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題及具有創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)的基礎(chǔ)。筆者學(xué)校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化本科專(zhuān)業(yè)響應(yīng)指南,在畢業(yè)要求中列出“能夠提出機(jī)電產(chǎn)品全生命周期、全流程的設(shè)計(jì)方案,了解影響設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)方案的各種因素”。

        以筆者學(xué)校專(zhuān)業(yè)核心課“機(jī)械加工裝備與控制技術(shù)”為例,該課程的特點(diǎn)是承上啟下且綜合性強(qiáng),一方面承擔(dān)了從理論課程學(xué)習(xí)到實(shí)踐課程學(xué)習(xí)過(guò)渡的任務(wù),另一方面融合了加工裝備的理論知識(shí)、設(shè)計(jì)方法論、控制等多個(gè)方面,且增加了“全生命周期設(shè)計(jì)”等符合時(shí)代發(fā)展要求的內(nèi)容。

        1 內(nèi)容介紹及教學(xué)現(xiàn)狀

        面向產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)理論在國(guó)內(nèi)的發(fā)展起步較晚,從文獻(xiàn)檢索結(jié)果看,20 世紀(jì)90 年代中后期開(kāi)始出現(xiàn)相關(guān)理論研究[1]。對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的全生命周期設(shè)計(jì)研究始于1997 年[2],后續(xù)研究包括對(duì)全生命周期設(shè)計(jì)的概念、內(nèi)容、設(shè)計(jì)方法、發(fā)展方向等的探討[3,4]。針對(duì)全生命周期設(shè)計(jì)方法的研究,部分學(xué)者通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題建立數(shù)學(xué)模型后用多目標(biāo)優(yōu)化理論進(jìn)行算法求解的方式開(kāi)展[5,6]。2003 年,吳志歡等[7]對(duì)產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)應(yīng)用研究體現(xiàn)了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程各項(xiàng)活動(dòng)及各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)的重要性。其后,針對(duì)具體產(chǎn)品不同指標(biāo)優(yōu)化的詳細(xì)全生命周期設(shè)計(jì)研究成果逐漸增多[8,9]。

        然而全生命周期設(shè)計(jì)的理論發(fā)展還處于上升階段,對(duì)于教育教學(xué)的需求缺乏完備的理論指導(dǎo)體系。再者,全生命周期設(shè)計(jì)需要基于產(chǎn)品龐大的信息數(shù)據(jù)庫(kù),還有賴(lài)于設(shè)計(jì)者本身豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及知識(shí)基礎(chǔ),針對(duì)初入行者及高校學(xué)生而言,“面向全生命周期設(shè)計(jì)”內(nèi)容的學(xué)習(xí)及實(shí)踐難度很大,缺乏一種易于操作的設(shè)計(jì)方法論指導(dǎo)。另外,現(xiàn)實(shí)中學(xué)校與產(chǎn)業(yè)對(duì)接不夠緊密,課程教材內(nèi)容滯后、學(xué)生工程實(shí)踐能力不強(qiáng),迫切需要增強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力,提高其職業(yè)勝任力和持續(xù)發(fā)展能力。

        全生命周期設(shè)計(jì)作為新近發(fā)展的重要設(shè)計(jì)理論,在教學(xué)內(nèi)容上的推廣需求刻不容緩,同時(shí)由于該方法論的實(shí)施需要基于產(chǎn)品全生命周期的信息數(shù)據(jù)分析,而當(dāng)今時(shí)代產(chǎn)品的發(fā)展更新迭代速度非???,因而亟需開(kāi)展針對(duì)教學(xué)教育需求的“全生命周期設(shè)計(jì)方法論”教學(xué)內(nèi)容持續(xù)改進(jìn)研究及建設(shè)。

        2 全生命周期優(yōu)化設(shè)計(jì)方法論及教學(xué)設(shè)計(jì)

        全生命周期設(shè)計(jì),從多個(gè)指標(biāo)因素、產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)兩個(gè)維度,對(duì)產(chǎn)品本身技術(shù)系統(tǒng)及超系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)并分析存在或潛在的問(wèn)題,針對(duì)多個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并尋求更佳的設(shè)計(jì)效果平衡點(diǎn)。本文以機(jī)械專(zhuān)業(yè)核心課“機(jī)械加工裝備與控制技術(shù)”教學(xué)應(yīng)用需求為例,提出一種面向機(jī)械加工裝備產(chǎn)品的全生命周期優(yōu)化設(shè)計(jì)方法論,并將其融入到教學(xué)設(shè)計(jì)中,建設(shè)總思路如圖1 所示。

        圖1 全生命周期優(yōu)化設(shè)計(jì)教學(xué)建設(shè)總思路

        2.1 產(chǎn)品全生命周期分析及功能模型優(yōu)化

        選定一項(xiàng)或多項(xiàng)評(píng)價(jià)因素作為后續(xù)優(yōu)化的指標(biāo)項(xiàng),了解機(jī)床產(chǎn)品全生命周期全流程各環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題。產(chǎn)品全生命周期包括五個(gè)環(huán)節(jié):“孕育設(shè)計(jì)期”“制造生產(chǎn)期”“儲(chǔ)運(yùn)銷(xiāo)售期”“服役運(yùn)維期”“報(bào)廢回收期”,融合Triz 理論體系關(guān)于功能分析及功能模型的內(nèi)容,針對(duì)機(jī)床產(chǎn)品全生命周期每個(gè)環(huán)節(jié)皆可進(jìn)行功能分析,并建立直觀的功能模型圖。機(jī)床產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)的功能模型圖,包含了技術(shù)系統(tǒng)及超系統(tǒng)組件、相互作用關(guān)系、功能屬性及功能等級(jí)等信息,需要優(yōu)化的問(wèn)題主要為有害的、不足的或過(guò)度的功能,利用Triz 理論體系關(guān)于功能裁剪/修補(bǔ)的方法及工具,優(yōu)化并獲得新的理論功能模型圖。但由于理論功能模型圖是高度概括的框圖,落實(shí)到具體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要執(zhí)行者對(duì)跨學(xué)科設(shè)計(jì)知識(shí)及理論的綜合運(yùn)用。

        以臥式通用車(chē)床的優(yōu)化設(shè)計(jì)升級(jí)為例,設(shè)定評(píng)價(jià)因素為“加工效率”“加工精度”和“智能化程度”,該類(lèi)型機(jī)床面臨的主要問(wèn)題為:加工效率不高,加工精度不足,智能化程度太低。針對(duì)這三個(gè)因素的需求皆為機(jī)床產(chǎn)品用戶的使用需求,主要出現(xiàn)在機(jī)床的服役期,因而僅需要針對(duì)服役期的臥式通用車(chē)床進(jìn)行功能分析及建模。服役期的臥式通用車(chē)床技術(shù)系統(tǒng)及子系統(tǒng)組件包括主軸箱、卡盤(pán)、進(jìn)給箱、溜板箱、刀架、床身、床腿、尾座,超系統(tǒng)組件包括操作者、切削液、刀具、工件。分析以上組件之間的相互作用關(guān)系,建立功能模型,如圖2(a)所示。

        圖2 臥式通用車(chē)床服役期功能模型優(yōu)化

        服役期臥式通用車(chē)床的生產(chǎn)效率主要受切削加工時(shí)間及輔助時(shí)間的時(shí)長(zhǎng)影響,其中加工時(shí)間受切削速度、進(jìn)給速度影響,即主軸箱及進(jìn)給箱輸出速度不足,可描述為主軸箱帶動(dòng)卡盤(pán)主運(yùn)動(dòng)的速度不足,進(jìn)給箱帶動(dòng)溜板箱進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度不足;輔助時(shí)間受操作者換刀、換工件等操作熟練程度影響,可總結(jié)為操作者對(duì)卡盤(pán)、刀架的控制不足。服役期臥式通用車(chē)床的加工精度主要體現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)件的位置精度及速度精度,如果從誤差產(chǎn)生的角度分析,誤差主要來(lái)自原車(chē)床系統(tǒng)的所有零件形位誤差及裝配誤差。服役期臥式通用車(chē)床的智能化程度不足,主要體現(xiàn)為開(kāi)停機(jī)、工件刀具裝拆、速度等參數(shù)調(diào)整等都需要操作者人工決策及操作。

        下一步應(yīng)用系統(tǒng)裁剪/修補(bǔ)法對(duì)功能模型進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)裁剪即通過(guò)裁剪系統(tǒng)的某個(gè)組件,把該組件提供的有用功能重新分配,從而達(dá)到提高系統(tǒng)理想度的目的。系統(tǒng)裁剪/修補(bǔ)法,指針對(duì)功能復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng),僅用裁剪法無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果時(shí),可同時(shí)增加更先進(jìn)功能的組件,從而達(dá)到提高系統(tǒng)理想度的目的。由功能模型圖可知,該類(lèi)型機(jī)床的主要問(wèn)題表現(xiàn)為多處功能不足(虛線箭頭),根據(jù)裁剪法,將所有不足功能的功能載體裁掉,如圖2(a)所示,去掉組件主軸箱、進(jìn)給箱、操作者后,以下功能缺少功能載體:卡盤(pán)的支撐、動(dòng)力及控制,刀架控制,溜板箱的動(dòng)力及控制。根據(jù)修補(bǔ)法,在考慮“效率、精度、智能化”的前提下改造功能對(duì)象或者增加新組件支撐所需功能,如用CNC 系統(tǒng)代替操作者控制各執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng),用電主軸代替主軸箱帶動(dòng)卡盤(pán)實(shí)現(xiàn)高速高精度輸出,用直線電機(jī)帶動(dòng)溜板箱或者直接帶動(dòng)刀架實(shí)現(xiàn)高精度直線運(yùn)動(dòng)輸出,另外增加閉環(huán)檢測(cè)組件以保障實(shí)現(xiàn)精度要求,如圖2(b)所示。需要注意的是,修改后的功能模型作為新的設(shè)計(jì)方案,進(jìn)一步機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí),整機(jī)的組件需要按照新的精度等級(jí)設(shè)置質(zhì)量要求。

        2.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

        針對(duì)“全生命周期設(shè)計(jì)方法論”內(nèi)容的詳細(xì)教學(xué)設(shè)計(jì)思路見(jiàn)圖3。先引導(dǎo)學(xué)生思考優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性,引出產(chǎn)品的不足,然后分析討論產(chǎn)品不足在不同因素不同環(huán)節(jié)的具體表現(xiàn)。以環(huán)節(jié)為橫列、因素為縱列、具體問(wèn)題表現(xiàn)為內(nèi)容填寫(xiě)全生命周期分析表,培養(yǎng)學(xué)生分析整理的能力;通過(guò)分組討論尋求優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案,培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力;對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià),培養(yǎng)學(xué)生管理和決策的能力;對(duì)評(píng)價(jià)值低的因素,反饋到流程最初產(chǎn)品不足分析,形成產(chǎn)品的持續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì);最后輸出設(shè)計(jì)報(bào)告,作為作業(yè)提交,培養(yǎng)學(xué)生在專(zhuān)業(yè)內(nèi)表達(dá)和溝通的能力。教師對(duì)設(shè)計(jì)報(bào)告進(jìn)行評(píng)價(jià),分析達(dá)成情況,輸出持續(xù)改進(jìn)建議,用于教學(xué)的持續(xù)優(yōu)化。

        圖3 教學(xué)設(shè)計(jì)框圖

        3 教學(xué)持續(xù)改進(jìn)

        在“機(jī)械加工裝備及控制技術(shù)”課程教學(xué)持續(xù)改進(jìn)中,持續(xù)改進(jìn)的依據(jù)包括課程直接評(píng)價(jià)、學(xué)生反饋、以及后續(xù)課程的學(xué)生能力體現(xiàn)。其中直接評(píng)價(jià)包括平時(shí)成績(jī)(作業(yè)、專(zhuān)題報(bào)告和大作業(yè))和期末考試;學(xué)生反饋包括問(wèn)卷調(diào)查、課后交流;后續(xù)的直接相關(guān)課程為設(shè)計(jì)類(lèi)課程,包括機(jī)械設(shè)計(jì)制造綜合實(shí)踐和畢業(yè)設(shè)計(jì)。

        該課程始于2021 年,至今共開(kāi)課三年,關(guān)于全生命周期設(shè)計(jì)的教學(xué)一直處于持續(xù)改進(jìn)階段,見(jiàn)表1。

        表1 全生命周期設(shè)計(jì)教學(xué)持續(xù)改進(jìn)概況

        4 結(jié)語(yǔ)

        針對(duì)機(jī)械加工裝備的全生命周期的教學(xué)內(nèi)容改革,結(jié)合Triz 理論的功能分析、功能建模及模型優(yōu)化方法,將全生命周期設(shè)計(jì)從理論到實(shí)踐有效連接起來(lái),更有利于初學(xué)者及學(xué)生群體的理解及設(shè)計(jì)實(shí)踐,融合了不同的學(xué)科知識(shí),具有一定創(chuàng)新性及實(shí)用性。

        在金課建設(shè)的背景下,專(zhuān)業(yè)核心課程面臨著“兩性一度”(高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度)的建設(shè)改革需求,結(jié)合工程認(rèn)證要求(國(guó)際化)、時(shí)代要求(先進(jìn))、產(chǎn)業(yè)要求(復(fù)雜工程問(wèn)題)、個(gè)人要求(能力發(fā)展),課程建設(shè)改革任務(wù)緊急且任重,而“全生命周期設(shè)計(jì)”由于其考慮的全面性契合以上所有需求,為工程及設(shè)計(jì)類(lèi)課程建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。但正是“全生命周期設(shè)計(jì)”的全面性提高了該部分內(nèi)容建設(shè)的難度,源于產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)的分析,需要巨大的信息數(shù)據(jù)支撐,即使教學(xué)中的方法論,也需要建設(shè)一定容量的生產(chǎn)案例信息數(shù)據(jù)庫(kù)才能避免教學(xué)天馬行空。

        本方法論的實(shí)施需要更多案例支撐,而面向全生命周期設(shè)計(jì)的案例建設(shè)需要充分了解機(jī)械加工裝備在不同環(huán)節(jié)存在的具體問(wèn)題,還需要深究每個(gè)問(wèn)題的成因,才能進(jìn)行有效的優(yōu)化設(shè)計(jì),本研究仍處于初級(jí)階段,后續(xù)還需要結(jié)合產(chǎn)業(yè)具體情況建設(shè)更充足的案例。

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