摘要：隨著全球制造業(yè)的迅速發(fā)展，智能制造逐漸成為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要推動(dòng)力。智能制造環(huán)境下，可以通過集成先進(jìn)的信息技術(shù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)分析等手段，提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，從根本上推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和變革?；诖耍恼聡@智能制造環(huán)境下工業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略展開探討，旨在探索智能制造技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景，以期為推動(dòng)設(shè)計(jì)與制造深度融合、制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型提供參考。

關(guān)鍵詞：智能制造；工業(yè)設(shè)計(jì)；優(yōu)化策略

中圖分類號(hào)：TB47；TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2024）21-00-03

0 引言

隨著全球制造業(yè)朝著智能化、數(shù)字化方向加速轉(zhuǎn)型，工業(yè)設(shè)計(jì)作為連接用戶需求與產(chǎn)品制造的核心環(huán)節(jié)，面臨著前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。智能制造的興起，通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等前沿技術(shù)深度融合，重塑了傳統(tǒng)的制造模式，也對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的理念、流程和方法提出了新的要求。在智能制造環(huán)境下，工業(yè)設(shè)計(jì)不再僅僅是對(duì)產(chǎn)品外觀與功能的規(guī)劃，而是需要與整個(gè)制造系統(tǒng)高度協(xié)同，推動(dòng)產(chǎn)品從概念到生產(chǎn)的全流程優(yōu)化。

智能制造的核心特征在于高度集成化、數(shù)字化和智能化，這為工業(yè)設(shè)計(jì)提供了全新的技術(shù)手段與創(chuàng)新空間。例如，通過虛擬仿真與數(shù)字孿生技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在產(chǎn)品開發(fā)的早期模擬生產(chǎn)與使用場(chǎng)景，從而提前識(shí)別并解決潛在問題；通過大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠基于海量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化決策，顯著提升設(shè)計(jì)效率與精準(zhǔn)度；通過增材制造等技術(shù)，個(gè)性化與定制化需求得以高效實(shí)現(xiàn)，滿足日益多樣化的市場(chǎng)需求［1］。

1 智能制造與工業(yè)設(shè)計(jì)融合背景

1.1 智能制造的概念與特征

智能制造就像給傳統(tǒng)工廠裝上“智慧大腦”，讓生產(chǎn)過程變得更聰明、更靈活。具體而言，其通過物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，讓機(jī)器設(shè)備不僅能自動(dòng)生產(chǎn)，還能自主分析問題、優(yōu)化流程。一條智能生產(chǎn)線就像“會(huì)思考的流水線”，當(dāng)某個(gè)零件庫存不足時(shí)，它會(huì)自動(dòng)調(diào)整生產(chǎn)順序，優(yōu)先處理其他訂單，避免停工待料。

智能制造具有三大核心特征：一是互聯(lián)互通。所有設(shè)備通過傳感器聯(lián)網(wǎng)，就像工廠里的機(jī)器都用“微信群”溝通。一臺(tái)機(jī)器檢測(cè)到故障，其他設(shè)備會(huì)立刻收到預(yù)警。二是靈活應(yīng)變。傳統(tǒng)生產(chǎn)線只能固定生產(chǎn)一種產(chǎn)品，而智能工廠可以像“變形金剛”一樣快速切換任務(wù)，如上午生產(chǎn)空調(diào)，下午就能改做空氣凈化器。三是動(dòng)態(tài)優(yōu)化。系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)改進(jìn)流程。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某款產(chǎn)品螺絲裝配耗時(shí)太長(zhǎng)時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)整機(jī)器人的作業(yè)角度進(jìn)行提速。這種改變不僅提升了效率，更讓工廠從“機(jī)械勞動(dòng)”轉(zhuǎn)向“智能創(chuàng)造”［2］。

1.2 智能制造對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的影響

智能制造正在重塑工業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)則，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面［3］：一是設(shè)計(jì)周期大幅縮短。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需反復(fù)打樣驗(yàn)證，如今通過數(shù)字孿生技術(shù)，設(shè)計(jì)師在電腦上就能模擬產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到使用的全流程。例如，家電企業(yè)在設(shè)計(jì)電飯煲時(shí)，可以直接虛擬測(cè)試不同材質(zhì)的加熱效果，省去實(shí)體樣機(jī)制作環(huán)節(jié)。二是設(shè)計(jì)自由度提升。3D打印等技術(shù)支持復(fù)雜結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，設(shè)計(jì)師可以大膽創(chuàng)新。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，通過掃描患者骨骼數(shù)據(jù)，可直接設(shè)計(jì)打印個(gè)性化骨科支架，這在過去的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)中無法實(shí)現(xiàn)。三是設(shè)計(jì)責(zé)任延伸。設(shè)計(jì)師需要為產(chǎn)品的全生命周期負(fù)責(zé)。例如，在設(shè)計(jì)智能音箱時(shí)，要考慮未來軟件升級(jí)的硬件兼容性以及回收拆解的便捷性。某品牌掃地機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，電機(jī)損壞后，用戶可自行更換，減少電子垃圾。

2 智能制造環(huán)境下工業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化需求

2.1 生產(chǎn)效率提升與設(shè)計(jì)優(yōu)化的結(jié)合

通過實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程的協(xié)同與智能化決策，制造企業(yè)可以在保障產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，顯著提高生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。智能制造環(huán)境下的設(shè)計(jì)優(yōu)化，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程高度協(xié)同。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程中，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)往往是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的階段，設(shè)計(jì)人員與生產(chǎn)人員之間的信息交流受限，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案無法充分考慮到生產(chǎn)過程中的復(fù)雜性與可行性。而智能制造則能夠提供更加動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)反饋機(jī)制。借助虛擬仿真、數(shù)字化雙胞胎等技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)階段模擬產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，從而提前識(shí)別潛在的生產(chǎn)瓶頸或技術(shù)難題［4］。另外，隨著人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)的不斷進(jìn)步，設(shè)計(jì)優(yōu)化與生產(chǎn)效率的結(jié)合逐漸體現(xiàn)出智能化決策的潛力。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化依賴設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和直覺，而在智能制造環(huán)境下，可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而大大提高設(shè)計(jì)的智能性與精準(zhǔn)度。

2.2 個(gè)性化與定制化需求的驅(qū)動(dòng)

個(gè)性化和定制化需求，對(duì)生產(chǎn)過程中設(shè)計(jì)的靈活性和適應(yīng)性提出了更高要求。在傳統(tǒng)制造環(huán)境下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)計(jì)方案較為固定，不容易調(diào)整。而在智能制造環(huán)境下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)不再是單一的線性過程。通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，制造商可獲取和分析消費(fèi)者的詳細(xì)需求，實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，確保最終產(chǎn)品能夠精準(zhǔn)滿足消費(fèi)者的需求，避免傳統(tǒng)模式下因標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)導(dǎo)致的產(chǎn)品同質(zhì)化問題［5］。另外，定制化需求還促使生產(chǎn)流程的個(gè)性化調(diào)整。在智能制造框架下，通過高度集成的信息化平臺(tái)，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)之間的無縫對(duì)接變得更加高效，制造商能夠根據(jù)客戶的定制需求，在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)。例如，應(yīng)用增材制造（3D打?。┘夹g(shù)，能夠根據(jù)不同用戶的需求，在不增加過多生產(chǎn)成本的情況下，靈活地改變產(chǎn)品的外形和功能配置。

2.3 產(chǎn)品生命周期管理

在智能制造環(huán)境下，產(chǎn)品生命周期管理（PLM）已成為工業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化的核心組成部分。隨著市場(chǎng)需求的不斷變化和產(chǎn)品技術(shù)的不斷創(chuàng)新，傳統(tǒng)的產(chǎn)品管理方式逐漸無法滿足高效、靈活的設(shè)計(jì)需求［6］。智能制造提供的高度集成的數(shù)字化工具，使產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)、使用到最終報(bào)廢的全過程都能夠?qū)崿F(xiàn)精確、實(shí)時(shí)的監(jiān)控和優(yōu)化。在產(chǎn)品生命周期管理中，信息流的高效傳遞與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新至關(guān)重要。通過集成化的信息平臺(tái)，企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的無縫對(duì)接，使每個(gè)階段的數(shù)據(jù)可以在多個(gè)部門之間共享，避免形成“信息孤島”，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以依據(jù)實(shí)時(shí)反饋不斷優(yōu)化產(chǎn)品，從而縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)精度。

3 智能制造環(huán)境下工業(yè)設(shè)計(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)

3.1 技術(shù)系統(tǒng)不兼容

智能制造環(huán)境下，數(shù)據(jù)格式與協(xié)議不統(tǒng)一嚴(yán)重制約著工業(yè)設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)的高效協(xié)同。以汽車零部件設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)部門采用CATIA軟件構(gòu)建的三維模型，在傳輸至數(shù)控加工中心時(shí)，曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與CAM系統(tǒng)解析標(biāo)準(zhǔn)不匹配導(dǎo)致加工路徑生成錯(cuò)誤。某剎車盤生產(chǎn)企業(yè)曾因模型轉(zhuǎn)換過程中的公差參數(shù)丟失，造成首批產(chǎn)品安裝孔位偏移1.2毫米，直接損失37萬元。此類問題的本質(zhì)在于異構(gòu)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)接口缺乏標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范。例如，CAD軟件的B樣條曲面表達(dá)與數(shù)控機(jī)床的直線插補(bǔ)指令間存在算法鴻溝。要解決這一問題，需構(gòu)建基于ISO 13399標(biāo)準(zhǔn)的智能刀具管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)參數(shù)到加工代碼的端到端映射。

3.2 定制化生產(chǎn)的成本難題

個(gè)性化需求與規(guī)模化生產(chǎn)之間的經(jīng)濟(jì)性沖突，本質(zhì)是定制化帶來的邊際成本陡增效應(yīng)。某智能家居企業(yè)的案例顯示，當(dāng)訂單批量從1000件降至50件時(shí)，激光切割機(jī)的單位能耗成本上升4.3倍，主要源于設(shè)備預(yù)熱時(shí)間占比從12%增至65%。在兒童智能手表定制項(xiàng)目中，外觀顏色選項(xiàng)從3種擴(kuò)展至12種后，噴涂設(shè)備的清洗劑消耗量增加220%，產(chǎn)線切換時(shí)間延長(zhǎng)至標(biāo)準(zhǔn)模式的2.8倍。破解該難題需采用分級(jí)模塊化設(shè)計(jì)策略：將產(chǎn)品分解為固定模塊與可變模塊。某電動(dòng)工具制造商將電鉆產(chǎn)品劃分為動(dòng)力模塊（標(biāo)準(zhǔn)化）、外殼模塊（有限定制）與功能附件（完全定制）三級(jí)體系，使非標(biāo)訂單成本壓縮至標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的1.4倍。

3.3 設(shè)計(jì)師的新技能要求

智能制造對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)師的知識(shí)結(jié)構(gòu)提出多維擴(kuò)展要求。傳統(tǒng)手繪技能需向參數(shù)化設(shè)計(jì)工具應(yīng)用轉(zhuǎn)變，如掌握Grasshopper等可視化編程軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)變量與生產(chǎn)參數(shù)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。某消費(fèi)電子品牌設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在TWS耳機(jī)開發(fā)中，通過Fusion 360的參數(shù)化模型實(shí)現(xiàn)腔體結(jié)構(gòu)與PCB板尺寸的協(xié)同優(yōu)化，設(shè)計(jì)迭代周期縮短65%。此外，設(shè)計(jì)師需具備制造工藝預(yù)判能力。某新能源汽車的燈組設(shè)計(jì)方案因曲面曲率超出沖壓工藝極限，被迫三次修改結(jié)構(gòu)。人才培養(yǎng)需構(gòu)建“設(shè)計(jì)+工

藝+數(shù)據(jù)”的復(fù)合型課程體系，如在CMF（色彩、材料、工藝）課程中增加智能材料特性模塊，增強(qiáng)設(shè)計(jì)可行性的預(yù)評(píng)估能力。

4 智能制造環(huán)境下工業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

4.1 三步打通技術(shù)堵點(diǎn)

智能制造環(huán)境下，技術(shù)系統(tǒng)的協(xié)同障礙需通過系統(tǒng)化策略逐步化解。首先，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)是基礎(chǔ)性工作，可類比為在不同語言的國家間建立通用交流規(guī)則。設(shè)計(jì)軟件與生產(chǎn)設(shè)備若采用兼容性強(qiáng)的數(shù)據(jù)格式，能有效避免模型特征丟失或解析錯(cuò)誤。例如，汽車設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成的三維模型通過通用格式直接傳輸至制造端，無須人工干預(yù)即可生成精確的加工路徑，顯著縮短設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化周期。其次，引入智能化中間層作為“翻譯器”，實(shí)時(shí)連接設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)高效流動(dòng)。這種中間層不僅能傳遞信息，還能自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì)參數(shù)的制造可行性，如檢測(cè)零件尺寸是否超出機(jī)床加工范圍，并在設(shè)計(jì)階段預(yù)警。最后，搭建虛擬驗(yàn)證環(huán)境是重要保障手段，通過數(shù)字模擬技術(shù)完整復(fù)現(xiàn)生產(chǎn)場(chǎng)景。設(shè)計(jì)師可提前觀測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)制造中的表現(xiàn)，如觀察復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布或裝配干涉問題，從而在虛擬環(huán)境中完成優(yōu)化迭代。

4.2 智能分類定制需求

個(gè)性化需求的爆發(fā)式增長(zhǎng)要求企業(yè)以智能化手段實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)的規(guī)?；涞?。核心思路是通過需求分析與模塊化設(shè)計(jì)，將離散的個(gè)性需求轉(zhuǎn)化為有限的標(biāo)準(zhǔn)化組合。具體而言，首先要建立用戶需求分析體系，運(yùn)用語義識(shí)別技術(shù)從海量反饋中提煉共性訴求。例如，家居企業(yè)可通過分析消費(fèi)者對(duì)沙發(fā)的評(píng)價(jià)，歸納出“舒適性”“空間適配性”等核心需求維度。然后，將產(chǎn)品解構(gòu)為固定模塊與可變單元：固定模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，以確保成本可控，如家具的基礎(chǔ)框架；可變單元?jiǎng)t允許個(gè)性化調(diào)整，如沙發(fā)布料花色或儲(chǔ)物格布局。這種分級(jí)策略既能滿足用戶對(duì)差異化的追求，又可通過模塊復(fù)用降低生產(chǎn)成本。此外，引入動(dòng)態(tài)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提升效率，如將相同材質(zhì)的訂單集中加工，減少設(shè)備參數(shù)切換頻率。某智能玩具企業(yè)的實(shí)踐表明，通過將定制需求歸類為有限的基礎(chǔ)模型，用戶可在選定模型后調(diào)整局部參數(shù)，如顏色或尺寸等，而生產(chǎn)端僅需微調(diào)即可完成制造。

4.3 人才培養(yǎng)“雙車道”

智能制造對(duì)設(shè)計(jì)師的能力框架提出雙重革新要求：技術(shù)工具的深度掌握與跨域協(xié)作的廣度拓展。技術(shù)層面，設(shè)計(jì)師需從傳統(tǒng)手繪轉(zhuǎn)向智能設(shè)計(jì)工具鏈的應(yīng)用，如掌握參數(shù)化建模技術(shù)，使設(shè)計(jì)變量與制造參數(shù)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。通過此類工具，設(shè)計(jì)師可快速生成適應(yīng)不同生產(chǎn)條件的方案變體，如調(diào)整零件壁厚以匹配鑄造工藝要求。同時(shí)，對(duì)制造工藝的深入理解是必備能力，需清晰認(rèn)知技術(shù)邊界，如3D打印的最小支撐結(jié)構(gòu)尺寸或注塑成型的脫模角度限制。某智能燈具企業(yè)曾因忽視工藝約束導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案反復(fù)修改，凸顯了該能力的重要性?？缬騾f(xié)作層面，設(shè)計(jì)師需突破專業(yè)壁壘，與工程師、數(shù)據(jù)專家形成共同語言。例如，在新能源汽車開發(fā)中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可與材料科學(xué)家合作，將輕量化材料特性融入造型設(shè)計(jì)，確保美學(xué)與性能的統(tǒng)一。

5 結(jié)語

本文系統(tǒng)探討了智能制造環(huán)境下工業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略，揭示了智能制造技術(shù)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)流程、方法及實(shí)踐的深遠(yuǎn)影響。研究表明，智能制造通過數(shù)字化、智能化和協(xié)同化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為工業(yè)設(shè)計(jì)提供了高效、精準(zhǔn)的創(chuàng)新手段，顯著提升了設(shè)計(jì)效率與產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。從生產(chǎn)效率提升到個(gè)性化需求驅(qū)動(dòng)，再到產(chǎn)品生命周期管理優(yōu)化，工業(yè)設(shè)計(jì)在智能制造的賦能下，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”向“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的轉(zhuǎn)型升級(jí)。未來工業(yè)設(shè)計(jì)要更加注重與智能制造技術(shù)深度融合，推動(dòng)跨領(lǐng)域協(xié)作與人才培養(yǎng)，探索智能化、可持續(xù)化的設(shè)計(jì)新范式。

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作者簡(jiǎn)介：王玉容 （1989—） ，女，講師，研究方向：自動(dòng)化。