一、前 言

　　機械設備在國內外市場中競爭力的強弱，在很大程度上取決于產品的質量(這里所指的是廣義質量，即包括QCTES等用戶對產品的各種要求)，而產品的質量又在很大程度上取決于產品的設計，產品的設計質量可賦予某種產品“先天性優劣”這種至關重要的本質特性。因此對絕大多數產品來說，產品的設計在保證產品質量的過程中起著頭等重要的作用。

　　長期以來，科技工作者試圖通過各種設計方法來滿足用戶對產品廣義質量的要求，盡最大努力來提高所研制產品的質量。到目前為止，已提出了數十種設計方法，諸如概念設計、可靠性設計、動態設計、優化設計、智能設計、虛擬設計、綠色設計等。這些設計方法可以從不同角度來滿足用戶對產品廣義綜合質量的要求。但是在產品設計中全面采用所有這些設計方法，是不現實的，只能選擇對產品廣義質量有重要影響的少數幾種方法進行產品設計，而對其他設計方法所能實現的對產品質量的要求，只能在設計過程中進行適當的考慮，對產品質量影響不大的設計方法甚至不予考慮。據此，作者提出一種基于“產品質量功能化設計、動態優化設計、智能化設計和可視化設計”的綜合設計法，試圖應用這種綜合設計法對產品進行設計，以便在較大程度上使產品獲得良好的廣義綜合質量，進而滿足用戶對產品的各種要求。

　　二、現代機械的發展方向及現代設計理論與方法的種類

　　（一）現代機械的發展趨向與產品設計方法的主要種類

　　機械設備正在向大型化（或微型化）、高速化、高效化、精密化、集成化、綜合（指功能）化、模塊化、自動化、智能化、數字化、網絡化、綠色化方向（即大（或微）、高（1）、高（2）、精、集、綜、模、自、智、數、網、綠等十二字方向）發展。

　　因此，對產品質量的要求也愈來愈高。高質量的產品是通過精心設計、精密的制造加工、嚴格的管理生產出來的，但最先的工作或核心的工作是設計，它對產品質量與檔次起著“先天性”的本質影響。為了設計出高質量的機械產品，幾十年來，科學技術工作者提出了各種各樣的設計方法。

　　（二）幾種主要設計方法

　　在科學技術工作者提出的各種各樣的設計方法中，較有代表性的方法有：全生命周期優化設計、虛擬設計、并行設計、面向產品質量的功能化設計（QFD）、智能設計、創新設計、動態設計等。這些設計方法一般只能考慮產品綜合質量的某一個方面，或少數幾個方面。

　　關于全生命周期優化設計，對產品的工作壽命的考慮，在理論上看來是比較全面，比較合理的，但實施起來比較困難，一是目標函數和約束條件太多，二是所需的原始數據很難準確地獲取，因此難以獲得十分精確的結果。此外，這種方法對機器的工作性能的好壞，如技術性能和使用性能等，未能得到明確的反映。

　　關于虛擬設計，美國已將虛擬設計與制造應用于777飛機的設計與制造過程中，這種方法對于某些產品來說，是具有重要意義的，是可以采用的。對于設備的工況予以現實模擬，使用戶可以直接從外觀上，或從它的功能上較全面了解所需設備的情況。但是對于一些特別復雜的機械設備，深層次的情況很難進行模擬。此外，虛擬技術如果沒有充足的試驗資料或良好的實踐基礎，這些虛擬技術也會是不完全符合實際的。

　　關于創新設計，在即將到來的知識經濟時代，創新在設計顯得十分重要。特別在概念設計過程中是不可缺少的。在創新設計中提倡的是設計的創造性，這是一種設計思想和設計觀念。對哪些具體內容進行創新，這是不明確的，所有方面都要創新，也是不可能的，只能在一些主要方面進行創新。所以它的內涵不很明確，也不很具體，要依靠設計者本人具體地加以掌握。

　　關于網絡設計和并行設計等，利用這些方法可以加快產品的設計速度，加速各設計部門間的聯系，縮短設計制造周期。它并不明確包含設計的那些具體內容。這些方法對保證與提高產品設計質量和縮短設計周期具有重要的意義。
關于基于質量功能展開的（QFD）設計，這種方法以用戶的要求為出發點，從產品所要求實現的功能的角度，建立起表征產品質量的多個質量屋（HOQ），然后對產品進行設計規劃與優化，使產品質量具有較高的檔次。這種方法對復雜機械來說，實施起來相當困難。

　　關于三次設計法，是由日本的Tagnchi于20世紀60年代提出的，即包括系統設計、參數設計和容差設計，現在已發展為具有智能性質的三次設計法。提出這種方法的出發點是更加全面地考慮提高產品的質量，降低制造成本和縮短制造周期。

　　關于動態設計，不論是國內還是國外，都還處在初級階段，許多高層次動態設計問題正在研究過程中。正因為如此，目前大型高速旋轉機械屢屢發生毀機事故，由于這些事故多數是在強非線性、強耦合、非穩態的條件下發生的，因此，近來國內外科技工作者對這些機械的動態設計十分重視，動態設計已經從一般的動態設計向更高層次的方向發展，即向非穩態（慢變、參變、時滯等）、非線性、強耦合、高維、多參數的研究方向發展。這就要求設計者用更新和更高深的理論、方法與技術進行設計，這必然會給更高層次的動態設計帶來較大的難度。

　　關于智能設計，它有兩種不同的含義，一是用智能方法進行設計，二是對設計的對象實現智能化。這是國內外產品設計的主導方向，也是現代機械設備所應該體現的基本內容。對于智能設計，國內外都十分重視，因為產品的智能化會在較大程度上提高產品的性能和質量，提高產品在國際市場上的競爭力。本文所指的智能設計是對產品的性能參數及其工作過程進行智能控制與優化，使產品具有優良的工作性能，進而給產品帶來經濟效益和社會效益，甚至是重大的經濟效益和社會效益，這是任何一種產品設計所不可缺少的，也是機器設計中首要考慮的問題。

　　關于可視化設計，或局部范圍內的虛擬設計，它對檢查產品結構上合理性、可制造性或可裝配性等具有重要意義。通過可視化檢查可以了解產品在設計中存在的缺陷，并及早地進行修改，避免設計工作過程中時常出現的重新設計與返工，從而可以加快設計進度，縮短生產周期。此外，設計過程中對機器的工況或工作過程進行仿真也是可視化設計中一項重要內容，對機器的工作參數和工作過程進行動態模擬或仿真，在某種程度上可以代替試驗，減少試驗的次數和時間。當然新產品試制后的試驗工作也是不可缺少的，通過試驗，對機器合理的工況或不合理的工況進行反饋，從而肯定或否定原有的設計，或對原有的設計進行改進，使產品向更高的層次上發展。

　　前面列舉的幾種設計方法，可以從不同角度來達到產品綜合設計質量的要求。采用綜合設計法可以在較大范圍內考慮產品的廣義綜合質量，使研制的產品具有優良的性能。

　　2. 機械裝備的工作性能：即有實際的工效、工作穩定、指標優越

　　機械設備的智能化是目前世界各國制造業的主導方向，我國對產品智能化的工作也十分重視。
機械裝備的技術性能及使用性能是體現現代機械設備質量的最重要內容之一。為了保證機械設備，特別是現代大型機械裝備的技術性能及使用性能，以便獲得良好的工藝指標和良好的操作性能，需要對機械設備進行智能化設計，即對機械產品的工作參數及其工作過程實現最優控制或次優控制，對現代機械的參數及工作過程實現優化，使機械設備具有良好的工作性能，能獲得較高的功效。智能化設計是保證現代機械具有良好技術性能的必要手段。機械裝備工作狀態的實時監測是實現智能控制與優化的先決條件，是保證機械正常與有效運轉的重要措施之一，也是現代機械智能設計的一項基本內容。據有關專家統計，狀態監測與診斷設備的投入與產出比為 1：10，可見其經濟意義之重大。現代機械優良的技術性能和使用性能應該通過智能化的設計工作來獲取。

　　3.現代機械的產品制造性能：即制造加工工藝性、產品生產周期和制造成本等

　　機械設備的制造過程往往需要較長的時間、較高的成本。產品的制造工藝性與機器結構和零部件的規范性（包括標準化、通用化和系列化等）會直接影響產品的生產周期、產品制造的經濟性及產品的總成本。因此，在產品設計過程中，必須仔細考慮產品的制造工藝性和零部件的標準化、通用化及系列化等有關問題。良好的產品設計一定會使所設計的產品具有良好的制造性能。

　　機械設備的設計工作可以充分體現產品的綜合質量（我們稱它為3性：即結構性能、技術性能、制造性能），因此可以說，產品設計是產品質量的靈魂。機械產品的先進落后，很大程度上取決于設計質量。一般來說，產品設計的成本在整個機械產品成本中不到30%，但它在很大程度上決定了產品的檔次和水平，產品設計對產品質量的貢獻率可以達到70%。要使機械產品的質量上水平，首要的任務是保證產品的設計質量。我國要成為現代制造業的基地之一，最重要的任務是：要集中力量用現代設計理論與方法來指導新產品的開發，使現代機械產品具有較高的工作可靠性和安全性、較優良的技術性能和使用性能、較短的生產周期、較高的經濟性、足夠的工作耐久性（工作壽命）等，使我國生產的機械設備具有較高檔次與水平，在國內外的市場競爭中將能立于不敗之地。

　　目前我國還有不少產品在國內外市場中缺乏競爭力、工作可靠性較差，技術性能較低，生產成本較高，多數是由于采用的產品設計的理論、方法和技術較落后、以及先進設計理論與方法的應用滯后于時代的發展等原因造成的。加入WTO后，我國大中企業的各種產品要參與國際國內競爭，更需要先進的設計理論與方法作指導。例如在關鍵數控設備、大型高速旋轉機械、航空發動機、工程和礦山機械等方面要保持領先，需要在設計理論與方法上進一步提高。

　　在裝備制造業中，著重加強現代設計理論與方法的應用，同時結合諸如信息等高新技術的采用，從而提升裝備制造業整體技術創新能力、市場競爭能力和經濟效益，并推進我國先進裝備制造基地的建設，鞏固和深化幾年來國企改革的成果，促進社會的穩定和發展。

　　（二） 產品設計在保證產品質量過程中的重要作用

　　為了研制與開發出工作安全可靠的、具有高技術性能的和經濟、耐用的產品，首先要搞好產品的設計工作。據有關專家統計，一種產品的質量，設計的貢獻率可達 70%；有的專家認為：產品的設計是產品質量的靈魂。舉一個簡單的例子，如果一種新產品，它的設計是落后的，那么，在制造過程中，花了九牛二虎之力把它制造出來，這種產品還是落后的。所以產品設計質量是好是壞，可以賦予某種產品“先天特優”、“先天良好”、“先天一般”、“先天不足”等不同檔次的“先天性”的本質特性，由此可見，產品設計在保證產品質量、提高產品在市場中的競爭力，即在新產品開發與老產品改造中，起著頭等重要的作用。

　　日本曾對機械設備發生的故障進行過分析統計，發現因設計造成設備故障的比例占50%，因元件、材料原因造成故障的比例為37%，因制造不良造成設備故障的比例為17%。而全產品成本水平的70%-80%取決于產品的設計。因此，產品設計不僅能夠提高產品的質量，還能縮短產品開發周期，降低設計與制造成本，可以滿足用戶多方面的需求。

　　前面提到的這么多的設計方法，如何來選擇呢？每一種方法都會在實現機器的廣義質量（結構性能、工作性能和制造性能等三個方面的，或Q、C、T、E、S）等的一個方面或一些方面發揮它一定的作用。但我們認為：如果真的在設計中全面考慮與采用所有這些方法，這要花費很大的精力和較長的設計時間，也是很難做到的，因此，應該因不同產品的不同情況而側重于不同的設計方法，這就是我們提出將三種主要設計方法有機結合在一起的所謂三化綜合設計法的初衷。