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

中國工程教育專業(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)品開發(fā)全周期、全流程設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案”的基本方法和技術(shù)，具備分析、解決“復(fù)雜工程問題”的能力，“在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識”。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)雜工程問題及具有創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識的基礎(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)過渡的任務(wù)，另一方面融合了加工裝備的理論知識、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 年代中后期開始出現(xiàn)相關(guān)理論研究[1]。對機(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]。針對全生命周期設(shè)計(jì)方法的研究，部分學(xué)者通過對設(shè)計(jì)問題建立數(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展[5，6]。2003 年，吳志歡等[7]對產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)應(yīng)用研究體現(xiàn)了產(chǎn)品的開發(fā)過程各項(xiàng)活動(dòng)及各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)庫的重要性。其后，針對具體產(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，還有賴于設(shè)計(jì)者本身豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及知識基礎(chǔ)，針對初入行者及高校學(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)展更新迭代速度非常快，因而亟需開展針對教學(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題，針對多個(gè)重點(diǎn)問題進(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等信息，需要優(yōu)化的問題主要為有害的、不足的或過度的功能，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)行者對跨學(xué)科設(shè)計(jì)知識及理論的綜合運(yùn)用。

以臥式通用車床的優(yōu)化設(shè)計(jì)升級為例，設(shè)定評價(jià)因素為“加工效率”“加工精度”和“智能化程度”，該類型機(jī)床面臨的主要問題為：加工效率不高，加工精度不足，智能化程度太低。針對這三個(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，因而僅需要針對服役期的臥式通用車床進(jìn)行功能分析及建模。服役期的臥式通用車床技術(shù)系統(tǒng)及子系統(tǒng)組件包括主軸箱、卡盤、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 臥式通用車床服役期功能模型優(yōu)化

服役期臥式通用車床的生產(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)為操作者對卡盤、刀架的控制不足。服役期臥式通用車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，誤差主要來自原車床系統(tǒng)的所有零件形位誤差及裝配誤差。服役期臥式通用車床的智能化程度不足，主要體現(xiàn)為開停機(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)法對功能模型進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)裁剪即通過裁剪系統(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，指針對功能復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，僅用裁剪法無法達(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，該類型機(jī)床的主要問題表現(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設(shè)置質(zhì)量要求。

2.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

針對“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、具體問題表現(xiàn)為內(nèi)容填寫全生命周期分析表，培養(yǎng)學(xué)生分析整理的能力；通過分組討論尋求優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力；對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生管理和決策的能力；對評價(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)生在專業(yè)內(nèi)表達(dá)和溝通的能力。教師對設(shè)計(jì)報(bào)告進(jìn)行評價(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)。其中直接評價(jià)包括平時(shí)成績（作業(yè)、專題報(bào)告和大作業(yè)）和期末考試；學(xué)生反饋包括問卷調(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

針對機(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，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，具有一定創(chuàng)新性及實(shí)用性。

在金課建設(shè)的背景下，專業(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（國際化）、時(shí)代要求（先進(jìn)）、產(chǎn)業(yè)要求（復(fù)雜工程問題）、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)存在的具體問題，還需要深究每個(gè)問題的成因，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。