“精益生產(chǎn)”已經(jīng)家喻戶曉，其核心是從整體優(yōu)化的角度合理配置和利用企業(yè)擁有的生產(chǎn)要素，在生產(chǎn)的全過程中淘汰一切不產(chǎn)生附加值的勞動力和資源。

但是，精益生產(chǎn)是在產(chǎn)品定型后實現(xiàn)的。如果產(chǎn)品設(shè)計存在缺陷和不合理，或者不是質(zhì)量和成本最優(yōu)的設(shè)計方案，很可能會給精益生產(chǎn)的實施帶來困難或者嚴(yán)重影響實施效果。因此，產(chǎn)品設(shè)計是提高質(zhì)量、降低成本的源頭和關(guān)鍵。

1.什么是精益設(shè)計？

近年來，制造工程領(lǐng)域的專家學(xué)者將“精益”的思想從制造延伸到設(shè)計環(huán)節(jié)，提出了“精益設(shè)計”的概念，即盡可能在每一個環(huán)節(jié)、步驟和設(shè)計的過程中使用最佳方案，同時在設(shè)計活動中精確控制和優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)品的過程和狀態(tài)，從而實現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)品的最高價值和成本。

2.產(chǎn)品概念設(shè)計中的精益設(shè)計

設(shè)計方法論專家學(xué)者一直主張產(chǎn)品的每一個設(shè)計環(huán)節(jié)都要創(chuàng)新優(yōu)化，這與精益設(shè)計的概念是一致的，只是術(shù)語不同。德國教授G. Pahl，W. Beitz等。在《工程設(shè)計》中強調(diào)，從產(chǎn)品概念設(shè)計階段開始，需要對方案的技術(shù)、經(jīng)濟、安全等方面進(jìn)行綜合評價。概念設(shè)計的成本只占整個產(chǎn)品生命周期成本的1%左右，卻決定了整個生命周期成本的70%。設(shè)計的概念不僅決定了產(chǎn)品開發(fā)的成本、周期和質(zhì)量，而且由此產(chǎn)生的設(shè)計缺陷是后續(xù)設(shè)計過程無法彌補的。

G. Pahl, W. Beitz, Engineering Design 著作，簡明扼要地介紹了理論和方法，建議大家在設(shè)計中嘗試。

我們可以從兩個方面來理解產(chǎn)品概念設(shè)計中的精益設(shè)計:

(1)功能模型由物質(zhì)-能量-信息流和動賓名定義，為原創(chuàng)理解的創(chuàng)新創(chuàng)造了無限空間?？梢圆捎冒l(fā)散思維、頭腦風(fēng)暴等創(chuàng)新思維，產(chǎn)生更多可以優(yōu)化選擇的原創(chuàng)理解方案，如圖1和圖2，馬鈴薯收獲機設(shè)計的案例。習(xí)慣性地從結(jié)構(gòu)方案出發(fā)根據(jù)經(jīng)驗，設(shè)計的缺陷是不可避免的，很難獲得更好的設(shè)計方案。

（圖 1 土豆收割機功能結(jié)構(gòu)圖）

（圖 2 土豆收割機功能-原理解形態(tài)學(xué)矩陣）

(2)以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本為目標(biāo)，對所有可行的原始理解方案進(jìn)行定性或半定量的技術(shù)經(jīng)濟評價，得到優(yōu)化的原始理解方案。例如:1)對于簡單明了的功能，選擇的原理要有足夠的物理效應(yīng)，干擾因素盡量少；2)組件數(shù)量少，復(fù)雜度低，空間要求低，對空間布局沒有特殊要求設(shè)計；3)制造工藝常規(guī)，無專用或昂貴設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)量少；4)裝配簡單、方便、快捷，無需特殊輔助工具。其他評價標(biāo)準(zhǔn)的例子，請參考“產(chǎn)品需求分析與概念設(shè)計方法”或其他標(biāo)準(zhǔn)和文件。

3.產(chǎn)品詳情設(shè)計中的精益設(shè)計

精益設(shè)計在詳細(xì)的產(chǎn)品設(shè)計階段實現(xiàn)。一方面，結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化設(shè)計或系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計。圖3是懸臂梁可靠性優(yōu)化的設(shè)計模型。截面的長度和寬度通過最小化截面面積并以強度和剛度的可靠性為約束來求解。在滿足期望可靠性的前提下，得到成本最小化的設(shè)計方案。

（圖 3 某懸臂梁可靠性優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型）

另一方面，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和庫存信息，可以對設(shè)計方案的制造成本和工藝合理性進(jìn)行分析和估算，在保證質(zhì)量的前提下，得到成本最優(yōu)的設(shè)計方案。

產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)流程優(yōu)化等方面的精益設(shè)計問題請關(guān)注后續(xù)文章。精益設(shè)計和精益生產(chǎn)的實施，為推進(jìn)智能制造創(chuàng)造了重要基礎(chǔ)。