全生命周期設計方法論的教學及應用

麥青群，肖英捷，張 平

（廣東海洋大學 機械工程學院，廣東 湛江 524088）

0 引言

中國工程教育專業認證協會2022 年發布的《工程教育認證通用標準解讀及使用指南》指出，學生應了解“面向工程設計和產品開發全周期、全流程設計/開發解決方案”的基本方法和技術，具備分析、解決“復雜工程問題”的能力，“在設計中體現創新意識”。全生命周期設計基本方法和技術是培養學生解決復雜工程問題及具有創新設計意識的基礎。筆者學校機械設計制造及自動化本科專業響應指南，在畢業要求中列出“能夠提出機電產品全生命周期、全流程的設計方案，了解影響設計目標和技術方案的各種因素”。

以筆者學校專業核心課“機械加工裝備與控制技術”為例，該課程的特點是承上啟下且綜合性強，一方面承擔了從理論課程學習到實踐課程學習過渡的任務，另一方面融合了加工裝備的理論知識、設計方法論、控制等多個方面，且增加了“全生命周期設計”等符合時代發展要求的內容。

1 內容介紹及教學現狀

面向產品全生命周期設計理論在國內的發展起步較晚，從文獻檢索結果看，20 世紀90 年代中后期開始出現相關理論研究[1]。對機械產品的全生命周期設計研究始于1997 年[2]，后續研究包括對全生命周期設計的概念、內容、設計方法、發展方向等的探討[3，4]。針對全生命周期設計方法的研究，部分學者通過對設計問題建立數學模型后用多目標優化理論進行算法求解的方式開展[5，6]。2003 年，吳志歡等[7]對產品全生命周期設計應用研究體現了產品的開發過程各項活動及各項信息數據庫的重要性。其后，針對具體產品不同指標優化的詳細全生命周期設計研究成果逐漸增多[8，9]。

然而全生命周期設計的理論發展還處于上升階段，對于教育教學的需求缺乏完備的理論指導體系。再者，全生命周期設計需要基于產品龐大的信息數據庫，還有賴于設計者本身豐富的設計經驗及知識基礎，針對初入行者及高校學生而言，“面向全生命周期設計”內容的學習及實踐難度很大，缺乏一種易于操作的設計方法論指導。另外，現實中學校與產業對接不夠緊密，課程教材內容滯后、學生工程實踐能力不強，迫切需要增強學生解決復雜工程問題的能力，提高其職業勝任力和持續發展能力。

全生命周期設計作為新近發展的重要設計理論，在教學內容上的推廣需求刻不容緩，同時由于該方法論的實施需要基于產品全生命周期的信息數據分析，而當今時代產品的發展更新迭代速度非常快，因而亟需開展針對教學教育需求的“全生命周期設計方法論”教學內容持續改進研究及建設。

2 全生命周期優化設計方法論及教學設計

全生命周期設計，從多個指標因素、產品全生命周期各環節兩個維度，對產品本身技術系統及超系統進行調查，發現并分析存在或潛在的問題，針對多個重點問題進行優化設計，并尋求更佳的設計效果平衡點。本文以機械專業核心課“機械加工裝備與控制技術”教學應用需求為例，提出一種面向機械加工裝備產品的全生命周期優化設計方法論，并將其融入到教學設計中，建設總思路如圖1 所示。

圖1 全生命周期優化設計教學建設總思路

2.1 產品全生命周期分析及功能模型優化

選定一項或多項評價因素作為后續優化的指標項，了解機床產品全生命周期全流程各環節存在的問題。產品全生命周期包括五個環節：“孕育設計期”“制造生產期”“儲運銷售期”“服役運維期”“報廢回收期”，融合Triz 理論體系關于功能分析及功能模型的內容，針對機床產品全生命周期每個環節皆可進行功能分析，并建立直觀的功能模型圖。機床產品全生命周期各環節的功能模型圖，包含了技術系統及超系統組件、相互作用關系、功能屬性及功能等級等信息，需要優化的問題主要為有害的、不足的或過度的功能，利用Triz 理論體系關于功能裁剪/修補的方法及工具，優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，落實到具體的機構設計需要執行者對跨學科設計知識及理論的綜合運用。

以臥式通用車床的優化設計升級為例，設定評價因素為“加工效率”“加工精度”和“智能化程度”，該類型機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。針對這三個因素的需求皆為機床產品用戶的使用需求，主要出現在機床的服役期，因而僅需要針對服役期的臥式通用車床進行功能分析及建模。服役期的臥式通用車床技術系統及子系統組件包括主軸箱、卡盤、進給箱、溜板箱、刀架、床身、床腿、尾座，超系統組件包括操作者、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化

服役期臥式通用車床的生產效率主要受切削加工時間及輔助時間的時長影響，其中加工時間受切削速度、進給速度影響，即主軸箱及進給箱輸出速度不足，可描述為主軸箱帶動卡盤主運動的速度不足，進給箱帶動溜板箱進給運動的速度不足；輔助時間受操作者換刀、換工件等操作熟練程度影響，可總結為操作者對卡盤、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為運動件的位置精度及速度精度，如果從誤差產生的角度分析，誤差主要來自原車床系統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，主要體現為開停機、工件刀具裝拆、速度等參數調整等都需要操作者人工決策及操作。

下一步應用系統裁剪/修補法對功能模型進行優化。系統裁剪即通過裁剪系統的某個組件，把該組件提供的有用功能重新分配，從而達到提高系統理想度的目的。系統裁剪/修補法，指針對功能復雜的技術系統，僅用裁剪法無法達到預期效果時，可同時增加更先進功能的組件，從而達到提高系統理想度的目的。由功能模型圖可知，該類型機床的主要問題表現為多處功能不足（虛線箭頭），根據裁剪法，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、進給箱、操作者后，以下功能缺少功能載體：卡盤的支撐、動力及控制，刀架控制，溜板箱的動力及控制。根據修補法，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 系統代替操作者控制各執行件的運動，用電主軸代替主軸箱帶動卡盤實現高速高精度輸出，用直線電機帶動溜板箱或者直接帶動刀架實現高精度直線運動輸出，另外增加閉環檢測組件以保障實現精度要求，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計方案，進一步機械設計時，整機的組件需要按照新的精度等級設置質量要求。

2.2 教學設計

針對“全生命周期設計方法論”內容的詳細教學設計思路見圖3。先引導學生思考優化設計的必要性，引出產品的不足，然后分析討論產品不足在不同因素不同環節的具體表現。以環節為橫列、因素為縱列、具體問題表現為內容填寫全生命周期分析表，培養學生分析整理的能力；通過分組討論尋求優化設計的方案，培養學生的設計能力；對設計方案進行評價，培養學生管理和決策的能力；對評價值低的因素，反饋到流程最初產品不足分析，形成產品的持續優化設計；最后輸出設計報告，作為作業提交，培養學生在專業內表達和溝通的能力。教師對設計報告進行評價，分析達成情況，輸出持續改進建議，用于教學的持續優化。

圖3 教學設計框圖

3 教學持續改進

在“機械加工裝備及控制技術”課程教學持續改進中，持續改進的依據包括課程直接評價、學生反饋、以及后續課程的學生能力體現。其中直接評價包括平時成績（作業、專題報告和大作業）和期末考試；學生反饋包括問卷調查、課后交流；后續的直接相關課程為設計類課程，包括機械設計制造綜合實踐和畢業設計。

該課程始于2021 年，至今共開課三年，關于全生命周期設計的教學一直處于持續改進階段，見表1。

表1 全生命周期設計教學持續改進概況

4 結語

針對機械加工裝備的全生命周期的教學內容改革，結合Triz 理論的功能分析、功能建模及模型優化方法，將全生命周期設計從理論到實踐有效連接起來，更有利于初學者及學生群體的理解及設計實踐，融合了不同的學科知識，具有一定創新性及實用性。

在金課建設的背景下，專業核心課程面臨著“兩性一度”（高階性、創新性、挑戰度）的建設改革需求，結合工程認證要求（國際化）、時代要求（先進）、產業要求（復雜工程問題）、個人要求（能力發展），課程建設改革任務緊急且任重，而“全生命周期設計”由于其考慮的全面性契合以上所有需求，為工程及設計類課程建設的重點內容之一。但正是“全生命周期設計”的全面性提高了該部分內容建設的難度，源于產品全生命周期各環節的分析，需要巨大的信息數據支撐，即使教學中的方法論，也需要建設一定容量的生產案例信息數據庫才能避免教學天馬行空。

本方法論的實施需要更多案例支撐，而面向全生命周期設計的案例建設需要充分了解機械加工裝備在不同環節存在的具體問題，還需要深究每個問題的成因，才能進行有效的優化設計，本研究仍處于初級階段，后續還需要結合產業具體情況建設更充足的案例。