改革開放以來,我國(guó)家具制造業(yè)快速發(fā)展,制造能力大幅提升,2008年已經(jīng)成為全球家具生產(chǎn)大國(guó)和出口第一大國(guó)。但近年來,受金融危機(jī)、人民幣升值、能源及原輔材料價(jià)格上揚(yáng)、勞動(dòng)力成本上升等因素的影響,我國(guó)家具制造企業(yè)的出口和內(nèi)銷遭遇嚴(yán)重挑戰(zhàn)。在此背景下,信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和大規(guī)模定制等生產(chǎn)模式,正在為我國(guó)家具制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)揮積極的作用。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)是制造業(yè)的靈魂。據(jù)統(tǒng)計(jì),產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品總成本的影響通常占70%左右,約75%的產(chǎn)品質(zhì)量問題由產(chǎn)品設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致。由此可見,開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù),對(duì)于實(shí)現(xiàn)家具產(chǎn)品的大規(guī)模定制至關(guān)重要。本文闡述面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù),旨為我國(guó)家具企業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供參考。
1 大規(guī)模定制的基本內(nèi)涵
大規(guī)模定制(Mass customization,MC),又稱大批量定制、大規(guī)?蛻艋a(chǎn)和批量客戶化生產(chǎn)等,是一種集企業(yè)、客戶、供應(yīng)商和環(huán)境于一體,在系統(tǒng)思想指導(dǎo)下,用整體優(yōu)化的觀點(diǎn),充分利用企業(yè)已有的各種資源,在標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)等支持下,根據(jù)客戶的個(gè)性化需求,以大批量生產(chǎn)的低成本、高質(zhì)量和高效率,提供定制產(chǎn)品和服務(wù)的生產(chǎn)方式。
盡管大規(guī)模定制概念的產(chǎn)生僅有40年的歷史,但由于集成大規(guī)模生產(chǎn)和定制化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì),已成為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的新前沿,不僅己被美歐等眾多國(guó)外家具企業(yè)視為重獲競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略選擇,而且在我國(guó)家具行業(yè)中也獲得關(guān)注,并已在櫥柜、衣柜等板式家具制造企業(yè)率先得到應(yīng)用。
大規(guī)模定制的基本內(nèi)涵,是基于標(biāo)準(zhǔn)化原理,利用系列化、模塊化等標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法,降低產(chǎn)品的內(nèi)部多樣化(如零件、原材料、工藝等的種類),增加顧客可感知的產(chǎn)品外部多樣化(如產(chǎn)品的風(fēng)格、顏色、規(guī)格等),并通過產(chǎn)品重組和過程重組,將產(chǎn)品定制生產(chǎn)轉(zhuǎn)化或部分轉(zhuǎn)化為零部件的批量生產(chǎn),從而迅速向顧客提供低成本、高質(zhì)量的定制產(chǎn)品。
為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制,家具產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)、制造以及管理等諸多環(huán)節(jié),均需進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和革新,以滿足“盡量設(shè)法降低產(chǎn)品內(nèi)部多樣化,增加產(chǎn)品外部多樣化”的核心要求。
2 家具數(shù)字化設(shè)計(jì)的概念及應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1 家具數(shù)字化設(shè)計(jì)的概念
20世紀(jì)70年代以來,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer aided design,CAD)技術(shù)飛速發(fā)展,極大地提高設(shè)計(jì)效率和精度,有效地支持了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。在充分吸收數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上,家具的CAD成為家具設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。有關(guān)研究表明,家具企業(yè)采用CAD等數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng),可顯著縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期,減少設(shè)計(jì)階段的人工成本,并有助于企業(yè)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)。
不過,僅僅滿足“設(shè)計(jì)手段”數(shù)字化的CAD技術(shù),只是產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的最初應(yīng)用形式;隨著相關(guān)研究的深入,數(shù)字化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵不斷得到擴(kuò)展。真正意義上的數(shù)字化設(shè)計(jì),是建立在計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)基礎(chǔ)上的一種創(chuàng)新設(shè)計(jì),更注重“設(shè)計(jì)過程”的數(shù)字化。因此,家具數(shù)字化設(shè)計(jì)可以定義為:在現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法和數(shù)字化設(shè)計(jì)手段的支持下,基于數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)、面向設(shè)計(jì)過程的家具創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
2.2 我國(guó)家具數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
我國(guó)對(duì)家具數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)80年代,并取得一定成果。例如:1986年北京木材工業(yè)研究所研制的家具零部件及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)CAFD,1987年南京大學(xué)和南京木器廠共同開發(fā)的家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)FCAD,上海家具公司與上海交通大學(xué)開發(fā)的室內(nèi)設(shè)計(jì)和家具造型設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng);上海家具研究所研制開發(fā)的室內(nèi)設(shè)計(jì)和家具造型CAD系統(tǒng);1990年?yáng)|北林業(yè)大學(xué)開發(fā)的刨花板家具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析軟件SFCAD、32mm系列板式家具設(shè)計(jì)系統(tǒng)DLFDH;1992年重慶大學(xué)聯(lián)合光明家具集團(tuán)開發(fā)的家具造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)FCAD。但由于上述軟件功能有限,缺乏應(yīng)有維護(hù)與技術(shù)升級(jí)等原因,未能在行業(yè)內(nèi)得到推廣和應(yīng)用。
1994年,美國(guó)歐特克(Autodesk)軟件(中國(guó))有限公司成立,其開發(fā)的AutoCAD系列計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)通用平臺(tái),憑借易學(xué)易用及豐富的二次開發(fā)接口等特點(diǎn),迅速打開了我國(guó)市場(chǎng),并逐步得到我國(guó)家具企業(yè)的認(rèn)可。中南林業(yè)科技大學(xué)適時(shí)推出的基于AutoCAD二次開發(fā)的家具設(shè)計(jì)系統(tǒng)CADF,以及《家具》雜志刊登的《計(jì)算機(jī)輔助家具設(shè)計(jì)系統(tǒng)》系列講座,為AutoCAD系列軟件在我國(guó)家具企業(yè)的應(yīng)用,起到一定的推動(dòng)作用。
在發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū),專門為木材加工、家具企業(yè)設(shè)計(jì)和開發(fā)軟件的行業(yè)已經(jīng)形成,軟件的商品化也比較成熟。90年代中后期,隨著歐、美等海外家具企業(yè)逐步加大對(duì)我國(guó)的投資,一些國(guó)外的家具設(shè)計(jì)專業(yè)軟件也逐漸被引,其中以KCD Cabinet Designer、Cabinet Pro、Cabinet Vision Solid等美國(guó)櫥柜設(shè)計(jì)軟件為代表。但是,由于價(jià)格昂貴、格式不兼容或未經(jīng)漢化、售后服務(wù)及技術(shù)支持渠道不暢等問題,這些專業(yè)軟件僅限于少數(shù)外資企業(yè)或OEM企業(yè)使用。
進(jìn)入21世紀(jì),我國(guó)家具制造和出口的規(guī)模不斷擴(kuò)大,我國(guó)市場(chǎng)開始受到國(guó)外知名軟件公司的重視,如加拿大的20-20 Design、德國(guó)的Imos 3D、法國(guó)的TopSolid Wood、美國(guó)的Microvellum等家具設(shè)計(jì)軟件開發(fā)公司相繼進(jìn)軍我國(guó)市場(chǎng),通過提供家具數(shù)字化設(shè)計(jì)解決方案和技術(shù)支持,搶占我國(guó)家具制造企業(yè)中的高端用戶市場(chǎng)。
3 面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計(jì)體系
3.1 面向大規(guī)模定制家具設(shè)計(jì)的技術(shù)特征
面向大規(guī)模定制的生產(chǎn)模式對(duì)家具設(shè)計(jì)提出了全新的要求,使其完全有別于傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)模式下的家具設(shè)計(jì),并具有如下技術(shù)特征。
1)設(shè)計(jì)面向產(chǎn)品族,而不是單個(gè)產(chǎn)品。
通過分析顧客的需求,根據(jù)擬采用的定制方法提取變型參數(shù),同時(shí)對(duì)一族產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì),從而形成可變型的產(chǎn)品模型。以產(chǎn)品族的方式進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和管理,改變了孤立設(shè)計(jì)單一產(chǎn)品的傳統(tǒng)模式,不僅可簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、縮短制造時(shí)間,而且可有效降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和管理的成本。
2)設(shè)計(jì)面向模塊化,而不是終端產(chǎn)品本身。
基于模塊化設(shè)計(jì)的基本思想,結(jié)合客戶需求,對(duì)家具產(chǎn)品族進(jìn)行全面分析,將具有相同或相似功能的單元部件加以分離,開發(fā)出一些具有獨(dú)立功能的家具模塊化產(chǎn)品。通過對(duì)模塊重新組合,形成完整的產(chǎn)品族,實(shí)現(xiàn)家具產(chǎn)品的多樣化和個(gè)性化。
3)設(shè)計(jì)面向家具產(chǎn)品的全生命周期,而不僅僅停留在家具產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)階段。
面向大規(guī)模定制的家具設(shè)計(jì),不僅要縮短家具產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)周期,提高產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量,而且應(yīng)考慮產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)、制造、管理、營(yíng)銷、售后服務(wù)等全生命周期,即在其整個(gè)生命周期實(shí)行產(chǎn)品族管理。
3.2 面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)體系
由圖1所示可知,面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計(jì)基于客戶的需求,面向制造和裝配,包括家具開發(fā)、家具設(shè)計(jì)和家具工程分析等三個(gè)主要設(shè)計(jì)過程。
圖1 面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)體系
1)家具開發(fā)數(shù)字化
是一個(gè)明確并實(shí)現(xiàn)客戶需求的創(chuàng)造性過程主要基于產(chǎn)品族和模塊化的設(shè)計(jì)方法,并通過面向特征的參數(shù)化建模技術(shù),建立貫穿設(shè)計(jì)全過程的家具產(chǎn)品主模型。該階段關(guān)鍵技術(shù)為計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)(Computer aided concept design,CACD),具體包含家具產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、參數(shù)分析等。
2)家具設(shè)計(jì)數(shù)字化
對(duì)家具產(chǎn)品主模型采用配置設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)等方法,實(shí)現(xiàn)家具定制產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì),并迅速提供準(zhǔn)確的報(bào)價(jià)。關(guān)鍵技術(shù)主要是計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)(Computer aided industrial design,CAID),具體包括:貫徹工業(yè)設(shè)計(jì)的理念和方法運(yùn)用數(shù)字化設(shè)計(jì)手段,實(shí)現(xiàn)家具產(chǎn)品形態(tài)、色彩、人體工程學(xué)和美學(xué)原則的定量化描述和評(píng)價(jià)。
3)家具工程分析數(shù)字化
關(guān)鍵技術(shù)主要有計(jì)算機(jī)輔助工程分析(Computer aided engineering,CAE),即對(duì)家具整體設(shè)計(jì)和零部件進(jìn)行強(qiáng)度等有限元分析,進(jìn)行虛擬裝配和干涉檢查,以保證設(shè)計(jì)功能符合實(shí)際工程需要,并使家具產(chǎn)品重量、用料、結(jié)構(gòu)、成本達(dá)到最優(yōu)化。
CAE在提升企業(yè)研發(fā)能力、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面起著重要的作用,已經(jīng)成為聯(lián)系“設(shè)計(jì)”與“制造”的紐帶及關(guān)鍵環(huán)節(jié),具有從設(shè)計(jì)技術(shù)體系中獨(dú)立,發(fā)展成為工程分析技術(shù)體系的趨勢(shì)。
4 我國(guó)實(shí)現(xiàn)面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計(jì)亟待解決的問題
數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在我國(guó)家具企業(yè)已有近20年的應(yīng)用,也涌現(xiàn)了一些自主研發(fā)家具數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的企業(yè)。但是,大多數(shù)家具制造企業(yè)仍停留在單純的數(shù)字化繪圖階段,距離實(shí)現(xiàn)真正意義上的家具數(shù)字化設(shè)計(jì)還存在著很大的差距。筆者認(rèn)為,我國(guó)家具制造業(yè)要實(shí)現(xiàn)面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計(jì),亟待解決如下三方面的問題:
1)開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的家具數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
雖然國(guó)產(chǎn)家具數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的二維制圖功能,與AutoCAD等通用軟件相差不大,但在三維參數(shù)化建模技術(shù)、工程數(shù)據(jù)庫(kù)等方面,與國(guó)外成熟產(chǎn)品的差距較大。尤其是尚未出現(xiàn)具有自主品牌的家具數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng),造成我國(guó)面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的對(duì)外依賴性較強(qiáng)。
2)培養(yǎng)設(shè)計(jì)人員的全局觀。
大多數(shù)家具制造企業(yè)認(rèn)識(shí)到數(shù)字化設(shè)計(jì)的重要性,但往往只關(guān)注設(shè)計(jì)手段的數(shù)字化,而忽視設(shè)計(jì)過程的數(shù)字化,或僅將數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)作為繪圖工具。特別是現(xiàn)有教育體系和產(chǎn)業(yè)環(huán)境中培養(yǎng)的家具設(shè)計(jì)人員,往往比較關(guān)注產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身,普遍忽視客戶的需求,以及家具產(chǎn)品的加工性能、制造成本、生產(chǎn)周期等全局性問題。不合理的開發(fā)設(shè)計(jì),往往是造成產(chǎn)品質(zhì)量問題和成本高企的主要根源。
3)攻克設(shè)計(jì)與制造一體化的瓶頸。
為謀求轉(zhuǎn)型升級(jí),家具制造企業(yè)紛紛加大了在數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件、數(shù)控制造設(shè)備和管理信息系統(tǒng)等方面的投資,但存在軟件與設(shè)備系統(tǒng)的接口不通、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換不暢和信息無法共享等問題,系統(tǒng)的集成應(yīng)用功能無法發(fā)揮,不僅造成系統(tǒng)功能的閑置和浪費(fèi),而且無法通過“面向可制造性的設(shè)計(jì)”和“面向可裝配性的設(shè)計(jì)”,解決家具產(chǎn)品在實(shí)際制造和裝配前的可制造性和可裝配性等問題。
5 結(jié)語
我國(guó)家具制造業(yè)已經(jīng)具備了應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ),但要實(shí)現(xiàn)面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計(jì),一方面尚需加強(qiáng)產(chǎn)品技術(shù)研究,形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品,另一方面還需要重視培養(yǎng)設(shè)計(jì)人員的全局觀,通過面向可制造性和可裝配性的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的一體化。
軟件開發(fā)企業(yè)、家具制造企業(yè)、科研院所和高校等,應(yīng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研協(xié)作,突破面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的瓶頸,逐步提升我國(guó)家具制造業(yè)應(yīng)用信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和大規(guī)模定制等生產(chǎn)模式的水平,推進(jìn)我國(guó)家具制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
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