1 前言
工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展推動(dòng)了人類社會(huì)的進(jìn)步，同時(shí)也給人類帶來(lái)了越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。造成環(huán)境問(wèn)題的根本原因是資源的不合理開發(fā)和利用。當(dāng)前，各國(guó)都在研究如何zui有效地利用有限的自然資源和zui低限度地產(chǎn)生廢棄物，以從根本上解決環(huán)境問(wèn)題。
制造業(yè)是人類社會(huì)zui大的污染源之一。在量大面廣的制造系統(tǒng)中，制造資源的利用率很低，產(chǎn)生的廢棄物很多，環(huán)境污染嚴(yán)重。
制造系統(tǒng)資源利用率低的原因是多方面的。制造資源的利用率與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝方案、加工路線、制造資源配置以及制造系統(tǒng)本身等諸因素有密切關(guān)系。而產(chǎn)品設(shè)計(jì)是影響資源消耗的zui關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。因?yàn)樵诋a(chǎn)品功能和基本要素確定的情況下，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)布局、材料選擇、加工工藝、可制造性、可裝配性、可重復(fù)使用性等影響資源消耗的主要因素都是在設(shè)計(jì)階段確定的。
因此，分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)資源消耗的影響因素，并從系統(tǒng)的角度研究面向資源優(yōu)化利用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，對(duì)提高資源利用率，改善資源危機(jī)和環(huán)境污染的狀況有重要意義。
制造資源的概念涉及面很廣，包括物料、能源、設(shè)備、資金、廠房、人力等。本文所討論的資源主要是指物料（原材料、坯件等）和能源，本文稱之為物能資源，有時(shí)又簡(jiǎn)稱為資源。
2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)物能資源消耗的影響因素
產(chǎn)品設(shè)計(jì)可從多方面影響物能資源的消耗，采用不同的設(shè)計(jì)方案，所消耗的物能資源大不一樣。下面對(duì)設(shè)計(jì)中影響物能資源消耗的主要因素進(jìn)行分析。
2.1 機(jī)械產(chǎn)品的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)方案的確定是后續(xù)設(shè)計(jì)工作的依據(jù)，它不僅確定了機(jī)械產(chǎn)品的工作原理，對(duì)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、可適用性等起決定性的作用，而且對(duì)物能資源的消耗情況也有決定性的影響。
例如：機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)都是應(yīng)用得比較廣泛的。而兩種方案的物能資源的消耗情況是不一樣的，分別比較如下表。
表
液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)
1.產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小，在同等功率的情況下，液壓泵的重量為電機(jī)的10%～20%，因此，材料消耗少，制造過(guò)程能量消耗少。 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量、體積較大，因此，材料消耗多，制造過(guò)程能量消耗多。
2.產(chǎn)品使用過(guò)程 由于存在機(jī)械摩擦損失、壓力損失、泄漏損失，因此傳動(dòng)效率較低，能量損失較大。 傳動(dòng)效率較高，能量損失小。
3.產(chǎn)品工作壽命 以液體作為工作介質(zhì)，潤(rùn)滑條件好，元件壽命長(zhǎng)，更換元件所消耗的資源少。 零部件易磨損，使用壽命短。更換零件所耗費(fèi)的資源多。
由此可見(jiàn)，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)確定了系統(tǒng)的工作原理、動(dòng)力來(lái)源、能量轉(zhuǎn)換方式等，因而對(duì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、外廓尺寸、能量傳遞效率有決定性的影響，從而影響產(chǎn)品的能量消耗和材料消耗。
2.2 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1 結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品零件數(shù)量較少，聯(lián)接方法簡(jiǎn)單。因此，零件的加工量少，加工過(guò)程中的能量消耗、以及夾具、量具、刀具、模具等工藝裝備數(shù)量也會(huì)由于零件數(shù)的減少而相應(yīng)地減少；而且產(chǎn)品的體積小，重量輕，材料消耗少。而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件繁多的產(chǎn)品，材料消耗多；并且零件的加工量大，加工過(guò)程中的能量損耗、工裝數(shù)量也相應(yīng)增多。因此，在滿足產(chǎn)品功能要求的前提下，簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，盡量避免設(shè)計(jì)可有可無(wú)的零件，采用功能多樣化和復(fù)合化的零件以及簡(jiǎn)單的聯(lián)接方法，使整體裝置的零件數(shù)減少，可大大減少資源消耗。
2.2.2 構(gòu)件的布置
構(gòu)件的相互位置關(guān)系，及其相關(guān)尺寸的大小，將會(huì)影響產(chǎn)品的整體尺寸，從而影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的體積和重量，以及原材料消耗。特別是對(duì)于箱體、殼體等大型零件，其重量系數(shù)高，對(duì)材料消耗的影響較大。
例如：圖1所示兩種曲柄滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，圖1a的曲柄長(zhǎng)度r為滑塊行程s的一半，滑塊行程很大時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)的尺寸隨之增大。圖1b機(jī)構(gòu)，利用杠桿作用使曲柄長(zhǎng)度減小，從而減小了整個(gè)機(jī)構(gòu)的外廓尺寸。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，合理布置構(gòu)件，使機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，外廓尺寸減小，可減少產(chǎn)品的材料消耗。
圖1 往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
2.2.3 構(gòu)件受力狀況
構(gòu)件的受力狀況從以下兩方面影響材料消耗：*，在滿足同等承載能力的前提下，受力狀況好的構(gòu)件可采用較小的截面，材料消耗少；第二，受力狀況好的構(gòu)件，使用壽命長(zhǎng)，減少因構(gòu)件破壞失效而造成的資源損失。例如：圖2a所示的簡(jiǎn)支梁，若將兩端支座均向內(nèi)移動(dòng)0.2l（l為梁的長(zhǎng)度），如圖2b所示，則zui大彎矩值即降至原來(lái)的1/5，梁的截面尺寸就可相應(yīng)地減小。
圖2
可見(jiàn)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如能合理地設(shè)計(jì)支承和載荷的布置，可改善構(gòu)件的受力情況。從而，提高材料利用率，減少材料消耗。
2.2.4 可拆卸性設(shè)計(jì)
產(chǎn)品達(dá)到其使用壽命終期時(shí)，如將其全部報(bào)廢丟棄，不僅對(duì)環(huán)境造成污染，而且造成大量的資源浪費(fèi)。而實(shí)際上，舊產(chǎn)品上的許多零部件是可以回收和重復(fù)利用的，特別是對(duì)貴重的金屬，有很高的回收價(jià)值。如在設(shè)計(jì)時(shí)，能考慮到哪些零部件可以回收和重復(fù)利用，并將其設(shè)計(jì)成可拆卸的，以便于產(chǎn)品報(bào)廢后對(duì)這些零部件的拆卸回收，這樣可節(jié)省大量的原材料，特別是貴重的金屬材料，減少對(duì)環(huán)境造成的污染。
2.3 零件的結(jié)構(gòu)工藝性
2.3.1 減少工藝廢品
工藝廢品也是造成資源浪費(fèi)的主要方面之一，廢品越多，資源浪費(fèi)越嚴(yán)重。造成工藝廢品的原因是多方面的，設(shè)計(jì)不合理是其中重要因素之一。例如設(shè)計(jì)一個(gè)鑄件，如果零件壁厚不均勻，厚壁和薄壁聯(lián)接處急劇過(guò)渡，就會(huì)使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋、翹曲等現(xiàn)象，從而降低零件的強(qiáng)度，在強(qiáng)度要求較高的場(chǎng)合，就產(chǎn)生廢品。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到零件的工藝特性，使其結(jié)構(gòu)符合其制造工藝，從設(shè)計(jì)上盡量減少在制造中出現(xiàn)廢品 的可能，降低廢品率，從而減少資源浪費(fèi)。
2.3.2 零件的可加工性
具有良好結(jié)構(gòu)工藝性的零件，不僅易于加工，而且加工中的動(dòng)力消耗和設(shè)備損耗少，無(wú)需設(shè)備。而結(jié)構(gòu)工藝性差的零件加工工藝復(fù)雜，耗費(fèi)工時(shí)，且需要刀、夾、量具才能加工,增加了設(shè)備損耗和制造工裝的資源消耗。因此，進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使零件便于用zui簡(jiǎn)單的工藝，zui高的生產(chǎn)率加工出來(lái)，以減少加工過(guò)程的資源消耗。
2.3.3 切削加工量
零件的切削加工量直接影響機(jī)床的切削加工時(shí)間和材料損耗，零件的被加工面的面積和數(shù)量越多，切削加工量越大，加工零件的能量損耗和機(jī)床、刀具的磨損越多，變成切削而浪費(fèi)掉的材料越多。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮零件各個(gè)面的使用情況，避免對(duì)沒(méi)有精度要求和表面粗糙度要求的表面進(jìn)行加工。例如：圖3箱體零件的底面不必全部加工，采用圖3b的結(jié)構(gòu)可減少材料和能量耗損，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
2.4 零部件的材料選擇
合理選擇材料是保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的前提，而且材料本身作為主要的物料資源之一，它的選取是否得當(dāng)，直接影響材料的消耗情況，并且對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)程中的能量消耗也有很大影響。機(jī)械產(chǎn)品的材料以金屬材料為主，因此，本文只討論金屬材料的選擇對(duì)資源消耗的影響。
圖3
材料選擇的主要依據(jù)是零件的服役條件和材料的使用性能。所選材料的特性與零件的工作條件是否相適合，將影響材料各種使用性能（如強(qiáng)度、塑性、耐腐蝕性等）的充分發(fā)揮，從而影響材料消耗。例如：柴油機(jī)曲軸在服役過(guò)程中承受小能量重復(fù)沖擊載荷的作用，有關(guān)試驗(yàn)表明，在此種載荷情況下，強(qiáng)度高，塑性低的球墨鑄鐵的工作壽命高于強(qiáng)度低，塑性高的正火45＃鋼。采用球墨鑄鐵比45＃鋼有利于節(jié)約金屬材料，延長(zhǎng)構(gòu)件工作壽命。因此，選擇材料時(shí)，并不是材料的各種性能指標(biāo)越高越好，而應(yīng)根據(jù)具體情況（包括負(fù)荷情況、工作溫度、環(huán)境腐蝕等）選擇與其相適合的材料，做到“物盡其用”，以充分發(fā)揮材料潛能，減少材料消耗，延長(zhǎng)構(gòu)件壽命，避免因構(gòu)件失效而造成的資源浪費(fèi)。
材料選擇還應(yīng)考慮材料的工藝性能。材料工藝性能的好壞決定了零件加工的難易程度，對(duì)廢品率、加工過(guò)程的能量消耗有很大的影響，例如：對(duì)需切削加工的零件應(yīng)選用切削性好的材料，以減少機(jī)床能量消耗和刀具磨損。
在使用性能和工藝性能可以滿足的前提下，盡量少用含貴重合金元素的材料，以通用材料代替貴重稀有材料，可減少稀缺金屬的消耗。
2.5 產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)
產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，應(yīng)貫徹“三化”原則，即產(chǎn)品系列化、零部件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，這是國(guó)家的一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。在設(shè)計(jì)中實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化的程度不僅影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且也是影響資源消耗狀態(tài)的重要因素之一。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可從以下幾個(gè)方面影響資源的消耗：
（1）促進(jìn)專業(yè)化生產(chǎn)，提高資源利用率
標(biāo)準(zhǔn)化在統(tǒng)一和簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將同類零件的各種不同型式和不同尺寸合理分檔，并使其形成系列，以便于用*工藝和設(shè)備進(jìn)行大批量專業(yè)化生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)設(shè)備、原材料和能源的利用率，使單位產(chǎn)品的資源消耗量減少。以緊固件標(biāo)準(zhǔn)化為例，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明：每1 000 t成品采用專業(yè)化大批量生產(chǎn)比小批量生產(chǎn)節(jié)約材料1 750 t，原材料利用率提高一倍多。
（2）減少工藝裝備的品種和數(shù)量
零件的幾何形狀和結(jié)構(gòu)尺寸是一個(gè)傳遞性因素，如果它們的規(guī)格繁雜，會(huì)使刀具、夾具、量具的品種數(shù)量大大增加。如設(shè)計(jì)螺釘，如果螺釘?shù)闹睆胶吐菁y尺寸一經(jīng)確定，與其相配合的螺母尺寸也就定下來(lái)了，接著加工用的絲錐和板牙的尺寸、攻絲前底孔的尺寸、檢驗(yàn)用的環(huán)規(guī)和塞規(guī)的尺寸也相應(yīng)地確定下來(lái);配合螺釘使用的墊圈和緊固螺釘用的扳手尺寸也隨之而定;攻絲前底孔的確定又相應(yīng)地確定了鉆頭、擴(kuò)孔鉆和鉸刀的尺寸?？梢?jiàn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)零件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，按優(yōu)先數(shù)系制定零件幾何尺寸，并盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件或通用件，可簡(jiǎn)化零件規(guī)格，從而大大減少工藝裝備的品種和數(shù)量，降低制造工裝的資源消耗。
2.6 其它
產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)資源消耗的影響是多方面的，除本文以上所列舉的幾個(gè)方面以外，還有許多與資源消耗有關(guān)的因素。如安全系數(shù)的確定，將影響構(gòu)件的截面尺寸，從而影響材料消耗；零件的加工精度和表面粗糙度要求，將影響切削加工過(guò)程中的能量消耗；等等。本文在此不一一列舉。產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)資源的影響因素隨產(chǎn)品類型、生產(chǎn)條件，設(shè)備能力等條件的變化而有所不同，各種因素對(duì)資源消耗的影響程度也會(huì)隨條件的變化而改變。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況作具體分析。
3 面向物能資源優(yōu)化利用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型
通過(guò)以上分析可知：產(chǎn)品設(shè)計(jì)是影響制造系統(tǒng)物能資源消耗的至關(guān)重要的階段。設(shè)計(jì)不合理所帶來(lái)的資源耗費(fèi)問(wèn)題是“先天性”問(wèn)題，很難在后續(xù)階段彌補(bǔ)和修正。因此,要求設(shè)計(jì)人員從一開始就應(yīng)具有資源意識(shí)和環(huán)境意識(shí)。在設(shè)計(jì)中,不僅要考慮產(chǎn)品的功能、壽命、成本，還要考慮產(chǎn)品的資源消耗和環(huán)境特性，從設(shè)計(jì)上盡量減少產(chǎn)品在制造和使用等過(guò)程中的資源消耗，使產(chǎn)品以zui少的資源耗費(fèi)，zui少的環(huán)境污染和zui高的可回收率制造出來(lái)。
而在設(shè)計(jì)中，影響資源消耗的諸因素之間是相互、有時(shí)甚至是相互矛盾的。例如：為節(jié)約貴重金屬，在設(shè)計(jì)齒輪時(shí)，其輪齒采用耐磨強(qiáng)度較高的合金鋼，而其輪轂采用鑄鐵，兩部分用聯(lián)接件聯(lián)件。但這樣卻增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因而增加了制造過(guò)程的資源消耗（如機(jī)床能量消耗、設(shè)備磨損等）。因此，面向資源優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員在評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)從系統(tǒng)的角度出發(fā)，分析產(chǎn)品及其每一個(gè)零部件在整個(gè)生產(chǎn)制造、拆卸和回收利用過(guò)程中的資源消耗情況及其影響因素，選擇綜合資源消耗量zui少的方案，從而提高整個(gè)制造系統(tǒng)的資源綜合利用率。
分析研究表明，降低產(chǎn)品資源消耗應(yīng)受以下幾個(gè)條件的約束：
（1）產(chǎn)品功能和質(zhì)量
降低產(chǎn)品資源消耗必須以滿足產(chǎn)品的功能和質(zhì)量要求為前提。只有在保證產(chǎn)品使用性能不變的情況下減少資源消耗才是有意義的，否則，只會(huì)生產(chǎn)出次品、廢品，從而造成更大的資源浪費(fèi)。
（2）生產(chǎn)周期
在產(chǎn)品的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、材料選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使產(chǎn)品有利于采用*技術(shù)和*工藝加工制造，從而提高生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)周期。
（3）制造成本
必須從加工管理、設(shè)備投資等方面綜合考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，使產(chǎn)品的成本降低。
綜合以上分析，本文提出一種面向資源消耗的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型。如圖4所示：
圖4 面向物能資源優(yōu)化利用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型
4 從設(shè)計(jì)方面提高物能資源利用率的途徑和措施
（1）培養(yǎng)設(shè)計(jì)人員的資源意識(shí)。企業(yè)通過(guò)宣傳和教育，使每個(gè)設(shè)計(jì)人員都意識(shí)到資源問(wèn)題的重要性和環(huán)境問(wèn)題的嚴(yán)重性，提高節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的責(zé)任感，并自覺(jué)地將降低資源消耗、減少環(huán)境污染落實(shí)到設(shè)計(jì)工作中來(lái)。設(shè)計(jì)人員通過(guò)不斷學(xué)習(xí)，了解*制造技術(shù)、材料科學(xué)等科技新成果，并將它運(yùn)用到設(shè)計(jì)工作中來(lái)，從而提高優(yōu)化利用資源的設(shè)計(jì)技術(shù)。
（2）運(yùn)用并行工程的設(shè)計(jì)方法，從設(shè)計(jì)一開始就考慮產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到報(bào)廢處理的整個(gè)生命周期中影響資源消耗的所有因素，從而優(yōu)化各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，提高整個(gè)制造系統(tǒng)資源利用率。
（3）本文第二節(jié)已對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)物能資源消耗的影響因素進(jìn)行了分析。充分考慮這些影響因素并采取相應(yīng)的措施，實(shí)質(zhì)上就是提高物能資源利用率的具體措施。
（4）建立資源消耗綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。制造系統(tǒng)中資源種類繁多、消耗情況復(fù)雜。必須建立統(tǒng)一的方法和指標(biāo)體系才能對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)算和評(píng)估。也只有在此基礎(chǔ)上，才能對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)，從而作出正確的決策。
5 結(jié)論
產(chǎn)品設(shè)計(jì)是影響制造系統(tǒng)物能資源消耗的zui關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。如果在設(shè)計(jì)階段就考慮到產(chǎn)品的資源消耗狀況，就能對(duì)物能資源進(jìn)行有效的控制。面向資源消耗的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，是從系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)、材料選擇和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化等多方面綜合考慮產(chǎn)品在制造、使用和報(bào)廢處理等階段的資源消耗狀況，使產(chǎn)品所消耗的物能資源zui少，制造和使用產(chǎn)品所產(chǎn)生的廢棄物zui少，產(chǎn)品報(bào)廢后的回收利用率zui高，從而提高物能資源的綜合利用率，達(dá)到資源優(yōu)化利用的目的。