一、工藝的基本概念

工藝（Technology/Craft）是指勞動者利用各類生產(chǎn)工具對各種原材料、半成品進行加工或處理，最終使之成為成品的方法和過程。工藝也可理解為為了加工制造某個產(chǎn)品或零件所使用的線路、設(shè)備及加工方法的總稱。工藝包含的內(nèi)容非常廣泛，包括工藝文件、工藝紀律檢查、工具、設(shè)備、人員、裝配順序、現(xiàn)場等。工藝直接體現(xiàn)在以下兩個方面。

① 方法：產(chǎn)品加工所涉及的技術(shù)，英文用“Technology”表示。

② 過程：產(chǎn)品加工所要遵循的流程和順序，英文用“Process”表示。

工藝可以是多樣化的，它對成本、效率和品質(zhì)都會產(chǎn)生影響，只要有生產(chǎn)制造，就存在工藝。

工藝起源于人類開始制作工具的時代，是人類起源的直接佐證。馬克思在《資本論》中指出：“工藝學揭示出了人與自然的能動關(guān)系、人生活的直接生產(chǎn)過程、人的社會生活條件和由此產(chǎn)生的精神觀念的直接生產(chǎn)過程。”工藝源于人們的手工操作技能，但又得以進一步升華，工藝的出發(fā)點就是為了提高勞動效率、生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)良的產(chǎn)品及增加生產(chǎn)利潤，工藝也是從單一生產(chǎn)向大量生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。

工藝研究的對是“人”“機”“料”“法”“環(huán)”。也就是人力、設(shè)備、材料、方法和環(huán)境。其中材料、設(shè)備、方法是最主要的。

①“人”：操作人員，也包括管理人員、技術(shù)人員及客戶等，與產(chǎn)品的生產(chǎn)管理密切相關(guān)的所有人員都屬于這個范疇。人在產(chǎn)品的生產(chǎn)與管理環(huán)節(jié)起著重要的作用，對產(chǎn)品質(zhì)量的各個環(huán)節(jié)都有著不同程度的影響。隨著生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，人在生產(chǎn)中的作用有所降低，但在某些特殊工種和關(guān)鍵工序中，機器仍然無法完全替代人。

②“機”：工藝得以實現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)。一般指的是機械，即生產(chǎn)中所使用的設(shè)備、工具、儀器儀表等輔助生產(chǎn)用具。例如機加過程中的各種數(shù)控機床、PCB電子組裝中使用的SMT設(shè)備等，以及夾具、料盤、鋼網(wǎng)等。生產(chǎn)中設(shè)備的穩(wěn)定性和完整性會對產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和進度產(chǎn)生直接影響。對提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、節(jié)省人力資源、降低生產(chǎn)成本都起到至關(guān)重要的作用。在產(chǎn)品制造愈加復雜和精密的情況下，先進的生產(chǎn)加工設(shè)備已經(jīng)具有不可替代的作用。

③“料”：整個工藝乃至整個工業(yè)的源頭，甚至有“制作材料者制作技術(shù)”的說法。它包括兩方面的內(nèi)容：一是加工對象的原材料，如半導體、各類金屬/塑料等；二是加工技術(shù)實現(xiàn)中所必需的工藝輔助材料，如印制板、安裝線、焊料、助焊劑等。把材料制作成最終產(chǎn)品的過程必然涉及對材料加工特性、加工方法等相關(guān)問題的研究。

④“法”：方法，包括產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝、操作規(guī)章制度等。如果說設(shè)備是工藝的“骨架”，那么方法就是工藝的“神經(jīng)”，是工藝的核心和靈魂?！胺椒ā蓖ǔＲ愿拍?、原理、思想、技術(shù)要求、通用/典型技術(shù)、專用/特種技術(shù)等形式體現(xiàn)，它對材料的利用和加工、設(shè)備的操作與控制進行規(guī)范和約束，是利用硬件設(shè)備將材料有機結(jié)合并順利組織生產(chǎn)實施的紐帶，也是企業(yè)提升生產(chǎn)能力和生產(chǎn)質(zhì)量的一個重要條件。

⑤“環(huán)”：環(huán)境，即生產(chǎn)操作車間的環(huán)境條件。電子產(chǎn)品生產(chǎn)，特別是高可靠性電子產(chǎn)品的生產(chǎn)，對環(huán)境的要求很高，優(yōu)良的環(huán)境條件是保證電子產(chǎn)品可靠性的重要因素。

二、工藝設(shè)計的概念和內(nèi)涵

工藝設(shè)計是指產(chǎn)品生產(chǎn)制造工藝的設(shè)計。對于一種新產(chǎn)品，從原材料進廠到產(chǎn)品出廠，往往要經(jīng)過千百道工序，工藝設(shè)計就是對這一過程中客觀規(guī)律的正確反映，它也是企業(yè)進行計劃管理、技術(shù)裝備、生產(chǎn)調(diào)度、原材料供應、勞動調(diào)配及經(jīng)濟核算的技術(shù)指導。工藝設(shè)計像一條紐帶，它把企業(yè)各部門聯(lián)系起來，成為一個有機的制造體系。由于工藝設(shè)計是一種決定企業(yè)的產(chǎn)品怎樣制造、采用什么加工方法、使用何種生產(chǎn)材料去制造的綜合性活動，所以工藝設(shè)計水平的高低直接決定了企業(yè)在一定生產(chǎn)條件下能生產(chǎn)多少產(chǎn)品、生產(chǎn)何種水平的產(chǎn)品及產(chǎn)品的成本。也就是說，工藝設(shè)計就是從設(shè)計的角度探討如何更好、更快、更低成本地加工制造新產(chǎn)品的問題。

對于電子產(chǎn)品而言，科學、合理的工藝設(shè)計具有以下積極意義。

（1）工藝設(shè)計直接決定產(chǎn)品設(shè)計能否實現(xiàn)

一般情況下，產(chǎn)品設(shè)計主要關(guān)心的是產(chǎn)品的功能和作用，極少考慮制造過程的約束，甚至還不同程度地存在“我們設(shè)計產(chǎn)品，你們生產(chǎn)產(chǎn)品”和“產(chǎn)品設(shè)計精度越高越好”的傳統(tǒng)思想，沒有針對生產(chǎn)廠家和實際制造環(huán)境進行產(chǎn)品設(shè)計，因此很容易出現(xiàn)“指標設(shè)計很理想，但加工精度不夠，或者干脆生產(chǎn)不出來”的現(xiàn)象，特別是在生產(chǎn)自動化程度大幅提高的今天，這種現(xiàn)象更為明顯。如何面向制造進行設(shè)計已成為設(shè)計人員必須考慮的問題。

（2）工藝設(shè)計影響電子產(chǎn)品的固有質(zhì)量和制造成本

有關(guān)資料顯示：設(shè)計費用占電子產(chǎn)品總成本的5%，但決定了電子產(chǎn)品總成本的70%，而約80%的設(shè)計差錯要到制造和使用過程中才能發(fā)現(xiàn)。制造業(yè)公認的“十倍定律”表明，如果在概念設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)并改正一個錯誤所需要的費用是1，那么改正同一個錯誤，在詳細設(shè)計階段所需要的費用是10，在生產(chǎn)制造階段所需的費用為100，并且直接造成制造周期的延長。而工藝設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計工作中的一項重要內(nèi)容，直接決定了產(chǎn)品的可制造性，是采用經(jīng)濟、合理和可靠的方法制造產(chǎn)品的基礎(chǔ)。因此，在產(chǎn)品設(shè)計中選用合理的結(jié)構(gòu)、合適的材料及工藝，在制造源頭提高產(chǎn)品的設(shè)計工藝，對保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性、增強產(chǎn)品批生產(chǎn)能力和有效控制成本有著重要的現(xiàn)實意義。

（3）工藝設(shè)計可以有效縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期

傳統(tǒng)的新產(chǎn)品開發(fā)采用串行“迭代”模式，即產(chǎn)品設(shè)計完成后，投廠制造，在制造中發(fā)現(xiàn)工藝問題，之后反復更改直至獲得滿意的產(chǎn)品，這種模式不僅會大幅增加開發(fā)成本，還會造成開發(fā)周期的延長。而工藝設(shè)計本著“預防為主”的方針，能在早期發(fā)現(xiàn)包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用功能和美學功能等在內(nèi)的一些隱含的制造隱患，并采取針對性措施，方便了生產(chǎn)組織管理，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

三、 工藝設(shè)計的方法和原則

工藝設(shè)計貫穿了產(chǎn)品從設(shè)計到材料準備、加工、裝配、檢驗、試驗再到使用、維護的全壽命周期，涵蓋了材料科學、工藝技術(shù)、制造工程、工業(yè)經(jīng)濟及質(zhì)量、可靠性、有效性和可維護性等諸多學科和領(lǐng)域，綜合性和復雜性較強，因此開展工藝設(shè)計工作必須明確方法和原則。

進行工藝設(shè)計，需明確以下問題。

（1）工藝設(shè)計屬于優(yōu)化設(shè)計的范疇

所謂優(yōu)化，即在給定的條件下，從一切可行的方案中尋求最適當?shù)姆桨?。進行工藝設(shè)計，首先要考慮本單位的生產(chǎn)技術(shù)條件（制造環(huán)境）及生產(chǎn)綱領(lǐng)。比如，對于插裝件的組裝，可采用手工焊接、波峰焊接和通孔回流焊接等多種方式，而最終采用哪種方式，就要根據(jù)本單位的設(shè)備情況來決定，如果沒有波峰焊或回流焊設(shè)備，那么采用手工焊接就是“最佳”的工藝設(shè)計；又如，傳統(tǒng)的插裝件焊接一般采用波峰焊工藝，但考慮成本控制和設(shè)備的兼容性，通孔回流焊也不失為一種優(yōu)化的工藝選擇；另外，不同的生產(chǎn)類型，如“單件、成批或大量生產(chǎn)”，在加工方法上也是不一樣的。因此，工藝設(shè)計就是從產(chǎn)品設(shè)計角度出發(fā)尋求最佳方案。

（2）工藝設(shè)計應由工藝人員來完成

工藝設(shè)計并不是全新的概念，產(chǎn)品設(shè)計后的工藝檢查、工藝設(shè)計、研制生產(chǎn)，裝配及試驗過程中發(fā)現(xiàn)問題，設(shè)計人員研究修改，都屬于產(chǎn)品的再設(shè)計，只是貫穿的過程較長。另外，我們常說的“設(shè)計、工藝一管到底”“設(shè)計制造一體化”都屬于工藝設(shè)計的范疇。雖然工藝設(shè)計不是新概念，但要做好也不容易，工藝設(shè)計成功與否在很大程度上取決于工藝設(shè)計者的素質(zhì)，因為工藝設(shè)計旨在降低制造成本，是生產(chǎn)服務(wù)的一項基本工作，所以工藝設(shè)計必須由素質(zhì)較高的、有能力早期預測與產(chǎn)品設(shè)計有關(guān)潛在問題的工藝人員擔負或參與。

（3）工藝設(shè)計可以有不同形式

工藝設(shè)計的方式比較靈活，可以獨立進行，即工藝人員對原設(shè)計圖紙進行工藝檢查，審核通過并簽署后的圖紙方可投入使用；也可以在工藝設(shè)計時一并進行，即給予工藝人員一定的自主權(quán)，允許在保證產(chǎn)品性能的前提下，對產(chǎn)品部分結(jié)構(gòu)、尺寸、精度進行改動。此外，在同一產(chǎn)品的不同生產(chǎn)階段，也可進行不同形式的工藝設(shè)計。比如，對于單件研制的產(chǎn)品，首要任務(wù)是盡快制造出產(chǎn)品樣機，因此工藝設(shè)計中，盡量不用或少用專用工裝；相反，在批量定型生產(chǎn)中，主要問題是效率和制造成本問題，工藝設(shè)計就應在工裝設(shè)計方面多下功夫。

（4）工藝設(shè)計應有計劃地進行

工藝設(shè)計是在原設(shè)計基礎(chǔ)上的再設(shè)計。因此，首先要吃透原設(shè)計的設(shè)計思想、工作原理及功用，再結(jié)合企業(yè)的制造環(huán)境，進行有效的系統(tǒng)改進設(shè)計。需要強調(diào)的是，在進行任何局部改進時，都要綜合考慮整個產(chǎn)品的情況，避免由于某一方面的改動而影響其他方面的運行，在沒有切實依據(jù)和把握的情況下，嚴禁隨意改動原設(shè)計。

四、工藝設(shè)計概念的拓展

1.并行工程的概念和內(nèi)涵

制造企業(yè)間競爭的核心是產(chǎn)品（Product）。隨著時代的變遷，產(chǎn)品間競爭的要素也不斷演變。20世紀70年代以前，產(chǎn)品競爭要素是成本（Cost），20世紀70年代增加了質(zhì)量（Quality），80年代增加了交貨期（Time），90年代又增加了服務(wù)（Service），世紀更迭之際又增加了環(huán)境因素（Environment），進入21世紀，“知識創(chuàng)新”（Knowledge Innovation）又成為競爭的關(guān)鍵要素。目前，對現(xiàn)代制造企業(yè)提出的最新要求是必須具備“TQCS”能力：即以最快的上市速度（Time to Market，T）、最好的質(zhì)量（Quality，Q）、最低的成本（Cost，C）和最優(yōu)的服務(wù)（Service，S）來滿足不同客戶的需求。

然而，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)方式大都沿用“泰羅（Taylor）制”的順序設(shè)計方法，遵循“概念設(shè)計—詳細設(shè)計—工藝設(shè)計—加工制造—試驗驗證—設(shè)計修改”的大循環(huán)。顯然這種串行流程的產(chǎn)品開發(fā)模式根本無法滿足新產(chǎn)品的競爭需求，企業(yè)必須尋找更為有效的新產(chǎn)品開發(fā)方法。在此背景下，作為計算機輔助設(shè)計（CIMS）新發(fā)展階段的并行工程（Concurrent Engineering，CE）成為解決上述問題的最有效的方法。

并行工程的概念是美國國防分析研究所IDA（Institute of Defense Analyze）以武器生產(chǎn)為背景，在對傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，于1988年首次系統(tǒng)化提出的：“并行工程是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程（包括制造過程和支持過程）進行并行的、一體化設(shè)計的一種系統(tǒng)化的工作模式?！边@種工作模式要求產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計伊始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到報廢處理的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進度計劃和用戶要求。

并行工程環(huán)境下的產(chǎn)品開發(fā)模式如圖1所示。

圖1 并行工程環(huán)境下的產(chǎn)品開發(fā)模式

并行工程通過在設(shè)計階段設(shè)計更改的“小循環(huán)”避免了后期反復更改的“大循環(huán)”，從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品制造成本。

圖2是串行與并行產(chǎn)品設(shè)計模式的對比。

圖2串行與并行產(chǎn)品設(shè)計模式的對比

并行工程強調(diào)多學科專家的協(xié)調(diào)工作和一體化、并行地進行產(chǎn)品及其相關(guān)過程的設(shè)計，其中尤其注意早期的概念設(shè)計階段的并行與協(xié)調(diào)，因此，并行工程的核心是并行設(shè)計CD（Concurrent Design）。并行設(shè)計是并行工程實施的使能技術(shù)。

2.DFX的概念和內(nèi)涵

面向產(chǎn)品生命周期各/某環(huán)節(jié)的設(shè)計（Design For X，DFX）的概念從并行工程發(fā)展而來，它同時考慮從產(chǎn)品概念設(shè)計到詳細設(shè)計過程中的所有階段，包括需求識別、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、銷售運輸、使用維護、回收利用等階段。它要求從需求識別開始就要考慮產(chǎn)品生命周期的各個環(huán)節(jié)，以確?？s短新產(chǎn)品上市時間、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、改進服務(wù)、加強環(huán)境保護意識、實現(xiàn)社會可持續(xù)化發(fā)展。

DFX相關(guān)要素及相互關(guān)系如圖3所示。

圖3 DFX相關(guān)要素及相互關(guān)系

DFX中的X可以代表產(chǎn)品生命周期或其中某一環(huán)，如產(chǎn)品、加工制造、使用維護、回收利用等，也可以代表產(chǎn)品競爭力或決定產(chǎn)品競爭力的因素，如質(zhì)量、成本、時間等。而這里的“Design”不僅指產(chǎn)品的設(shè)計，也指產(chǎn)品開發(fā)過程和系統(tǒng)的設(shè)計。

DFX內(nèi)容主要包括以下方面。

（1）面向制造的設(shè)計（Design For Manufacturing/Manufacturability，DFM）

DFM的主要思想就是在產(chǎn)品設(shè)計時不但要考慮產(chǎn)品的功能和性能要求，而且考慮制造的可能性、高效性和經(jīng)濟性，即產(chǎn)品的可制造性。DFM的目標是在保證功能和性能的前提下使制造成本最低。在這種設(shè)計與工藝同步考慮的情況下，很多隱含的工藝問題能夠及早暴露出來，減少了設(shè)計返工；此外，對于不同的設(shè)計方案，根據(jù)可制造性進行評估取舍，并根據(jù)加工費用進行不斷優(yōu)化，能顯著地降低成本，增強產(chǎn)品的競爭力。

DFM是CE的思想核心，也是實現(xiàn)CE的關(guān)鍵技術(shù)，因為設(shè)計與制造是產(chǎn)品生命周期中最重要的兩個環(huán)節(jié)。所謂并行設(shè)計，最重要的就是產(chǎn)品設(shè)計與制造過程設(shè)計的并行。在設(shè)計階段就能考慮可制造性是并行工程最基本的優(yōu)勢所在。DFM所提倡的在設(shè)計中考慮制造工藝，根據(jù)加工能力來設(shè)計產(chǎn)品的方法，正是CE的設(shè)計方法，因此CE是DFM的推廣和延伸。

（2）面向裝配的設(shè)計（Design For Assembly，DFA）

DFA是一種針對裝配環(huán)節(jié)的統(tǒng)籌兼顧的設(shè)計思想與方法。它是指在產(chǎn)品設(shè)計過程中利用各種技術(shù)手段，如分析、評價、規(guī)劃、仿真等，充分考慮產(chǎn)品的裝配環(huán)節(jié)及與其相關(guān)的各種因素的影響，在滿足產(chǎn)品性能與功能的條件下改進產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品設(shè)計具有良好的可裝配性，并盡可能地降低裝配成本和產(chǎn)品總成本。

DFA是并行工程環(huán)境下的一個主要設(shè)計支持工具，它為設(shè)計人員提供基于裝配的設(shè)計支持，包括可裝配性分析、裝配結(jié)構(gòu)分析、裝配工藝性分析和裝配工藝設(shè)計等。其中，裝配結(jié)構(gòu)分析通常還要從裝配序列規(guī)劃、裝配公差分析、裝配機構(gòu)仿真等不同側(cè)面展開，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的可裝配性及有效性，保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，從而避免因裝配設(shè)計問題而導致的后續(xù)再設(shè)計所造成的巨大浪費，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，降低產(chǎn)品設(shè)計成本。

（3）面向可靠性的設(shè)計（Design For Reliability，DFR）

DFR是根據(jù)需要和可能，在事先就考慮產(chǎn)品可靠性諸因素的一種設(shè)計方法。它要求在產(chǎn)品設(shè)計過程中，按照一定的原則事先采取相應技術(shù)手段，提前消除產(chǎn)品的潛在缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，防止故障發(fā)生，以確保滿足規(guī)定的固有可靠性。DFR與DFQ（Design For Quality，面向質(zhì)量的設(shè)計）都是提高產(chǎn)品固有滿意度的重要措施。

DFX的內(nèi)容還包括：面向生產(chǎn)的設(shè)計（Design For Production，DFP）、面向成本的設(shè)計（Design For Cost，DFC）、面向檢驗的設(shè)計（Design For Inspection，DFI）、面向維修的設(shè)計（Design For Service/Maintain/Repair，DFS）、面向環(huán)境的設(shè)計（Design For Environment，DFE）等。

3.DFX是工藝設(shè)計概念的拓展

對比可見，工藝設(shè)計和DFX在表達的意義上有很多一致的地方，具體包括以下方面。

（1）面向的過程相近

工藝設(shè)計面向的是產(chǎn)品制造過程，涉及從原材料進廠到產(chǎn)品出廠的所有工序；DFX則要求全面兼顧規(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)、經(jīng)銷、運行、使用、維修保養(yǎng)，直到回收利用的全壽命周期過程?？梢姡瑑烧呙嫦虻倪^程相近，但后者比前者在概念上更全面。

（2）發(fā)揮的組織作用類似

工藝設(shè)計是條紐帶，它把企業(yè)各部門聯(lián)系起來，成為一個有機的制造體系，是企業(yè)進行計劃管理、技術(shù)裝備、生產(chǎn)調(diào)度、原材料供應、勞動調(diào)配及經(jīng)濟核算的技術(shù)指導；DFX則是現(xiàn)代企業(yè)的特征，強調(diào)技術(shù)、組織和人員素質(zhì)的集成，采用并行的、小組化的工作方式開展工作。可見，兩者作用基本相同。

（3）實施目的相同

工藝設(shè)計決定了企業(yè)的產(chǎn)品怎樣制造、采用什么加工方法、使用何種生產(chǎn)材料去制造，進而決定了企業(yè)可以生產(chǎn)多少產(chǎn)品、生產(chǎn)何種水平的產(chǎn)品及產(chǎn)品的成本，即工藝設(shè)計的目的是高效率、低成本、高可靠地制造產(chǎn)品，工藝設(shè)計水平的高低是企業(yè)競爭力的重要表現(xiàn)；而DFX的核心思想就是通過在設(shè)計階段對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝進行優(yōu)化，對產(chǎn)品的性能進行預測，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本?？梢?，兩者的目的基本一致。

總之，工藝設(shè)計就是從設(shè)計的角度探討如何更好、更快、更經(jīng)濟地加工制造新產(chǎn)品的問題，這與DFX的理念是不謀而合的，而DFX要解決的問題，面向的過程比工藝設(shè)計更加全面，因此可以這樣說，工藝設(shè)計是DFX的主要內(nèi)容，DFX是工藝設(shè)計概念的拓展。