第04章 产品开发和技术选择.ppt

生产与运作管理 山西大学管理学院范建平博士 Production OperationsManagement 公司使命 公司战略 工厂选址 产品研发 经营范围资源配置竞争优势协同作用 设施布置 工作设计 生产运作系统设计 4 1引言4 2产品设计与开发过程4 3生产流程设计与选择4 4产品设计组织新方法 并行工程4 5计算机辅助设计 第四章产品开发和技术选择 4 1引言 4 1 1产品设计的背景特征4 1 2新产品开发的重要性4 1 3现代企业的研究与开发 4 1 1产品设计的背景特征 信息爆炸的压力技术进步越来越快高新技术的使用范围越来越大市场和劳务竞争全球化产品研制开发的难度越来越大可持续发展的要求全球性技术支持和售后服务用户的要求越来越苛刻 21世纪企业面临环境的主要特征 有利于增强企业的市场竞争力 有利于扩大市场份额 适应个性化定制生产的需要 产品更新换代的需要 4 1 2新产品开发的重要性 研发的效率直接影响企业在时间上的竞争能力 50年前 现在 产品生命周期缩短 设计时间占据产品开发时间的主要位置 产品开发时间100 研发的效率直接影响企业在时间上的竞争能力 VA VE valueanalysis valueengineering 降低产品成本 成本的决定因素 实际成本消耗 研发直接影响产品成本 产品开发决定因素构成及实际成本消耗比较 变更设计对成本的影响 新产品开发阶段 4 1 3现代企业的研究与开发 一 研究与开发的分类研究与开发 ResearchandDevelopment 简称R D 基础研究 进行的是探索新的规律 创建基础性知识的工作 应用研究 是将基础理论研究中开发的新知识 新理论应用于具体领域 技术开发 研究是将应用研究的成果经设计 试验而发展成为新产品 新系统和新工程的科研活动 研究与开发的分类和特征 二 新产品的概念 从生产技术角度来看 采用新技术 新材料 在技术 性能 功能 结构 材质等一方面或几方面具有先进性或独创性的产品 显著提高性能 扩大功能从市场营销角度来看 首次投入市场 二 新产品的概念与分类 按新产品的新颖程度 改进型产品 在现有产品的基础上对某种功能 质量和外观进行了不同程度的改进 使产品的功能 质量有了某些变化和提高 换代产品 产品的原理不改变 但是部分的采用了一些新技术使产品的功能发生了极大的突破 创新产品 采用最新的科学技术成果开发出来的新产品 它是创新程度最高的新产品 例如IBM公司推出的世界上第一台个人计算机 二 新产品的分类 三 新产品开发面临的压力 新产品开发面临着费用高 成功率低 风险大 回报下降等压力 格雷格A 史蒂文斯 GregA Stevens 和詹姆斯 伯利 JamesBurley 调查统计后提出 3000个新产品的原始想法 只有1个能成功 阿尔巴拉 Albala 在总结以往研究的基础上 指出新产品开发的死亡率为98 2 初期项目中只有2 可以进入市场 你认为有哪些因素会影响新产品研发的成败 1 没有潜在的用户和需求 2 新产品与当前的需求不匹配 3 营销工作不得力 新产品失败的原因 4 2产品设计与开发阶段 4 2 1产品构思4 2 2结构设计过程4 2 3工艺设计过程4 2 4产品设计的原则和绩效评价 一般产品开发过程由以下阶段构成 产品构思结构设计 总体设计 技术设计 详细设计 工艺设计 4 2产品设计与开发阶段 产品构思 结构设计 协调 工艺设计 协调 输入 产品功能 中间结果 协调结果 产品规格干预指令 协调结果 工艺计划 中间结果 中间结果 干预指令 产品设计过程描述 产品开发过程 构思 R D 对市场需求的分析技术的推动竞争对手的产品和服务供应链合作伙伴 来源于 来源于 开始 产品构思来源 4 2 1产品构思 4 2 2结构设计过程 制造型企业 产品结构设计过程包括从明确设计任务开始 到确定产品的具体结构为止的一系列活动 服务型企业 产品结构设计就是服务内容和服务过程的设计 设计阶段决定了产品的特征 性能 质量 成本 产品设计一般分为总体设计 技术设计 工作图设计三个阶段 总体设计通过市场需求分析 确定产品的性能 设计原则 技术参数 概略计算产品的技术经济指标和进行产品设计方案的经济效果的分析 技术设计将技术任务书中确定的基本结构和主要参数具体化 根据技术任务书所规定的原则 进一步确定产品结构和技术经济指标 以总图 系统图 明细表 说明书等总括形式表现出来 4 2 2结构设计过程 工作图设计根据技术设计阶段确定的结构布置和主要尺寸 进一步作结构的细节设计 逐步修改和完善 绘制全套工作图样和编制必要的技术文件 为产品制造和装配提供确定的依据 4 2 2结构设计过程 市场需求分析 工作图设计 结构设计 优化设计 三维几何造型 计算机绘图 有限元设计 资料和图形库 原型修改 总体设计 开始 初步设计 原型产品 评估决策 N N Y Y CAD 4 2 2结构设计过程 4 2 3工艺设计过程 工艺过程设计工艺设计是指按产品设计要求 安排或规划出从原材料加工成产品所需要的一系列加工过程 工时消耗 设备和工艺装备需求等的说明 是结构设计过程和制造过程之间的桥梁 工艺过程的结果一方面反馈给产品设计用以改进产品设计 另一方法作为生产的依据 决定加工毛坯 材料和尺寸 选定加工条件 计算加工时间 制定加工工艺 选择机床 决定加工工序内的操作顺序 选择工艺装备 零件图 4 2 3工艺设计过程 4 2 3工艺设计过程 产品图纸的工艺分析和审查 是保证产品结构工艺性的重要措施 1 产品结构是否与生产类型相适应 2 是否充分利用了现有的工艺标准 3 零件的形状 尺寸和配合是否适当 4 所选择是材料是否恰当 5 企业现有的技术装备能否适应工艺要求 4 2 3工艺设计过程 拟订工艺方案 要明确在产品制造过程中会出现哪些主要问题 关键件用什么方法加工 工艺路线怎样安排 工艺装备的原则和系数如何确定等重大原则问题 1 确定工艺原则 2 确定质量标准 材料利用率 制造成本 3 列出各类关键零件 确定工艺路线 评价工艺方案 4 2 3工艺设计过程 编制工艺规程 1 产品制造的具体方法和顺序的确定 设备的选择 2 工艺规范 标准 的选择 工艺装备的确定 3 设备调整方案的选择 4 产品装配与零件加工技术条件的确定 4 2 3工艺设计过程 工艺装备的设计与制造实现工艺过程所需要的各种工具 卡具 夹具 刃具 量具和模具 统称为工艺装备 它的设计和制造对于贯彻工艺规程 保证加工质量 提高生产效率有重要作用 4 2 4产品设计的原则和绩效评价 产品设计和选择应该遵循的原则 设计用户需要的产品 服务 设计可制造性 Manufacturability 强的产品 设计鲁棒性 Robustness 强的产品 设计绿色产品 考虑环保要求 鲁棒性就是系统的健壮性 它是在异常和危险情况下系统生存的关键 比如说 计算机软件在输入错误 磁盘故障 网络过载或有意攻击情况下 能否不死机 不崩溃 就是该软件的鲁棒性 产品开发绩效评价指标 4 3生产流程设计与选择 4 3 1生产流程分类4 3 2产品 流程矩阵4 3 3影响生产流程设计的主要因素4 3 4生产流程选择决策 4 3 1生产流程分类 根据生产类型的不同 生产流程有三种基本类型 按产品进行的生产流程按加工路线进行的生产流程按项目进行的生产流程 按产品进行的生产流程按产品 服务形成过程的要求组织设备 形成流水般的连续过程 又称为流水线 FlowLine 这种形式适用于大量大批生产类型 对象专业化 按工艺特点的生产流程面对多品种产品或服务 只能将完成相同工艺的设备组织到一起 又称作工艺专业化形式 适用于多品种中小批量或单件生产类型 工艺专业化 按项目进行的生产流程项目是一次性的 且不重复 4 3 1生产流程分类 加工设备 加工设备 按产品 对象 布置的示意图 按产品进行的生产流程 按对象专业化原则布置有关机器和设备 常见的如流水生产线或产品装配线 如图所示 L L L D D D D G G 接收和转运 L D G 车床组 镗床组 磨床组 磨床 钻床 车床 按工艺过程布置示意图 按加工路线进行的生产流程 又称工艺专业化布置 即按照工艺专业化原则将同类机器集中在一起 完成相同工艺加工任务 L D D G G L G G L L 原材料 成品库 单元1 单元2 单元3 G D L 车床 钻床 磨床 成组生产单元布置示意图 按成组制造单元进行的流程 不同生产流程的特征比较 使生产系统的组织与市场需求相适应 4 3 2产品 流程矩阵 4 3 2产品 流程矩阵 产品 流程矩阵的原理 根据产品产量结构的特征 沿对角线方向选择和配备相应的生产流程 如果偏离对角线方向来选择生产流程 就不能取得很好的经济效果 产品 流程矩阵较好的解决了市场需求的变化与企业内部生产系统调整之间的矛盾 对于生产管理人员选择生产流程 制定生产战略具有很大的作用 4 3 3影响生产流程设计的主要因素 产品 服务需求性质 数量 品种 季节波动性 自制 外购决策生产柔性品种柔性 品种柔性是指生产系统从一种产品的生产状态迅速地转变为另外一种产品的生产状态的能力 提高品种柔性的途径是采用数控机床 加工中心和计算机制造系统等 产量柔性 产量柔性是指生产系统能够快速增加和减少产量的能力 采用可以快速重构的生产单元 产品 服务质量水平接触顾客的程度 4 3 4生产流程选择决策 在选择生产单位形式时 影响最大的是品种数的多少和每种产品产量的大小 对象专业化形式 大量生产 对象专业化形式 批量生产 成组生产单元和工艺专业化混合形式 工艺专业化形式 批量 品种 以图中的数字为例 生产同一种产品的对象式系统投资额为225万元 成组生产单元为111万元 工艺式为50万元 当产量在10万件以下时 选择工艺式最经济 当产量在10万 25万件之间时 成组生产单元最经济 当产量在25万件以上时 对象式最经济 当然还有一种选择 如果以上几种方案都不能得到满意的投资回报时 则应放弃该产品的生产 工艺式 成组生产单元 对象 产品 式 费用 产量 10 25 50 111 225 费用 销售收入 成组生产单元的成本曲线 对象专业化形式成本曲线 O BE1 EP 产量 BE2 不同生产过程方案的经营杠杆 经营杠杆 经营杠杆是成本函数与销售收入函数的夹角 他它对生产流程选择的经济性评价具有十分重要的意义 4 3 4生产流程选择决策 经营杠杆在选择生产流程时的作用有以下几个方面 生产量达到一定水平后 大于盈亏平衡点 生产系统的长期收益能力就大 未来的预期利润的不确定性也大 如果产量没有达到盈亏平衡点 经营杠杆的作用越大 则长期亏损的可能性也越大 经营杠杆作用越大 未来预期利润的不确定性也越大 销售预测的不确定性越大 经营杠杆作用大的生产系统产生损失的风险越大 经营杠杆对于生产系统设计的主要作用是 如果销售预测的不确定性很大时 则选择经营杠杆作用小的生产系统 4 3 4生产流程选择决策 4 4并行工程 产品开发组织新方法 串行的产品设计方法并行的产品设计方法并行工程的实施和技术 4 4 1串行的产品设计方法 需求分析 结构设计 工艺设计 制造 b 并行过程 a 串行过程 串行设计 从需求分析 产品结构设计 工艺设计一直到加工制造和装配是一步步在各部门之间顺序进行 产品开发工作流程 市场人员提产品构想 质量控制人员作质量保证计划 确定产品总费用和生产周期 制造工程师确定工艺工程 设计人员完成产品定义 串行的产品设计方法 思考一下 串行产品开发存在什么问题 以部门为基础的组织机构严重的阻碍了产品开发的速度和质量 各部门的工作都是围绕着本部门的目标来展的 其它部门设计资源和无法介入早期的设计阶段 造成了各阶段在设计工作上的脱节 在上一个问题的基础上 设计的产品的可靠性 可装配性较差 在没有进入制造阶段之前 就出现了很多技术问题 设计人员必须耗费很多的精力来解决这些问题 使得产品的开发周期在设计阶段就被延长了 串行产品开发过程存在的问题 52 1 各下游部门的资源不能早期介入开发过程 2 各设计阶段由于不了解各自的目标和需求 引起很多矛 这些矛盾严重的降低了产品开发的效率和速度 串行产品开发过程的弊端 4 4 2并行的产品设计方法 一 并行工程的产生并行工程是对产品及其相关过程 包括制造过程和支持过程 进行并行 一体化设计的一种系统化方法 该方法力图使产品开发者从一开始就考虑到产品全生命周期从概念形成到产品报废的所有因素 包括质量 成本 进度和用户需求 并行设计 可制造性 可装配性 质量保证 顾客满意 可靠性 环境保护 功能 4 4 2并行的产品设计方法 并行工程是一种强调各阶段领域专家共同参加的系统化产品设计方法 其目的在于将产品的设计和产品的可制造性 可维护性 质量控制等问题同时加以考虑 以减少产品早期设计阶段的盲目性 尽可能早地避免不合理因素的影响 缩短研制周期 二 并行工程的主要思想1 在设计阶段同时要考虑产品生命周期的所有因素 作为设计结果 同时产生出设计规格 制造工艺信息和生产准备文件 2 设计过程中的各项活动平行交叉进行 3 各种领域的专业技术人员全面参与和协同工作 实现所有资源在各设计阶段的全面集成 技术 人力 信息 4 高效率的组织机构 4 4 2并行的产品设计方法 概念设计 初步设计 详细设计 产品详细方案 工艺初步方案 产品初步方案 工艺详细方案 结构概念方案 工艺概念方案 三 并行产品开发流程特点产品设计的各阶段是一个递阶渐进的连续过程 注意粒度和清晰度产品设计过程和产品信息模型经历从定性到定量 从模糊到清晰的演化产品设计过程和工艺设计过程是并行展开 同时进行 4 4 2并行的产品设计方法 57 四 并行工程的应用及主要内容研发过程重构 从传统的串行过程转变为并行过程 组织过程重构 打破以部门为基础的功能式组织机构 建立跨部门 跨专业的开发组织 构建技术支持环境 4 4 2并行的产品设计方法 58 在汽车设计中与供应商共同参与设计是现代汽车设计制造的普遍做法 汽车作为一种复杂的装配型产品 其零件有上万个 如果所有零件都由汽车生产商设计制造 其工作量是十分巨大的 也会延长设计周期 上世纪80年代 美国的汽车生产商忽略了零部件供应商的设计能力 没有将其纳入到自己的设计系统中 几乎所有的零部件全部自己设计 然后交由供应商生产制造 一项研究表明 日本的汽车生产商只设计汽车全部零件的30 美国为81 日本的汽车生产商在汽车整车设计的早期阶段就开始与零部件供应商展开合作 将大部分零部件交由供应商设计制造 汽车生产商只提出零件的技术要求与交货期 汽车设计的并行参与案例 59 例如 汽车生产商只提出以下要求 设计一套制动器 可以使1100公斤的汽车从时速100公里的行驶状态在60米的距离内停止 制动器的尺寸为 15 15 25 厘米 价格为40 其余的设计工作由供应商自行完成 这种做法可以极大的缩短设计周期 提高设计质量 降低设计成本 并行的设计思想还可以延伸到汽车的需求分析 例如在设计的早期可以邀请顾客参与设计过程 倾听他们对新产品的建议和意见 运用并行工程的设计方法 日本汽车公司产品开发设计周期只是美国公司的一半 竞争力十分明显 汽车设计的并行参与案例 4 4 3并行工程技术 1 虚拟设计面向并行工程的DFx设计模式体现了开发的集成过程PDM发展成为CAD CAPP CAM系统的集成平台Internet使设计集成的范围更加广泛STEP标准作为设计开发集成的标准接口 DFX是并行的关键技术 主要包括 面向制造的设计 DesignforManufacturing DFM 面向装配的设计 DesignforAssembly DFA 面向质量的设计 DesignforQuality DFQ 面向可靠性的设计 DFReliability 面向可维修性的设计 DFMaintainability 面向互换性的设计 DFChangeability 设计等 4 4 3并行工程技术 2 产品数据管理 ProductDataManagement PDM3 产品系列化 零部件标准化 通用化4 成组技术 GroupTechnology GT 5 减少变化的方案 VarietyReductionProgram VRP 在产品设计不同阶段所采用的不同技术 需求阶段 顾客参与质量功