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第4章产品开发与技术选择 4 1引言4 2产品设计与开发4 3生产流程设计与选择4 4并行工程 1 本章主要是从个性化定制与新产品开发所面临的压力出发 讨论和介绍企业产品开发与设计过程 工艺设计与选择的组织与管理 并介绍生产流程的选择与决策问题 4 1引言4 1 121世纪企业产品开发所面临的背景特征进入20世纪90年代以来 由于科技的进步和生产力的发展 企业之间的竞争日益加剧 企业面临的外部环境也日益复杂化 顾客 竞争 变化等三个因素既是需求多样化发展的结果 又是市场需求不确定性的主要根源 在全球化的市场竞争中 企业面临的是一个十分复杂而难以预测的买方市场 以至传统的生产经营模式对新环境的响应越来越慢 2 以上变化反映在企业中 首先是产品生产方式的变化 传统的生产方式是 一对多 的关系模式 即企业开发一种产品 面对多种顾客 组织大批量生产 获得规模经济效益 新的生产模式是 根据每一个顾客的特定需求定制产品和服务 这就是 一对一 的定制化服务 正如20世纪出现的大批量流水线生产方式改变了世界经济一样 大规模定制很有可能成为21世纪世界经济发展的根源 个性化定制不仅仅是要求企业有很强的产品开发能力 而且要提高对顾客需求的响应速度 3 与传统的大批量生产方式相比 大规模定制的优点是减少了企业库存 具统计 在制造业如果实现了定制生产 企业的库存成本可以降低70 产品成本可以降低30 定制化生产要求企业必须采用先进的制造技术和管理方法来组织生产 如数控机床 工业机器人 机器手 加工中心 柔性化的生产系统 成组技术工艺 成组生产单元等 总结20世纪在制造业领域中出现的新情况 新问题 企业所处的竞争环境有以下几个方面的特点 4 新产品开发是实现企业竞争战略的需要技术进步和顾客需求的变化使得产品的生命周期日趋缩短 企业所面临的成本 质量 交货期及改善服务的压力越来越大 这就要求企业必须制定出科学可行的经营战略 以应对这种环境的变化 技术进步越来越快技术进步反映在制造业中主要表现为新材料 新能源 新结构 新的工艺技术和生产手段 新的设计理念及管理方法 在制造技术方面 有机器人 机器手 数控机床 柔性制造系统 计算机集成制造系统 计算机辅助制造 计算机辅助设计 计算机辅助工艺等 在管理技术方面 MRP ERP JIT TQC等 5 用户的需求呈现出明显的多样化和个性化趋势经济的发展 技术的进步使得消费者的要求越来越高 消费者的价值观发生了很大的变化 需求朝着高层次发展 这些变化反映在三个方面 产品规格 款式的多样化和个性化 产品的质量 功能和可靠性 在满足多样化和个性化的同时 产品的价格要象大规模生产那样低廉 产品开发难度加大由于技术的发展和竞争日益激烈 产品是开发难度越来越大 成功率很低 见下图所示 6 12345678910 4000300020001000 3000个设想 300个提案 125个项目 92项开发 四项重大 一个成功 阶段 产品开发成功曲线 7 可持续发展的要求由于环境 资源的日益恶化和紧张 企业所面临的生存条件也越来越复杂 如政府的政策法规 公众的反映等一系列约束因素也越来越多 这就要求企业生产的产品在设计 制造 销售和回收等一系列环节都必须考虑社会效益 8 4 1 2新产品开发的重要性 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 产品开发对生产过程的影响产品开发对生产过程及成本的影响见下图 9 设计55 60 制造22 装配23 开发周期 图 1 产品开发周期各阶段所消耗的时间 10 80 40 70 6 20 36 40 7 3 18 开发周期 成本 设计 制造 采购 其它 图 2 对成本的影响 实际成本 11 10080604020 83 7 成本 100 设计阶段 制造装配阶段 决策成本曲线 实际成本曲线 产品周期 图 3产品开发过程的成本 12 从上图可以看出 在制造业 产品开发设计的时间占到整个周期的60 左右 因此 要想缩短产品的开发周期就必须缩短产品的设计时间 另外 产品的设计直接影响到新产品的成本 目前产品更新换代的速度越来越快 实践证明 若产品的生命周期为5年 产品开发每延长6个月 利润将减少1 3 13 4 1 3现代企业的研发工作 企业研发工作的分类 基础研究对某个领域的某种现象进行的研究 是探索新规律 创建新知识的工作 应用研究根据市场需求选择一个潜在应用领域有针对的进行研究 是将基础研究的成果应用到某一领域 技术开发研究是将应用研究的成果经过一系列的设计 实验发展成为新产品 新系统 新工程的研究活动 具有很强的目的性 在全球经济全球化的背景下 研发工作的重要性不言而愉 从宏观上看 它关系到一个国家的综合实力的高低 从微观上看 它决定着企业竞争力的强弱及成败兴衰 14 新产品的分类 新产品 在技术 性能 结构 材料等某个方面或几个方面具有先进性和创新性的产品 根据先进及创新的程度不同 可以分为三类 1 改进型新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 2 换代新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 如电子管 晶体管 集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路计算机 军机 一代机 歼五 六 二代机 歼七 八 三代机 歼十 十一 四代机 歼20 15 3 创新型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 新产品开发面临的压力成本高 风险大 成功率低和回报率下降 其原因有下三个 开发的新产品根本没有潜在的市场需求 完全是凭借设计人员的想象产生的 需求与设计脱节 新产品的功能与现实需求不匹配 要么是功能欠缺 要么是功能过剩 市场推广方面存在缺陷 缺乏与顾客的勾通 16 4 2新产品的研发与设计一个新产品的诞生 要经过一系列复杂的过程 这些过程的延续时间和质量直接影响到新产品能否顺利的进入市场 企业新产品的研发一般要经过以下阶段 1 产品构思阶段2 可行性研究阶段3 产品结构设计阶段4 工艺设计阶段各阶段的关系与内容见下图 17 超前研究成果 产品功能 需求分析 产品说明 CAD 数据库 成组件图库 概念设计 结构设计 产品规格确定 工艺设计 设计评审 工艺计划 产品开发流程图 1 基础研究 应用研究工作 可行性研究 18 顾客 市场策划 超前研究 产品设计 工艺设计 制造 市场销售 需求 订货 宣传 销售 生产订单 技术信息 产品说明 概念产品 产品开发过程描述 图 2 19 4 2 1产品构思阶段产品构思是研发设计人员对产品的性能 基本结构与外形所进行的抽象描述 进而形成概念产品 产品的开发过程首先起始于对新产品的设计构思 而构思则来源于对市场需求的分析和预测及相关技术的推动 也来源于竞争对手新产品开发的影响 4 2 2可行性研究阶段可行性分析对于企业来说是一个具有战略性意义的决策过程 需要从以下三个方面来考虑 一是企业所面对的市场需求情况 二是企业生产系统的柔性 三是企业的财务条件 如果可行 则可以进入产品的设计阶段 20 4 2 3产品结构设计阶段产品结构设计是指从明确设计任务开始 一直到确定产品的具体结构为止的一系列活动 在这一阶段 重点要确定产品的基本结构 材料 及功能等指标 重点要解决产品所涉及到的关键技术难题 并逐一论证 一旦在结构设计阶段出现了问题 它将导致产品先天不足 无论在技术上还是在管理上采取什么样的措施来补救都是无济于事的 为保证产品的设计质量 缩短设计周期 降低成本 产品设计必须遵循科学的设计程序 21 工作图设计根据技术设计确定下来的基本方案 进一步做结构的细节设计 绘制完整的全套图纸和必要的技术文件 为下一步的产品制造提供依据 总体设计通过市场分析 确定产品的性能 设计原则 技术参数 概略计算出产品的技术经济指标 并对产品设计方案的技术经济效果进行评价 技术设计将上一步确定下来的产品基本结构和主要技术参数具体化 根据设计任务书所规定的原则 进一步确定产品的结构和技术经济指标 以总图 系统图 明系表 说明书的形式表现出来 形成产品设计的基本方案 22 23 汽车增压系统 24 4 2 3工艺设计阶段工艺过程的设计是产品结构设计与制造过程之间的桥梁 它将产品的结构数据转化为制造过程所需要的各种指令 具体的说 就是根据产品设计的要求 安排和规划出制造阶段所需要的一系列设备 工装以及相应的后勤支持资源 工艺设计过程见下图 25 零件图 确定毛坯性质和尺寸 选择设备 制定加工工艺 确定工艺流程 确定加工条件 计算加工时间 选择工装 确定各工艺阶段的工序内容 顺序 26 工艺过程的设计工作量很大 是技术系统中的瓶颈环节 因此 必须严格按照科学的程序进行 产品图纸的工艺分析和审查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 零件的公差配合是否适当 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 拟定工艺方案工艺方案的内容包括 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 27 编制工艺规程工艺规程是指 用文字 图纸或其它的载体确定下来的 规范化了的产品制造顺序和方法 它是安排生产作业计划 生产调度 质量控制 原材料供应 劳动组织的基本依据 具体内容包括 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 28 工艺装备的设计与制造产品制造过程中所需要的各种工具 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 提高生产效率有着十分重要的意义 29 4 2 4产品设计原则和绩效评价 原则设计用户需要的产品 设计制造性强的产品设计鲁棒 robustness 性强的产品 强壮 是指产品的服务性 经济性 可维修性 设计绿色产品 产品开发的绩效评价指标见下表所示 30 绩效指标 度量 对竞争力的影响 上市时间 新产品引入频率从构思到上市时间构思数量与最终成功的数量实际与计划效果的差异来自新产品的销售比重 生产率 项目的研发周期项目的成本实际与计划的差异 质量 使用的可靠性用户的满意度生产现场的反映 顾客 竞争对手的反映时间接近市场的程度项目的频率 模型的寿命 项目数量 新产品设计与开发频率项目频率 开发的经济性 信誉 用户的忠诚度市场份额利润率 31 4 3生产流程的设计与选择案例 美国纳克钢铁厂生产流程坐落在印地安那州的纳克钢铁厂 是一个微型炼钢企业 其生产流程极具竞争力 特点是保持变化很小的 不间断的工艺流程生产薄板 钢材的成分与型号稍有变化 即可满足各种用户的需要 纳克工厂传统的生产过程分为两个阶段 首先是炼钢阶段 技术人员按照客户对钢材的要求进行配方 生产所需要的钢种 然后将钢水浇铸成型 第二阶段的定型 按照用户的要求将钢锭钢轧制成钢板 这样传统的流程不会给该厂带来竞争优势的 所以必须进行流程再造 32 首先 将钢水铸成接近产品的型状 在毛坯没有冷却之前立即进入初轧工序 然后再进行精轧工序 采用连续的工艺流程避免了轧钢过程中的大量再加热工艺 节约了大量成本 连轧连铸工艺 第二 连轧连铸的高效率的生产流程使得纳克该厂的生产成本只是竞争对手的一半 第三 改进后的生产流程很好的控制了产品的质量特性 提高了资本收益率 纳克钢铁厂采用的生产流程是一种典型的延迟生产战略 这种战略的原理是 将客户的需求尽量在产品工艺流程的上游体现和延伸 这样可以节约大量的设备 投资 人工费用及管理成本 既达到了满足用户的目的 有可以节约大量成本 33 4 3 1生产流程的分类流程是多个人员 多个活动的有序组合 在制造业和服务业都存在不同的生产与业务流程 生产运作流程的选择与设计就是选择和设计将投入转换成为产出所需用的资源 资源的组合方式 任务的完成方式 物流与信息流的流动方式的方案 生产流程与生产运作过程的主要区别在于 生产运作过程是指整个企业的投入与产出过程 而生产运作流程是指企业组织内部某一个子系统的投入产出过程 如一个部门 车间 一条生产线等 企业的生产过程是由一系列生产流程构成的 一个典型的生产流程示意图 34 混合 成型 成型 烘烤 包装 工艺信息流 烘烤 混合 原材料 半成品 产品 信息流 物流 面包生产流程图 35 生产流程的选择与设计对于企业是一项非常重要的决策 在很多情况下都需要考虑这一问题 这些情况包括 1 企业引入一项新产品 新服务 2 竞争重点发生变化 3 市场需求发生变化 4 现有的运作系统效率太低 5 竞争对手运用新技术 新流程 6 资源成本提高 以上所有的情况都有可能随时发生 因此 企业的生产流程的选择与设计是一项经常性的决策工作 36 根据生产类型的不同 可将生产流程划分为以下三种类型 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三种生产流程各有特点 对生产系统的的影响也不相同 37 按产品进行的生产流程 对象专业化 以产品及服务为对象 组织相应的生产设备和服务设施 形成流水般的连续生产 如 产品装配线 一站式服务等 适用于大批量生产及业务 按加工路线进行的生产流程 工艺专业化 对于多品种生产的情况 由于各种产品的工艺内容及加工路线不同 因此就不能按照流水生产那样组织生产流程 只能按照所完成的工艺内容来组织生产流程 按照产品工艺的要求 将具有相同工艺特点的设备和同工种的工人组织在一个生产单位内 对产品进行相同工艺的加工作业 例如 工厂的车工车间 铣工车间等 医院的透视 化验部门等 适用于多品种小批量生产及服务 38 工艺导向型重复型产品导向型 大规模定制 模块化投入 少数几种投入 多种投入 印刷 机械高级餐馆 汽车 家电 快餐 电脑 钢铁 啤酒 面包 灯泡 纸张 低变异 高利用率 高产量 70 90 专用设备 高变异 低产量 低利用率 5 25 通用设备 39 按项目进行的生产流程对于某些项目 其生产流程中的各道工序 活动就不能前面所介绍的原则来进行 所有的活动 作业只能按照一定的顺序来进行 有些活动可以平行交叉作业 有的只能顺序进行 拍摄一部影视作品 组织一次文体表演 进行一项建筑工程 大型科研活动 航天工程等 三种生产流程的特点比较见下表 1 5 4 6 7 8 A B C D E F G H J 2 3 40 特征标记 对象专业化 工艺专业化 项目型 产品 订货类型生产流程变化程度产量 批量大流水型低大 成批生产跳跃型高中等 单件定制无很高单件生产 员工 技能要求任务类型工资 低重复性强低 高没有固定形式高 高没有固定形式高 资本 投资库存设备 高低专用设备 中等高通用设备 低中等通用设备 目标 柔性成本质量期交货要求 低低均匀一致高 中等中等变化较大中等 高高变化更大低 41 续表 计划与控制生产控制质量控制库存控制 容易容易容易 困难困难困难 困难困难困难 对象专业化工艺专业化项目型 42 4 3 2产品 流程矩阵企业的生产流程与市场需求有十分密切的对应关系 下图描述了市场需求特征与生产流程之间的关系 见下图所示 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 43 低产量 中低产量 批量生产 大量生产 非标准 多品种 少品种 单一品种 单件制造 成批制造 流水生产 连续生产 造船厂中餐馆 大型设备食品加工 汽车制造快餐店 面粉厂炼油厂 产量结构特征 市场需求 柔性高成本高效率低 柔性低成本低效率高 技术不可行区 经济不可行区 生产流程 高 低 44 低产量 中低产量 批量需求 非标准 多品种 少品种 汽车家电快餐服装 单件制造 成批制造 流水生产 连续生产 造船厂中餐馆 大型设备食品加工 汽车制造快餐店 面粉厂炼油厂 产量结构特征 市场需求 技术不可行区 经济不可行区 生产流程 规模化定制 大量需求 单一品种 多品种 中产量 45 4 3 3影响生产流程设计的主要因素影响生产流程选择的因素很多 其中最主要的因素是产品和服务的构成特征 这些特征有以下五个方面 产品和服务的需求特征 自制或外购决策 生产柔性企业生产系统的柔性可以用两个方面来衡量 1 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 2 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 46 产品及服务的质量水平 接触顾客的程度4 3 4生产流程选择的决策生产流程是由一系列具有不同工艺特点的生产单位所构成 这些生产单位适合不同的生产类型 它们所具有的技术经济性也有所不同 因此在选择生产流程时一定要考虑不同生产单位对生产系统经济性的影响 这里介绍一个重要的概念 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 下图是一种定性分析图 47 产量 成本 销售收入 成组生产单元 流水生产线 图 1经营杠杆图 48 对象专业化形式 大量生产 对象专业化批量生产 成组生产单元 工艺专业化多品种小批量生产 批量 品种 品种 产量变化与生产单位形式的关系 图 2 49 功能式布置 成组单元布置 对象式布置流水生产 产量Q 成本 图 3不同生产组织形式的成本比较 50 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 销售预测的不确定性越大 经营杠杆作用越大的生产系统产生亏损的风险越高 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 51 4 4并行工程在产品开发中的应用4 4 1串行的产品开发方式 需求分析 产品设计 工艺设计 制造装配过程 市场销售 在不同阶段改变设计所引起的成本增加 图 1串行工程原理 52 串行的产品开发方法有很多弊端 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 见图 2 归纳起来 串行的方法有以下弊端 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 引起很多矛盾 这些矛盾严重的降低了产品开发的效率和速度 53 时间 费用 图 2设计阶段形成的问题所造成的费用 设计阶段 制造阶段 使用阶段 54 4 4 2并行的产品开发方式 需求分析 产品结构设计 工艺设计 制造过程 市场销售 成本质量环保 质 量 控 制 图 3并行开发方式 报废 目标 55 并行工程原理并行工程是一种强调各领域专家共同参与的系统化设计方法 其目的在于将产品的可靠性 可维护性 质量控制等因素同时加以考虑 以减少在产品设计的早期阶段所出现的盲目性 以缩短设计周期 并行工程的思想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 56 并行工程在汽车设计中的应用传统的汽车设计流程见下图 整车结构设计 零部件设计 工艺设计 工艺装备设计 工艺装备制造 汽车覆盖件设计 工艺设计 模具设计 模具制造 模具制造 材料采购 初加工 精加工 57 覆盖件设计 工艺设计 模具设计 采购材料 初加工 精加工 采用并行工程技术 将整车设计人员与工艺设计 模具设计及制造人员组成一个设计团队 下游设计人员可以早期参与相关的设计工作 提高了设效率和质量 缩短了设计周期 58 59 汽车设计的并行参与案例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 60 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 61 企业应用并行工程开发新产品 必须从三个方面进行变革 1 研发过程重构从传统的串行过程转变为并行过程 2 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 3 构建技术支持环境 产品设计时要考虑的因素见下表 1图 4 62 过程 需求阶段 设计阶段 制造阶段 营销阶段 使用阶段 终止阶段 考虑的因素 顾客需求产品功能 降低成本提高效率 易制造易装配 竞争力 成本 质量 可靠性可维护性可使用性 环境保护 并行设计时各阶段考虑的因素 表一1 63 并行工程 产品功能 可制造性 可装配性 质量保证 顾客满意 可靠性 环境保护 图 4并行设计时考虑的