产品设计和过程选择课件.ppt

1、第三部分第三部分 产品设计与过程选择产品设计与过程选择建立生产系统所要做的决策：建立生产系统所要做的决策：第一，选择或设计将要生产的产品或提供的服务；第一，选择或设计将要生产的产品或提供的服务；第二，确定进行生产运作所需要的过程技术或组织机构；第二，确定进行生产运作所需要的过程技术或组织机构；第三，建立质量哲学并将其融入企业运作中。第三，建立质量哲学并将其融入企业运作中。讨论的内容有：制造业的产品设计与过程选择；讨论的内容有：制造业的产品设计与过程选择；运作技术；运作技术；服务行业的产品设计和过程选择；服务行业的产品设计和过程选择；排队论；排队论；质量管理；质量管理；统计质量控制方法。统计质量

2、控制方法。第四章第四章 制造业的产品设计与过程选择制造业的产品设计与过程选择关键词关键词并行工程并行工程（Concurrent Engineering）装配过程装配过程（Assembly processes）产品产品-过程矩阵过程矩阵（Product-Process Matrix）工业设计工业设计（Industrial Design）检测过程检测过程（Testing Processes）虚拟工厂虚拟工厂（Virtual Factory）质量功能展开质量功能展开（Quality Function Deployment）过程流程结构过程流程结构（Process Flow Structure）损益平

3、衡分析损益平衡分析（Break-Even Analysis）质量屋质量屋（House of Quality）工艺专业化生产工艺专业化生产（Job Shop）过程流程图过程流程图（Process Flow Diagram）价值分析与价值工程价值分析与价值工程（Value Analysis/Value Engineering）合资企业合资企业（Joint Venture）批量批量（Batch）转化过程转化过程（Conversion Processes）战略供应商战略供应商（Strategic Suppliers）装配线装配线（Assembly Line）连续流程连续流程（Continuous Fl

4、ow）制造过程制造过程（Fabrication Processes）设计顾客满意的产品是一门艺术，生产产品是一门科学，将产品由设计转移至设计顾客满意的产品是一门艺术，生产产品是一门科学，将产品由设计转移至顾客是管理，将这些过程快速而灵活地综合在一起，关键是团队工作，它不仅包括顾客是管理，将这些过程快速而灵活地综合在一起，关键是团队工作，它不仅包括营销、产品开发、制造与分销，也包括供应商和顾客。营销、产品开发、制造与分销，也包括供应商和顾客。开发新产品并迅速投放市场是制造商都必须面临的挑战。开发新产品并迅速投放市场是制造商都必须面临的挑战。怎样设计产品和采用哪种过程制造？怎样设计产品和采用哪种过

5、程制造？如图4-1所示，产品开发活动将顾客需求及期望与制造产品所需的活动联系在一起。这些活动包括三个主要职能：市场营销：市场营销：为新产品开发提供新概念，为现有产品制定规范；产品开发产品开发：将产品技术概念转移至最终设计；制制 造：造：选择和构造制造产品的过程。符合现代需求的快速开发过程，应该达到：一是必须对变动的顾客期望与技术进步迅速做出响应；二是必须迎合全球市场范围内不同的地域倾向性。顾客市顾客市场系统场系统产产品品响应响应产品开发产品开发制制 造造过程过程规划规划生生产产新产品新产品概念概念市场营销市场营销先进研究先进研究营销与销售营销与销售顾客市顾客市场系统场系统销销 售售需求需求技术

6、技术概念概念促销促销产品规范产品规范生产订单生产订单顾客订单顾客订单营销与销售营销与销售响应响应图图4-1 产品开发与制造过程产品开发与制造过程一、产品设计过程一、产品设计过程阶阶 段段投放市场投放市场时间进度表时间进度表市场导入提前期市场导入提前期项目开始项目开始36 27 18 9 0 概念概念计划通过计划通过产品产品第一个完整原型第一个完整原型概念开发产品框架概念设计目标市场产品规划市场建立小规模测试投资/财务产品/过程工程产品详细设计和设备/工具建立/测试原型小规模生产/增量生产大量生产工厂启动生产量增长至商业目标设计设计/规划规划最终实施最终实施过程过程市场导入市场导入增量生产增量生

7、产小规模生产小规模生产图图4-2 产品开发的典型过程产品开发的典型过程 为了加速产品开发过程，一项新的技术被广泛应用于对项目进行组织，即并并行工程行工程（concurrent engineering-CE）。CE不是由一个阶段进入另一个阶段的简单系列方法，而是侧重于交叉职能的集成、产品的同步开发以及相应的实现过程。CE最基本的综合机制是团队团队。有三种常见形式：计划管理团队 技术团队 若干个设计建造团队 综合协调/特殊团队（根据项目的复杂性而设立）CE方法的优点-节约了完成项目的时间。并行包括项目阶段的各项工作平行完成，共享整体设计数据库是CE 成功的重要因素。表4-1表示的是产品开发过程“交

8、叉职能的集成活动”表表4-1 交叉职能的集成活动交叉职能的集成活动功功能能活活动动开开 发发 阶阶 段段概念开发概念开发产品规划产品规划详细产品详细产品/过程技术过程技术试生产试生产/增量生产增量生产投放市场投放市场阶段阶段1阶段阶段2产产品品开开发发提出新技术；开发；建立仿真模型选择零部件及与供应商联系建立早期系统原型；定义产品构架产品详细设计和与过程交互作用；建立完整的原型；进行原型测试产品设计细节改进；参与建立第二阶段原型评价、测试小规模生产产品；解决问题用产品评价；生产商业系统市市场场营营销销提供市场投入；产品概念的提出与调查定义目标顾客参数；估计销售与毛利；建立与顾客的关系进行原型顾

9、客测试；参与评价原型执行第二阶段顾客测试；评价原型；市场扩展计划；建立分销计划市场扩展准备；培训销售人员与服务人员准备订货项目/过程系统占领销售渠道；销售、促销；与关键顾客沟通制制造造过程概念的提出与调查成本估计；确定过程结构；进行过程模拟；确定供应商进行过程详细设计；设计开发工具与设备；参与建立完整原型测试与实验工具、设备；建立第二阶段原型；安装准备；提出新程序在商业过程中进行小规模生产；基于小规模生产经验改进过程、培训人员，验证供货渠道增量生产至目标产量；达到质量、产量、成本目标关键关键事件事件关键关键决策决策l 为定义产品与过程的概念l 确定产品与过程的框架l 定义参数l 建立测试完成原

10、理l 验证产品设计l 建立第二阶段原型l 验证过程工具和设计l 进行小规模生产l 商业系统运作与测试l 增量生产至批量生产l 达到最初商业目标概念批准规划批准详细设计的批准产品和过程的批准批准第一批商业的销售全面商业化的批准功功能能活活动动开开 发发 阶阶 段段概念开发概念开发产品规划产品规划详细产品详细产品/过程技术过程技术试生产试生产/增量生产增量生产投放市场投放市场阶段阶段1阶段阶段2产产品品开开发发提出新技术；开发；建立仿真模型选择零部件及与供应商联系建立早期系统原型；定义产品构架产品详细设计和与过程交互作用；建立完整的原型；进行原型测试产品设计细节改进；参与建立第二阶段原型评价、测试

11、小规模生产产品；解决问题用产品评价；生产商业系统市市场场营营销销提供市场投入；产品概念的提出与调查定义目标顾客参数；估计销售与毛利；建立与顾客的关系进行原型顾客测试；参与评价原型执行第二阶段顾客测试；评价原型；市场扩展计划；建立分销计划市场扩展准备；培训销售人员与服务人员准备订货项目/过程系统占领销售渠道；销售、促销；与关键顾客沟通制制造造过程概念的提出与调查成本估计；确定过程结构；进行过程模拟；确定供应商进行过程详细设计；设计开发工具与设备；参与建立完整原型测试与实验工具、设备；建立第二阶段原型；安装准备；提出新程序在商业过程中进行小规模生产；基于小规模生产经验改进过程、培训人员，验证供货渠

12、道增量生产至目标产量；达到质量、产量、成本目标关键关键事件事件关键关键决策决策l 为定义产品与过程的概念l 确定产品与过程的框架l 定义参数l 建立测试完成原理l 验证产品设计l 建立第二阶段原型l 验证过程工具和设计l 进行小规模生产l 商业系统运作与测试l 增量生产至批量生产l 达到最初商业目标概念批准规划批准详细设计的批准产品和过程的批准批准第一批商业的销售全面商业化的批准二、面向顾客的产品设计二、面向顾客的产品设计我们常听到的一句话，“设计这玩意的人应该自己来用用它就明白了。”两个非常严重而且经常发生的问题：一是：“企业对技术成就及技术超前关注备至，以至于有时他们无暇顾及顾客”，如零部

13、件不易装卸、操作太复杂、安装与控制没有逻辑、严重的安全隐患等等；二是：许多产品的技术功能太多远远超过必要，购买者不能完全操作它，仅使用了可用功能的一小部分。工业设计必须是面向美学和面向使用者的设计，是一个连续（不断）改进的过程。工业设计必须是面向美学和面向使用者的设计，是一个连续（不断）改进的过程。例如：凌志汽车加速器脚踏板的设计改进例如：凌志汽车加速器脚踏板的设计改进质量功能展开（质量功能展开（QFD）是一种将顾客心声引入产品设计规范的方法。该方法利用市场营销部门、设计工程部门、制造部门的职能交叉的团队，以研究和倾听顾客想法，确定一个优良的产品特征为起点，将顾客对产品的需求和偏好进行定义、分

14、类以及对于顾客的相对重要度，请顾客对公司及竞争者产品进行比较与排序，最终结果是更好地理解与关注那些需要改进的产品特征。价值分析与价值工程（价值分析与价值工程（VA/VE）目的是在满足所有顾客要求的同时，以更低成本达到相同或更好的水平，一般是通过确定、消除不必要的成本达到目标。从技术角度讲，价值分析往往处理已投产的产品，用于分析工艺文件和购货要求上的产品规范与要求，采购部门通常将价值分析作为降低成本的技术；价值工程应用在产品开发阶段，被认为是削减成本的方法。价值分析与价值工程分析方法会用到“头脑风暴法”讨论如下问题：这个零部件是否有不必要的功能？两个或更多零部件能否合并？能减少重量吗？有无可删除

15、的非标准部件？三、面向可制造与可装配性的产品设计（三、面向可制造与可装配性的产品设计（DFMA）“设计设计”的多重含义的多重含义 一是设计意味着产品的美学设计（如颜色、结构、外观形状等等）。二是设计意味着确定一个系统的基本参数。三是设计意味着详细阐述产品的原材料、形状和零件的公差。传统的设计态度是传统的设计态度是“我设计，你制造我设计，你制造”，即，即“隔墙抛砖法隔墙抛砖法”。基本过程如图4-2。图图4-2 传统的设计、制造过程传统的设计、制造过程过程：过程：优化的材料选择和优化的设计优化的材料选择和优化的设计过程：过程：过程：过程：过程：过程：材料选择设计材料选择设计零部件设计零部件设计工艺

16、过程设计工艺过程设计零部件制造零部件制造l 材料说明书材料说明书l 详细零件图详细零件图l 装配图装配图l 工艺要求及说明工艺要求及说明l 装配说明书装配说明书装配、安装装配、安装产产 品品设计过程设计过程材料选择材料选择生产过程生产过程目标：目标：装配草图设计装配草图设计优化的生产过程和最终产品设计优化的生产过程和最终产品设计过程：过程：材料选择设计材料选择设计零部件设计零部件设计工艺过程设计工艺过程设计零部件制造零部件制造l 材料说明书材料说明书l 详细零件图详细零件图l 装配图装配图l 工艺要求及说明工艺要求及说明l 装配说明书装配说明书装配、安装装配、安装产产 品品设计过程设计过程材料

17、选择材料选择生产过程生产过程目标：目标：装配草图设计装配草图设计优化的生产制造过程和最终产品优化的生产制造过程和最终产品过程：过程：传统设计态度常常遇到许多问题，特别是生产和装配问题。如：零部件加工制造的工具、工艺无法实现；装配操作、工艺和公差无法达到要求；结构、形状复杂，等等。原 因：制造和装配工程师以及技术人员没有参与设计工作解决途径：改动、变更设计，甚至是对设计做重大变更影 响：增加数量可观的额外费用，造成最终产品交付使用的时间延误DFMA的思想：在设计阶段就与制造、装配工程师进行协商探讨，从实际使用、技的思想：在设计阶段就与制造、装配工程师进行协商探讨，从实际使用、技术、经济的角度考虑

18、，以团队协作设计避免生产、制造和装配过程可能产生的问术、经济的角度考虑，以团队协作设计避免生产、制造和装配过程可能产生的问题。题。DFMA提出几条标准，装配中添加到最终产品上的每个零部件都要用这些标提出几条标准，装配中添加到最终产品上的每个零部件都要用这些标准检验：准检验：在产品使用中，该部件与其他已经装配的部件间是否发生相对运动？在产品使用中，该部件与其他已经装配的部件间是否发生相对运动？该部件是否必须使用不同的原材料或与已装配部件分离？该部件是否必须使用不同的原材料或与已装配部件分离？该零部件是否必须使用特殊或专用加工工具？该零部件是否必须使用特殊或专用加工工具？在调整与维护时，零部件是否

19、必须与其他零部件相分离？在调整与维护时，零部件是否必须与其他零部件相分离？四、过程选择四、过程选择过程类型过程类型 是指选择何种生产过程的战略决策。过程类型基本可分为：转化过程：如将铁矿石转化为钢板；制造过程：如将原材料加工成特定形状的产品；装配过程：如将挡拟板安装至汽车上；测试过程：严格讲这不是一个基本过程，但它作为一个独立的主要活动被广泛提到。过程流程结构过程流程结构 是指一个工厂如何利用上述一个或多个过程技术组织物流。贺氏（Hayes）与威尔莱特（Wheelwright）确定了四种主要流程结构：（1）工艺专业化生产）工艺专业化生产。多品种小批量产品的生产，大多要求设置不同的或顺序不同的工

20、艺过程。如商业印刷厂、机械加工厂等就是这类结构的典型。（2）批量生产）批量生产。实质是标准的工艺专业化生产。通常用于有相对稳定的产品系列的企业，每种产品根据顾客订单或库存要求进行周期性生产。多数产品的生产都沿用相同的流程方式，如重型机械、电子装置、特制化学品等都应用批量生产。（3）装配线生产）装配线生产。是指按受空速度，零部件按装配顺序从一个工作地到另一个工作地进行装配生产。当若干工业过程按装配顺序形成线性模式时，通常称之为流水线。（4）连续流程）连续流程。无差异原料（如石油、化学品、啤酒）的转化或深加工，像装配线一样，生产生产按照预先确定的步骤顺序进行，但其流程是连续的，而不是离散的。这种结

21、构通常是高度自动化的，实际上构成一个综合“机器”每天必须运行24小时，以避免高额的停工与起动费用。产品产品-过程矩阵过程矩阵 过程结构与产量要求间的关系常用产品-过程矩阵表示。见图4-3。无无不可行不可行无无不可行不可行产品结构产品结构产品生命周期阶段产品生命周期阶段低产量低产量-低标准低标准化，单件生产化，单件生产多品种多品种小批量小批量过程结构过程结构过程生命周期过程生命周期主要产品较主要产品较少，高产量少，高产量高产量高产量-高标准高标准化，商品产品化，商品产品工艺专业化生产工艺专业化生产批量生产批量生产装配线生产装配线生产连续流程连续流程商业印刷厂商业印刷厂法国餐厅法国餐厅重型机械装备

22、重型机械装备咖啡厅咖啡厅汽车装配汽车装配汉堡包店汉堡包店制制 糖糖柔性（高）柔性（高）单件成本（高）单件成本（高）效率测量效率测量柔性（低）柔性（低）单件成本（低）单件成本（低）图图4-3 产品与过程主要生命周期阶段比较产品与过程主要生命周期阶段比较 解释与理解：解释与理解：如图4-3所示，随着产量的增加和产品结构（水平方向）的变窄，专用设备和标准物流（垂直方向）变得经济可行。由于过程结构的这种发展常与产品生命周期各个阶段（引入、成长、成熟期）有关，所以它有利于营销策略与制造策略的相互协调。矩阵中所列出的产业是理想化类型，都能在矩阵中找出相应于其结构的恰当位置。当然，产业选择矩阵中的其他位置也

23、是可行的，也有可能处于两个过程结构的交界处。当今生产系统的一个主要论点是：当今生产系统的一个主要论点是：寻求由阶段工艺专业化阶段的柔性以及阶段的装配线甚至阶段的连续流程结构的成本优势共同形成的利益。虚拟工厂（虚拟工厂（virtual factory）指生产活动不在一个中心工厂进行，而是由多地点的、作为战略联盟一部分的 供应商和伙伴企业完成。管理者必须对生产网络内所有组成部分的制造能力例如，一个汽车制造商的角色，由仅管理一个中心工厂的生产活动，转移到管理制造过程中所有步骤无论生产活动在哪里发生。专用设备选择专用设备选择 专用设备选择必须服从过程结构一般类型选择。企业可同时配置通用设备和专用设备。

24、下表4-2列出了选择决策中的一些关键因素。决策变量决策变量考考 虑虑 因因 素素最初投资价格、制造商、可用的配套模具、空间要求、对辅助设备的需求产出率实际能力与额定能力比较产出质量满足产品规范的可靠性运行要求操作的简便性、安全性、认为因素的影响劳动力需求直接与间接比率、技能与培训柔性通用设备与专用设备的对比、专用工具生产准备要求复杂性、转换速度维护复杂性、频率、零部件的可获得性陈旧技术发展水平在制品库存缓冲库存的时间安排与需求量系统范围内的影响与现存或计划系统的联系、控制活动、与生产策略想适应性表表4-2 设备选择中主要决策变设备选择中主要决策变量量替代过程和设备的选择替代过程和设备的选择 选

25、择过程或设备的标准方法是损益平衡分析。一张损益平衡图表示了基于不同生产或销售数量的收益与损失。这种选择当然要依赖于预测的需求量。当过程或设备占用大量初始投资和固定成本，并且可变成本与生产产品数量比率合理时，采用这种方法最适宜。例如：假定一个制造商获得某一机加工零部件，有三种方案可选择：一是以每件200美元的价格购买（包括材料）；二是购买80000美元的数控半自动车床，每件加工费用75美元（包括材料）；三是购买200000美元的加工中心，每件加工费用15美元（包括材料）。若采用购买方式，固定资产损耗可以忽略不计。该如何选择？如果每件卖300美元，该如何选择？五、过程流程设计五、过程流程设计过程流

26、程设计重点考虑原材料、零部件在工厂移动的特定过程。最常用的管理工具有：装配图装配图：是一种简单的零部件分解示意图。装配程序图：装配程序图：利用装配图提供的信息确定装配零部件的方法和装配顺序，它经常用于确定总 的物流模式。加工路线单：加工路线单：顾名思义，它能详细描述某一零部件的作业和工艺路线，传递加工零部件所需 的设备、工具和作业的有关信息。装配流程程序图：装配流程程序图：一般用标准符号表示产品流经生产设备时进行加工的方式，不同工艺的符 号在图的一侧加以注释。作为一种规则，延迟和在制品存储较少，则流程越好。六、过程分析六、过程分析过程：就是将输入转化为有用输出的一系列任务。一个过程通常包括：过

27、程：就是将输入转化为有用输出的一系列任务。一个过程通常包括：任务任务：过程中有一系列任务，每项任务在一定程度上完成输入向期望输出的转换。流：流：过程中的流由物流和信息流构成。物流指产品从一项任务到下一项任务的转换；信息 流帮助确定在前项工作中做了多少转换，和当前任务究竟还剩下什么需要完成。存储：存储：当既无任务执行，又无零部件转移时，零部件必须存储。等待下一任务处理的存储物 品常称为在制品。过程分析：过程分析：包括调整生产能力和均衡过程中的不同环节，用现有资源实现产出最大化或成本最 小化。举例P100-103七、产品开发绩效评价七、产品开发绩效评价 企业必须对变化的顾客需求和竞争对手的行动作出

28、及时反应。确认机遇、增强发展力度以企业必须对变化的顾客需求和竞争对手的行动作出及时反应。确认机遇、增强发展力度以及新产品和新过程快速上市的能力是至关重要的。必须有效地将新产品和新过程推向市场。产及新产品和新过程快速上市的能力是至关重要的。必须有效地将新产品和新过程推向市场。产品开发绩效的评价评价指标见下表品开发绩效的评价评价指标见下表4-3。绩效指标绩效指标评价指标评价指标对竞争力的影响对竞争力的影响引入市场的时间引入新产品的频率从最初概念到引入市场的时间项目开发数量和完成数量新产品的销售份额对顾客和竞争对手的影响设计质量贴近市场项目频率模型寿命开发效率每个项目的技术时间每个项目的原材料和工具

29、成本实际与计划对比项目数量产品系列新颖性与宽度项目频率开发的经济性质量结构使用可靠性设计性能与顾客满意产量工厂与行业商誉顾客忠诚度对顾客的相对吸引力市场份额获利性连续服务成本表表4-3 开发项目绩效评价开发项目绩效评价第四章（附录）第四章（附录）运作技术运作技术关键词关键词数控机床数控机床（Numerically Controlled(NC)Machine）柔性制造系统（柔性制造系统（Flexible Manufacturing Systems(FMS)）图象处理系统图象处理系统（Image Processing Systems）加工中心加工中心（Machining Centers）计算机辅助

30、设计计算机辅助设计（Computer-Aided-Design(CAD)）电子数据交换电子数据交换（Electronic Data Interchange(EDI)）工业机器人工业机器人（Industrial Robots）自动物料搬运系统自动物料搬运系统（Automated Materials Handling(AMH)Systems）自动制造计划和控制系统自动制造计划和控制系统（Automated Manufacturing Planning and Control Systems）决策支持和专家系统决策支持和专家系统（Decision Support and Expert Systems

31、）计算机集成制造计算机集成制造（Computer-Integrated Manufacturing(CIM)）客户客户/服务器系统服务器系统（Client/Server Systems）制造单元制造单元（Manufacturing Cells）办公自动化办公自动化（Office Automation）n 技术是一种非常重要的资源，它不仅对运作方式而且对企业的整体利益和企业的发展都具有深远的影响。n 技术能够引起世界的变革，技术影响着企业乃至国家经济的竞争力。n 随着现代自然科学技术的进步，信息技术朝着信息集成的方向迅猛发展，每个工作人员都利用几乎相同的信息资源进行工作，这些信息包括销售数据、成

32、本数据、库存数据以及车间作业计划等。n 在当今企业将技术发展战略与企业发展战略紧密结合已成为有效地竞争武器。n 迈克尔迈克尔哈默（哈默（Michael Hammer）说：）说：“新的操作原理是新的操作原理是如果我能精确地告如果我能精确地告诉你怎样做，那么我就不需要你去做了。我可以让一台机器去做，机器比人更省诉你怎样做，那么我就不需要你去做了。我可以让一台机器去做，机器比人更省钱而且不需休息。钱而且不需休息。唯一留给人做的工作是那些离不开人的能力的工作。唯一留给人做的工作是那些离不开人的能力的工作。”一、制造技术一、制造技术最近几十年的技术变革、技术进步对许多行业产生了巨大而深远的影响。归纳为两

33、类：一类是：硬件系统的技术进步，主要体现在过程自动化方面。典型的硬件技术包括：数控机床 加工中心 工业机器人 自动化物料搬运系统 制造单元及柔性制造系统另一类是：软件系统的技术进步，主要体现在软件技术应用于产品的设计以及制造方法的分析和计划。包括：计算机辅助设计 自动制造计划和控制系统二、计算机集成制造二、计算机集成制造 是制造过程的自动化，将前述所有的自动化技术都包含，制造的三个主要功能生产与工艺设计、计划与控制以及制造过程本身都被各种自动化技术所取代，联络和命令也被计算机取代。即整体工厂自动化（total factory automation）和未来工厂（factory of the fu

34、ture）。三、服务技术三、服务技术 改善服务成本、质量和速度的一个关键因素是有效地管理信息传输和信息处理能力。在此技术主要指信息技术，是指使信息的传输、处理、存储和调用更加快速省钱的技术。包括：办公自动化 图象处理系统 电子数据交换 决策支持系统与专家系统 计算机网络系统一些新突破：“街角工厂”（coner Factory）“快速原型法”“立体印刷术”“成形沉淀”（shape deposition）后工业时代的制造业正朝着大规模顾客化大规模顾客化的时代发展，即生产大量的个人化产品。降低成本降低成本 劳动力成本 物料成本 库存成本 运输和销售成本 质量成本 其他成本其他收益其他收益 增加产品的品种 提高产品的性能和质量 缩短生产周期采用新技术的风险采用新技术的风险 技术风险 运作风险 组织风险 环境市场风险四、技术投资的评估四、技术投资的评估