04产品开发和技术选择

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,POM,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,生产与运作管理,Production & Operation Management,9/16/2024,1,第四章 产品开发和技术选择,学习本章后，你将能够,了解：,新产品/服务开发的重要性,熟悉：,新产品的分类,产品设计和开发阶段,产品开发组织的新方法并行工程,掌握:,生产流程的设计与选择,9/16/2024,2,本章主要内容,引言,产品设计与开发阶段,生产流程设计与选择,并行工程产品开发组织的新方法,9/16/2024,3,第一节 引 言,一、21世纪企业产品/服务设计的背景特征,新产品/服务开发是实现企业竞争战略的需要,技术进步越来越快,用户的要求越来越苛刻,产品研制开发的难度越来越大,可持续发展的要求,9/16/2024,4,二、新产品/服务开发的重要性,1、有利于增强企业的市场竞争力,产品开发决定成本大小、质量好坏、产品上市时间快慢、柔性大小、客户满意程度,2、有利于扩大市场份额,3、适应个性化定制生产的需要,4、产品更新换代的需要,9/16/2024,5,产品开发对生产过程成本的影响,产品开发的时间构成：,产品开发时间 100%,设计时间 55%,制造22%,装配23%,据统计，产品设计时间占产品开发时间的近60%(如图)。因此，为缩短产品上市时间，必须缩短产品设计时间，产品设计和工艺设计影响着产品的创新速度。,9/16/2024,6,产品开发对生产过程成本的影响 (续),产品寿命周期的缩短：,AT&T:电话2年 1年 HP公司：打印机 4.5年 22个月,0 5 10 15 20 25,行业,化妆品,玩具,机床,食品,药品,50年前,现在,时间(年),9/16/2024,7,产品开发对生产过程成本的影响 (续),产品成本的决定:,70%,6%,20%,36%,7%,40%,3%,18%,设计阶段,制造阶段 材料采购 其它阶段,费用,成本的决定因素实际成本消耗,9/16/2024,8,产品开发对生产过程成本的影响 (续),产品决策成本和消耗成本：,成本%,100,80,60,40,20,产品生命周期,产品设计 过程设计 制造 装配与维护,设计阶段 原型制造阶段,O,决策成本,消耗成本,9/16/2024,9,产品开发对生产过程成本的影响 (续),在不同产品开发阶段改变设计对成本的影响：,改变设计引起的成本,新产品开发阶段,概念设计 设计开发 设计使用 制造装配,O,9/16/2024,10,此外，据统计：,产品制造效率的70%80%是在设计和工艺阶段决定的；所有质量的40%可以归因于低劣的设计和工艺。,结论：,企业的产品研发技术活动影响着产品的,成本,、,质量,和,制造的效率,。,尤其,产品设计,和,工艺设计,在产品开发中作用重大，它几乎占用了60%的开发时间，决定了70%的成本。,根据管理学中的,ABC,分类思想，企业的,产品设计,和,工艺设计,是企业快速响应客户要求的,瓶颈,，是提高企业竞争力的,关键,。,9/16/2024,11,三、现代企业研究与开发,(一)研究与开发的分类,研究与开发(Research and Development，简称R&D),基础研究：,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、试验而发展为新产品、新系统和新工程的科研活动。,三种类型研究的比较如下表所示：,9/16/2024,12,9/16/2024,13,(二)新产品的分类,1、新产品定义,新产品：,指在,技术、性能、功能、结构、材质,等一方面或多方面比老产品有显著改进和提高、或具有独创性，具有使用价值和推广价值，可产生明显经济效益的产品。,2、新产品分类,新产品可以分成三类：,改进型产品、换代产品、创新产品,9/16/2024,14,(1),改进型产品,改进原有产品性能、功能，提高质量，增加规格型号，改变款式、花色而制造出来的新产品。,它是,创新程度最小,的一类新产品，是对现有,产品线,的补充和延伸。,(2),换代产品,在原来产品基础上，基本原理不变，部分采用新技术、新结构、新材料、新元件制造的使产品功能、性能或经济指标有显著改进的新产品。,换代产品有助于企业拓宽,产品族,，延长产品族的生命周期，保持市场活力和利润持续增长。,9/16/2024,15,(3),创新产品,采用新技术、新发明生产的具有新原理、新技术、新结构、新工艺、新材料等特征的新产品。它是,创新程度最高,的一类新产品。,创新产品如果能够成功地推向市场，将成为企业的,核心业务,，使企业成为全新产品的市场先入者，获得高额回报。同时也会成为企业创造长远的竞争优势。,9/16/2024,16,(三)新产品开发面临的压力,1、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,工业新产品开发约有25%不成功，消费新产品约3035%不成功,美国一家咨询公司报告：1/4新产品设想通过可行性分析，其中1/2被经济评估证明有价值，又只有1/3进入试验阶段，1/2进入商品化阶段，经试销3/4是成功，汇总起来，成功只占最初设想的1/64,9/16/2024,17,2、新产品失败的三大关键原因：,没有潜在用户和需求,新产品与当前的需求不匹配,在营销方面，特别是在将产品介绍给顾客的相互沟通方面的工作不得力,3、新产品开发的动力,技术推动,市场牵引,同行竞争,9/16/2024,18,第二节 产品设计与开发阶段,产品开发过程一般包括：,产品构思,(Concept design),、,结构设计,(Structure design),、,工艺设计,(Process planning),等一系列过程。,9/16/2024,19,产品设计过程描述,需求分析,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,9/16/2024,20,一、产品构思,产,品,开,发,过,程,产,品,构,思,对市场需求,的分析,技术的推动,竞争对手的,产品和服务,来源于,开始,供应链环境,下供应商,来源于,9/16/2024,21,二、结构设计过程,产品结构设计过程,对于制造型企业来说，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；对于服务型企业而言，产品结构设计就是服务内容和服务过程设计。,设计阶段决定了产品的性能、质量、成本。,产品设计阶段：,总体设计,技术设计,工作图设计,9/16/2024,22,(一)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。,(二)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。,(三)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，进一小作结构的,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依据,9/16/2024,23,结构设计过程图,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,9/16/2024,24,三、工艺设计过程,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,工艺设计,是,结构设计过程,和,制造过程,之间的桥梁，它把,产品的结构数据,转换为,面向制造的指令性数据,。,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,9/16/2024,25,工艺过程设计的主要任务,是确定产品的制造工艺及相应的后勤支持过程，具体而言是指按产品设计要求，安排或规划出把原材料加工成产品所需要的一系列加工步骤和设备、工装需求的过程,。,9/16/2024,26,工艺过程设计的内容,工艺过程设计难度大，是技术系统中的瓶颈环节,工艺过程设计的程序包括：,产品图纸的工艺分析和审查、拟定工艺方案、编制工艺规程、工艺装备的设计与制造。,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,选择工装,零件图,9/16/2024,27,(一)产品图纸的工艺分析和审查,产品图纸的工艺分析和审查的主要内容有：,产品结构是否与生产类型相适应，是否充分地利用已有的工艺标准；,零件的形状尺寸和配合是否合适，所选用的材料是否适宜，以及在企业现有设备、技术力量等条件下的加工可能性和方便程度。,9/16/2024,28,(二)拟定工艺方案,工艺方案的主要内容有：,确定产品所采取的,工艺原则,，规定生产时应达到的质量要求、材料利用率、设备利用率、劳动量和制造成本等技术经济指标，列出产品的各类加工关键件，确定,工艺路线,，分析工艺方案的经济效果。,9/16/2024,29,(三)编制工艺规程,工艺规程,是安排生产作业计划、生产调度、质量控制、原材料供应、工具供应、劳动组织的基础数据，是具体指导工人进行加工制造操作的文件。,编制工艺过程包括：,产品及零部件制造方法和顺序的确定、设备的选择、切削规范的选择、工艺装备的确定、设备调整方法的选择、产品装备与零部件加工的技术条件的确定等。,9/16/2024,30,(四)工艺装备的设计与制造,工艺装备是指实现工艺过程所需的工具、夹具、量具、模具等总称。,9/16/2024,31,四、产品设计的原则和绩效评价,1、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）,9/16/2024,32,补充材料：,鲁棒设计,稳健设计（也称为鲁棒设计 、健壮设计、robust 设计），是在日本学者,田口玄一,提出的三次设计法上发展起来的低成本、高稳定性的产品设计方法。稳健设计包括产品设计和工艺设计两个方面。,通过稳健设计，可以使产品的性能对各种噪声因素的不可预测的变化，拥有很强的抗干扰能力。产品性能将更加稳定、质量更加可靠。,鲁棒是Robust的音译，也就是健壮和强壮的意思。,9/16/2024,33,鲁棒性（robustness）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。,所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。,根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。,9/16/2024,34,稳健设计,注意到，某些产品只有在非常严格的条件下才能发挥其设计功能，而有些产品则不然，对使用环境的要求就低得多，即在恶劣的环境下仍能实现其设计功能。相对前者来说，后者的设计就是稳健设计。,例如，对一双外观漂亮，质量上乘的皮靴，显然不是为在泥地和雪堆中跋涉行走而设计的，而一双高腰橡胶长靴则非常适用于泥地或雪堆。这时，就说橡胶靴比皮靴具备更多的稳健设计。,一种产品（或服务）的设计越稳健，它的耐久性就越好，从而顾客的满意度就越高。对生产系统或作业流程的设计也是如此，总希望其设计是稳健的。环境因素对产品或服务的质量会有负面影响。一种生产系统或作业流程对这些影响的抵消能力越高，产品或服务受到的负面影响就越小。,9/16/2024,35,例如，许多产品要经过加热工序，如食品、陶瓷、钢铁、石油产品和医药制品。产品在熔炉的受热程度可能不是十分均匀的，即产品获得的热量可能由于加热位置或时间的差异而不同。,解决这个问题有两种方案：一是设计一种更好的熔炉，能够实现均匀加热；二是使加热炉具备在产品加热过程中能翻动使之均匀受热的功能。,这两种方案均属稳健设计，即满足了产品不受或极少受生产系统中温度差异影响的要求。,9/16/2024,36,日本工程师 GenichiTaguchi提出的著名的田口方法就是基于稳健设计的。,其基本假设是，设计一种在使用或制造中对噪声（环境因素）都不敏感的产品通常要比控制噪声容易得多。据此，他提出三阶段设计的思路，即系统设计、参数设计和公差设计。,系统设计是根据顾客的需求及企业的实际能力提出产品的初步方案，该阶段要把产品的参数大致确定下来，以使产品具备最基本的特性。,9/16/2024,37,如某公司要设计一部新型轿车，需求调查的结果表明，顾客要求方向盘的反应要灵敏，设计组运用QFD 方法确定了实现该目标的八个设计参数，现仅讨论其中的三个参数：弹簧刚性、减振器以及方向盘的大小。在进行系统设计时，就需要确定这三个参数的设计值，以使方向盘能达到顾客的要求。,参数设计是田口方法的核心，目的在于找出系统对哪几个参数最为敏感，即找出关键参数。,9/16/2024,38,2、产品开发绩效评价指标,绩效指标,度量,对竞争力的影响,上市时间,新产品引入频率,从新产品构思到上市的时间,构思数量和最终成功数量,实际效果与计划效果的差异,来自新产品的销售比例,顾客/竞争对手的响应时间,设计质量-接近市场的程度,项目的频率-模型的寿命,生产率,每一个项目的研究发展周期,每一个项目的材料及工具费用,实际与计划的差异,项目数量-新产品设计与开发的频率,项目的频率-开发的经济性,质量,舒适度-使用的可靠性,设计质量-绩效和用户的满意度,生产质量-工厂和车间的反映,信誉-用户的忠诚度,对用户的相对吸引力-市场份额,利润率,9/16/2024,39,第三节 生产流程设计与选择,一、生产流程的基本概念,1、生产流程,是指能够把一定投入变换成一定产出的一系列任务(活动)，这些任务(活动)由物流和信息流有机地连接在一起。,2、生产流程的选择和设计,就是要选择和设计把投入变换成产出所需的资源、资源的组合方式、任务的进行方式、物流和信息流的流动方式等方案。,原材料,混合,成形,烘烤,混合,成形,烘烤,混合,WIP,成品,数据、计划,面包制作流程,9/16/2024,40,啤酒酿造工艺流程,9/16/2024,41,怡和资讯维修服务流程图,9/16/2024,42,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。,9/16/2024,43,二、生产流程的分类,(一)按产品(Product-focused)进行的生产流程,以,产品,或,提供的服务,为对象，组织相应设备进行生产，又称,流水线,(Flow line),生产,或对象专业化生产，适用于,大批量生产,类型,Eg:离散型制造企业的汽车装配线、电视机装配线,连续型制造企业一般都是按产品组织的生产流程。,关键问题是生产线的平衡,工作流程,原材料或顾客,制成品,工作地1,工作地2,工作地3,9/16/2024,44,生产流程的分类 (续),(二)按加工路线(Process-focused)进行的生产流程,以,加工工艺内容,组织成一个生产单位进行生产，又称为,工艺专业化生产,适用于,多品种中小批或单件生产,类型,(三)按项目(Project)进行的生产流程,适用于,单项目,组织生产，并行作业或顺序作业,Eg：拍一部电影、组织一场音乐会、盖一座大楼,9/16/2024,45,三、影响生产流程设计的主要因素,产品/服务的需求性质,自制外购决策,生产柔性,产品/服务质量水平,接触顾客的程度,9/16/2024,46,影响生产流程设计的主要因素(续),（一）产品/服务需求性质,从需求的,品种,、,数量,、,季节波动性,等方面考虑对生产能力的影响，从而决定选择哪种类型的生产流程。,（二）自制外购决策,本企业的生产流程主要受,自制件,的影响。自制件种类越多，批量越大，对生产系统的能力和规模要求越高，不仅投资高，生产准备周期也长。,只抓关键零件的生产和整机产品的装配。,9/16/2024,47,（三）生产柔性,生产柔性,是指生产系统对用户需求变化的响应速度，是对生产系统适应市场变化能力的一种度量，通常从,品种柔性,和,产量柔性,两个方面来衡量,品种柔性,是指生产系统从生产一种产品快速地转换为生产另一种产品的能力。,它对多品种中小批量生产有重要影响。,产量柔性,是,指生产系统快速增加或减少所生产产品产量的能力。,它在产品需求量波动较大或产品不能依靠库存调节供需矛盾时有重要意义。,9/16/2024,48,（四）产品/服务质量水平,生产流程中的每一加工环节的设计都受到质量水平的约束，不同的质量水平决定了采用什么样的生产设备。,（五）接触顾客的程度,绝大多数的服务企业和其它制造业企业，顾客是生产流程的一个组成部分。因而顾客就成了生产流程设计的中心。,9/16/2024,49,四、生产流程选择决策,1、产品流程矩阵,2、基于品种与产量的选择,3、基于费用与产量的选择,4、基于经营杠杆的选择,9/16/2024,50,1、,产品流程矩阵(Product-process matrix),产品流程矩阵最初由,海雅斯(Hayes),和,威尔怀特(Wheelwright),提出来的,柔性,单位成本,连续生产,大量生产,成批生产,单件生产,大批量标准化（）,有限品种大批量（）,多品种小批量（）,单件非标准化（）,产品结构,生产流程,单一项目,重型机器,中型机器,食品加工,自动装配,汽车,化工、造纸,制糖、面粉,高,低,损失应,变能力,丧失高效率,9/16/2024,51,产品流程矩阵的特点,它表明了企业根据产品结构性质，沿,对角线,选择和配置生产流程，可以达到最好的,技术经济性,。,换言之，,偏离对角线,的产品结构生产流程匹配战略，不能获得最佳的效益。,它表明了企业在生产运作过程中，那种传统的,根据市场需求变化仅仅调整产品结构,的战略，往往不能达到预期目标，因为它忽视了,同步调整生产流程的重要性。,9/16/2024,52,2、生产流程选择决策,品种批量决策方法,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,工艺专业化形式,批量,品种,A,B,C,D,O,定性分析示意图,品种产量,变化与生产单位形式的关系,9/16/2024,53,3、生产流程选择决策 (续),盈亏平衡分析方法,生产流程选择产量和费用之间的关系,产量（万件）,工艺式,费用,（万元）,225,111,50,0 10 25,对象式,成组式,从经济上分析,固定费用,9/16/2024,54,4、生产流程选择决策 (续),经营杠杆,经营杠杆（0perating leverage),产量（万件）,销售收入,费用,（万元）,EP,2,对象式专业化形式的成本曲线,成组生产单元的成本曲线,0,EP,EP,1,9/16/2024,55,经营杠杆：,成本函数和销售收入之间的夹角。,经营杠杆在选择生产系统方式时的作用：,产品产量达到一定水平后(EP,1,)，经营杠杆作用越大，从生产系统获得的长期收益越大。,如果产量没有达到盈亏平衡点(EP,2,) ，经营杠杆作用越大，则长期损失越大。,经营杠杆作用越大，未来预期利润的不确定性也大。,销售预测的不确定性越高，经营杠杆作用在的生产系统产生损失的风险越高。,经营杠杆对生产过程设计的作用是：,如果对所要的产品预测的不确定性很大，则选用经营杠杆作用小的生产过程方式为佳。,9/16/2024,56,第四节 并行工程产品开发组织的新方法,一、串行的产品设计方法,需求,概念设计,结构工艺设计,装配设计,检验设计,试制,弊病：,各下游部门所具有的知识难以加入早期设计。,各部门之间难沟通，设计改动量大。,各部门对其他部门能力和需求缺乏理解，目标和评价的差异和矛盾,降低了产品整体开发过程的效率。,产品开发周期长，产品成本高。,9/16/2024,57,二、并行的产品设计方法,(一)并行工程的概念,并行工程是一种产品开发各阶段人员共同参与，采用并行、一体化方法处理产品设计及其相关的工艺过程，包括制造过程和支持过程活动的系统化产品设计方法。,需求,概念设计,结构工艺设计,装配设计,检验设计,试制,9/16/2024,58,并行工程力图使产品开发者从一开始就考虑支产品全生命周期从概念形成到产品报废的所有因素,产品设计不同阶段具有不同的考虑因素和相应的措施,需求阶段,设计阶段,营销阶段,制造阶段,使用阶段,终止阶段,绿色,制造,工业工程,价值工程、CE,DFM,DFA,CAD/CAPP,、VRP、GT等,顾客参与质量功能部署,措施,环境,保护,可靠性,操作简单,竞争力,标新立异,易制造,易装配,降低成本,提高效率,顾客需求,产品功能,考虑因素,9/16/2024,59,并行设计时考虑的因素,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,9/16/2024,60,(二)并行工程的主要思想,设计时同时考虑产品生命周期的所有因素，作为设计结果，同时产生产品设计规格和相应的制造工艺和生产准备文件。,设计过程中各活动并行交叉进行。,不同领域技术人员的全面参与和协同工作。,高效率的组织结构。,建立跨职能产品开发小组，打破部门间的壁垒。,9/16/2024,61,(三)并行工程的产品开发流程及其特点,1,、产品开发流程：,见下图,2,、产品开发的特点,产品设计的各阶段是一个递阶渐进的连续过程，注意粒度,(,所考虑问题要素的大小,),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。,9/16/2024,62,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,9/16/2024,63,(四)并行工程的主要内容,过程重构：,将传统的串行开发过程变成集成的、并行的产品开发过程；,组织重构：,打破职能部门制的组织结构，建立跨部门、跨专业的开发小组；,构建技术支持环境,9/16/2024,64,三、并行工程技术,虚拟设计,产品数据管理,(Product data management , PDM),产品系列化、零部件标准化、通用化,成组技术,(Group technology , GT),减少变化方案,(Variety reduction program , VRP),9/16/2024,65,四、并行工程人员构成,开发小组,质量人员,环保人员,供应商,顾客,营销人员,设计人员,制造人员,9/16/2024,66,例 证,在波音777的开发过程中，波音公司采用数字化技术和并行工程方法，实现了5年内从设计到试飞的一次成功；,洛克希德在1992年开始的新型号导弹开发中，采用并行工程的方法，将导弹开发周期从5年缩短到2年；,法国的航空发动机公司SNECMA从1990年以来，把并行工程作为产品开发的基本方法，将航空发动机的开发时间从原来的54个月，缩短到1992年的42个月和1998年的36个月，到2000年时，已缩短为24个月。,9/16/2024,67,反向工程(补充),从他人的产品入手，进行分解剖析和综合研究，在广泛搜集产品信息的基础上，通过对尽可能多的同类产品的解体和破坏性研究，运用各种科学测试、分析和研究手段，反向求索该产品的开发思想、设计结构、制造方法和原材料特性，从而达到从原理到制造，从结构到材料全面系统地掌握产品的设计和开发方法,优点：,降低产品创新风险,减少研究开发费用,缩短产品开发周期,注意：知识产权问题,9/16/2024,68,正向工程(补充),从概念开发、产品设计、工艺设计与过程选择到市场导入，其各阶段是顺序由企业内不同职能部门的不同人员依次进行的,以职能部门为基础来组织产品开发过程,缺点：,产品开发周期长,开发成本高,产品整体开发过程的效率低,9/16/2024,69,