生產與運作管理

Production&OperationsManagement第四章產品/服務設計和技術選擇引導案例：新激光打印機推遲上市

一家國際知名的激光打印機設計制造公司生產的激光打印機的產品生命周期約為16個月。有一次因研發數據管理的混亂及遺失，某一新款打印機比預計晚上市了4個月，結果整個生命周期縮短為12個月（因為競爭對手在預期時間內推出更新的產品），總銷貨收入比預期減少少了33%，并影響了該產品線年度收入及利潤目標的達成。第四章產品/服務設計和技術選擇4.1引言4.2產品設計與開發階段4.3生產流程設計與選擇4.4并行工程：產品開發組織的新方法

4.5計算機技術輔助產品設計4.1引言

經濟發展、技術進步和需求多樣化，要求企業能對不斷變化的市場做出快速反應，源源不斷地開發出滿足用戶需求的、定制的“個性化產品”去占領市場以贏得競爭，市場競爭也主要圍繞新產品的競爭而展開。21世紀企業產品/服務設計的背景新產品/服務開發是企業競爭的戰略需要

產品壽命周期縮短、市場快速響應要求、顧客定制化需求技術進步越來越快

新技術迅速應用、產品更新換代加速、獲得成本時間優勢

用戶需求呈現出多樣化、個性化特點

需求結構向高層次發展、不確定性增多、用戶設計產品研制開發的難度越來越大

資金利用率和投入產出比低、多學科交叉

可持續發展的要求

環境保護問題、政策法規約束、社會效益新產品/服務開發的重要性有利于增強企業市場競爭力

贏得競爭保證、決定產品競爭力重要因素有利于擴大市場份額

新產品推遲2-3個月，喪失50%-75%銷售額適應個性化定制生產的需要

產品開發能力支持個性化定制的有效實施產品更新換代需要

產品生命周期縮短，研發設計影響成本、質量和制造效率

新產品/服務開發的重要性（續1）成本的決定因素實際成本消耗70%6%20%36%7%40%3%18%設計階段制造階段材料采購其他階段產品成本的決定因素構成及實際成本消耗構成新產品/服務開發的重要性（續2）不同產品階段改變設計對成本的影響改變設計引起的成本新產品開發階段概念設計設計開發設計使用制造裝配制造過程中生產率的70%-80%是在設計和工藝階段決定的。所有質量問題的40%可以歸因于低劣的設計和工藝。現代企業的研究與開發

研究與開發的分類和特征

基礎研究應用研究技術開發目的尋求真理,擴廣知識探討新知識應用的可能性將研究成果應用于生產實踐性質探求發現新事物,新規律發明新事物完成新產品,新工藝,使之實用化,商品化內容發現新事物,新現象探求基礎研究應用的可能性運用基礎研究,應用研究成果從事產品設計,產品試制,工藝改進成果論文論文或專利專利設計書,圖紙,樣品成功成功率低成功率較高成功率大經費較少費用較大,控制松費用大,控制嚴人員理論水平高,基礎雄厚的科學家創造能力強,應用能力強的發明家知識和經驗豐富,動手能力強的技術專家管理原則尊重科學家意見,支持個人成果,采用同行評議尊重集體意見,支持研究組織在適當事作出評價尊重和支持團體合作計劃自由度大,沒有嚴格的指標和期限彈性,有戰略方向,期限較長硬性,有明確目標,較短期限關注對象政府部門和科技界政府部門和科技界企業現代企業的研究與開發（續1）

新產品分類

改進型產品換代產品創新產品特點對老產品的改進基本原理不變，部分采用新技術采用學技術的新發明所開發出的產品創新程度低，功能、性能、質量、外觀上有一定改進提高中等，產品性能有重大突破最高生產變動稍微改變生產制造流程需引進新技術，采用新設備對產品設計和生產流程進行重大改動作用改進和延伸產品線，在短期內保持市場份額擴寬產品族，延長生命周期，保持市場和利潤增長成功推向市場將成為核心優勢業務，帶來高額回報新產品開發面臨的壓力

新產品開發面臨著費用高、成功率低、風險大、回報下降等壓力。格雷格A.史蒂文斯（GregA.Stevens）和詹姆斯·伯利（JamesBurley）調查統計后提出：3000個新產品的原始想法，只有1個能成功。阿爾巴拉（Albala）在總結以往研究的基礎上，指出新產品開發的死亡率為98.2%。初期項目中只有2%可以進入市場新產品失敗可歸納為三個關鍵原因：（1）沒有潛在的用戶和需求（2）新產品與當前的需求不匹配（3）營銷工作不得力

新產品開發的動力：（1）技術推動（2）市場牽引（3）同行競爭了解和確定人們的需求，將這種需求用技術實現，提高產品在研究與開發過程中的管理水平，是新產品開發的關鍵。4.2產品設計與開發階段一般產品開發過程由以下階段構成:

產品構思結構設計（總體設計、技術設計、詳細設計）工藝設計需求分析結構設計協調工藝設計協調需求產品功能中間結果產品規格干預指令反饋工藝計劃中間結果中間結果干預指令產品設計過程描述產品構思

產品開發過程開始于產品構思構思來源

（1）對市場需求的分析

（2）技術的推動

（3）競爭對手的產品和服務在供應鏈管理的環境下，作為合作伙伴的供應商或者零售商正在成為重要的產品構思來源。結構設計過程

對不同企業有不同內容

（1）制造型企業：從明確設計任務開始，到確定產品的具體結構為止的一系列活動

（2）服務型企業：服務內容和服務過程設計產品結構設計階段決定了產品或服務的特征、性能、質量、成本。產品設計一般分為總體設計、技術設計、工作圖設計三個階段總體設計通過市場需求分析，確定產品的性能、設計原則、技術參數、概略計算產品的技術經濟指標、進行產品設計方案的經濟效果的分析。技術設計將技術任務書中確定的基本結構和主要參數具體化，根據技術任務書所規定的原則，進一步確定產品結構和技術經濟指標，以總圖、系統圖、明細表、說明書等總括形式表現出來。工作圖設計根據技術設計階段確定的結構布置和主要尺寸，進一步作結構的細節設計，逐步修改和完善，繪制全套工作圖樣和編制必要的技術文件，為產品制造和裝配提供確定的依據。結構設計過程——三個階段《生產與運作管理》陳榮秋、馬士華編著市場需求分析工作圖設計結構設計優化設計三維幾何造型計算機繪圖有限元設計資料和圖形庫原型修改總體設計開始初步設計原型產品評估決策NNYYCAD產品結構設計過程圖工藝設計過程工藝設計是指按產品設計要求，安排或規劃出從原材料加工成產品所需要的一系列加工過程、工時消耗、設備和工藝裝備需求等的說明。工藝設計過程是結構設計過程和制造過程之間的橋梁。工藝過程的結果一方面反饋給產品設計用以改進產品設計；另一方法作為生產的依據。工藝過程設計——程序和內容

產品圖紙的工藝分析和審查擬訂工藝方案編制工藝規程工藝裝備的設計與制造決定加工毛坯（材料和尺寸）選定加工條件計算加工時間制定加工工藝選擇機床決定加工工序內的操作順序選擇工裝零件圖產品設計的原則和績效評價

產品設計和選擇應該遵循的原則：設計用戶需要的產品（服務）設計可制造性（Manufacturability）強的產品設計魯棒性（Robustness）強的產品設計綠色產品（考慮環保要求）產品開發績效評價指標

績效指標度量對競爭力的影響上市時間新產品引入頻率從新產品構思到上市的時間構思數量和最終成功數量實際效果與計劃效果的差異來自新產品的銷售比例顧客/競爭對手的響應時間設計的質量－接近市場的程度項目的頻率－模型的壽命生產率每一個項目的研究發展周期每一個項目的材料及工具費用實際與計劃的差異項目數量－新產品設計與開發的頻率項目的頻率－開發的經濟性質量舒適度－使用的可靠性設計質量－績效和用戶的滿意度生產質量－工產和車間的反映信譽－用戶的忠誠度對用戶的相對吸引力－市場份額利潤率4.3生產流程設計與選擇

生產流程分類

按產品（product-focused）進行的生產流程，又叫對象專業化形式。按加工路線（process-focused）進行的生產流程，又叫工藝專業化形式。按項目（project）進行的生產流程。不同生產流程的特征比較特征標記對象專業化工藝專業化項目型產品訂貨類型產品流程產品變化程度市場類型產量批量較大流水型低大批量高成批生產跳躍型

高顧客化生產中等單件、單項定制無很高單一化生產單件生產勞動者技能要求任務類型工資低重復性低高沒有固定形式高高沒有固定形式高資本投資庫存設備高低專用設備中等高通用設備低中等通用設備目標柔性成本質量按期交貨程度低低均勻一致高中等中等變化更多中等高高變化更多低計劃與控制生產控制質量控制庫存控制容易容易容易困難困難困難困難困難困難產品－流程矩陣生產流程產品顧客化多品種品種較多標準化大量生（低產量）（中低產量）（中批生產）（大量生產）高柔性，單位成本低單件生產成批生產大量生產連續生產

中型機器、食品加工廣告、咨詢、重型機器汽車裝配、快餐廳食糖、面粉影響生產流程設計的主要因素

產品/服務需求性質自制-外購決策生產柔性產品/服務質量水平接觸顧客的程度生產流程選擇決策品種-產量變化與生產單位形式的關系

對象專業化形式大量生產對象專業化形式批量生產成組生產單元工藝專業化形式批量品種ABCD以圖中的數字為例，生產同一種產品的對象式系統投資額為225萬元，成組生產單元為111萬元，工藝式為50萬元。當產量在10萬件以下時，選擇工藝式最經濟，當產量在10萬～25萬件之間時，成組生產單元最經濟，當產量在25萬件以上時，對象式最經濟。當然還有一種選擇，如果以上幾種方案都不能得到滿意的投資回報時，則應放棄該產品的生產。工藝式成組生產單元對象（產品）式費用產量1000002500005000011100002250000經營杠桿：反映年總費用一定的情況下和銷售收入的關系，總費用在銷售收入中所占比重越高，則經營杠桿的作用越大。圖中的BE1點是采用成組生產單元時的總收入等于總費用的產量水平（盈虧平衡點）。BE1左側是虧損區，BE1右側是贏利區。經營杠桿就是成本函數和銷售收入之間的夾角。夾角小，經營杠桿的作用小，利潤或虧損的變化率也小；夾角大，經營杠桿的作用大，利潤或虧損的變化率也大。銷售收入成組生產單元對象式費用產量BE1BE2EP經營杠桿在選擇生產系統方式時的作用：產量達到一定水平后（如EP點），經營杠桿作用越大，從生產系統獲得的長期收益越大。如果產量沒有達到盈虧平衡點，經營杠桿作用越大，則長期損失越大。經營杠桿作用越大，未來預期利潤的不確定性也越大。銷售預測的不確定性越高，經營杠桿作用大的生產系統產生損失的風險越高。經營杠桿對生產過程設計的作用：產品預測的不確定性大，選用經營杠桿作用小的生產過程方式。4.4并行工程：產品開發組織的新方法

需求

結構設計

工藝設計

制造

并行過程

串行過程產品開發的兩種方式串行設計：從需求分析、產品結構設計、工藝設計一直到加工制造和裝配是一步步在各部門之間順序進行。產品開發工作流程：市場人員提產品構想質量控制人員作質量保證計劃確定產品總費用和生產周期制造工程師確定工藝工程設計人員完成產品定義串行的產品設計方法串行產品開發過程存在的問題

存在的首要問題是以部門為基礎的組織機構嚴重地妨礙了產品開發的速度和質量。存在的問題主要有：

各下游開發部門所具有的知識難以加入早期設計，加入設計的階段越早，降低費用的機會越大。各部門對其他部門的需求和能力缺乏理解，目標和評價標準的差異和矛盾降低了產品整體開發過程的效率。并行的產品設計方法

并行工程是對產品及其相關過程，包括制造過程和支持過程，進行并行、一體化設計的一種系統化方法。該方法力圖使產品開發者從一開始就考慮到產品全生命周期從概念形成到產品報廢的所有因素，包括質量、成本、進度和用戶需求。過程需求階段設計階段制造階段營銷階段使用階段終止階段考慮的因素顧客需求產品功能減低成本提高效率易制造易裝配競爭力（低成本、標新立異）可靠性可維護性，操作簡便環境保護并行工程

并行工程是一種強調各階段領域專家共同參加的系統化產品設計方法，其目的在于將產品的設計和產品的可制造性、可維護性、質量控制等問題同時加以考慮，以減少產品早期設計階段的盲目性，進可能早地避免不合理因素的影響，縮短研制周期。并行設計可制造性可裝配性質量保證顧客滿意可靠性環境保護功能并行工程的主要思想

設計時同時考慮產品生命周期的所有因素。設計結果產生產品設計規格和相應的制造工藝和生產準備文件。設計過程中各活動并行交叉進行。不同領域技術人員的全面參與和協同工作。高效率的組織機構。并行產品開發流程特點

產品設計的各階段是一個遞階漸進的連續過程，注意粒度和清晰度產品設計過程和產品信息模型經歷從定性到定量、從模糊到清晰的演化產品設計過程和工藝設計過程是并行展開，同時進行。概念設計初步設計詳細設計工藝初步方案產品初步方案工藝概念方案結構概念方案工藝詳細方案產品詳細方案并行工程技術1.虛擬設計面向并行工程的DFx設計模式體現了開發的集成過程PDM發展成為CAD/CAPP/CAM系統的集成平臺Internet使設計集成的范圍更加廣泛STEP 標準作為設計開發集成的標準接口2.產品數據管理（ProductDataManagement）PDM基于Internet/Intranet平臺的PDM系統，支持全球化虛擬企業的信息管理。面向對象技術的應用及信息模型的標準化。PDM和ERP的功能相滲透。流程管理、項目管理和配置管理功能越來越強。3.產品系列化、零部件標準化、通用化產品系列化：建立產品系列型譜，減少品種，簡化設計。零部件標準化：在產品系列化基礎上，在不同型號產品間擴大通用零部件，減少種類。零部件通用化：按國家標準生產，縮短設計周期。4.成組技術（GroupTechnology,GT）5.減少變化的方案（VarietyReductionProgram，VRP）固定/可變技術模塊化技術功能復合和集成技術范圍劃分技術趨勢分析技術并行工程的人員構成開發小組質量人員環保人員供應商顧客營銷人員設計人員制造人員制造、質量、營銷人員：預防設計先天不足減少開發的時間和費用設計早期階段，減低成本的機會大顧客和供應商：減少不確定性設計中更好反映需求，提高產品市場適應力環保人員：考慮產品終止時的資源重用和環境保護問題4.5計算機輔助產品設計1.CAD/CAPP系統以微機為平臺的CAD/CAM系統性能不斷提高參數化、變量化設計技術發展到實用化階段特征建模技術解決了傳統CAD只面向幾何形狀的問題，達到原型化階段2.計算機支撐技術計算機網絡技術數據庫技術多媒體、網絡與通信、分布式處理等3.產品生命周期管理（PLM）全球化浪潮造成制造離散化，PLM提高協同運作能力PLM打破了限制產品設計者、產品制造者、銷售者、使用者之間進行溝通的技術桎梏PLM的解決方案是在設計階段發現錯誤，避免在制造階段花費昂貴的修改費用。PLM的實施主要由三個因素決定：人力、企業流程和技術。案例：面向顧客的產品開發與目標定價亞特公司是一家設計并生產運動表的制造企業。公司通過市場研究，確定了一個明確的顧客細分市場：體現運動精神和時尚的顧客群。這一客戶群要求手表既有運動表的功能，又要款式時尚、適合各種場合佩戴，價格也要適中。目前市場上的高檔運動表也十分時髦，但市場價格太高，不適合這一客戶群。目標定價：市場研究最終決定新款手表的零售單價必須低于1000元，設計小組最后將其單價定為975元。零售價（40％加價百分比）975批發價696.4收益回報表（17％）118.4銷售、行政費用攤派53目標成本525功能需求分析：市場研究部門調查了目標顧客群對“1000元以下的時尚運動表”的特點要求，并歸納為5類功能需求。功能需求重要性（％）價值（元）舒適1368.3時尚29152.2可靠性24126簡單20105多功能性1473.5總和100525子系統邊界界定：為將“顧客的聲音”轉化為工程的要求，設計組首先將手表分解為5個子系統。主要子系統典型部件表帶裝配表帶；螺絲和金屬條等附屬物；長度調節；表扣電源供應電池；線圈式電阻；螺旋線圈；傳動裝置表盤時、分、秒針；表面（時間和秒表）；日期的星刻度；日期、時間校正輪；表盤的支撐圓環計時振動器；振動器加重螺絲；振動器重物電橋和螺絲；振動器重量輪；振動器重物計秒計數器；重啟開關；開始、停止開關；累計器；存儲器子系統成本目標：設計組將功能需求分解到各子系統，并設定各子系統目標成本。

價值子系統舒適時尚可靠性簡單性多功能性目標成本68.3152.212610573.5525表帶23.2%50.0%5.0%8.0%25.0%125電源系統32.0%

45.0%1.0%

79.6表盤10.0%50.0%5.0%80.0%55.0%213.7計時24.3%

35.0%

60.7記時10.5%

10.0%11.0%20.0%46總計100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%525成本差異分析：對市場上的高檔產品進行拆分并分析各分子系統成本，將每個主要子系統的目標成本與拆分成本進行對比。子系統拆分成本（元）原目標成本（元）成本差異（元）差異百分比

(%)表帶320125195156電源系統16079.680.4101表盤125213.7-88.7-42計時9560.734.357計秒82.54636.579總和782.5525257.549成本差異檢查：尼龍表帶替代鍍金表帶，刪除存儲器功能，增加表盤夜光功能。子系統收益排序（％）原目標成本（元）拆分成本（元）新式樣的成本（元）新成本差異差異百分比（％）表帶23.8125320118.8-6.2-5電源系統15.279.616082.634表