第三章 產品設計與生產工程,第三章 產品設計與生產工程,3.1 產品設計和生產工程 (Product Design and Production Engineering) 3.2 組織的模式 (Organizational Model) 3.3 設計過程:一種模式 (The Design Process : A Model) 3.4 同步工程 (Concurrent Engineering) 3.5 生產工程 (Production Engineering) 3.6 摘 要 (Summary),欲生產世界級的產品，其產品程序部分必須: (1) 擁有所有關鍵性設計步驟的設計模式 (2) 採用電腦軟體與其他分析工具產生、分析與測試設計項目 (3) 可支援同步工程程序，此程序可使得每個人在設計過程中參與設計與生產程序 (4) 採用可生產無瑕疵產品的設計原則,3.1 產品設計和生產工程,有兩個理由可說明產品設計和生產工程是企業 CIM細部研究的適當起點。 首先在產品及生產系統的設計與文件中，這些部門擁有並鼓勵減少許多繁雜人工的技術。 雖然設計部分的自動化是個好消息，但由於技術並非總是有效地被完成，因此成功是緩慢的。在許多例子中，因為僅有部分部設計自動化尚與CIM的標準有相當的差距。,第二個理由是由於此部分是產品資料最早產生之處，新產品的概念性繪圖是設計階段中的首要步驟之一。 然而，設計的產生與儲存格式必須與基本的CIM格式一致，亦即CIM原則上希望企業的資料庫是由所有產品資訊的單一格式所建立。 執行所有產品的中央資料庫需要一個企業 CIM網路，員工可以透過此網路使用電腦科技去獲得並分享產品的電子資料。,一個支援產品設計的CIM區域網路 (LAN)如圖3-1所示，研究此網路並找出共通資料的儲存位置，注意共通資料庫並不侷限於企業主架構電腦，現今的網路技術允許透過網路儲存裝置獲得共同工件檔案。 通常產品繪圖起源於設計部門並可被其他部門修改，建立一個共同資料庫的CIM系統原則將功能性自動化改變成企業資料整合,圖3-1 產品與程序定義的區域網路,3.2 組織的模式,了解圖2-8中企業模式之產品設計與生產工程間的配合是重要的。 組織模式中的產品設計與生產工程部分如圖3-2所示，連接線與箭頭所表示的正式介面代表資訊與資料的流動，此流動規則地發生並由一般作業資訊流動所顯示。 設計活動開始於圖3-2中產品設計方塊中的新設計或者工程活動要求(REA)新的設計資訊經常來自於市場行銷，內部的REA可能起源於企業中任何一個指出產品問題的部門，外部REAs則來自於行銷部門所發掘的顧客問題。,產品設計部門負責產品設計與分析、物料選擇、設計與生產文件。 生產工程部門根據設計部門的產品資料增加勞工、程序及品質等生產規格，建立產品與生產過程的品質規格與驗證技術。 工程發表負責產品改變控制，現存產品的所有改變與所有新設計經常由圖3-2中特別標示的四個企業區域所檢視，以確保所提出的產品設計或改變與顧客需求和生產容量相一致。 品質的獨立方塊並不意味品質對於企業中設計與生產工程是外部的。世界級的公司將所有品質朝向每個作業都是無瑕疵的目標。,圖3-2 產品設計與生產工程,3.3 設計過程:一種模式,一般的設計過程依其特性可分成五個基本步驟: 1.概念化 (conceptualization) 2.綜合化 (synthesis) 3.分析 (analysis) 4.評估 (evaluation) 5.文件記錄 (documentation),五個步驟模式定義,1.概念化程序定義所描述的需求問題並分成兩個範疇:典型與非典型的。 2.綜合化步驟，當產品或工件完成綜合化步驟時，設計已有足夠細節以決定如何執行。 3.分析步驟，測試此設計以及盡可能地收集作業所需的各種資料。 4.性能資料的評估是第四個步驟，假如產品評估指出產品的任何工件未達到性能與設計規格，則考慮其他設計。 5.最後步驟是文件記錄，完成最後可生產出滿足設計規格的產品工件細節資料。,1.概念化(Conceptualization),設計過程的第一步驟概念化將設計問題定義為典型或非典型的。 典型的設計問題是與之前產品設計相類似的。 非典型設計定義出與之前產品完全不同的產品。 非典型問題需要一種概念設計方法。 而典型問題是由重複性設計的過程所主導，其重複性設計定義如下: 重複性設計是針對新產品採用部分之前已經設計項目或者從之前設計中做局部變動的設計程序之應用。,圖3-3 設計模式,重複性設計的概念化,重複性設計過程可由下面三步驟來描述 1.建立所需產品的形式、配合及功能等資訊及資料。 2.將現有產品以相類似的形式、配合及功能等特性分類。 3.圖形化與分析化地建立產品設計模式，以有效地溝通所有的設計面貌。,圖3-4 滾筒形狀,圖3-5 (a)工件尺寸 (b)參數表,概念設計的概念化,概念設計是產生一個獨特且不與其他現有產品相類似的新產品之產品設計流程應用。 概念設計流程主要是利用設計者的創造力，設計者必須憑想像去創造一個與現在完全不同的解答。 概念設計流程兩個步驟的流程： 1.建立想要產品的形式、配合及功能之資訊與資料。 2.圖形化與分析化地建立產品設計模式，以有效地溝通所有設計面貌。,2.綜合化(synthesis),設計過程的第二個步驟是綜合化，圖3-3中綜合化活動包含物料規格、幾何形狀的增加及經由概念化所浮現更多尺寸細節的結論。 然而此階段需要修正原始產品設計的模式，此新模式(圖3-6)指出第二步驟就是綜合化過濾。,綜合化設計過濾去除增加產品成本但沒有市場價值的幾何形狀與材料規格。 概念化及綜合化彼此緊密聯繫且互相影響，因為這兩個程序中的活動經常是不可分的。 當初始產品概念在設計過程中不斷地被改進，設計工程師同時使用概念化及綜合化的技巧。,圖3-6 新設計模式,3.分析 (Analysis),分析是將某件事分成幾個部分來決定和描述事情特性的方法。 在此設計過程的模式中(圖3-6)，分析階段採用數學與其他科學步驟去研究單一設計或數個設計選擇。 在此過程中，這些元素或者設計本質被分析去決定所提議設計是否與原始設計目標符合。,綜合化與分析階段的高度交互特性可用一個簡單例子說明： 圖3-7(a)的鋁質托架是一個大型設計的一部分，在綜合化階段中，金屬厚度被訂定，然而分析托架的每個部分 (水平板、接點及垂直板)時，接點的強度對於典型的拖架負載是不夠的，經過數次重複的綜合化與分析，才能決定正確的接點處厚度(圖3-7(b)及產生托架的最佳設計。,圖3-7 鋁質托架,4.評估 (Evaluation),評估階段 (圖3-6)檢查設計與原始規格。從綜合化及分析過程所得到最佳設計與新產品的形式、配合及功能做比較，額外評估用來決定設計的製造與組裝要求是否與製造設備的能力互相配合。 假如設計滿足評估要求，則產品可以進行生產，假如任何部分不符合標準，設計過程再回到概念化、綜合化或分析過程做進一步分析。,4.評估 (Evaluation)(續),評估經常需要建構一個雛型去測試是否與關鍵的贏得訂單準則(例如操作性能、可靠度、相容性、易使用的操作及其他要求 )相符合。 快速成型技術是一種可快速生產樣品的新技術，此技術經常在設計階段被採用。,5.文件記錄 (documentation),設計的最後步驟是透過文件紀錄過程將設計呈現出來，以文件紀錄部分： (1) 產生所有產品與零件的工作圖、細節及組裝圖。 (2) 加入所有設計細節如標準元件、特殊製造註解以及所有尺寸與公差。,5.文件記錄 (documentation)(續),(3)產生需要的工程文件如零件號碼訂定、詳細零件規格、設計的物料單(BOM)及一個工件和其工件號碼。 (4)產生產品電子資料檔供下列部門使用: 製造規劃與控制(MPC) 生產工程(PE) 品質控制(QC) 文件範例如圖3-8到圖3-12所示。,圖3-8 工作圖,圖3-9 組裝圖,圖3-10 轉軸與軸蓋組裝的物料清單,圖3-11 轉軸與軸蓋組裝的工作圖,圖3-12 轉軸與軸蓋組裝的爆炸組裝視圖,3.4 同步工程,同步工程定義： 同步工程是指產品的設計與製造、服務以及最終產品處置的系統在最初設計階段就必須同時考慮。 1.傳統系統 2.產品設計的新模式 3.並行工程 :一種作業模式 4.並行工程程序自動化 5.並行工程的成功準則,1.傳統系統,傳統設計系統仍然被許多公司所採用如圖3-13所示，這種程序的資訊流程是生產線式的，許多負責新產品開發的部門間很少有互動。 傳統系統中，產品設計流程(圖3-6)經常是由設計工程師完成，並未從其他部門得到任何資訊。 因此，當產品設計全部完成而且製作成工件圖時，生產工程師才得到產品資訊。 生產系統經常是由生產工程師所單獨設計，工廠人員經常在生產開始前瞬間才從生產工程師得到完成的產品圖及生產系統規格。,圖3-13傳統產品開發過程,2.產品設計的新模式,圖3-14所顯示的設計流程模式包含了並行工程。由於這種改變，在設計過程中的參與並非僅限制於設計工程師，而是包含了圖中右面的所有專家。 研究此新模式直到熟悉所有參與者。並行工程的廣度包含了從最初概念設計到文件化的不同等級。 注意整個企業不同部門均參與產品設計，當關鍵性的設計特色在概念化、綜合化以及分析階段決定時，有些少數關鍵的決定需要企業更宏觀的角度。,圖3-14產品設計的新模式,3.並行工程 :一種作業模式,產品設計開始於市場規劃階段，發展初步概念以及設定價格與生產目標。並行工程遵循著市場規劃的認可，並以五種階段進行。 1.概念階段 :此階段初步建立有關產品的形式、配合與功能，其他尚包括了樣式、材料、性能以及能量消耗。 2.主要半組裝件的設計階段:延續概念設計的認可，產品為了有更細節的設計規格，將分成幾個主要的半組裝件。,3.單一零件設計階段:此階段完成主產品所有零件與所有半組裝件的設計。 4.成對零件的設計階段:延續詳細零件的設計後面，重點轉移成製造程序而不是產品性能。 5.零件與半組裝件的分組:最後階段強調對於有效組裝的額外修改，決定組裝程序以及設計組裝所需的設備、鑽模與夾具。,圖3-15 改進的產品設計程序,4.並行工程程序自動化,主架構電腦、工作站與個人電腦中，生產設計軟體可以充分支持並行工程程序，此軟體可提供在兩個或更多位於不同公司或不同城市的設計者在相同的工件及工作圖上共同工作。 設計軟體的另外特徵稱為完全聯合，可連接所有產品的圖形檔案如所有工作圖檔、實體模型、3D圖形檔案以及剖面圖。 因此任何一張工件圖被改變時自動地也會改變有關此工件的每個圖形。,5.並行工程的成功準則,並行工程的定義及作業模式是廣泛的，因為設計過程中強調一輩子。 並行工程的要求也是嚴苛的，因為在整個設計過程中需要極度好及完全的工程。 而市場對於世界級產品的要求需要一個並行工程程序。,3.5 生產工程,生產工程(PE)在整個並行工程程序中，負責發展新產品或修改產品的製造規劃，生產工程規劃有許多元素: 1.程序規劃 2.生產機器程式撰寫 3.工具與夾具工程 4.工作與生產標準 5.廠務工程 6.製造能力與組裝的分析 7.製造成本估算,1.程序規劃,程序規劃通常被不同工業團體稱為製造規劃、物料加工及機器加工路徑。執行這些程序的人通常叫做程序規劃師。 程序規劃的定義: 程序規劃是用來建立生產工件或產品所需製造操作的詳細清單的過程。圖3-16指出傳統公司在程序規劃中活動的命令。 程序規劃開始於完整產品的工件或工件族進入規劃階段;且伴隨著詳細的產品文件資料(如圖3-16左上方塊)。,圖3-16 程序規劃順序,圖3-17 製造程序(1),圖3-17 製造程序(2),圖3-17 製造程序(3),圖3-17 製造程序(4),圖3-18不銹鋼轉軸的路徑表,2.生產機器程式撰寫,生產機器的自動化大約開始於分散式與連續式生產工業時期。 在分散式製造區域中，自動化起源於金屬切削機器如圖3-17所列的車床及銑床。同時生產汽油及尼龍產品的工業開始引進氣壓程序控制器去調整連續式生產流程。 自動化發展成