产品设计与生产工程解读课件

1、3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)第三章產品設計與生產工程世界級的產品，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；(

2、3) 可支援同步工程 (concurrent engineering) 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；以及(4) 採用可生產無瑕疵產品的設計原則。 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) 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。1. 在產品及生產系統的設計與文件中，擁有並鼓勵減少許多 繁雜人工的技術。功能性自動化 (functional automation) 侷限於單一功能或單一部門自動化。舉例而言，一家生產割草機的製造商其初始設計 ( 工件與

3、產品設計繪圖 )、行銷 ( 服務性手工草圖及顧客資訊 ) 以及生產 ( 輔助金屬切削機器撰寫程式的繪圖 )。這三個部分並無整體企業規劃而是各自獨立執行，並選擇不同的自動化硬體及軟體去繪圖。第三章產品設計與生產工程2. 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。支援產品設計的CIM區域網路 (LAN) 如圖3-1所示，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 (functional automation) 改變成企業資料整合 (enterp

4、rise data integration)， 第三章產品設計與生產工程第三章產品設計與生產工程3-2 組織的模式 (Organizational Model)組織模式中的產品設計與生產工程部分如圖 3-2 所示。第三章產品設計與生產工程 設計活動開始於圖3-2中產品設計方塊中的新設計 (new design creation) 或者工程活動要求 (request for engineering action, REA)。 內部的 REA 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 (product design

5、 and analysis)、物料選 擇 (material selection) 以及設計與生產文件 (design and production documentation)。 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 (production standards)。 工程發表負責產品改變控制 (product change control)；品質意 味著所有部門以獨特方式完成無瑕疵的管理 。設計資訊流動 (Design Information Flow) 第三章產品設計與生產工程3-3 設計過程：一種模式 (The Design Process: A Model)

6、 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)。此五步驟是從Groover (1987) 與Shigley (1983) 所提出的六步驟修正而來。在此新的五步驟模式中，概念化取代了六步驟中的需求認知及問題定義 (recognition of need and definition of the problem)： 第三章產品設計與生產工程1. 概念化分成兩個範疇：典型與非典型的。2. 綜合化步驟

7、，針對概念化所產生的許多綜合解答加以詳 細描述。3. 分析，測試此設計以及盡可能地收集作業所需的各種資 料。4. 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. 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。設計過程如圖 3-3 中一連串方塊所示，此圖顯示出方塊之間線性的反覆程序。 第三章產品設計與生產工程第三章產品設計與生產工程設計程序開始於定義產品的形式、配合及功能 (form, fit and function) 等特性。 1. 形狀、樣式與產品特性由形式 (form) 所定義。 2. 配合 (fit) 特性則代表市場需求或為了

8、在市場成功所需的 贏得訂單準則。 3. 功能 (function) 特性使用性能、可靠度、可維修性以及其 他特殊贏得訂單準則來定義產品。 形式、配合與功能 (Form, Fit and Function) 第三章產品設計與生產工程 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。 非典型設計則定義出與之前產品完全不同的產品。典型問題是重複性設計 (repetitive design) 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。 概念化 (Conceptualization) 第三章產品設計與生產工程重複性

9、設計過程可由下面三步驟來描述。 1. 建立所需產品的形式、配合以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並 採用下列方針： 應用參數分析於形式與功能相類似但尺寸或細節不同 的工件族或裝配件。 發展相類似產品所使用的標準工件。 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。重複性設計的概念化(Conceptualization Using Repetitive Design) 第三章產品設計與生產工程參數式分析是由電腦輔助設計 (CAD) 程式所提供的強大重複性設計工具。 第三章產品設計與生產工程如圖 3-5(a) 所示只需繪製工件一次，

10、而以變數來代替所欲改變的參數。第三章產品設計與生產工程參數式設計軟體的威力不僅如此，舉例而言，新滾筒所需要輸入的資料可以是滾筒面上最小力量值，參數式軟體根據此力量與滾筒金屬的張力強度計算圖 3-5(a) 的最小尺寸 W。 第三章產品設計與生產工程概念設計流程定義如下。 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。 概念設計流程僅是一個兩步驟的流程： 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。資料顯示概念設計需求低於 10%，而剩下 90% 是介於重複性設計與兩種混合之間。 概念設計的概

11、念化(Conceptualization Using Concept Design)第三章產品設計與生產工程綜合化活動包含物料規格、幾何形狀的增加以及經由概念化所浮現更多尺寸細節的結論。綜合化過濾 (synthesis filter) 採用兩個程序以確保良好的設計 針對組裝設計與針對製造設計。概念化及綜合化彼此緊密聯繫且互相影響。 綜合化 (Synthesis)第三章產品設計與生產工程分析是一種將某件事分成幾個部分來決定和描述事情特性的方法。 分析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

12、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，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)以及產生托架的最佳設計。分析 (Analysis) 第三章產品設計與生產工程分析的種類可分為兩個範疇：質量屬性 (mass properties) 與有限元素 (finite element)。質量屬性分析中，計算固體的特徵如體積、表面積、重量、質心以及形心等。有限元素分析 (finite element analysis, FEA) 中，典型的計算有：(1) 工件應力應變的極限；(2) 特殊材料工件的熱傳容量(3) 電子電路理論作業的極限

13、。 第三章產品設計與生產工程 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 。 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。 快速成型技術 (rapid prototyping) 是一種可快速生產樣品的 新技術。 評估 (Evaluation)第三章產品設計與生產工程設計的最後步驟是文件紀錄： 產生所有產品與零件的工作圖、細節以及組裝圖。 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。 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) 以及一個工件和其工件號碼。 產生產

14、品電子資料檔供下列部門使用：製造規劃與控制、 生產工程、行銷以及品質控制。文件範例如圖 3-8 到圖 3-12 所示。 文件紀錄 (Documentation) 第三章產品設計與生產工程第三章產品設計與生產工程第三章產品設計與生產工程第三章產品設計與生產工程第三章產品設計與生產工程文件包括了產品設計從最初概念到完成設計程序的描述。然而，設計仍然存在一個問題。因為製造、外來工件與設備供應商以及企業其他跟設計有關部門並未整合到設計程序中，因此必須擴大設計程序，同時工程 (simultaneous engineering)、早期製造參與 (early manufacturing involvemen

15、t) 與同步工程 (concurrent engineering)。 第三章產品設計與生產工程3-4 同步工程 (Concurrent Engineering) 同步工程定義如下。 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。 在傳統系統中，產品設計流程 ( 圖 3-6) 經常是由設計工程 師完成。 生產系統經常是由生產工程師所單獨設計。 負責顧客資料與產品服務部門無參與整個產品開發。 傳統系統 (The Traditional System) 第三章產品設計與生產工程第三章產品設計與生產工程並行工程在設計過程中的參與並非僅限制於設計工程師，而是包含

16、了圖中右面的所有專家。並行工程 (CE) 程序包括產品設計、製造系統設計以及顧客資料。 產品設計的新模式 (The New Model for Product Design) 第三章產品設計與生產工程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。並行工程以下面五種階段進行。 1. 概念階段 (concept phase) 2. 主要半組裝件的設計階段 (major subassembly design phase) 3. 單一零件設計階段 (single-part design phase) 4. 成對零件的設計階段 (design of part-pairs phase)

17、5. 零件與半組裝件的分組 (grouping of parts and subassemblies) 並行工程：一種作業模式(Concurrent Engineering: An Operational Model) 第三章產品設計與生產工程第三章產品設計與生產工程並行工程程序，設計軟體的另外特徵稱為完全聯合 (full associativity)，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。 並行工程程序自動化(Automating the Concurrent Engineering Pro

18、cess) 並行工程設計過程中強調一輩子 (cradle-to-grave)。而市場對於世界級產品的要求需要一個並行工程程序。 並行工程的成功準則(Concurrent Engineering Success Criteria)第三章產品設計與生產工程3-5 生產工程 (Production Engineering) 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。第三章產品設計與

19、生產工程程序規劃 (Process Planning) 程序規劃的定義如下： 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。 第三章產品設計與生產工程 程序規劃開始於一個完整產品的工件或工件族進入規劃 階段。 對於每個工件，生產工程部門必須決定製造與採購間的 決策，內部中每個待加工與組裝的工件都有路徑表 (routing sheet)。 路徑表通常也叫做程序規劃或操作表，它們描述生產產 品所需的操作程序或製造流程。 第三章產品設計與生產工程表面加工的機器及作業如圖 3-17 所示。 第三章產品設計與生產工程第三章產品設計與生產工程第三章產品設計與生產工程第三章產品設計與生產工程

20、路徑清單如圖 3-18 所示。 第三章產品設計與生產工程作業表 (operations sheet) ( 圖3-16) 詳細描述工件路徑表中的每個作業；這些作業通常包括需要支撐工件的工具、夾治具、安裝圖、半成品尺寸、機器設定、組裝操作說明、操作要求、檢查及測試要求以及作業員技術等級。工作圖中未涵蓋的設計規格但生產工件所需之任何事項亦包括其中。工廠資訊包通常包含製造指令、作業及路徑表、工程文件、選擇清單、移動清單、檢查清單、時間清單以及其他。在並行工程模式中程序規劃已經移動至設計程序中，因此可產生對生產部門最佳化的設計。 第三章產品設計與生產工程 生產機器的自動化大約開始於分散式與連續式生產工業

21、 時期。 不管是在分散式或連續式程序製造中，電腦控制生產機 器的使用 ( 通常稱為數值控制 (NC) 或電腦數值控制 (CNC) 均佔大部分。 因此，工廠自動化產生了一個新名詞稱為電腦輔助製造 (Computer-aided manufacturing, CAM) 。 生產機器程式編輯 (Production Machine Programming) 第三章產品設計與生產工程生產工程的另一個任務是決定工件生產時所需要的工具規格與設計。加工工件形狀及精修工件時，切削金屬與非金屬的工具包括支撐及固定母材與工件的鑽模與夾具 (jigs and fixtures)。在成型部分，工具經常包括衝壓模具的設計 ( 圖 3-20)，