第4章 产品开发和技术选择

生产与运作管理

Production&OperationsManagement第四章产品/服务设计和技术选择引导案例：新激光打印机推迟上市

一家国际知名的激光打印机设计制造公司生产的激光打印机的产品生命周期约为16个月。有一次因研发数据管理的混乱及遗失，某一新款打印机比预计晚上市了4个月，结果整个生命周期缩短为12个月（因为竞争对手在预期时间内推出更新的产品），总销货收入比预期减少少了33%，并影响了该产品线年度收入及利润目标的达成。第四章产品/服务设计和技术选择4.1引言4.2产品设计与开发阶段4.3生产流程设计与选择4.4并行工程：产品开发组织的新方法

4.5计算机技术辅助产品设计4.1引言

经济发展、技术进步和需求多样化，要求企业能对不断变化的市场做出快速反应，源源不断地开发出满足用户需求的、定制的“个性化产品”去占领市场以赢得竞争，市场竞争也主要围绕新产品的竞争而展开。21世纪企业产品/服务设计的背景新产品/服务开发是企业竞争的战略需要

产品寿命周期缩短、市场快速响应要求、顾客定制化需求技术进步越来越快

新技术迅速应用、产品更新换代加速、获得成本时间优势

用户需求呈现出多样化、个性化特点

需求结构向高层次发展、不确定性增多、用户设计产品研制开发的难度越来越大

资金利用率和投入产出比低、多学科交叉

可持续发展的要求

环境保护问题、政策法规约束、社会效益新产品/服务开发的重要性有利于增强企业市场竞争力

赢得竞争保证、决定产品竞争力重要因素有利于扩大市场份额

新产品推迟2-3个月，丧失50%-75%销售额适应个性化定制生产的需要

产品开发能力支持个性化定制的有效实施产品更新换代需要

产品生命周期缩短，研发设计影响成本、质量和制造效率

新产品/服务开发的重要性（续1）成本的决定因素实际成本消耗70%6%20%36%7%40%3%18%设计阶段制造阶段材料采购其他阶段产品成本的决定因素构成及实际成本消耗构成新产品/服务开发的重要性（续2）不同产品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制造过程中生产率的70%-80%是在设计和工艺阶段决定的。所有质量问题的40%可以归因于低劣的设计和工艺。现代企业的研究与开发

研究与开发的分类和特征

基础研究应用研究技术开发目的寻求真理,扩广知识探讨新知识应用的可能性将研究成果应用于生产实践性质探求发现新事物,新规律发明新事物完成新产品,新工艺,使之实用化,商品化内容发现新事物,新现象探求基础研究应用的可能性运用基础研究,应用研究成果从事产品设计,产品试制,工艺改进成果论文论文或专利专利设计书,图纸,样品成功成功率低成功率较高成功率大经费较少费用较大,控制松费用大,控制严人员理论水平高,基础雄厚的科学家创造能力强,应用能力强的发明家知识和经验丰富,动手能力强的技术专家管理原则尊重科学家意见,支持个人成果,采用同行评议尊重集体意见,支持研究组织在适当事作出评价尊重和支持团体合作计划自由度大,没有严格的指标和期限弹性,有战略方向,期限较长硬性,有明确目标,较短期限关注对象政府部门和科技界政府部门和科技界企业现代企业的研究与开发（续1）

新产品分类

改进型产品换代产品创新产品特点对老产品的改进基本原理不变，部分采用新技术采用学技术的新发明所开发出的产品创新程度低，功能、性能、质量、外观上有一定改进提高中等，产品性能有重大突破最高生产变动稍微改变生产制造流程需引进新技术，采用新设备对产品设计和生产流程进行重大改动作用改进和延伸产品线，在短期内保持市场份额扩宽产品族，延长生命周期，保持市场和利润增长成功推向市场将成为核心优势业务，带来高额回报新产品开发面临的压力

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。格雷格A.史蒂文斯（GregA.Stevens）和詹姆斯·伯利（JamesBurley）调查统计后提出：3000个新产品的原始想法，只有1个能成功。阿尔巴拉（Albala）在总结以往研究的基础上，指出新产品开发的死亡率为98.2%。初期项目中只有2%可以进入市场新产品失败可归纳为三个关键原因：（1）没有潜在的用户和需求（2）新产品与当前的需求不匹配（3）营销工作不得力

新产品开发的动力：（1）技术推动（2）市场牵引（3）同行竞争了解和确定人们的需求，将这种需求用技术实现，提高产品在研究与开发过程中的管理水平，是新产品开发的关键。4.2产品设计与开发阶段一般产品开发过程由以下阶段构成:

产品构思结构设计（总体设计、技术设计、详细设计）工艺设计需求分析结构设计协调工艺设计协调需求产品功能中间结果产品规格干预指令反馈工艺计划中间结果中间结果干预指令产品设计过程描述产品构思

产品开发过程开始于产品构思构思来源

（1）对市场需求的分析

（2）技术的推动

（3）竞争对手的产品和服务在供应链管理的环境下，作为合作伙伴的供应商或者零售商正在成为重要的产品构思来源。结构设计过程

对不同企业有不同内容

（1）制造型企业：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

（2）服务型企业：服务内容和服务过程设计产品结构设计阶段决定了产品或服务的特征、性能、质量、成本。产品设计一般分为总体设计、技术设计、工作图设计三个阶段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、进行产品设计方案的经济效果的分析。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。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，进一步作结构的细节设计，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确定的依据。结构设计过程——三个阶段《生产与运作管理》陈荣秋、马士华编著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NNYYCAD产品结构设计过程图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。工艺设计过程是结构设计过程和制造过程之间的桥梁。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。工艺过程设计——程序和内容

产品图纸的工艺分析和审查拟订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产品设计的原则和绩效评价

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）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的质量－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－工产和车间的反映信誉－用户的忠诚度对用户的相对吸引力－市场份额利润率4.3生产流程设计与选择

生产流程分类

按产品（product-focused）进行的生产流程，又叫对象专业化形式。按加工路线（process-focused）进行的生产流程，又叫工艺专业化形式。按项目（project）进行的生产流程。不同生产流程的特征比较特征标记对象专业化工艺专业化项目型产品订货类型产品流程产品变化程度市场类型产量批量较大流水型低大批量高成批生产跳跃型

高顾客化生产中等单件、单项定制无很高单一化生产单件生产劳动者技能要求任务类型工资低重复性低高没有固定形式高高没有固定形式高资本投资库存设备高低专用设备中等高通用设备低中等通用设备目标柔性成本质量按期交货程度低低均匀一致高中等中等变化更多中等高高变化更多低计划与控制生产控制质量控制库存控制容易容易容易困难困难困难困难困难困难产品－流程矩阵生产流程产品顾客化多品种品种较多标准化大量生（低产量）（中低产量）（中批生产）（大量生产）高柔性，单位成本低单件生产成批生产大量生产连续生产

中型机器、食品加工广告、咨询、重型机器汽车装配、快餐厅食糖、面粉影响生产流程设计的主要因素

产品/服务需求性质自制-外购决策生产柔性产品/服务质量水平接触顾客的程度生产流程选择决策品种-产量变化与生产单位形式的关系

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工艺专业化形式批量品种ABCD以图中的数字为例，生产同一种产品的对象式系统投资额为225万元，成组生产单元为111万元，工艺式为50万元。当产量在10万件以下时，选择工艺式最经济，当产量在10万～25万件之间时，成组生产单元最经济，当产量在25万件以上时，对象式最经济。当然还有一种选择，如果以上几种方案都不能得到满意的投资回报时，则应放弃该产品的生产。工艺式成组生产单元对象（产品）式费用产量1000002500005000011100002250000经营杠杆：反映年总费用一定的情况下和销售收入的关系，总费用在销售收入中所占比重越高，则经营杠杆的作用越大。图中的BE1点是采用成组生产单元时的总收入等于总费用的产量水平（盈亏平衡点）。BE1左侧是亏损区，BE1右侧是赢利区。经营杠杆就是成本函数和销售收入之间的夹角。夹角小，经营杠杆的作用小，利润或亏损的变化率也小；夹角大，经营杠杆的作用大，利润或亏损的变化率也大。销售收入成组生产单元对象式费用产量BE1BE2EP经营杠杆在选择生产系统方式时的作用：产量达到一定水平后（如EP点），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，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越大。销售预测的不确定性越高，经营杠杆作用大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：产品预测的不确定性大，选用经营杠杆作用小的生产过程方式。4.4并行工程：产品开发组织的新方法

需求

结构设计

工艺设计

制造

并行过程

串行过程产品开发的两种方式串行设计：从需求分析、产品结构设计、工艺设计一直到加工制造和装配是一步步在各部门之间顺序进行。产品开发工作流程：市场人员提产品构想质量控制人员作质量保证计划确定产品总费用和生产周期制造工程师确定工艺工程设计人员完成产品定义串行的产品设计方法串行产品开发过程存在的问题

存在的首要问题是以部门为基础的组织机构严重地妨碍了产品开发的速度和质量。存在的问题主要有：

各下游开发部门所具有的知识难以加入早期设计，加入设计的阶段越早，降低费用的机会越大。各部门对其他部门的需求和能力缺乏理解，目标和评价标准的差异和矛盾降低了产品整体开发过程的效率。并行的产品设计方法

并行工程是对产品及其相关过程，包括制造过程和支持过程，进行并行、一体化设计的一种系统化方法。该方法力图使产品开发者从一开始就考虑到产品全生命周期从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求。过程需求阶段设计阶段制造阶段营销阶段使用阶段终止阶段考虑的因素顾客需求产品功能减低成本提高效率易制造易装配竞争力（低成本、标新立异）可靠性可维护性，操作简便环境保护并行工程

并行工程是一种强调各阶段领域专家共同参加的系统化产品设计方法，其目的在于将产品的设计和产品的可制造性、可维护性、质量控制等问题同时加以考虑，以减少产品早期设计阶段的盲目性，进可能早地避免不合理因素的影响，缩短研制周期。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。设计结果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。高效率的组织机构。并行产品开发流程特点

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。概念设计初步设计详细设计工艺初步方案产品初步方案工艺概念方案结构概念方案工艺详细方案产品详细方案并行工程技术1.虚拟设计面向并行工程的DFx设计模式体现了开发的集成过程PDM发展成为CAD/CAPP/CAM系统的集成平台Internet使设计集成的范围更加广泛STEP 标准作为设计开发集成的标准接口2.产品数据管理（ProductDataManagement）PDM基于Internet/Intranet平台的PDM系统，支持全球化虚拟企业的信息管理。面向对象技术的应用及信息模型的标准化。PDM和ERP的功能相渗透。流程管理、项目管理和配置管理功能越来越强。3.产品系列化、零部件标准化、通用化产品系列化：建立产品系列型谱，减少品种，简化设计。零部件标准化：在产品系列化基础上，在不同型号产品间扩大通用零部件，减少种类。零部件通用化：按国家标准生产，缩短设计周期。4.成组技术（GroupTechnology,GT）5.减少变化的方案（VarietyReductionProgram，VRP）固定/可变技术模块化技术功能复合和集成技术范围划分技术趋势分析技术并行工程的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制造、质量、营销人员：预防设计先天不足减少开发的时间和费用设计早期阶段，减低成本的机会大顾客和供应商：减少不确定性设计中更好反映需求，提高产品市场适应力环保人员：考虑产品终止时的资源重用和环境保护问题4.5计算机辅助产品设计1.CAD/CAPP系统以微机为平台的CAD/CAM系统性能不断提高参数化、变量化设计技术发展到实用化阶段特征建模技术解决了传统CAD只面向几何形状的问题，达到原型化阶段2.计算机支撑技术计算机网络技术数据库技术多媒体、网络与通信、分布式处理等3.产品生命周期管理（PLM）全球化浪潮造成制造离散化，PLM提高协同运作能力PLM打破了限制产品设计者、产品制造者、销售者、使用者之间进行沟通的技术桎梏PLM的解决方案是在设计阶段发现错误，避免在制造阶段花费昂贵的修改费用。PLM的实施主要由三个因素决定：人力、企业流程和技术。案例：面向顾客的产品开发与目标定价亚特公司是一家设计并生产运动表的制造企业。公司通过市场研究，确定了一个明确的顾客细分市场：体现运动精神和时尚的顾客群。这一客户群要求手表既有运动表的功能，又要款式时尚、适合各种场合佩戴，价格也要适中。目前市场上的高档运动表也十分时髦，但市场价格太高，不适合这一客户群。目标定价：市场研究最终决定新款手表的零售单价必须低于1000元，设计小组最后将其单价定为975元。零售价（40％加价百分比）975批发价696.4收益回报表（17％）118.4销售、行政费用摊派53目标成本525功能需求分析：市场研究部门调查了目标顾客群对“1000元以下的时尚运动表”的特点要求，并归纳为5类功能需求。功能需求重要性（％）价值（元）舒适1368.3时尚29152.2可靠性24126简单20105多功能性1473.5总和100525子系统边界界定：为将“顾客的声音”转化为工程的要求，设计组首先将手表分解为5个子系统。主要子系统典型部件表带装配表带；螺丝和金属条等附属物；长度调节；表扣电源供应电池；线圈式电阻；螺旋线圈；传动装置表盘时、分、秒针；表面（时间和秒表）；日期的星刻度；日期、时间校正轮；表盘的支撑圆环计时振动器；振动器加重螺丝；振动器重物电桥和螺丝；振动器重量轮；振动器重物计秒计数器；重启开关；开始、停止开关；累计器；存储器子系统成本目标：设计组将功能需求分解到各子系统，并设定各子系统目标成本。

价值子系统舒适时尚可靠性简单性多功能性目标成本68.3152.212610573.5525表带23.2%50.0%5.0%8.0%25.0%125电源系统32.0%

45.0%1.0%

79.6表盘10.0%50.0%5.0%80.0%55.0%213.7计时24.3%

35.0%

60.7记时10.5%

10.0%11.0%20.0%46总计100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%525成本差异分析：对市场上的高档产品进行拆分并分析各分子系统成本，将每个主要子系统的目标成本与拆分成本进行对比。子系统拆分成本（元）原目标成本（元）成本差异（元）差异百分比

(%)表带320125195156电源系统16079.680.4101表盘125213.7-88.7-42计时9560.734.357计秒82.54636.579总和782.5525257.549成本差异检查：尼龙表带替代镀金表带，删除存储器功能，增加表盘夜光功能。子系统收益排序（％）原目标成本（元）拆分成本（元）新式样的成本（元）新成本差异差异百分比（％）表带23.8125320118.8-6.2-5电源系统15.279.616082.634表