产品设计与生产工程

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、， 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

11、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

12、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，

13、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

14、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

15、，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

16、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