產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程解讀課件

1、3產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程3-1產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工程 (Product Design and Production Engineering)3-2組織的模式 (Organizational Model)3-3設(shè)計(jì)過(guò)程：一種模式 (The Design Process: A Model)3-4同步工程 (Concurrent engineering)3-5生產(chǎn)工程 (Production Engineering)3-6摘要 (Summary)第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程世界級(jí)的產(chǎn)品，其產(chǎn)品程序部分必須：(1) 擁有所有關(guān)鍵性設(shè)計(jì)步驟的設(shè)計(jì)模式；(2) 採(cǎi)用電腦軟體與其他分析工具產(chǎn)生、分析與測(cè)試設(shè)計(jì)項(xiàng) 目；(

2、3) 可支援同步工程 (concurrent engineering) 程序，此程序可 使得每個(gè)人在設(shè)計(jì)過(guò)程中參與設(shè)計(jì)與生產(chǎn)程序；以及(4) 採(cǎi)用可生產(chǎn)無(wú)瑕疵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原則。 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程3-1產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工程(Product Design and Production Engineering) 有兩個(gè)理由可說(shuō)明產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工程是企業(yè)CIM細(xì)部研究的適當(dāng)起點(diǎn)。1. 在產(chǎn)品及生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與文件中，擁有並鼓勵(lì)減少許多 繁雜人工的技術(shù)。功能性自動(dòng)化 (functional automation) 侷限於單一功能或單一部門自動(dòng)化。舉例而言，一家生產(chǎn)割草機(jī)的製造商其初始設(shè)計(jì) ( 工件與

3、產(chǎn)品設(shè)計(jì)繪圖 )、行銷 ( 服務(wù)性手工草圖及顧客資訊 ) 以及生產(chǎn) ( 輔助金屬切削機(jī)器撰寫程式的繪圖 )。這三個(gè)部分並無(wú)整體企業(yè)規(guī)劃而是各自獨(dú)立執(zhí)行，並選擇不同的自動(dòng)化硬體及軟體去繪圖。第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程2. 第二個(gè)理由是由於此部分是產(chǎn)品資料最早產(chǎn)生之處，新產(chǎn) 品的概念性繪圖是設(shè)計(jì)階段中的首要步驟之一。支援產(chǎn)品設(shè)計(jì)的CIM區(qū)域網(wǎng)路 (LAN) 如圖3-1所示，現(xiàn)今的網(wǎng)路技術(shù)允許透過(guò)網(wǎng)路儲(chǔ)存裝置獲得共同工件檔案。通常產(chǎn)品繪圖起源於設(shè)計(jì)部門並可被其他部門修改，建立一個(gè)共同資料庫(kù)的CIM系統(tǒng)原則將功能性自動(dòng)化 (functional automation) 改變成企業(yè)資料整合 (enterp

4、rise data integration)， 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程3-2 組織的模式 (Organizational Model)組織模式中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程部分如圖 3-2 所示。第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程 設(shè)計(jì)活動(dòng)開(kāi)始於圖3-2中產(chǎn)品設(shè)計(jì)方塊中的新設(shè)計(jì) (new design creation) 或者工程活動(dòng)要求 (request for engineering action, REA)。 內(nèi)部的 REA 起源於企業(yè)中任何一個(gè)指出產(chǎn)品問(wèn)題的部門，外 部 REAs則來(lái)自於於行銷部門所發(fā)掘的顧客問(wèn)題。產(chǎn)品設(shè)計(jì)部 門負(fù)責(zé)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與分析 (product design

5、 and analysis)、物料選 擇 (material selection) 以及設(shè)計(jì)與生產(chǎn)文件 (design and production documentation)。 生產(chǎn)工程部門根據(jù)設(shè)計(jì)部門的產(chǎn)品資料增加勞工、程序及品 質(zhì)等生產(chǎn)規(guī)格 (production standards)。 工程發(fā)表負(fù)責(zé)產(chǎn)品改變控制 (product change control)；品質(zhì)意 味著所有部門以獨(dú)特方式完成無(wú)瑕疵的管理 。設(shè)計(jì)資訊流動(dòng) (Design Information Flow) 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程3-3 設(shè)計(jì)過(guò)程：一種模式 (The Design Process: A Model)

6、 設(shè)計(jì)過(guò)程依其特性可分成五個(gè)基本步驟：1. 概念化 (conceptualization)。2. 綜合化 (synthesis)。3. 分析 (analysis)。4. 評(píng)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(lái)。在此新的五步驟模式中，概念化取代了六步驟中的需求認(rèn)知及問(wèn)題定義 (recognition of need and definition of the problem)： 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程1. 概念化分成兩個(gè)範(fàn)疇：典型與非典型的。2. 綜合化步驟

7、，針對(duì)概念化所產(chǎn)生的許多綜合解答加以詳 細(xì)描述。3. 分析，測(cè)試此設(shè)計(jì)以及盡可能地收集作業(yè)所需的各種資 料。4. 評(píng)估是第四個(gè)步驟，假如產(chǎn)品評(píng)估指出產(chǎn)品的任何工件 未達(dá)到性能與設(shè)計(jì)規(guī)格，則考慮其他設(shè)計(jì)。5. 文件記錄，完成最後可生產(chǎn)出滿足設(shè)計(jì)規(guī)格的產(chǎn)品工件 細(xì)節(jié)資料。設(shè)計(jì)過(guò)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(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程設(shè)計(jì)程序開(kāi)始於定義產(chǎn)品的形式、配合及功能 (form, fit and function) 等特性。 1. 形狀、樣式與產(chǎn)品特性由形式 (form) 所定義。 2. 配合 (fit) 特性則代表市場(chǎng)需求或?yàn)榱?/p>

8、在市場(chǎng)成功所需的 贏得訂單準(zhǔn)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(zhǔn)則來(lái)定義產(chǎn)品。 形式、配合與功能 (Form, Fit and Function) 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程 概念化將設(shè)計(jì)問(wèn)題定義為典型或非典型的。 典型的設(shè)計(jì)問(wèn)題是與之前產(chǎn)品設(shè)計(jì)相類似的。 非典型設(shè)計(jì)則定義出與之前產(chǎn)品完全不同的產(chǎn)品。典型問(wèn)題是重複性設(shè)計(jì) (repetitive design) 定義如下：重複性設(shè)計(jì)是針對(duì)新產(chǎn)品採(cǎi)用部分之前已經(jīng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目或者從之前設(shè)計(jì)中做局部變動(dòng)的設(shè)計(jì)程序之應(yīng)用。 概念化 (Conceptualization) 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程重複性

9、設(shè)計(jì)過(guò)程可由下面三步驟來(lái)描述。 1. 建立所需產(chǎn)品的形式、配合以及功能等資訊及資料。 2. 將現(xiàn)有產(chǎn)品以相類似的形式、配合及功能等特性分類並 採(cǎi)用下列方針： 應(yīng)用參數(shù)分析於形式與功能相類似但尺寸或細(xì)節(jié)不同 的工件族或裝配件。 發(fā)展相類似產(chǎn)品所使用的標(biāo)準(zhǔn)工件。 3. 圖形化與分析化地建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式，以有效地溝通所 有的設(shè)計(jì)面貌。重複性設(shè)計(jì)的概念化(Conceptualization Using Repetitive Design) 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程參數(shù)式分析是由電腦輔助設(shè)計(jì) (CAD) 程式所提供的強(qiáng)大重複性設(shè)計(jì)工具。 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程如圖 3-5(a) 所示只需繪製工件一次，

10、而以變數(shù)來(lái)代替所欲改變的參數(shù)。第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程參數(shù)式設(shè)計(jì)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(shù)式軟體根據(jù)此力量與滾筒金屬的張力強(qiáng)度計(jì)算圖 3-5(a) 的最小尺寸 W。 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程概念設(shè)計(jì)流程定義如下。 概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)特且不與其他現(xiàn)有產(chǎn)品相類 似的新產(chǎn)品之產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程應(yīng)用。 概念設(shè)計(jì)流程僅是一個(gè)兩步驟的流程： 1. 建立想要產(chǎn)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(chǎn)品設(shè)計(jì)模式，以有效地溝通所 有設(shè)計(jì)面貌。資料顯示概念設(shè)計(jì)需求低於 10%，而剩下 90% 是介於重複性設(shè)計(jì)與兩種混合之間。 概念設(shè)計(jì)的概

11、念化(Conceptualization Using Concept Design)第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程綜合化活動(dòng)包含物料規(guī)格、幾何形狀的增加以及經(jīng)由概念化所浮現(xiàn)更多尺寸細(xì)節(jié)的結(jié)論。綜合化過(guò)濾 (synthesis filter) 採(cǎi)用兩個(gè)程序以確保良好的設(shè)計(jì) 針對(duì)組裝設(shè)計(jì)與針對(duì)製造設(shè)計(jì)。概念化及綜合化彼此緊密聯(lián)繫且互相影響。 綜合化 (Synthesis)第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程分析是一種將某件事分成幾個(gè)部分來(lái)決定和描述事情特性的方法。 分析決定所提議設(shè)計(jì)是否與原始設(shè)計(jì)目標(biāo)符合。綜合化與分析階段的高度交互特性可用一個(gè)簡(jiǎn)單例子說(shuō)明，圖3-7(a) 的鋁質(zhì)托架是一個(gè)大型設(shè)計(jì)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(gè)部分 ( 水平板、接點(diǎn)及垂直板 ) 時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)次重複的綜合化與分析，才能決定正確的接點(diǎn)處厚度 ( 圖 3-7(b)以及產(chǎn)生托架的最佳設(shè)計(jì)。分析 (Analysis) 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程分析的種類可分為兩個(gè)範(fàn)疇：質(zhì)量屬性 (mass properties) 與有限元素 (finite element)。質(zhì)量屬性分析中，計(jì)算固體的特徵如體積、表面積、重量、質(zhì)心以及形心等。有限元素分析 (finite element analysis, FEA) 中，典型的計(jì)算有：(1) 工件應(yīng)力應(yīng)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(yè)的極限

13、。 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程 評(píng)估階段 ( 圖 3-6) 檢查設(shè)計(jì)與原始規(guī)格。從綜合化及分析 過(guò)程所得到最佳設(shè)計(jì)與新產(chǎn)品的形式、配合及功能做比較 。 評(píng)估經(jīng)常需要建構(gòu)一個(gè)雛型去測(cè)試是否與關(guān)鍵的贏得訂單 準(zhǔn)則。 快速成型技術(shù) (rapid prototyping) 是一種可快速生產(chǎn)樣品的 新技術(shù)。 評(píng)估 (Evaluation)第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程設(shè)計(jì)的最後步驟是文件紀(jì)錄： 產(chǎn)生所有產(chǎn)品與零件的工作圖、細(xì)節(jié)以及組裝圖。 加入所有設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如標(biāo)準(zhǔn)元件、特殊製造註解以及所有尺 寸與公差。 產(chǎn)生需要的工程文件如零件號(hào)碼訂定、詳細(xì)零件規(guī)格、設(shè) 計(jì)的物料單 (BOM) 以及一個(gè)工件和其工件號(hào)碼。 產(chǎn)生產(chǎn)

14、品電子資料檔供下列部門使用：製造規(guī)劃與控制、 生產(chǎn)工程、行銷以及品質(zhì)控制。文件範(fàn)例如圖 3-8 到圖 3-12 所示。 文件紀(jì)錄 (Documentation) 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程文件包括了產(chǎn)品設(shè)計(jì)從最初概念到完成設(shè)計(jì)程序的描述。然而，設(shè)計(jì)仍然存在一個(gè)問(wèn)題。因?yàn)檠u造、外來(lái)工件與設(shè)備供應(yīng)商以及企業(yè)其他跟設(shè)計(jì)有關(guān)部門並未整合到設(shè)計(jì)程序中，因此必須擴(kuò)大設(shè)計(jì)程序，同時(shí)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(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)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(chǎn)品的設(shè)計(jì)與製造、服務(wù)以及最終產(chǎn)品處 置的系統(tǒng)在最初設(shè)計(jì)階段就必須同時(shí)考慮。 在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程 ( 圖 3-6) 經(jīng)常是由設(shè)計(jì)工程 師完成。 生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)常是由生產(chǎn)工程師所單獨(dú)設(shè)計(jì)。 負(fù)責(zé)顧客資料與產(chǎn)品服務(wù)部門無(wú)參與整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。 傳統(tǒng)系統(tǒng) (The Traditional System) 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程並行工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中的參與並非僅限制於設(shè)計(jì)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(chǎn)品設(shè)計(jì)、製造系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及顧客資料。 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新模式 (The New Model for Product Design) 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)始於市場(chǎng)規(guī)劃階段，發(fā)展初步概念以及設(shè)定價(jià)格與生產(chǎn)目標(biāo)。並行工程以下面五種階段進(jìn)行。 1. 概念階段 (concept phase) 2. 主要半組裝件的設(shè)計(jì)階段 (major subassembly design phase) 3. 單一零件設(shè)計(jì)階段 (single-part design phase) 4. 成對(duì)零件的設(shè)計(jì)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(yè)模式(Concurrent Engineering: An Operational Model) 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程並行工程程序，設(shè)計(jì)軟體的另外特徵稱為完全聯(lián)合 (full associativity)，可連接所有產(chǎn)品的圖形檔案如所有工作圖檔、實(shí)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(shí)自動(dòng)地也會(huì)改變有關(guān)此工件的每個(gè)圖形。 並行工程程序自動(dòng)化(Automating the Concurrent Engineering Pro

18、cess) 並行工程設(shè)計(jì)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)一輩子 (cradle-to-grave)。而市場(chǎng)對(duì)於世界級(jí)產(chǎn)品的要求需要一個(gè)並行工程程序。 並行工程的成功準(zhǔn)則(Concurrent Engineering Success Criteria)第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程3-5 生產(chǎn)工程 (Production Engineering) 生產(chǎn)工程 (PE) 在整個(gè)並行工程程序中，負(fù)責(zé)發(fā)展新產(chǎn)品或修改產(chǎn)品的製造規(guī)劃，生產(chǎn)工程規(guī)劃有許多元素： 1. 程序規(guī)劃。 2. 生產(chǎn)機(jī)器程式撰寫。 3. 工具與夾具工程。 4. 工作與生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。 5. 廠務(wù)工程。 6. 製造能力與組裝的分析。 7. 製造成本估算。第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與

19、生產(chǎn)工程程序規(guī)劃 (Process Planning) 程序規(guī)劃的定義如下： 程序規(guī)劃是用來(lái)建立生產(chǎn)工件或產(chǎn)品所需製造操作的詳細(xì)清單的過(guò)程。 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程 程序規(guī)劃開(kāi)始於一個(gè)完整產(chǎn)品的工件或工件族進(jìn)入規(guī)劃 階段。 對(duì)於每個(gè)工件，生產(chǎn)工程部門必須決定製造與採(cǎi)購(gòu)間的 決策，內(nèi)部中每個(gè)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(guī)劃或操作表，它們描述生產(chǎn)產(chǎn) 品所需的操作程序或製造流程。 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程表面加工的機(jī)器及作業(yè)如圖 3-17 所示。 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程

20、路徑清單如圖 3-18 所示。 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程作業(yè)表 (operations sheet) ( 圖3-16) 詳細(xì)描述工件路徑表中的每個(gè)作業(yè)；這些作業(yè)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(jī)器設(shè)定、組裝操作說(shuō)明、操作要求、檢查及測(cè)試要求以及作業(yè)員技術(shù)等級(jí)。工作圖中未涵蓋的設(shè)計(jì)規(guī)格但生產(chǎn)工件所需之任何事項(xiàng)亦包括其中。工廠資訊包通常包含製造指令、作業(yè)及路徑表、工程文件、選擇清單、移動(dòng)清單、檢查清單、時(shí)間清單以及其他。在並行工程模式中程序規(guī)劃已經(jīng)移動(dòng)至設(shè)計(jì)程序中，因此可產(chǎn)生對(duì)生產(chǎn)部門最佳化的設(shè)計(jì)。 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程 生產(chǎn)機(jī)器的自動(dòng)化大約開(kāi)始於分散式與連續(xù)式生產(chǎn)工業(yè)

21、 時(shí)期。 不管是在分散式或連續(xù)式程序製造中，電腦控制生產(chǎn)機(jī) 器的使用 ( 通常稱為數(shù)值控制 (NC) 或電腦數(shù)值控制 (CNC) 均佔(zhàn)大部分。 因此，工廠自動(dòng)化產(chǎn)生了一個(gè)新名詞稱為電腦輔助製造 (Computer-aided manufacturing, CAM) 。 生產(chǎn)機(jī)器程式編輯 (Production Machine Programming) 第三章產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工程生產(chǎn)工程的另一個(gè)任務(wù)是決定工件生產(chǎn)時(shí)所需要的工具規(guī)格與設(shè)計(jì)。加工工件形狀及精修工件時(shí)，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(jīng)常包括衝壓模具的設(shè)計(jì) ( 圖 3-20)，