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产品制程设计
进行产品设计必须从市场、有关工程技术学科以及生产职能等三个方面取得大量的资料与信息由于在产品设计阶段要全面地确定整个产品的规格生产系统因而也就基本定局了如果一个产品的设计缺乏生产观点那么生产时就将耗费大量费用来调整与更换设备、物料和劳动力如果产品设计得好将大大降低产品成本使企业增加利润并增强它的竞争能力一个良好的产品设计的重要作用会迅速地体现出来但由于其它企业也逐渐掌握这种技术企业便不再能独占因使用这种工艺过程所获得的利益许多在市场竞争中占优势的企业都十分注意产品设计的细节以便设计出造价低面又畅销的产品
工艺过程的选择同样会影响到生产系统和企业经营的成败在制造业和连续生产工业中选择主设备是一项主要的经济决策必须考虑到和权衡需求增长情况、技术上的新发展以至于某些社会心理因素在服务行业和其它劳力密集的工业中生产的主力是劳动力工艺过程选择的重点是转向研究操作程序而在有些服务系统中生产的主力是劳动力工艺过程选择的重点是转向研究操作程序而在有些服务系统中选择适当的设备往往比制造业还重要例如自动洗车业、航空公司及洗衣铺就是这样的一些行业几乎全靠正确地选择好设备
在制造业和服务业中除了要做好同生产直接有关的工艺过程选择外辅助过程的选择也同样会影响到企业的成败最常见的辅助过程要算是广泛应用的数据处理系统它需要购置或租用计算机选择计算机却始终是件充满困难的事情这不仅是由于它费用昂贵还由地它的选择与运行需要一套与一般组织工作所不同的特种技巧一般说来一个经营成功的企业都知道在它的主要技术方面哪些能够做到哪些则做不到：一个钢厂知道如何生产钢材；一家信托公司知道如何借款和投资但唯独只有计算机制造厂才知道这种高级产品的来龙去脉
一、产品设计
在生产主管人员的眼中产品设计活动的关键是输出产品的规格这些规格为一系列决策提供依据包括购买原材料选择设备配备工人甚至包括决定生产设备的规格与布置
一般认为产品规格就是蓝图式工程图其实它有很多不同形式从高度精确的数量说明直至相当灵活的指导准则
□产品的选择
产品品种的选择与产品设计的决定是完全不同的但这两者往往又是互相交叉、缠合在一起的例如对一个钢铁企业增加一个新的合金钢品种既要进行产品的选定又要进行产品的设计工作从另一方面看更为典型的是产品选择阶段只是得出最终产品的“骨架”冷藏设备制造厂可能认为分设一个家用冰箱制造部分对企业将是有利的或者一个烟厂变为增加一种“小雪茄”的新品种是合适的然而在这两种情况下由于企业大致上已经掌握生产这些新品种的一般技术在选定产品时不需对产品设计要素进行详细的调查
□初步设计
不论产品设计程序中有没有这么一个独立的阶段初步设计阶段往往要拟订出若干个能概括所选产品特征的不同方案如果冷藏设备制造厂决珲准备生产冰箱那么它将遇到冰箱形式、贮藏容量、所用电机尺寸等方面的问题在初步设计中一般地要确定产品的重要特性如可靠性、可维修性和使用寿命等
□最终设计
在最终设计阶段要研制和使产品定型并修改设计中的“缺陷”从而在工程上确保产品的完美因此产品最终设计的输出包括：产品的整个规格零部件如系制造产品则还应包括装配图纸后者提供进行生产进所需的尺寸依据此外产品设计的详细程度要考虑到产品的类型而有所区别当生产汽车时要精确规定汽车底盘所用钢材的张力、发动件零部件的公差、闸衬的构成与厚度等等相反在医院治疗患者所作的最终设计就不能如此预先作详细的规定因为对患者的确切治疗必须在“生产”的过程中逐步具体地明确
这时还必须从成本、费用的角度考虑不同方案的效果并且要进行权衡行失的比较在选择产品的结构与材料时更是如此这种权衡得失的复杂性是可想而知的即便不算很精密的产品如家用冰箱就有约500个零件可以想象到每个零件都有不同制造费用的方案供选择进行分析时典型的考虑是零部件的可配合性和简化
“可配合性”是指零部件在运行中的配合与适当的联接配合性问题不仅发生于需要紧密配合的场合也发生在受应力作用下需要有同样反应的场合吊桥的部件不仅要很好的装配并且要求它们在遇大风侵袭时有相同的张力而且有相似的膨胀系数以便在冷热变化时能作相同的胀缩
“简化”是指消除那些会引起生产费用增长的因素简化问题主要发生在制造方面例如那些无关紧要的圆边和非标准化的孔径尺寸会赞成生产中“薄弱环节”并在使用过程中给维修带来不方便在服务业中“简化”主要同样这样一些问题有关：如职业介绍所中表格的设计；旅客行程路线的安排如空运站中的行李提取等
除了上述的比较共同的活动以外某些组织还采用较正规的产品试验方案并在最终设计阶段中安排重新设计的活动对于消费品产品的试验可以采用市场试销的形式；对于武器系统来说可采用试射的形式无论是那种情况事先必须作好充分的计划与必要的准备产品重新设计一般在样品试验后进行工作量大小要根据试验结果来决定如果再设计工作量大产品设计必须从初步设计开始重新进行一个循环；如果变化不大可稍作修改后即投产应注意的是有时小的局部的修改可能导致整个结构的变动
□计算机辅助设计
产品设计中的一个新发展是人和计算机组成一个协同工作的统一体从事产品的设计这种称之为计算机辅助设计的方法可以帮助设计师搞出一个产品的轮廓设计并迅速地反馈到产品技术要求上去以便达以符合运行条件和其它结构上的要求从程序角度看这种设计方法要求设计人员使用“光笔”在计算机控制的阴极射线管荧光屏上绘图形计算机通过预先输入机内的程序对图形进行译释程度执行完毕后计算机将显示出一个简单的图形工程师可将它放大或从任何角度加剖视需要时设计人员可直接修改图形、或是增减一些线条、或是改变参数、或是变更方案的说明如果认为所显示出的图形是合用的那么可以借助于图象处理的装置产生一个永久性图形的复本设计工作完成后工程师可以命令计算机制出自动绘图机或机床所使用的控制带
计算机辅助设计已广泛地用于各种设计工作包括飞机、汽车、船舶、变器与电路等各方面的设计目前软件与硬件两者价格都较昂贵一般只有大企业才用得起很可能在CAD的研制费被摊完以及分时的大计算机价格下跌后计算机辅助设计才能被小企业普遍使用
□可维修性与可靠性
“可维修性”是指经用户适当的努力可以保证产品或系统处于良好运行状态要达到这一要求需要制造厂或特约修理部门提供所必需的服务保证用户有一定的备件储备量以及有现成的维修文件维修性好的产品设计往往体现在产品易于拆装、便于到达需要经常进行维修和更换零件的部位开关、阀门、带刷的电动机、油杯等应处在易于到达的地方并装有便于开启的盖子对于确保“可维修性”的方案要作“保守设计”亦即要使用比正常功能更好的零件这种做法养活维修工作量但会增加生产成本
对用户感到不满的可维修性的考虑往往是在事后进行的虽然好的产品设计要求在设计阶段就考虑到好的维修性但常常还要针对用户的意见修改相应的产品模型显然这种做法会给生产带来不利影响因为要重新换工具、增加检验和进行某些修改以补偿维修性方面存在的缺陷
“可靠性”可定义为：产品在规定条件下能运行一定时间的概率或可靠程度例如一个继电器的可靠性可定为0．9999但其试验必须符合以下各项条件：运行时的输入电压为直流24伏环境温度为0度到80度温度小于90％外壳保持封闭工作次数不超过100万次寿命不超过五年
如果零部件是互相独立并且数量极大那么要使这个产品达到高的可靠性异常困难而艰巨的这上点可以从如下的基本统计概念上去理解当一个系统运行的结果取决于一系列统计上相互独立的串联单元的工作状况时那么输出结果能获成楞的概率是这一系列独立单元成功概率的乘积因而如果一个动作的结果取决于两个串联继电器的工作情况并用这二个继电器的可靠性为90％那么成功的概率是0．90×0．90即81％现在我们来讨论一个零部件更多的更大的系统譬如像宇宙飞船假如说它有1000万个“零件”为了简单起又假定在本例中所有零件都是统计独立的要使宇航成功机会达到90％则这一千万个零件的平均可靠性必须达到X10000000＝0．90即X＝099999999这只是假设每个零件只起一次作用现在假设每个零件起作用的次数为100次那么每个零件的可靠性必须增加到0．999999996
由于大部分零件的制造达不到那么高的可靠性并且某些部件对系统的功能是很重要的于是在设计上常常采取冗余的策略其方法可以是采取并联重复部件如增加油箱和电源装置或者是采用多种措施例如除自动控制装置外再增添手动的人工代作装置
为了安全起见很多设计人员往往不考虑按照统计上所要求的可靠性来建造某些系统而去追求更高可靠性历来的传统人们往往嘲笑工程师特别是结构工程师他们在设计桥梁时花了很多时间作应力计算直至小数点后四位然后为了安全又乘上一个大达四倍的安全系数
□组合设计
仅仅生产一种型号产品的企业是非常少见的在美国特别是在竞争日益剧烈和市场被分割争夺的情况下大多数制造厂家都生产很多品种这显然要影响到产品设计的机能生产管理必须要寻求新的途使企业的一系列产品能经最低的成本设计并生产出来解决这个问题有效方法之一就是组合设计这种方法的精髓在于研制出一系列标准设计或积木组件它们由各种零件或支组件组成并广泛地应用于各种产品设计中从分析的观点来看“组合设计问题”包括研究每一个积木式组件应包括多少零件和支组件在采用组合设计时每种积木式组件需要多少其目的是作出这样的设计使得生产成本、存贮费用、用户耗费、维护和修理费用都能达到最低
采用标准组合件的优缺点
优点例子
对任何一种销售来说只需要存贮少数几种标准化的设计程序设计的组合往往只包括几种子程序它们可用来组成多程序；少数几种
对于少数几种标准零部件的方法使修理工作简化修理人员只需保持少数几种类型的标准组合件以加速修理工作
由于可以从一台机器上拆下零件去修理另一台机器使检修机器变得方便标准化的积木式组件可以从一架不能修复的飞机上拆下来用来修理另一台雷达拖车
便于增加产品品种可以用已设计和试验好的标准化的支组件来制造和装配新型号的计算机
便于适应各类市场的需要采用不同选型以适合各种汽车销售的需要
多用了可以省去的零件在配套零件中要浪费多余的螺钉螺帽
多用了零件增加了运输费多余螺钉帽一样要花钱来加以包装和运输
积木式组合件的内部连接往往比较复杂计算机中的积木式组合件的底板连线很费工要使它可靠要增加费用
二、工艺过程的选择
□工艺过程选择中的技术决策
工艺过程选择可以看作为同下列问题有关的一系列决策；产品制造在理论上的可行性工艺过程系统的一般特性专用设备的选用产品特有有工艺流程这些决策包括大的技术选择、小的技术选择、专用部件的选择、特有的工艺流程的选择综合于下表中：
工艺过程选择中的技术决策
一般工艺决策决策问题决策产量决策依据
主要技术选择转变的潜力产品选择；物理、化学等定律；科学知识状态技术专家
次要技术选择不同转变过程选择设备和技术方面的工艺情况；环境因素如生态学与法律的约束；主要的组织工作；总的财务与销售力量研制报告；技术专家；组织目的；长远的市场预测；数学规模；模拟
特种部分选择专用设备的选择现有设施；不同设备方案所需费用；预期的产量水平工业报告；投资分析包括：自制－外损益分析现值法；中等期限的预测
工艺流程的选择生产路线的选择目前生产布置状况；产品的统一性；设备的特点产品规格；装配卡；路线卡；流程卡；设备手册；工程手册
1、主要的技术选择
基本出发点是：产品能否制造出？是否具有制造产品所需的技术？这些问题都没有考虑到经济上的可行性；它仅研究了自然科学方面的规律但是经济上的问题是必须回答的哪怕笼统一些也必须在选定前予回答在投产前则必须作出具有结论性的回答
由于技术复杂性增长得非常迅速使得考虑问题的出发点往往超出了学术上兴趣确实当前的大量研究工作侧重强调作了正确决定通过技术上的突破使企业从无能为力的危机中解脱出来取得经营上的成功然而从可能性达到可行性往往还得经历一段漫长的道路人们固然可以点铁成金、石中取水并漫步火星之上但这些从经营角度来看是无利可图的一般说来在生产较新奇的产品的企业里生产厂长在很大程度上要依赖于技术专家在小的技术选择未作出之前他往往是无能为力的
2、次要的技术选择
关于次要的技术选择上的复杂性可以从下例看出这个例子是两片金属材料的成型、连接和精加工过程的不同工艺方案
制造硬件的基本工艺过程
铸造与造型切削加工成形法装配（组合）光整（完工）
砂型铸造车锻造焊接清洗
壳型铸型钻拉伸铜焊喷砂清理
模浇铸法铣穿孔电焊倒角
压铸成形冲边机械固定油漆
永久铸型切断拉制（轧制）粘结电镀
粉末治金造型镗滚压压装热处理
压实造型磨成形冷缩配合抛光
连续造型珩磨精压精抛光
挤压成型成型锻
喷射造型旋压成形
层压成型
□专用设备的选择
在工艺过程确定以后下一步要考虑的是设备型号与制造方案的选择在某些场合下“小的技术选择”所提出选用的设备或系统仅仅只有一个供应厂商而在另一些场合中可能有各种型号的设备供选择特别是在后一种场合中要应用投资分析法一些重要概念进行评价如初始费用单位运行费和折旧费期限等除了上述这些考虑以外经营管理方面还须注意到下列的重要的主观因素：
（1）在产品变换时的灵活性以及同其他设备配合上的适应性；
（2）是否具备可替换的零件和特种工具（尤其是当设备由国外时）；
（3）供货厂帮助安装与排除故障的情况
（4）工人操作设备所需的特种训练；
（5）正常的维修；
（6）设备的安全状况
自动化是在专用设备选择方面的一个重大发展自动化主要表现于：首先人对于机器和生产过程的监控已为自动监控所取代；其次实现这种取代需要一个闭环或反馈控制以便在任何时刻控制机器过程的动作其方法是向监控操作过程的“自动”控制装置输入数据按照这个概念自动化是与控制有关的一组概念并且从下述意义上来讲还在发展着：它是在设备与过程的发展中的一个逻辑的和可预见的步骤
自动化的一般分类：下面的分类方法有助于把实际工作中的自动化范围加以归纳
（1）原材料生产的自动化
（2）成型与装配自动化
（3）后勤与运输自动化
（4）服务业自动化
（5）数据处理自动化
□工艺流程的选择
对于产品在工厂中的流程如果没有充分的考虑那么很难决定所需要用机器的型号和数量在这一点上工艺流程与其它的选择不同它要体现出所出产产品的品种搭配的变化例如在单件小批生产车间中不同产品的制造各有不同的路线某些产品往往跳过现有设备的许多道工序所以在这种生产类型中进行设备选择时只能对工艺流程进行估计故而在工厂设计中它是一个相当棘手的问题
研究工艺流程时在使用某些生产管理工具最常见的是装配图、装配卡、路线单以及工艺流程卡必须注意：每种卡片都是有用的指导性文件在生产系统处于稳定状态时它可以用来提高操作水平
装配图是一种简单的部件分解图把产品或部件分解为零件；装配卡利用装配图所提供的信息如何把零件装在一起装配的次序并且还常常有总的材料流动的模式工序卡和路线单诚如其名字所指出那样、规定了一个特定零件的操作与工艺路线它传输这样一些信息如：所用设备的型号、工具以及所应完成的操作
生产过程中不同产量下的策略是同上述的一系统的决策是相互作用的在生产系统中这些策略主要指不同的产量或运转量的方案；而在服务系统中主要是不同的服务方案
制造业中三种生产类型单件、大量生产提出了工艺决策过程的一项参考依据如下表：
主要特点典型例子典型的人力
与设备比
制造业
单位的一种产品一件一件制造办公大楼建造专用机床卫星船舶高
成批的一定数量产品一般按定货生产定制的服装与家俱高
大量的质量均匀产量极大（或无限）的制品汽车、圆珠笔中等
连续的主要物料连续生产化工石油产品伐木低
服务业
定制的与顾客高度的直接接触与顾客一般接触根据顾客身材裁剪乡村商店医师诊所批发商店存贮顾客的商品保险中间人（代理人）
标准化的与顾客高度的直接接触与顾客一般直接接触服装商店超级市场保险公司批发商医院的实验室邮购服务
我们以六十年代中期一个煤气制造厂进行的工艺过程选择作为一个例子该厂为了取得竞争优势正寻求大的技术创新它可以考虑在它系列产品的某些型号中应用自动清洗炉或引进微波技术为了取得竞争中的优势地位它必须采用自动清洗炉灶为了取得优势它必须研究应用微波炉的可能性
（1）主要的技术选择对一个煤气制造厂来说应用微波炉是一项全新的技术微波的能量很容易透过玻璃和塑料但一遇到金属表面就反射当它被含有水份的物体吸收时其能量即转化为热微波穿透食品使所有部分同时得到烹调而传统的烹调炉灶是由表及里的
实践表明微波烹调是可行的已经在饭馆和自取食品的食堂中使用了几年了虽然煤气灶制造厂可能还没有技术专家但是它很容易从工程学院空间宇航企业和军事部门中聘到所需要的技术人材
（2）次要的技术选择设计中的第一个问题是如何产生出微波在烹调方面最普通的方法是采用频率为2400兆赫的磁控管虽然有一个企业已研制出能产生900兆赫的三极管但是磁控管已使用较久并且看来是一个较好的方案磁控管是昂贵的由于它会产生大量的热从而需要有一个水冷或空冷系统来控制湿度
微波技术系无线电能要受政府通讯委员会所颁条款的管辖微波炉的最后设计必须保证其辐射的泄漏不会干扰无线电通讯此外过多的微波辐射对人体是有害的会引起白内障并可能损害神经系统因而卫生、教育和福利部是很关注微波炉的辐射问题故而最后的设计也还要符合卫生、教育和福利部的辐射泄放标准
微波炉也属于电气装置这还须经过保险公司的试验室的鉴定因为炉内不发热即使在使用中也是如此而用户往往疏忽了这一点不经心地把手伸了进去以致造成危险因而制造厂必须设计好安全联锁装置来避免这种事故的发生
技术上与法律上的问题是可以解决的但还必须确保将来在市场上能获得畅销从家庭主妇的兴趣方面来考虑微波炉是有销路的因为对主妇们来说重要的是时间而使用微波炉后至少可以节省一半的时间使她们有更多时间去做别的事情这能加速调煮冷冻仪器这一点也是有利于销售的
由于制造厂还没有生产微波炉所需的设备而这又是很贵的生产设施因而搞一个试销计划是不切实际的制造厂应该先搞市场预测或者市场模拟
无论如何从长远看会有一个潜在的市场而且不仅国内有竞争还有来自日本的进口货为了取得盈利和竞争煤气炉制造厂必须它的产品品种中增加微波炉
（3）特种部件的选择在产品品种中增加微波炉的最简便方法是单独地生产这种炉灶挂上工厂的商标然而单独地搞一种装置像桌面炉那样看起来象是另一种电气用具它不属于原不的品种系列一种更适当的安排方法是把微波炉作为一个完整煤气灶的组成部分之一
这种处理方法还可进一步细分最直接的方法是用微波炉来取代原有的煤气炉另一种较为昂贵的方法则是改为两个炉头既有煤气的又有微波的第三种可能扔方案是在一个炉灶内把煤气的与微波的合成一个单一的系统即合并成一个两用炉这种合并的方案衽起来也并不问题在于煤气部份的余热会使微波炉的电子设备过热也就要增加防止过热系统或冷却系统这种结合为一的系统的优点是可以使仪器外表发褐使它做到同烹调书上所要求的那样
要确切的选择一种产品型号必须作好市场研究并考虑现有设备的改装问题以得出多种可供选择的方案
不论选择那一方案制造厂商都要考虑本厂应完成多大的工作量可以肯定地说该厂决不能连微波管也由自己来制造这将变得太复杂化但它必须选择和决定余下来的部份有多少应由本厂自制如果工厂认为调整生产线和训练人员并不困难可以保证盈利那么整个底架结构和全部电子器件的装配都可以在本厂进行也可以购入组装所需元器件然后由工厂进行连接和装配再有一种方案就是从日本的企业进口用于煤气灶的成套装置也可以贴上本厂的商标作为单独的微波炉向外销售
装配工作量的最后抉择取决于：市场需求的缓急程度以及预计能销售出去的数量如果市场需求发展很快那么最好购入成套元器件或组装件以免使生产耽误过久同样如果缺乏潜在的市场那就不宜化很多投资去建立自己的生产线这里可以应用损益分析、现值分析等工具进行经济分析
（4）工艺流程的选择工艺流程的选择应使所得出的微波炉生产路线同现有的生产线上的设备相适应拟订过程卡、路线单、装配图等的标准文件往往要用到工程师手册和设备手册
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