产品创新与集成产品开发

产品创新与集成产品开发徐雷8April2011主要内容•产品和产品创新•现代产品快速开发技术•虚拟产品开发•虚拟制造•产品开发的集成技术产品与产品创新•产品的概念•产品创新•产品创新的支撑技术•产品开发的不同方式什么是产品？•目前的产品概念–直到目前为止，在大多数人的观念中，产品是物质形态的商品，是把原材料经过加工制造成为市场需要的货品。在产品开发和创新过程中主要考虑的是产品的物理功能，在产品的生产过程中主要考虑的是生产效率以及产品的质量、成本和交货期。企业与顾客的关系随着产品的交易和有限的担保而告结束。总之，产品是看得见、摸得着的东西。什么是产品？•目前产品观念形成的原因–在工业经济时代的大量生产方式中，产品相对单一，企业利润主要来自加工制造、装配和市场销售。产品设计原材料加工装配销售服务报废价值比例产品生命周期什么是产品？•传统产品概念所存在的问题–制造商以生产和销售产品追求最大利润，这与他们对社会和经济的可持续发展应负的责任往往是矛盾的。–知识在产品整个生命周期中的重要作用怎样体现?知识资源和物质资源的关系如何?知识的价值又如何量化?什么是产品？•未来产品概念：–随着科学技术的进步，产品越来越复杂，品种越来越多，更新换代日益加速，生命周期不断缩短。产品的概念发生了根本的变化。产品不仅是物质形态的，还有知识形态的(如计算机软件)。大多数的产品实质上已经同时包括物质和知识两种形态。什么是产品？•产品生命周期各个阶段价值比例发生的变化知识含量原材料加工装配价值比例产品生命周期知识含量销售服务培训回收再造知识创新与软件开发关键零部件什么是产品？•产品概念的变化目前的产品概念未来的产品概念物质形态的货品一个包括物质产品和服务的综合“解”按照定货规格要求进行生产和交货按照顾客使用需要进行生产和交货满足顾客当前的要求满足顾客当前和将来的要求一次性的交易和有限担保产品生命周期的交易和终生担保顾客满意顾客和社会各方面都满意产品创新•产品创新的含义及其重要性–产品创新，或者称之为新产品开发，是企业确保市场竞争优势、维持企业生存及成长的重要机能。–企业现状分析还表明：改进产品创新过程比改进产品的生产过程获得的效益更为显著，因为新产品开发是企业发展的龙头。产品创新•产品创新的概念和含义的演变过程：–第一代是“技术推动”型。通常是由于某种新技术的发明和应用，推动新产品的出现。–第二代是“需求拉动”型。市场的某种需求促使新产品的形成和发展。–第三代是“推拉联合”型。即上述两种产品开发观念和策略的结合。–第四代是“功能和过程集成”型。–第五代是“系统集成和网络”型。产品创新的支撑技术•传统的创新过程–工程师设计出产品图样，制造原型，验证工艺，然后进行性能测试和分析。如果达不到预期的要求，就反复进行这一过程，直到满意为止。•弊端：–新产品研制涉及到企业的许多部门，周期很长，任何一个环节出现问题，都可能导致失败。在这种情况下，一件新产品通常要经过多次反复试制才能正式投产，往往由于上市慢，错过市场机遇，误了商机。产品创新的支撑技术•产品创新的观念和策略的变化：–从规模、成本和质量目标发展到上市速度第一。–从顺序工作方式转向并行工作方式。–从满足设计部门目标延伸到全面实现企业目标。–从满足企业目标进一步全面体现社会效益。产品创新的支撑技术•产品创新工程–产生原因:实践表明，从改变单项技术或过程入手，已经无法在缩短产品上市周期上取得实质性突破，不能满足市场瞬息万变的要求。为了适应产品创新观念和策略的变化，提出产品创新工程，它是一系列新技术和新思想的集成。产品创新的支撑技术•目标是解决新产品开发过程中存在的三个主要问题：–缩短产品创新构思到新产品上市之间的周期，借助各种计算机辅助技术，加快设计进度，压缩时间。–通过网络，组织各方面的专家协同工作，提高新产品的知识含量、创新程度、可制造性、宜人性和绿色度(与人类和环境的友好程度)，扩展活动空间。–充分利用计算机仿真技术、虚拟现实技术和和快速原型技术的潜力，避免反复试制产品实物原型的过程，节省新产品开发费用。产品创新的支撑技术•产品创新工程的主要支撑技术是：–计算机辅助技术和产品数据管理。–产品和过程的仿真技术。–虚拟现实技术。–快速原型和制造技术。快速响应工程与快速设计•快速响应工程的含义–包括对制造系统、信息系统、控制系统、资源配置及企业组织结构的快速调控能力，使得该企业能够生产出适销对路的产品，快速投放市场，争取最大的利润及社会影响力。•快速响应的功能要素–建立快速捕捉市场动态需求信息的决策机制–实现产品的快速设计–追求新产品的快速试制定型–推行快速响应制造的生产管理体系快速设计技术•快速设计–在保证产品设计质量的基础上以缩短产品开发周期为目的的设计方法与技术，研究如何提高设计速度、加快设计进程和缩短新产品试制周期，提高企业对市场的快速响应能力。•快速设计的关键技术–计算机辅助设计技术（CAD/CAPP/CAM，产品设计方法学，虚拟设计，虚拟原型等）–CSCW（计算机支持的合作工作方式）–反求工程–快速原型快速设计技术图8.1产品开发集成快速设计平台的体系结构产品数据管理PDM计算机辅助设计系统虚拟现实虚拟原型虚拟设计协同工作…反求工程概念设计实物快速原型设计评价制造系统（NC,MC,FMS…）分布式网络及通信结构设计知识库工艺数据库零件图形库产品模型库虚拟产品开发•VPD基本思想–用计算机完成整个产品开发过程，工程师在计算机上建立产品模型，对模型进行各种分析，然后改进产品设计方案。•组织形式–虚拟产品开发是由从事产品设计、分析、仿真、制造以及产品销售和服务等方面的各种人员网络所组成。他们通过网络通信组建成“虚拟”的产品开发小组，将设计和制造工程师、分析专家、销售人员、供应厂商以及顾客联成一体，不用管他们所处何地，都可实现异地协同工作。设计分析仿真制造销售供应商顾客虚拟的产品开发小组网络虚拟产品开发•应用过程–用数字形式“虚拟地”创造产品，并在制造实物原型之前对产品的外形、部件组合和功能进行评审，快速地完成新产品开发。由于在虚拟产品开发环境中的产品实际上只是一种数字模型，因此可以对它随时随地进行观察、分析、修改、通信及更新版本，这样使新产品开发所涉及的方方面面，包括设计、分析、可制造性、可装配性、易维护性、易销售性，都能同时相互配合进行。虚拟产品开发•虚拟产品开发的五个阶段–CAD单项技术的应用。–部门之间信息互联。–实施并行工程，相互依存。–联盟伙伴全面参与。–完全的虚拟产品开发。初级阶段产生实际效益虚拟产品开发•第一阶段–局部优化。这个阶段的特点是把目标放在提高产品设计局部工作的效率上。但是，这种局部优化常常会造成其它经营成本的增加以及企业内部各部门之间达不到最佳的合作。例如，推广二维CAD技术代替手工绘图，这样做肯定会提高绘图的效率。但由于CAD／CAM／CAE之间没有实现集成，分析人员、数控编程人员和供应厂商仍然还要采用手工方法重新录入有关产品设计数据。虚拟产品开发•第二阶段–内部互联。这一阶段的重点是不同部门和功能的集成，在企业内部通过网络互联。当完成第一阶段后，在缩短产品开发周期及降低成本初见成效时，可试图将CAD／CAM／CAE加以集成。不同部门的人员通过局域网、开放平台、IGES／STEP等图形交换标准和电子邮件来共享产品数据和信息。虚拟产品开发•第三阶段–相互依存。各部门从互联发展到相互依存，开始以并行工程方式工作。因此，产品设计质量有了很大提高，大大缩短开发新产品所需的时间。此时，企业开始获得明显效益，例如，可缩短新产品开发周期30％-50％，降低开发成本30％~50％，产品缺陷减少30％~50％等。虚拟产品开发•第四阶段–全面参与。这一阶段的特点是网络联盟企业的所有伙伴都参与新产品开发过程，共同实施产品创新工程。这一阶段已经超越一个企业内部实施并行工程的概念，变成为由供应商和合作伙伴共同组成的网络联盟企业，集各自的核心竞争能力之大成，共同创造具有良好市场前景的新产品。虚拟产品开发•第五阶段–完全的虚拟产品开发。在这个阶段真正实现虚拟产品开发的理想，产品和过程的知识通过模型的建立全部数字化，避免实物原型的制作，加工制造、装配和检验过程在投入生产之前在计算机上经过充分的仿真验证。此外，顾客通过网络也可直接参与产品开发过程，讨论产品的功能以及使用和维修过程中可能发生的问题。企业将掌握顾客当前及今后的要求，真正做到完全按顾客要求定制产品，并把每个顾客提出的要求(产品知识)集成到新产品开发过程中去，取得经营的更大成功。虚拟产品开发案例•汽车安全装置设计–设计背景•美国联信（AlliedSignal）公司是从事汽车安全带和气囊的业务，研制一系列汽车安全防护装置，包括扣环、伸缩器、座椅高度调节器、一体化完全带、儿童座椅系统等。•这些产品的工程设计工作，在位于美国密苏里州的总部进行，而制造工作则分散于世界不同的地区，以便就近供应各地客户。该公司采用CATIA系统设计新产品。轿车安全装置的实体模型虚拟产品开发案例•汽车安全装置设计–设计要求•该公司的安全带伸缩器有五种基本类型，分别适用于不同系列的车辆。它们对包装、式样和性能的要求都有所不同。客户经常对基本类型作出某些改变，甚至要求全新的设计。虚拟产品开发案例•汽车安全装置设计–新产品开发过程星期一早晨，设计人员完成某一个零件的立体模型建立工作，当天晚上就能够迅速地制出样品(快速原型)星期二早晨，审查这件样品，并修改设计，当天又制出另一件样品星期三又重复前一天的过程星期四早晨，对该零件的方案进行最后审定，当天下午，修改各种细节星期五，该零件就可投产虚拟产品开发案例•轿车变速箱的数字原型–任务背景•同济大学与有关企业合作测绘了国外两种新型汽车变速器及其主减速器和差速器。–设计过程•利用UnigraphicsCAD系统建立了每个零件的三维实体模型，然后在计算机上进行数字化装配，从而得到了整个动力传动系统的数字原型(DigitalPrototyping)。•在数字原型的基础上，利用机械系统动力学分析(ADAMS)软件，分别建立了它们的运动学及动力学分析模型，对其传动特性进行分析，结果与实物试验基本吻合。虚拟产品开发案例•整车的数字原型–设计背景•汽车制造商的目标是要用36个月或更短的时间推出一种新型号汽车。美国密苏里州的QED公司是一家专门从事汽车设计的产品开发公司，在UnigraphiesCAD／CAM系统的基础上推出“电子数学模型分析”(EMMA)软件，它能够把来自不同CAD系统的零部件数据综合成为整部汽车的三维装配模型——数字原型，以便在新产品开发过程早期发现设计问题。虚拟产品开发案例•整车的数字原型–设计过程•在由瑞典、德国、英国和北美洲的多家公司联合设计的一种新型汽车上，通过EMMA系统发现有200个问题需要纠正，避免了50次重大的设计更改，使这个项目节约500万美元。因为每次重大设计更改将导致工艺装备的重新制作，平均需耗费10万美元。整车数字原型大体由2000多个零部件构成，可以把它当成一部真正的汽车去进行技术评估。虚拟产品开发案例•整车的数字原型–设计结果•图示是一辆载重车的数字原型，包括发动机、底盘、传动系统、驾驶室、车轮等所有主要部件和总成。工程师可以从不同的角度去查看它，可把图象放大或取任一截面(可移动图左上角中的线格选定)，以便详细检查可能出现问题的地方，如零部件的相互干扰和间隙大小，以及制造和装配中的问题等。虚拟产品开发案例•汽车碰撞仿真–任务背景•提高安全性是汽车设计中的关键问题之一。仿真技术为汽车工业带来的好处主要是能够减少样车(原型)上的试验次数。样车不仅很贵，而且在产品设计完成后才能制造，需要时间。为了推出一种新车型，往往要在样车上进行几十次，甚至几百次试验，花费几十万美元。汽车碰撞试验是样车试验中昂贵的一种试验，通常只能进行很少次数，且不一定能找出影响安全性的所有因素。但在整车数字原型的基础上，就有可能反复进行多次碰撞仿真，研究不同零部件对安全性的影响。虚拟产品开发案例•汽车碰撞仿真–设计过程•美国ESI公司的软