湖南商務職業(yè)技術學院 陳 兵

由于比傳統(tǒng)企業(yè)的產品更具先進性，智能制造企業(yè)的產品更需不斷地被開發(fā)與創(chuàng)新。開發(fā)與創(chuàng)新的理論依據是技術創(chuàng)新動態(tài)理論。智能產品的開發(fā)設計可以從不同的角度切入，努力實施標準化、系列化和通用化，其設計方法有一般方法和現(xiàn)代方法。用質量功能展開是一種顧客導向的產品設計模式，并行工程是適合于智能產品開發(fā)的組織形式，價值工程被廣泛應用于產品開發(fā)，開發(fā)設計的新產品應力求使產品可靠性、失效率等指標的優(yōu)化。

智能制造企業(yè)是智能型產品制造或智能型服務提供的企業(yè)，因為服務是一種特殊的無形產品，故本文將有形產品和服務統(tǒng)稱為產品。企業(yè)的發(fā)展基礎之一是具備滿足市場需求的產品，開發(fā)、設計產品是決定企業(yè)前途的根本任務，成功的產品開發(fā)能為企業(yè)后續(xù)發(fā)展鋪平道路，而這項工作又是頗具技術性的運營管理工作，對智能制造企業(yè)提出了很高的要求。

一.技術創(chuàng)新動態(tài)理論支持產品開發(fā)

開發(fā)新產品就是一種技術創(chuàng)新活動。技術創(chuàng)新尾隨發(fā)明，它是對現(xiàn)有知識的綜合，把知識技術化，并應用與實際，通過技術手段轉化為生產力，創(chuàng)造價值。技術創(chuàng)新包括產品創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新、擴散，產品創(chuàng)新即所謂的新產品，現(xiàn)對于老產品可以全新或局部改良產品，工藝創(chuàng)新是指對生產過程、方法的創(chuàng)新，擴散是把前兩者以適當渠道傳播開來。按照技術來源的不同，技術創(chuàng)新分為自主技術創(chuàng)新和引進技術創(chuàng)新。

1.自主技術創(chuàng)新動態(tài)理論

自主技術創(chuàng)新頻率與創(chuàng)新階段的關系如圖1示。圖1 自主技術創(chuàng)新頻率—階段動態(tài)圖

技術創(chuàng)新先后經過變動、過渡和特定三個階段。在變動階段，產品創(chuàng)新十分活躍，新產品大量出現(xiàn)，但工藝創(chuàng)新相對落后，工藝創(chuàng)新緩慢提高，產品創(chuàng)新拉動工藝創(chuàng)新；在過渡階段，產品創(chuàng)新集中于產品系列化、通用化、組件化、標準化問題，產品創(chuàng)新步伐放緩，而工藝創(chuàng)新開始異?；钴S；在特定階段，此時產品、工藝競爭重點是產品質量與成本比率，產品創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新頻率已降到地位，創(chuàng)新壽命行將結束。

2.引進技術創(chuàng)新動態(tài)理論

另一種快速高效的創(chuàng)新是：引進、消化、吸收、改進他人的技術。這讓許多技術落后企業(yè)迅速趕超上先進企業(yè)，其成功之關鍵是模仿之后的創(chuàng)新，即對引進的技術再創(chuàng)新，實施二次創(chuàng)新，它要求企業(yè)不盲目照搬照抄他人技術，結合自身實際，按照技術進步軌跡，創(chuàng)新所引進的技術。引進技術創(chuàng)新頻率—階段動態(tài)圖與圖1相同，只是橫軸改為模仿、消化和改進三個階段。如表1所示。

表1 引進技術創(chuàng)新三階段特點

二.智能制造產品開發(fā)策略

1.智能產品開發(fā)方向

隨著時代發(fā)展和市場需求的變化，智能新產品的開發(fā)應該順應以下趨勢。

（1）多功能。產品功能要多樣、齊全，使用一種產品可以滿足多種需要，從而擴大適用面，例如MP3和U盤組合存儲設備。

（2）復合多種單一產品于一身。這樣可避免購買多種單一產品，既節(jié)約成本又方便使用，例如手機也具有電視、計時、照相、錄音、計算等能力，洗衣機也同時是烘干機。

（3）便攜。也即體積小，重量輕，小型化，移動化，口袋化。

（4）節(jié)能環(huán)保。滿足綠色消費，省油省電省燃料，使用壽命周期成本低。

（5）模塊化。也即組件化、集成化，把多種零件組合成同一功能的模塊，實施模塊之間的聯(lián)結，使故障查找和維修更換變得容易。

（6）操作簡便。雖然產品是高科技、智能化的，但結構巧妙，零件較少，使用容易，便于操作，例如：新技術和新材料的使用，或者零件的標準化、系列化和通用化，可以使操作簡便。

2.產品開發(fā)切入角度

之所以要開發(fā)新產品是由于兩大因素所致：技術推動和市場推動。當科學發(fā)現(xiàn)和技術進步時，自然就開發(fā)出新產品，這就是技術推動的產品開發(fā)，是原創(chuàng)型開發(fā)，其開發(fā)循序為：技術—生產—市場。當發(fā)現(xiàn)了市場需求，并主動開發(fā)滿足市場需求的新產品，這就是市場推動的產品開發(fā)，是需求型開發(fā)，其開發(fā)循序為：需求—研發(fā)—生產—市場。針對兩大因素的產品開發(fā)可以從以下四個角度切入：

（1）挖掘老產品的新功能。找到并賦予老產品新功能，增加新用途，從而擴大其使用面。例如，臺燈的基本功能是照明，當挖掘出其保護視力的功能后，調光、測光等新型護眼臺燈就被相應地開發(fā)出來了。

（2）技術應用與推廣。科學發(fā)現(xiàn)與技術創(chuàng)新，必須應用與推廣才能造福人類。例如早年發(fā)現(xiàn)了磁性材料，并掌握了其磁性規(guī)律后，將其應用就發(fā)明了錄音磁帶、錄像帶、光碟直至電腦存儲設備。

（3）從消費者需求出發(fā)。做好市場調查，掌握需求動態(tài)，改善另消費者不滿的產品功能，研制有需求但市場空白的產品，不但要滿足市場現(xiàn)實需求，還要開發(fā)潛在需求的產品。

（4）借助競爭策略。使用有效的競爭策略可以開發(fā)競爭力強的新產品，如表2所示。

表2 開發(fā)新產品使用的競爭策略

3.智能產品設計的 “三化”

產品設計的 “三化”指標準化、系列化和通用化。產品“三化”是國家的一項技術經濟政策，值得大力推廣，因為“三化”產品便于設計，節(jié)約資源，方便使用及操作，能提高生產效率，利于維修和更換，利于兼容。

(1)標準化。

標準化分為產品標準化和零件標準化。

產品標準是對某種產品制定的標準，這種標準包括與產品有關的諸方面，例如尺寸、外形、參數(shù)、質量、檢驗、包裝、儲存、運輸、使用、維修各方面的標準。

零件標準是對通用性強和使用量大的零件制定的標準。對全行業(yè)通用性強的零件例如緊固件、軸承由國家或部門來制定標準，成為標準件。對企業(yè)內使用量大的零件，由企業(yè)制定廠內標準，廠內標準由企業(yè)結合本廠實際，參考其它產品零件，參考國家標準，以基本型號產品為主，自己制定而成并在本廠內部實施。

標準化后，使得產品和零件規(guī)格統(tǒng)一，性能有了共同標準，使工藝同一化，能采用自動化生產技術，生產更專業(yè)，產量倍增，生產效率更高。

(2)系列化。

系列化是標準化的高級形式，它把同一類產品的參數(shù)、規(guī)格、結構做出統(tǒng)籌安排，搞好完整規(guī)劃，協(xié)調品內規(guī)格之間的關系，協(xié)調品類與配套品的關系。系列化產品的零件有好的通用性，在通用性的基礎上能發(fā)展變形產品，既能節(jié)約設計和生產成本，又能靈活適應市場對多品種的不同需要。系列化工作要做好以下三項內容：

①制定產品基本參數(shù)系列。

產品基本性能和技術特性由基本參數(shù)表達，確定基本參數(shù)就是給產品定基調，即規(guī)定產品主要性質及特征。方法是：

首先，選擇主要參數(shù)。它是許多參數(shù)中起主要作用的參數(shù)，能反映產品本質，其數(shù)值穩(wěn)定，性能參數(shù)第一，結構參數(shù)第二。

其次，確定主要參數(shù)界限。劃定界限的最大最小值，此界限是長期觀察統(tǒng)計的結構，是切合實際的。

最后，確定參數(shù)系列。在參數(shù)界限內對參數(shù)予以分布，定級定檔。在確定的參數(shù)上下界限內，參數(shù)分布如表3所示。

②編制產品系列型譜。

在分檔分級的基礎上，進一步把基本參數(shù)系列產品予以細分性的類型規(guī)劃，反映基型產品與變型產品內在關系，編制品種系統(tǒng)表，繪制品種發(fā)展系列型譜圖，以此梳理清楚所有的品種關系。

③設計系列產品。

設計步驟為如下：

第一，選擇系列中的基型?；偷倪x擇標準是：型號典型，產量大，性能穩(wěn)定，結構合理，適用性強，代表未來發(fā)展方向。

第二，利用基型產品和變型產品的通用性，設計基型產品的技術及制造。

第三，設計各種系列的各種規(guī)格。把典型化和通用化結合，以通用化確定幾種基礎件，然后予以橫向擴展其他規(guī)格。

第三，設計變型系列與變型規(guī)格。向縱向延伸，盡量使變型也能通用。

(3)通用化。通用化指某種零件可以在不同的產品中互換、代替和使用，在不同產品中形成共性零件的標準化形式。通用化的本質是互換，包括功能互換和尺寸互換，前者指某種零件可以在不同的產品中發(fā)揮相同的功能，即它可以使用在需要相同功能的多種不同產品中，后者指從尺寸匹配的角度看能夠相互替換。做到產品的通用化，可以使產品設計、制造、安裝簡化，節(jié)約人力物力及財力，提高設計、生產及管理效率，同時能適應更廣的市場需要，利于擴大銷售。通用化程度的高低以通用度來衡量，其計算公式為：

表3 典型參數(shù)分布

當對產品系列實施通用化時，要分析各系列產品零件的共性與個性，確定共性零件并把它們定為通用件，然后將它們予以標準化設計，對所有系列產品的零件都實行了這種通用化，就完成了全系列通用化。

當對單一產品實施通用化時，其零件盡可能使用已在產品系列中通用化的零件，設計的個性化零件要考慮未來被通用化的可能，盡量實現(xiàn)其個性向共性的轉變。

三.產品設計實施

產品設計方法是多樣的，有一般常用的方法和現(xiàn)代方法。

1.模塊設計法

其做法是：首先，搜集、整理、分析已有的標準件和通用件，或者以試驗研究方式，設計出各種模塊。然后，試圖組合搭配，把各種標準件和通用件匹配式堆積，以搭積木方式撮合為新產品，或者將設計出的各模塊配對、互換，進行排列組合，“捏造”出新產品。此方法的特點是，以原有的通用件或模塊，進行不同的組配來創(chuàng)造新品。

該方法的實施要點：一是企業(yè)要有標準件與通用件的基礎；二是模塊設計的理論合理性和驗證可行性；三是試驗性組配的反復性；四是采用技術經濟分析和價值工程分析法予以優(yōu)選；五是模塊的匹配原則是揚長避短。

2.內插設計法

內插設計法找到兩個規(guī)格相鄰的產品，在其鄰域內發(fā)現(xiàn)規(guī)格空白域，設計新規(guī)格產品填補空白域。此法利用相鄰規(guī)格產品的原理、結構，融入二者的優(yōu)點，克服二者的缺點，只需進行少量的試驗，就能事半功倍地設計出新品。以新規(guī)格內插入相鄰規(guī)格，能夠平滑規(guī)格之間的跳躍性，如果插入規(guī)格較多，能夠形成連續(xù)性的系列規(guī)格。此法是生產與試驗相結合的半經驗設計方法，關鍵是選對相鄰產品，這樣才能插的準確、有效。

3.延伸設計法

延伸設計法是對已有的產品、設計、原理、知識、方法延伸應用，對外擴展，從而設計出新產品的方法。它利用知識方法的慣性，把成功的老產品類推到新領域產生創(chuàng)新，其風險小，成功率高，方法簡單。內插式設計法是在已知領域內設計新產品，而延伸設計法卻是在未知領域內設計新產品。外推方法是：找出外推領域與已知領域的關系，分別從時間序列角度和相關性角度分析未知領域對已知領域的繼承關系，運用基本理論和技術，對過去的實踐進行分析，合理延伸，再結合必要的實驗，考慮新環(huán)境的因素，即可設計出新產品。

四.面向顧客的產品設計——質量功能展開

產品是賣給顧客的，質量務必要滿足顧客的需要才能被顧客接受。質量功能展開（QFD）是一種面向顧客的產品設計方法，它把顧客的需要轉化為生產及使用的技術，它按照顧客需求來應用技術、制定指標、設計產品，這是顧客質量導向的質量功能分解的產品設計方法；顧客需求這種驅動力促使各部門制定相應的措施，協(xié)調運作；同時QFD可以在產品的設計階段就保證了質量，最終以生產質量實現(xiàn)質量目標。

1.搭建質量屋

質量屋把顧客需求與產品性能有機聯(lián)系起來，其構成如圖2所示。

圖2 質量屋

質量屋6個組成部分的涵義分別如下。

（1）顧客要求及權重：代表了顧客的各種不同要求，并根據要求的重要程度不同賦予各個要求不同的權數(shù)。它是質量屋的一側墻和窗。

（2）設計要求：依據顧客的要求轉化為設計上的要求，它代表了實現(xiàn)產品功能的要求。它是質量屋的天花板。

（3）關系矩陣：是顧客要求與設計要求之間關系的矩陣，反映二者的相互影響力，尤其反映了設計要求對顧客要求的實現(xiàn)貢獻力。它是質量屋的室內空間。

（4）競爭性評估：把本企業(yè)產品與競爭者的產品加以比較，進行彼此的優(yōu)劣勢分析。它是質量屋的另一側墻和窗。

（5）相關矩陣：反映各質量特性之間的兩兩相互關系，可用三角關系圖描繪，根據關系強弱的不同使用不同的符號。它是質量屋的屋頂。

（6）特殊規(guī)格或目標：評估設計要求，確定它們的重要度及目標值。它是質量屋的地基。

質量屋的搭建程序如圖3所示。

圖3 質量屋搭建程序

2.展開質量功能

顧客的需求必須按照一定的方法，一步一步地分解、展開，逐步配置于產品開發(fā)的各個步驟，最終才能設計出滿足顧客質量特性要求的產品。此連續(xù)過程可先后在4個質量屋內完成，每一個屋內又有2個轉化，總共有8個轉化，屋內的每一個細箭頭表示一個轉化如圖4所示。

圖4 質量功能展開程序

3.并行開發(fā)智能產品

傳統(tǒng)的產品開發(fā)，按照先后循序，每完成前一步工作再做下一步工作，直至完成所有程序，即所謂串行設計。如此設計既耽誤時間又堆積了質量問題，因為下游開發(fā)部門的知識不能早期融入設計中，而早期知識的融入有利于減少錯誤，降低成本，晚期融入代價太高；此外，各部門各自為政，缺乏部門之間的理解、合作、協(xié)調，故智能產品常采用并行設計。

并行設計是對產品設計各種相關過程，實施并行、同步、一體化設計，從設計之初便考慮了產品全生命周期里所有因素，對從產品概念形成到產品報廢的全過程，對質量、成本、功能和制造加以早期并行設計。

其特點為：一是同時規(guī)劃產品全生命周期每一階段。二是設計中各活動交叉并行展開，各種問題在同步工作中被及時溝通和解決。三是不同部門、人員、資源、技術得以集成，效率倍增。四是組織結構扁平化、矩陣化、柔性化、項目化，建立職能跨部門的產品開發(fā)組織。見圖5

圖5 并行工程圖示

4.設計開發(fā)指標優(yōu)異的智能產品

智能產品作為先進代表的產品，其性能指標應該表現(xiàn)出先進性，現(xiàn)分別從產品可靠性、失效平均時間及價值三個指標予以論述。

(1)產品可靠性

產品可靠性指在特定的環(huán)境里，在一定的期限內，產品不出故障地執(zhí)行特定功能的概率。可靠性高意味著失效數(shù)量低，如圖6所示。

圖6 產品失效數(shù)量隨時間分布

早期失效基本按照指數(shù)規(guī)律迅速減??；在穩(wěn)定可靠區(qū)，失效很低并維持一段相當長時間，常按照泊松分布；在后期，產品進入老化階段，以正態(tài)分布為主。

智能新產品的設計任務之一就是要提高產品的可靠性，可采取的措施包括：改進部件，簡化系統(tǒng)，實行全面質量管理，實施并行工程，采用先進制造技術，設備管理及預防性維修，生產系統(tǒng)維護。

對由n個部件組成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性為：

對由2個部件組成的并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性為：

6.2失效率（FR）和失效平均間隔時間（MTBF）

失效是指產品無法正常使用的狀態(tài)，其程度可以用失效率和失效平均間隔時間來衡量。失效率（FR）的計算公式為：

或者為：

失效平均間隔時間（MTBF）計算公式為：

可見，MTBF與FR成倒數(shù)關系，表明失效率越高則失效平均間隔時間越短。

由于失效率、產品可靠性是同一事物的兩個方面，所以，提高產品可靠性的措施也可以用來減少失效率，對失效平均間隔時間也如此。

3.產品價值

智能產品往往有高價值，產品價值是指產品功能與成本的比值，即：

或者為：

提高價值的方法可用價值工程法，對產品的功能和成本進行系統(tǒng)分析，努力用最低的產品壽命周期成本來實現(xiàn)產品的必要功能。其基本原則是盡力提升功能，減低成本，以此增加價值。它以功能分析為核心，側重于研制階段。所選擇的產品對象應該有這些特點：結構和工藝復雜，成本高、產量大、顧客意見多、前景良好、有價值提升空間。

(1)功能分析。功能分析就是提煉產品的功能，或者說將產品抽象為功能。其做法為：

第一，定義功能。給各個功能下簡單明了的定義，復合功能應拆開表達，表達不與具體實施方法牽連，功能超脫產品具有一定的抽象性，最好定量化表達。

第二，功能整理。把價值對象各個部分的功能，依照邏輯關系組合為有機整體，形成功能系統(tǒng)圖，確定必要功能，剔除多余功能，檢查功能的準確度，修改、補充、刪除功能，明確功能之間的上下位關系或并列關系。

(2)成本分析。要分別分析功能現(xiàn)實成本和功能最低成本。

功能現(xiàn)實成本是當前的實際成本，是打算予以降低的成本。必須將各零部件的成本分配給各項功能，方法為：首先，確定每一個零部件對各功能的貢獻比例；然后，用成本乘以此比例，把成本分配給各功能；最后，把各功能從各零部件分配到的成本加總，就求得了每一個功能現(xiàn)實成本。

功能最低成本是實現(xiàn)必要功能的最低成本，是追求的理想成本，現(xiàn)實成本與最低成本之間的差距，是力圖降低的成本值。

(3)產品價值評定。功能價值系數(shù)是產品價值評定用到的重要概念，其計算公式為：

①功能價值系數(shù)分析。

當Vi＜1，說明該功能分得了過多的成本，應作為成本改進對象。

當Vi=1，說明該功能與成本匹配，不作為成本改進對象。

當Vi＞1，說明以較小的成本獲得了較高的功能，情況理想。

②產品價值進行評定。

產品價值進行評定建立在功能定義及功能整理基礎上，它必須求出功能價值系數(shù)，確定功能大小和重要程度，選擇功能與成本不匹配的產品作為價值工程對象，求得功能最低成本，降低功能現(xiàn)實成本向最低成本看齊。