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精益研发如何引领未来?

作者:天行健精益生产咨询顾问分类:精益设计时间:2019-08-28 10:42:37

精益研发核心问题显露 企业研发陷入困境

当今制造业领域的产品研发模式已经呈现出高度综合化、协同化和全程化发展趋势,产品日趋复杂,技术含量日趋增加,数据日益膨胀,软件正在部分地替代原有的硬件执行更为复杂的功能,越来越多的企业部门和合作单位参与整个研发过程。随着产品的研发过程变得越来越复杂化,在研发环节所涉及到的一系列核心问题也逐渐地暴露。大部分企业在产品研发过程中面临的核心问题主要有三个方面。


精益研发如何引领未来?


第一,产品研发周期过长,研发效率低下。

主要表现为:

1、产品开发项目各专业组之间不能实现完全同步的产品开发流程;项目流程繁琐,产品数据和信息在项目组内各专业组之间无效传递;错误的工程设计方法和不必要的设计步骤;研发过程中的工程更改以及各种形式的返工等。

2、由于目前对产品的仿真已经由过去的单学科、单参数以及无协同的仿真,发展到多学科、多参数、多场耦合、高性能计算的协同仿真,一方面需要能够在越来越广泛的仿真分析类型中实现协同,另一方面需要实现越来越多的人开展不同的仿真任务的协同,使得企业无法实现参与仿真过程的部门、人员、仿真工具、仿真模型、仿真数据、仿真流程、仿真项目等诸多方面的高度协同(多个领域的协同仿真),严重影响了产品的研发效率的提高。

第二,研发阶段产品缺乏各方面的性能验证,质量难以保证。

中国是世界第一制造大国,然而,“中国制造”产品质量信誉一度遭受到重大打击,产品的质量问题事件频发。一方面是由于在研发阶段,对产品的设计可靠性、耐久性以及可维修性缺乏相应地性能分析验证,产品的整体功能和性能指标得不到有效保障;另一方面,在详细设计阶段,产品的总设计师很难动态掌握各分系统及零部件的设计对整体功能和性能指标的满足及影响程度,从而导致产品整体质量无法保证。

第三,产品缺乏自主创新,不具备核心竞争力。

目前我国仍处于国际化产业链的下游。据统计,国内制造企业中拥有自主知识产权的企业仅占企业总数量的万分之三,而且有99%的企业没有申请过专利,形成了中国制造业“有制造无创造,有产权没知识,靠仿造过日子”的现象。更大的问题是,由于大部分企业靠仿造过日子,对其产品,知其然,不知其所以然。 造成了企业研发的产品,在核心性能方面比较低。

以上问题的产生,主要是由于大部分企业没有建立一套完整健全的产品研发体系,研发流程不清晰,缺乏规范的产品策划系统以及强有力的执行方案;各种设计与仿真工具采用随意,且与流程、数据不集成、不通畅;质量管理没有融入到研发工作中,质量与研发两张皮;传统的设计经验及知识没有沉淀、积累和传承或者没有很好的融入到研发过程中,知识与研发两张皮……

这直接导致我国与国外先进国家相比,自主研发能力薄弱,产品创新意识不强,研发周期没有竞争优势,研发成本居高不下,严重制约了企业可持续发展与自主创新能力。

企业的目标是追求利润最大化,实现可持续发展,企业需要的是精益。

解决企业难题 精益研发适时而发

“精益研发”正是解决企业在研发过程中的核心问题的关键。它是一种基于建模的信息化系统工程,通过系统集成、流程管理、数据管理、知识驱动等信息化手段,综合应用知识工程、协同仿真、创新设计、质量设计、多学科优化等先进技术,实现产品从概念设计到试制全过程的高效协同,有效地帮助企业提升自主产品创新能力。其实现机理是通过建模而增加系统分解维度,并将知识与标准嵌入到研发与管理流程,实现知识驱动的精益研发过程。精益研发技术是对系统工程、设计方法学和项目管理等学科的分析、提炼与集成应用,是构成精益研发系统工程模型的基础内容。精益研发技术的要点:

规范的流程——刚柔并济;

知识的引导——适度推送;

众盈平台系统维度——适于分解与综合,基于建模的系统工程;

系统开放——利于应用集成。

精益研发的实现,需要人、流程与技术三者的协同。那么,如何实现研发过程中各参与因素的高度协同,在保证产品质量的前提下,消除产品研发过程中不必要的环节,提高产品的技术含量和附加值,实现产品研发的精益化,进而提升企业的核心竞争力,实现有“制造”到“智造”的转变呢?

践行精益法则 引领未来中国智造

首先,精益研发需要建立完整健全的产品研发流程

要实现精益研发,确定高效的产品研发流程是关键。如何创建一种高效、顺畅的研发流程?尽管不同企业对于研发价值的理解不尽相同,研发流程和实现流程的工具也存在一定的差异。但是,要实现精益研发,大致地流程是可以借鉴的。

在产品研发的初始阶段,为了避免因设计中的某些流程生产出不能满足客户的需求(即研发过程中出现不增值的流程和操作)而造成的浪费,需要在产品研发之前,进行深入的市场调查,将客户需求形成完整的产品技术指标要求,建立基于用户的产品力评估模型,在此基础上对工作流程进行细化分割,把流程分成更细微的步骤,并尽可能地保证每个步骤都能满足客户的需求,增加价值。

在研发的过程中,结合协同仿真、创新设计、质量设计三大研发技术,以协同仿真为基础,推动基于知识的仿真分析,从多个领域开展对产品的数字化仿真分析,充分发挥CAE技术的优势,进行全三维的结构设计、分析和优化,将产品的优化设计贯穿于整个产品设计过程中;在此基础上结合已有的工程经验和行业内的快速设计方法,并对研发过程中的各种数据运用产品数据管理系统PDM进行有效管理,实现研发信息的有效集成和共享。以高效协同来减少(或消除)开发过程中的无效环节,以协同仿真瞄准设计目标“一次做对”,以客户视角来布置和评估最终产品,以知识积累来促进技术创新。

其次,实现精益研发需要将研发流程“三化”

“三化”研发流程,即将研发流程标准化、规范化、系列化。每个企业的现状不同,产品开发的方式也不同。如何关注研发流程,让管理流程“落地”,并要让流程规范起来,固化和标准化研发流程就是一个方式。 下面以仿真分析流程的建立和规范化为例,对流程的建立和规范化进行说明。

(1)建立仿真分析流程

在企业现有的研发框架下,建立产品研发过程中的仿真分析流程,与此同时,建立若干子流程。流程定义的内容包括产品开发的各个阶段仿真分析的内容、输入/输出物、文件编制格式,各部门的职责等。在此流程的指导下,将仿真分析与产品开发的紧密结合,提高各相关部门间的配合效率,实现研发中的高效协同。

(2)规范仿真分析,建立仿真分析数据库

众盈平台总结仿真分析经验,建立仿真分析规范,包括建模规范、分析评价规范、数据处理规范等,使没有分析经验的员工,按照仿真分析规范可进行标准化的仿真分析。建立仿真分析数据库,包含设计、试验、分析、性能、总成、零部件特性和材料特性等所有与性能开发有关的数据,并将以往的经验在仿真分析流程中进行固化,不断地积累现有产品的仿真分析数据、测试数据,为新产品的研发提供结构及性能设计的范围限制,同时也是实现数据积累和知识沉淀的关键。

(3)仿真分析流程的标准化

将仿真分析流程进行标准化,使产品从概念设计、详细设计到量产阶段仿真分析内容和过程形成一系列标准,把模型建立步骤、仿真分析过程、评价标准、数据处理标准化;仿真分析报告模板化,使报告的格式和内容标准化。通过仿真分析标准化工作,对研发数据进行不断积累和分类管理,方便数据查找,提高设计人员的工作效率,缩短整个产品的研发周期。

将流程规范化以后,怎样保证流程顺畅地实施?虽然有各种流程作为的基础,但是运行这些体系和流程的是人,因此对于流程的运作进行有效的监督和管控,也是企业实现精益研发必须考虑的因素。

最后,实现精益研发需要有效的技术和工具的支持

精益研发的实现还需要有两个方面的保障。一是产品研发应用的技术,二是研发过程所使用的工具。在引进新技术方面,精益的原则不是积极倡导新技术,而是使用可靠的、已经过充分测试的技术;研发工具的方面,必须选择合适的研发管理工具,没有有效的工具来支持会使产品研发处于非持续性和不完备状态。工具和技术的意义在于支持流程,同时加强人的工作。下面以虚拟几何样机技术和汽车产品研发中管理工具的应用为例来说明精益研发中选用有效的技术和工具的重要性。

引进有效的产品研发技术

虚拟几何样机技术可以使企业实现新产品设计的全三维数字化。企业可以依据所研发产品的特点,定制三维设计工具的个性化模块以满足实际研发的需要。比如,目前大部分企业采用“三维加二维”(即利用三维软件进行产品设计,然后转换成符合国标的二维图纸存档及指导车间生产)产品设计模式,可能导致复杂的装配设计困难、产品变型系列化设计困难、二维CAD出图与三维无相关性等一些问题。针对以上问题,采用Top-down设计方法结合三维虚拟建模,在此基础上应用PDM系统以及企业内部的网络平台,实现产品设计的全三维数字化、系统化以及模块化。

分页在产品设计过程中,将具体的产品结合Top-down设计方法,应用模块化设计的解决方案,设计环节的所有数据均检入PDM系统,同时设计结果采用三维软件直接出二维图的方式,这样可实现产品设计过程的高效协作,即保证了产品图纸的真实性、准确性、全相关性和图纸与三维模型的一致性,又具有较好的模块化能力,达到每个分总成自成体系,可以很方便的将某个部件从一个机型上抽离并放置到另一个车型上的效果,使其它产品可以快捷地借用,同时也可大大缩短新产品的开发周期。

某企业全三维数字化解决方案

应用行之有效的研发管理工具

在引进有效的理念、技术的基础上,精益研发还需要行之有效的研发管理工具来支撑。以汽车这类复杂产品的研发为例,可以考虑将产品研发项目管理平台、流水线产品开发流程(基于模板构造特定车型的开发流程)和电子化签审平台和平台化通用管理平台集成于一个系统中,固化整车的研发流程,同时运用流程驱动跨专业知识管理方式,管理包括产品设计的规则、流程、重要设计数据库和交付物在内的诸多内容。

在此基础上,以“信息包”和“知识库”的形式将产品设计所需了解的相关法规、标准和专家总结的设计经验进行打包,并通过任务直接传递给设计工程师。即建立一个基于互联网架构的设计导航系统,以研发流程为基础,形成研发中各阶段、关键点及与之相对应的输出物固化,建立标准化的项目计划作业模板,促使研发流程及项目管理的标准化和规范化。做到将产品的研发分解为若干小任务组成的任务流,把各个研发部门看成不同的工位,任务流从一个工位转到下一个工位,形成一条研发流水线,在提高设计效率的同时保证产品的设计质量。以此,在企业内部形成统一的产品设计数据库,标准库和经验知识库,使产品设计知识经验有效保留,共享,利用和传承。

某公司设计导航系统框图

另外,为更好的帮助企业实现研发能力和产品质量的跨越式提升,打造立体的研发技术网络体系,安世亚太公司(PERA GLOBAL)自主研发了精益研发平台。精益研发平台是将精益研发的技术融入到产品的实际研发过程而搭建的系统平台,它的主体架构主要是“综合设计与仿真(WS)、知识工程与创新(KM)、质量设计与管理(QA)、系统工程与流程协同(SE)”四大体系,包括协同仿真平台PERA。Simulation、创新设计平台PERA。Innovation和质量设计平台PERA。Quality三个子平台。该平台是以精益为目标、以精益研发总线为基础,通过协同仿真、技术创新和质量管理三大核心技术,实现企业数字化样机研发。具有可视化、流程化、协同化、知识化的特点。

通过对精益研发提出的背景及对企业如何实现精益研发的分析,可以看到,精益研发将有效支撑中国制造业数字化研发流程完整梳理,规范研发;支撑产品型号开发顶层科学策划与设计,提高执行层工作效率;支撑产品综合设计与仿真工具的数据集成和通畅;支撑企业知识融入到研发活动;支撑企业质量管理融入到研发流程,避免企业知识/质量管理与研发两张皮现象。

要将精益研发真正落到实地,发挥其在研发流程管理和知识工程基础上的巨大作用,核心在于企业如何结合自身的特点构建适合自身发展的精益研发体系,即建立一套完整的开发流程,然后建立一套测量流程的手段,持之以恒地改善流程,不断优化,坚持不懈。在这个过程中,人、流程和技术三者的有机结合至关重要,结合整个企业的研发情况开发出规范的研发流程,运用最有效的技术和工具的同时注重队伍的培养。注意:必须要把这三个方面有机地整合在一起,成为一个协调发展的系统。

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