精益设计（产品的精益设计和工艺）

精益设计概述

精益设计

精益设计的内涵

“精益(Lean)”，精，即少而精，不投入多余的生产要素，只是在适当的时间生产必要数量的市场急需产品(或下道工序急需的产品)；益，即所有经营活动都要有益有效，具有经济性。精益生产是众所周知的丰田生产系统的延伸，是当前工业界最佳的一种生产组织体系和方式，创造了20世纪工业企业再造的奇迹，在汽车、航空、电子等高技术行业被作为新一代工业革命在推广着。

进入21世纪，实现精益的方法、经验日益丰富和成熟，在这期间数字化制造为精益的实现又提供了更强大的工具，扩展了精益在制造企业中应用的范围。过去我们在生产制造环节讲求质量效能、成本控制，实际上设计过程也需要追求高质量、高效能、低成本，就是将“精益”的思想从制造向设计环节延伸，在设计的每一个环节、步骤、流程中都尽可能地使用最优的方案，同时又能够在设计活动中对产品设计的流程和状态进行精确控制和优化，实现设计产品价值最高，成本最低。也就是精益设计。

过去在设计界，人们总是追求设计工具手段的庞大、豪华和领先，成本必然也高，同时对设计流程并不怎么重视，设计质量也很难控制。任何工业生产过程都是以市场的成本、价值和竞争力为导向，设计也必须走到这个方向去，走出拿人、财、物等生产要素“堆”的误区，走到有竞争力的体系中去。

追求一个有竞争力、高效的设计靠什么？是靠精益的理念来实现，有了精益设计，就可以在设计过程的质量和成本之间取得一个平衡，对于一些没有必要的设计环节进行精简，对于设计中特别关键的环节又可以进一步优化和加强。这就是精益设计的意义。

精益设计的理念和模式源自精益生产，但两者相比之下，精益的思想在生产环节更容易实现。制造的生产环节和过程都是可见的，它的控制对象都是生产线上、规模生产设备一线的工人，从事的工作也比较专业化，比较单一。而在设计体系中，设计的对象是知识性产品，参与设计的人都是高级的、具有丰富经验的高级知识分子和工程师，他们的工作方式具有很大的自主性、能动性，同时设计所使用的工具和手段更多的掌握在设计人员手中，在很大程度上取决于设计人员的理解力和感受力。

精益设计的目的就是使得设计团队追求设计过程的最优化，设计能力的最优化。没有数字化手段时人们的设计活动是种智力随意发挥的劳动，而今信息化应用深入到一定程度，已经从单元工具使用进入集成和协同阶段，自然而然就将设计过程的优化和设计流程的优化提到议事日程。数字化网络可以使我们所使用的工具、手段和人的能力配合达到最佳和最优，能够把设计过程的工具、手段、人员通过集成和协同的方式形成一个所谓产品设计的流水线，更多的脑力劳动者可以在一起协同工作，像在生产流水线上一样各司其职，发挥专业作用。也就是说精益设计只有在对智力产品采取了数字化手段、工具和系统支持以后，才真正使得精益设计的概念能够实现。

信息化手段和系统是构建一个基于精益设计的流水线的最佳方式。所以精益设计是在信息化支撑下所开展的一种新兴的设计理念和方式，中国的设计界在追求创新设计的同时，必须要追求设计能力配置的最佳化、最优化，从而最终提升中国制造的整体竞争力。

人们已经逐渐开始意识到，设计和生产一样，都有一个按照工业化过程进行专业配置的流程，如何使设计流程和设计能力发挥高效的配置是企业对设计过程进行管理控制的一个很重要的动力。

实现精益设计，首先要认清一个企业设计的基本流程，要对自己的状况、运营环境以及独有的生产特性有非常清楚的了解，然后使得设计人员、设施条件、软件工具、标准数据等有机地结合起来，按照精益的思想形成一个企业生产设计流程，然后为企业提供整个设计能力的最佳配置。

和传统的工艺相比，精益设计不是从局部去考虑、去配置，而是从整体上、系统上，从精益求精的优化上，来考虑整个设计系统、设计进程，从而能够达到更加高素质、高水平的一种设计状态。

精益设计是对整个设计进程、设计流程及设计系统本身在市场上具备竞争力的具体的支撑和体现。如果企业真正能够把精益运用到制造中、运用到设计中，就可以构建一个完全精益化的企业，随着精益思想的推广，以造就“精益企业”为战略来实现在产品整个生命周期的快速响应、减少生产周期和成本等目标，已经越来越为更多的企业所认可。这样的企业可能是最优化的企业，是最具竞争力的企业，而且也是能够创造更多价值的企业。

之所以提出精益设计这个新的理念，一是设计界开始注重成本，逐步认识到设计投入的一些误区；二是信息化到今天已经走完了基本工具的使用阶段，需要进一步按照设计流程和体系，合理高效地配置信息系统，为产品设计、研发提供更大的支持和动力。在这个过程中，软件公司更多地希望能以精益思想为企业提供一个更有效、更简洁、更便捷、更实用的设计体系，同时在信息化实施过程中也应该有精益设计的理念。

精益设计的步骤

精益思想的核心就是以越来越少的投入——较少的人力、较少的设备、较短的时间和较小的场地创造出尽可能多的价值；同时也越来越接近用户，提供他们确实要的东西。精确地定义价值是精益思想关键性的第一步；确定每个产品(或在某些情况下确定每一产品系列)的全部价值流是精益思想的第二步紧接着就是要使保留下来的、创造价值的各个步骤流动起来，使需要若干天才能办完的订货手续，在几小时内办完，使传统的物资生产完成时间由几个月或几周减少到几天或几分钟，随后就要及时跟上不断变化着的顾客需求，因为一旦具备了在用户真正需要的时候就能设计、安排生产和制造出用户真正需要的产品的能力，就意味着可以抛开销售，直接按用户告知的实际要求进行生产，产品一经研发出来，产品的基因也就确定。可见，质量是设计出来的，提高产品质量，应该从设计源头人手。在设计过程解决产品的质量问题可以达到事半功倍的效果，越是在产品生命周期的前端采取措施，对产品质量提高的效果就越明显。前期设计要把握“适时、适量、适物”的精益设计原则。

1、产品级目标成本确定

产品级目标成本确定如下:

1、用户可接受的市场价格；

2、计划利润；

3、各种税金；

4、营销费用；

5、可变计件成本(计划)；

6、开发规划费用(计划)；

7、产品寿命周期承担的固定费用份额(计划)

8、产品数量。

这些都反映市场对目标成本的影响，指出了设计过程中为达到目标成本应控制的因素。目标成本确定时，既要考虑竞争对象的价格水平，还要考虑用户的经济能力。因此产品级目标成本的确定不是某一个部门的事，而涉及到企业甚至整个供应链的全过程各个环节。采用基于互联网的协同设计环境可在概念设计阶段改变了原有的线性设计流程，以并行工程的方式进行产品设计，各种功能小组互相作用与反馈重叠，目标成本方法在这种集成式设计中起了重要作用。

2、利用精益设计理念采用价值工程评价与修正

目标成本精益设计是及时制造，消灭故障，消除一切浪费，向零缺陷、零库存进军。企业中普遍运用价值工程的类型是功能分析，即对产品的每一主要功能或特征的效用和成本进行考察。这种分析的目的是确定效用与成本间的平衡。在复杂的产品设计中，所有组件累加形成最终产品的成本与价值。价值工程需要协同功能组去分析每种产品功能相关联的价值。这对每种功能价值的成本比率确定至关重要。价值工程由分析与确立两个步骤引导。在分析步骤中，决策与制造专家组调查产品功能价值与评价价值。在研究产品功能特点及成本、价值的基础上确定产品的价值系数：

3、计算机技术的应用

在产品设计方面，计算机技术主要应用在辅助设计和辅助设计管理。随着计算机业及软件业的进步，计算机辅助设计CAD软件，已经在工业界广泛使用。利用CAD软件能够很快设计出图纸，大大提高了作图效率。国际上的大企业已经开始尝试用计算机进行模拟实验、试做。例如，某一产品的塑料外壳需要很强的抗震能力，人们从以前大量试验获得的数据中，建立评价的模型，将此模型做成评价软件，此类产品通过CAD软件设计出后，用评价软件来模拟实验评价，可得出的设计有哪些方面比较薄弱，可能存在的问题，然后再修改设计图，再评价，直到评价合格，开始制作模具。而在此之前，并不需要制模具，修改模具等等工作，这样就减少了修改模具所耗费的时间及费用

4、详细设计阶段产品成本设计

产品级目标成本确定后，在设计部门可根据概念设计的确定的方案进行产品详细设计的同时，财务部门需将产品层的目标成本进行分解，建立子件目标成本。这也是一个协同工作的过程，财务部需应用到设计部门提供的BOM、工艺路线、工作时间的信息，采用作业成本法，才能科学地进行目标成本分解

具体来说，从以下几方面人手：

（1）物料清单(BOM/BiII of Materia1)

BOM是完整的、正式的、结构化的组成一个产品的部件清单。该清单包含每个部件的物料编号、数量和计量单位。是自动生产材料成本的关键数据来源，并决定了计算顺序。物料清单可能包括半成品，而半成品本身也有物料清单，这样构成了多层物料清单。BOM可由设计部门创建，财务、生产、储运部门共享，具有惟一的BOM编号及用途。

（2）工作中心(Work center)

工作中心在产品目标成本分解中是计算人工成本和制造费用的基础，在工作中心定义了与产品成本相关的公式。

（3）工艺路线(ROUTING )

工艺路线描述了生产一种产品所需的每一道工序以及执行这些工序的先后顺序。包含了每一道工序在哪个工作中心中执行，需要哪些材料部件以及其他的一些计算生产期、产能、生产成本相关的技术信息。对每道工序，还需定义该工序的作业(Activity)数量。

（4）成本中心

成本中心是目标成本分解、归集与控制的组织机构，在能明确成本控制责任和方便成本核算原则下，工作中心与成本中心可是多对一关系或一对一关系。在成本中心，通过各种BOM中物料成本、工艺路线定义的作业与工作中心定义的公式，汇总即可得产品各层级的目标成本。

（5）精益设计(Lean Engineering)的实现

可通过“设试、量试阶段解决消除所有缺陷”、缩短设计周期、主查负责制的项目组织形式、品质预测以及计算机技术的应用实现精益设计。

（6）设试、量试阶段解决消除所有缺陷

工业产品从设计开发到大批量生产，一般要经过设计试做(简称设试)、试量生产(简称量试)以及大批量生产(简称量产)三个阶段，对于复杂的工业产品，例如汽车还要追加技术试做等阶段。要实现及时生产，在量试阶段就要消除所有设计缺陷。

量试阶段消除所有缺陷使得设计的总损耗最小。在设计试做、量试、量产阶段，总损耗设计试作的单件损耗虽然很高，但因生产数量极少，总损耗不会太大。在量试开始，产品数量增多，虽然单件产品损耗率比设计试作时少，但总量比设计试作要多，总损耗增加。到大批量生产时，每天产量较高，在初期如果产品品质不能稳定，发生因品质问题停线及改造产品等情况，其损失可能巨大。因此，尽量将问题在批量生产前解决及缩短整个过程时间，保证新产品能高品质低损耗、快速地推向市场，已成为企业提升竞争力的利器。

（7）缩短设计周期

设计周期的缩短主要通过产品模块化设计、并行工程来解决。模块化(UNIT)设计也称单元化设计，产品由若干个模块(单元)组成，每个模块(单元)实现产品的一部分机能(功能)，所有模块(单元、组件)组合后实现了产品全部机能(功能)的方式称为模块化设计。每个模块实现产品所需部分机能，全部组合后实现产品的全部机能，每个单元可以独立装拆，又可独立升级改进。只要某个单元(或若干单元)有了改进升级，整个产品的部分机能就能得到改进及升级。

工具应用

传统上工厂设计的理论方法可以分为定性方法与定量方法两类。其中定性方法主要有缪赛提出的系统布置设计(SLP)方法、Reed的工厂布置方法；定量化方法主要有作业单位两两交换法、CRAFT法、图论法、混合整数规划(Mixed Integer Programming，MIP)等。也有学者将智能化算法，如模拟退火、遗传算法应用到工厂设计当中。这些方法都从某种程度上为决策者进行科学的工厂设计、快速地选择设计方案起到了积极的作用，但这些方法也都有一定的不足，如当部门较多、部门形状非矩阵形等情况下难以得到理想解。实践中，设计院在进行工厂方案设计时多采用专家意见法，设计过程中的主要依据是设计人员的经验。这种方法主观性强，且静态的设计模式难以反映各部分之间的相互关系，同时设计方案的实际运行状况难以显示，不能适应环境变化及企业战略调整的需要。

仿真技术凭借其在智能化、可视化等方面的明显优势，应用范围越来越广泛，将仿真技术应用到工厂的精益设计当中，不仅可以解决部门多、工艺复杂的设计问题，同时它还可以使工厂设计具有柔性”’，更好地在设计阶段发现问题、消除浪费。具体讲，仿真技术应用在工厂设计中具有以下优势‘：

(1)直观、可视。通过一个三维的、直观的、可交互的仿真模型，使决策者清晰地了解各工厂设计方案的运行情况，为科学决策提供信服的依据。

(2)能处理复杂的设计方案。通过参数的调整、实体的改变，可以较理想地处理部门较多、工艺复杂的设计方案。

(3)良好的柔性。可以实现对诸如产品调整、订单变更、机器故障等各种动态的、难以预测的状态进行仿真，实现各种例外情况下对设计方案的分析与评价。

(4)较强的数理统计功能。仿真技术可以提供各关键指标的统计数据、图表，为设计者进一步分析原有企业或设计模型存在的问题提供了便利。

(5)合理的时间消耗。通过实体参数调整及仿真速度控制，可以在较短的时间内模拟工厂一个季度、一年及更长时间的运行情况，可以分析企业的经营状况，为工厂设计者节约大量时间及资本投入。

5 结论

企业在导入及应用精益生产的过程中，应牢牢把握精益思想的内涵。精益工厂设计的提出及应用可以打破人们在应用精益生产的实践中存在的种种误区，同时为企业进行改善活动提供了一个新的角度。从设计环节开始应用精益思想消除浪费环节，能够在相对可控的前提下避免浪费的发生，并提高设计方案对环境变化及战略调整的适应能力，进而提升改善活动的成功率，改善成效也会显著提升。精益设计在实践中的广泛应用，定能为我国企业提升绩效、消除浪费提供一个理想的平台。