應用構型管理提升客製化製造管理效率

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  面對產品少量多樣,客製化與複雜度增加的趨勢,如何有效串連產品開發製造驗證各階段,管理產品全生命週期全過程全要素的資訊整合與共用,以創造企業內各專業部門與供應鏈、客戶端協同環境,解決在產品在全生命週期內持續改進、變更所牽動相關資訊演變、轉化、傳遞、使用、存儲、複製等活動過程中相關資訊遺漏缺失之問題,降低對產品的技術狀態處於不可控之影響,避免最終生產出的實體產品與前期需求的目標不一致情況發生機率,達成兼顧市場客製化需求及企業規模製造效益,發展「構型管理」(Configuration Management)為可行之解決方案。

  構型管理即在產品全生命週期內,建立和維護產品及組成產品功能和物理特性與產品需求/設計要求和構型資訊之間的一致性的確認與管理過程。構型管理源自美國太空火箭計畫,於冷戰1950年代期間美國決定發展太空火箭計畫以取得軍備競賽優勢。為達到成功發射之目標,嚴謹依照概念定義、設計、製造、組裝及測試等程序進行研製,並將全系統拆分成許多子系統,分功能組負責執行,以降低火箭系統研製複雜度,同時縮短研製時程。進展到後期整合階段,工程設計人員隨時在製造、測試現場,提供即時之工程修改方法讓整合工作能有效推進。當火箭順利成功發射,軍方隨即提出訂單,但此時卻發現無法再製造出第二枚相同的火箭,因為在研製階段頻繁修改各子系統界面整合之工程設計,其修改內容並未留下完整資料,而研製成品已隨火箭發射而消失了,全部又回到了原點。自此美軍了解構型管理之重要,並逐步完善構型管理作法。國際間對構型管理的生命歷程中,也逐步發展出相應標準與指南,與之關聯與相屬,如MIL-STD-480系列、MIL-973、EIA649B、ISO10007、GJB3206A、QJ3118、MIL-HDBK-61B、EIA-828、EIA-836 STD等等。

  我國隨著對美軍購案,也引入構型管理遂行後勤管理、後勤支援及後勤工程等各項任務。如圖1展示出我國海軍以構型管理進行全壽期整體後勤文件發展與運用流程。

圖1、我國海軍全壽期整體後勤文件發展與運用流程

  此外,在講求資訊化、數位化的現在,傳統以單項專案建置資訊系統方式,讓系統變得日益龐雜繁瑣,形成資料孤島,侷限於資料整合和串接一體化程度,間接使得公司整合層次的系統敏捷性變差、擴展能力不強,資料散落無法有效串接整合,常出現當產品發生故障、改型與改裝時,需要追溯設計與生產變更的各種構型檔案時,如客戶需求得到合約管理系統中去找、工程圖與數模變更得到PDM系統中去找、工藝與製造的變更得到MES中去找、材料變更得到ERP系統中去找、售服維修記錄與使用手冊得到售服系統中去找、出貨需要交付的出貨、檢驗、運輸通關等文件得到檔案管理系統中去找等等。可藉由構型管理建立過程同步解決,形成真正的單一數據源與統一的構型資料庫,進而成為發展基於模型定義MBD(Model Based Definition,MBD)技術基礎,將產品的所有相關設計定義、工藝描述、屬性和管理等資訊都附著在產品數位模型中,真正數位轉型成為基於模型的企業(Model Based Enterprise,MBE)。MBD技術的進一步發展和深入應用即為數位雙生(Digilal Twin,DT),邁向智慧化設計、製造、驗證技術一個新的臺階。此過程自波音787飛機研發首次引入,歷經幾個大型研製計畫如空巴A380、F35等驗證成功,是以建立構型管理為實現智慧製造的基礎。

  探討「構型」之組成係包含產品的功能與實體特性兩部分;功能特性如最大速度、加速度、耐溫程度、功率、可靠度、升降溫速度等;實體特性如外型、尺寸、重量、顏色、粗糙度、透明度等。產品系統研發之應用,從市場趨勢、客戶需求、概念發展、工藝發展以至於研發定型、樣品確認、生產驗測、售服維修、性能提升及汰除等,整體之構型項目規格,均不斷在演進。構型管理之目的,即在管制演進過程之構型變異中,期使一個龐大產品系統,均能在有條理、有系統之管制下順利運作,更能利於後續的產品需求規劃與規格設計控制。如同圖2所示:

圖2、構型管理架構

  其所包含產品物理實體資訊與設計資訊之對照關聯如下圖3所示,各種產品資訊將透過功能模型與其所帶規格屬性進行紀錄與管理。

  為利說明,以筆者輔導案例進行說明,本案例為塑膠模具製造業者,外銷佔80%,營運模式為緊密與真空成型設備商及客戶合作,具備設計製造+組裝驗證一條龍服務能力。以體系協作方式,發展模具數位化設計與智慧服務能力,確保品質性能,降低設計重工,並支援智慧報價所需,提供快速接單與製造能力。故期望以構型管理為核心,支應未來模具智慧服務商業模式,如下圖4。

圖4、模具智慧服務商業模式體系圖

  其產品結構如下:

  本次專案期望構型管理能達到如下目的:

  • 界定產品系統之功能與性能。
  • 管制產品系統全生命週期中之各項目的變更。
  • 支援產品驗證與客戶量產。
  • 落實文件建檔及管制作業。
  • 有效管理客戶需求與時程管制。
  • 提升作業績效及降低重工率。
  • 支援後續售服活動。

一、構型認定

  「構型認定」是一項逐漸演進之程序,其產出物是一系列描述產品系統或組件(模組)之相關說明文件、藍圖等,文件範疇涵蓋產品系統發展過程、製程、測試、運輸、儲存、使用、維修等全生命週期之所有文件。為了達成構型認定,基礎執行工作需包含有:(1)選定型態項目;(2)配合產品系統全生命週期發展,建立功能、配置、產品型態基準;(3)對型態項目及其零組件與所屬的型態文件,賦予識別編碼,包括適當的更新版本及編號;(4)確保品項與文件之標示或標籤與適用的識別碼一致。

  構型項目的選定,係基於經驗和利益的判斷而作成管理上之決定。構型項目太多將增加行政管理之工作及處理工程變更之負荷,影響研發時程與管理成本;而項目太少將造成研製後期處理介面工程費時,售服維修困難等。一般考量因素有可管理的組合件、共有模組、工件、工件加工發包系統、可應用之成型設備型號、現有料件及應用現有料件修改項次、新設計項目、介面系統、功能、廠商、外型尺寸等因素。針對以上眾多考量因素而設計下列問題,作為衡量是否列入型態管理項目的參考,若大部分的問題是肯定的,則該項目應予列入型態管理。可參考圖5。

圖5、構型認定結構

二、構型基準

  構型項目選定後,需建立「構型基準」將構型明確規範。因此構型基準之建立為構型管理的基本要素;經由評估確認後,形成共同認可的起始基本文件,之後任何產品發展過程各項活動產生的新增需求或修改,均須按照一定的程序完成核准作業,並作成完整的紀錄,而依照研發期程,完整之「構型基準」則應包含功能構型、配置構型與產品構型等三項基準文件。

  (一)功能構型文件

  研發單位在概念設計完成時即需建立依據客戶需求所定義的系統規格,並對計畫需求之技術規格部分,做一明確之定義,並明載於產品開發計畫內,以做為產品系統發展管理及設計依據;此即為功能構型文件。

  (二)配置構型文件

  配置構型文件即來自於研發的系統規格,主要乃描述次系統(模組)構型項目之功能特性。係對所有構型項目給予性能需求之定義,須在設計驗證階段或分系統設計階段完成,它包括所有發展規格(Development specification)及如何去達成系統功能需求之一些要項。本文件亦為次系統間之介面特性、介面需求等之最初核可文件。於產品發展初期公告,可藉測試與模擬來驗證規格與介面之功能特性。

  (三)產品構型文件

  產品構型基準必須在全型發展完成時建立,對每一構型項目或系統產品,均有詳細的設計相關文件予以描述,其內容涵蓋到售服支援、採購策略的細部規範。完整的產品構型文件包含產品、材料、設計/製程/品質規範、所有製造需求、工程藍圖及軟體/韌體與運輸包裝等之規格及其他足夠據以生產所組成之完整技術資料文件;是進行生產所需之要件,也是研發進入生產之根本需求。依據它照做而產生之產品經確認無誤後,即應完成樣品或首件試製;復經功能構型稽核及物理構型稽核完成確認後,才能算是正式生產所需之產品構型基準。

  本次專案簡化以屬性方式進行來記錄管理相關各活動資訊,如下圖所示。

圖6、構型基準管理結構

三、構型管制

  當構型項目建立基準後,在研發過程中需依據構型基準執行各相關工件製作,但對一項新開發項目而言,要求在全全生命週期中構型完全不變是相當不容易的,所以「構型管制」即為系統化變更過程的規定與建議,其完整的修正程序包含變更建議書擬定、研討、評估、協調、裁決(同意或不同意),以及進行所有核可變更之執行,並交由「文管中心」或「構型管制委員會(Configuration Control Board ,CCB)」負責全程構型變更管制工作,主導構型變更之分析、審查與核准作業。對申請單位所提之各類工程修改申請文件內容加以審查,並考量時程、預算、技術、介面影響及對於原專案基準(品質、時程、成本等基準)的衝擊分析、所需的資源、工作時程分析等諸般因素研析後,決定是否同意執行;針對同意變更之項目,決定變更時機及變更方式,並確實督導管制申請單位及相關單位完成變更作業。

  當專案計畫開始執行後,構型變更影響層面是相當廣的,例如計畫執行進度會因構型修正與否而導致時程可能延後,然全案卻因此變動,所需考慮的因素則包含:預算是否會增加、功能是否會受影響、是否要重新設計夾制具、製程與加工商是否要調整、目前庫存品可否應用、檢驗程序是否要修改、檢驗設備是否要配合調整、技術手冊/SOP/SIP是否修正等。

  最上層系統規格中,亦要訂定必須符合項目構型或功能(即不可變更功能),以便於構型變更計畫提出時可藉以評估執行與否之參考因素。目前為了減少在研發階段後期因構型變更而致對全案執行進度的影響,已有同步工程(concurrent engineering)的應用。借助此技術大量應用資訊科技於設計階段,即將製程、市場因素、材料來源與操作性等因素,同時納入考量,以便設計初期,即可將問題解決,因而大大縮減研發期程。研發過程中可應用同步工程來大幅度將工程變更次數縮減,另工程變更次數與所需經費之關係,尤在研發階段後期,雖然只是小小的變更對整體的經費花費卻有相當大的影響,所以工程變更的決定與否必須相當謹慎。

四、構型稽核

  構型稽核可分為功能構型稽核(FCA-Functional Configuration Audit)與實體構型稽核(PCA-Physical Configuration Audit);其中功能構型稽核是針對開發後期之產品構型進行稽核,其目的在查核測試結果與發展規範是否一致。實體構型稽核則是對量產部署初期之產品構型進行稽核,主要是查核藍圖、製程與產品之一致性。藉由構型稽核可確定生產之產品與使用者之需求規格是相符的,提供生產前之注意事項。

(一)功能構型稽核(FCA)

  當執行測試與評估時須執行功能構型稽核,以驗證現有構型項目之功能可滿足構型基準(FCB)與分項構型基準(ACB)所規定的需求,其工作項目如下:

  (1)提出稽核項目之測試計畫、測試程序、測試報告、檢查及分析結果之對照,以確認測試結果可滿足需求。

  (2)列出未能滿足需求項目及其修正方案,視其影響程度決定是否提出工程變更。

  (3)建立及記錄品質保證滿意程度,發布稽核會議紀錄。

  (4)將稽核結果記錄於構型資訊系統中,建立完整的文件資料。

(二)實體構型稽核(PCA)

  為驗證並確保構型項目之產製品與其相關之技術文件或藍圖一致,以建立或驗證構型項目之產品基準;品保單位亦可由此決定該構型項目接收測試需求是否正確。

  由上可知,實體構型稽核係於功能構型稽核執行完成後開始,藉由完整而成功之實體構型稽核,可確保量產之品質是符合使用者的需求。其工作為稽查下列文件之完整性:

  (1) 產品規格(系統規格)。

  (2) 藍圖文件(含Creo、SolidWorks等CAD圖檔文件)。

  (3) 生產相關資料(工件清冊、製造程序等)。

  (4) 品管資料紀錄。

  (5) 維護手冊。

  (6) 軟體程式文件(含數控機加工程式、CAM等)。

  (7) 技術手冊。

結語

  產品系統發展已走向包含需求、概念、研究、發展、製造、組裝、測試、量產、售服等階段之全面性計畫,所要考量的範圍涵蓋計畫、工程、品保、操作維修、技術文件、備份需求、可靠度、維修度、安全度等。運用「構型管理」可在一定時程、經費限制下,順利推動完成符合需求之產品。

  此外,技術文件、藍圖、料件表等,代表著產品研發成果,其重要性不亞於產品實體交付,藉由構型管理,將所有文件律定統一之格式、內容及編號系統,並制訂發行與變更管制流程及審核單,使所有文件一致化並利於保存,除將研發人員之集體智慧和實際經驗予以留存,提供下次相同類型產品生產所需,節省產品實現過程成本,另可提供過程中溯源稽核所需,尤其在面對複雜的客製化產品常會因組件性能無法達成要求或因累積公差致使組配、驗證過程不順利時,可快速查找索引發掘根因,降低重工頻率,有效改善組裝效率。藉由構型管理之推動逐步如期、如質、如預算,達成獲得產品量產交付之目標,奠定接續「智慧選型」發展基礎。

 

參考資料:

https://navy.mnd.gov.tw/PolicyRoom/Policy_Info.aspx?ID=8&CID=30054&PID=21
〈Current Standards Landscape for Smart Manufacturing Systems〉,NIST, U.S. Department of Commerce,2016/02。

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