第5章_面向质量的设计1

引言：日本著名质量管理专家田口玄一博士：“产品的质量是设计出来的，其次才是制造出来的”只有提高设计质量，才能使产品质量性能稳定。设计一旦完成，产品的固有质量也随之而定。ISO9000标准中给设计和开发下的定义：设计与开发designanddevelopment定义——将要求转换为产品、过程或体系的规定的特性或规范的一组过程。1、设计和开发有时是同义的，有时用于规定整个设计开发过程不同的阶段。2、设计和开发的性质可加修饰词如产品的设计和开发，过程的设计和开发。有很多组织是否包含设计和开发主功能，要认真识别。3、设计的输出可以是图纸、技术规范、规程，原材料、标准件清单等。第五章面向质量的设计设计阶段是一个系统过程，包括：调查研究，产品功能定义，技术研究和选择，可行性研究和决策，方案选择及立项，工艺设计和试制，试验鉴定等影响设计阶段质量的关键工作。要加强产品设计阶段的质量管理，应按ISO9001标准中7.3设计控制要求制定严格规范的程序实施和监控。如何提高设计质量？采用先进的质量工程技术方法是改进设计质量，提高顾客满意的保证。目前常用方法：质量功能展开、田口稳健性设计（RobustDesign），并行工程，响应面法，产品全生命周期工程设计、可靠性设计、FMEA，APQP等。第一节三次设计一、概述20世纪70年代，是由日本质量专家田口玄一创立的一种系统设计方法。与传统的设计方法不同，他将产品设计过程分为三个阶段：系统设计、参数设计和容差设计。核心思想：在产品设计阶段进行质量控制，运用正交设计方法来选择零部件最佳参数组合及最合理的公差范围，用廉价的零部件组装成质优、价廉、性能稳定、抗干扰性强的产品。因此三次设计的重点是参数设计，也称为稳健（健壮、鲁棒）性设计（RobustDesign）。理论基础：田口质量理论体系（线外质量控制）1、田口质量观；2、质量损失函数；3、信噪比；4、正交设计试验法。质量工程（QE）线外质量控制产品设计工艺设计稳健性设计实验设计田口三阶段设计统计过程控制田口线内控制线内质量控制顾客声音（VOC)质量设计策划设计质量制造过程的检测和控制检测技术销售及售后服务顾客的信息反馈质量功能展开（QFD），新七种工具，并行工程，产品质量先期策划(APQP)，六西格玛设计(DFSS)工程技术知识，工作结构分解等试验设计（DOE），稳健性设计(RobustDesign)田口三次设计方法，可靠性设计，故障模式及影响性分析（FMEA）、波动、仿真分析等先进的质量系统（AQS），先进制造技术，SPC，在线质量控制技术测量系统分析（MSA），先进测试技术（CAT，CMM，，CCD等），抽样检验方法，质量工程QE质量工程及其技术田口方法日本著名质量管理专家田口玄一博士于20世纪70年代把数理统计、工程技术和经济学结合起来，并应用于质量管理中，创造了田口方法（田口称之为质量工程学），取得了显著的效果。产品质量田口博士对产品质量的定义为“是指产品上市后给社会带来的损失大小，但由于产品功能本身所产生的损失除外”。据资料介绍，日本数百家公司每年应用田口方法完成10万项左右的实例项目研究，在不增加成本的情况下，大大提高了产品设计和制造质量。田口的稳健性设计方法被日本人作为日本产品打入国际市场并畅销不衰的奥妙之一；是日本经济腾飞的秘诀和成功之道。许多大公司的“设计规程”中明确指出设计人员在设计过程中必须采用田口方法的稳健性优化设计方法，否则在技术评审中难以通过。美国波音公司已采用田口方法成功地进行了飞机尾翼设计。美国航空航天局从94年开始计划用3—4年时间推行田口方法，从对高级领导人进行培训、转变观念入手，并首先在航天飞机燃料储箱设计中应用。田口方法在美国工业界的广泛的应用美国每年完成的案例在5000个以上。美国应用田口方法节约经费达九百万美元，另外，美国70%以上的工程技术人员了解田口方法。由于世界范围内高技术产业兴起和社会生产力的迅速发展，国际市场竞争的焦点已开始由价格的竞争转向质量设计的竞争。设计竞争的严峻形势迫使每个企业重新考虑其质量经营战略。田口方法不仅提倡充分利用廉价的元件來设计和制造出高品质的產品，而且使用先进的实验设计技术来降低设计试验费用，這也正是田口方法对传统思想的革命性改变．为企业增加效益指出了一個新方向。日本的技术人员经常在生产车间运用田口法改进产品和生产流程。目的是使工程设计对不可控因素不要太敏感，从而把外部变量对设计效果的影响减至最低，这就能大大减低零部件和装配容差，因为这两种容差是导致生产成本的最主要因素。在日本，由于广泛采用三次设计，产生了巨大的经济效益。田口玄一曾为新日本电器公司生产的彩色电视机的稳压电源进行了参数设计，每年能增加收入67亿日元。据称，日本80%的质量改进收益是由田口法带来的。而日本的质量改进使美国的许多行业叹服不已，所以田口法在上世纪八十年代初引入美国。首先在FORT公司获得成功并引起轰动。之后，施乐、ITT、波音等公司应用取得实效。之后，田口法在国际质量学术界获得公认并进入质量工程领域的教科书。据MIT调查，70%以上的美国工程技术人员均了解田口法。田口法于己于1980引入我国，首先在机械工业获得应用。1985年，兵器工业部大力推广，取得显著实效的案例近代200项。4次荣获戴明奖的田口一整套设计决策工具以及他简单易懂的产品开发观得到了系统而广泛的应用，因而为许多企业迅速生产低成本、高质量的世界一流产品做出了巨大贡献。田口质量理论体系田口质量观、质量损失函数、信噪比、正交实验法线外质量控制off-lineQualitycontrol系统设计systemdesign参数设计parameterdesign容差设计Tolerancedesign线内质量控制on-lineQualitycontrol工序诊断与调整预测与校正检验与处理二、田口质量理论体系（Tahuchi）1、田口质量观用产品上市后给社会造成的损失来度量质量，把质量与经济性紧密结合，使质量变成了一种可度量的量。2、质量损失函数（QualityLossFunction）产品功能波动客观存在，有功能波动就会造成社会损失。所谓质量损失函数是指定量表述产品功能波动与社会损失之间关系的函数。其中：L（y）—质量损失函数，m—目标值K—比例常数；y—产品输出特性，y=m时，L（y）=0y-m=0时，L(y)=02Lykym（）（）质量损失函数主要用于容差设计中。正交实质量损失函数3、信噪比——参数设计的稳健性指标信噪比=信号/噪声=Signal/Noise灵敏度S——评定产品质量特性平均水平的指标22()()10lgmemeeeSVSVdBnVnV)(1emVSnSnynTSniim/)(212)(112mnieSynV4、正交实验设计（略）田口质量理论体系指导思想：以顾客的要求为设计目标，采用质量功能展开（QFD）、参数设计、容差设计等方法J进行优化设计，把问题消除在设计阶段，以最经济的手段获得高质量、高可靠性、稳健的产品。稳健性设计：优化产品设计参数使产品质量波动小、抗干扰性强、信噪比大。三、三次设计的指导思想和内容（一）系统设计（第一次设计）1、利用专业知识和技术规划产品，研究和开发，设计整个系统的结构和功能；2、建模：建立产品质量特性和各参数的关系，有可计算和不可计算数学模型；3、确定产品技术参数，输出产品总图、零件图，预选材料和元器件。（二）参数设计（第二次设计）1、分析可控因素，误差因素，并选择可控因素最佳水平；2、利用正交实验优化设计参数；3、用最经济的手段确定各参数最优水平组合方案，使系统的质量特性波动最小，对噪声最不敏感。（三）容差设计（第三次设计）1、利用质量损失函数、正交设计、正交多项回归式确定各参数的合理容差；2、质量和经济性相结合，选择既经济又能满足要求的元器件及零配件，对影响大的参数或元件给予较小的公差，对影响小的参数或元件给予较大的公差；3、总成本最小。对客户需求的重视程度不同；设计目标和评价标准不同；着重点不同；工程更改的次数及分布不同；主导思想不同；产生的经济和社会效益不同。四、三次设计和传统设计的比较第二节质量功能展开（QFD）基本概念QFD方法顾客需求的转化质量屋QFD过程QFD的工作程序计算机辅助QFD（CAQFD）一、基本概念QFD（QualityFunctionDevelopment）是一个把顾客或市场的定性需求转化为定量的设计要求、零部件特性、工艺要求的多层次演绎分析方法。它是一种在设计阶段应用的系统方法，采用规范化的方法将顾客或市场的需求精确地转移到产品寿命循环的各个阶段的有关技术和措施中去。以最短的时间，最低的成本生产出满足顾客需求的高质量产品。二、QFD方法从本质上讲，QFD是一种对顾客需求的直观展开和规划的方法。采用规范的方法将顾客所需的质量特性转换为产品的一系列工程特性。基本工具是质量屋。质量屋的概念质量屋（HouseofQuality）是一种直观的矩阵框架表达形式，是QFD方法的工具。通常的质量屋如下页图所示，其由以下几个广义矩阵部分组成：WHATS矩阵，表示需求什么；HOWS矩阵，表示针对需求怎样去做；WHATS与HOWS相关关系矩阵，表示两者的相关关系；HOWS的相互关系矩阵，表示HOWS阵内各项目的关联关系；评价矩阵，表示HOWS项的组织度或技术成本评价情况；竞争性或可行性评价矩阵与竞争对手进行比较。屋顶顾客需求技术评估竞争分析关系矩阵技术特性质量屋关系矩阵竞争分析技术特性顾客需求技术评估屋顶从另一角度讲，QFD可以视为一个由产品规划、零部件设计、工艺规划和生产计划等四个阶段组成的系列过程：产品规划阶段的质量屋零部件设计阶段的质量屋工艺规划阶段的质量屋生产计划阶段的质量屋绝对权度Wi绝对权度Wai重要度Ii销售点Si改进比例Ri目标T本企业U…企业A零件特性np…零件特性4零件特性3零件特性2零件特性1屋顶…顾客需求4顾客需求3顾客需求2…r11顾客需求1顾客需求Ci竞争分析企业Br12r13r14r21r22r23r24r2npr1npr31r41rnc1……………………顾客需求ncrnc2rnc3rnc4rncnpr32r33r34r3npr4npr42r43r44质量屋结构（技术评估部分）技术指标值相对重要程度Tj重要程度Tai本企业…企业B企业A技术评估零件特性np…零件特性4零件特性3零件特性2零件特性1屋顶竞争分析……r11顾客需求1顾客需求Cir12r13r14r1nprnc1……………顾客需求ncrnc2rnc3rnc4rncnp二、质量屋中参数的配置及计算下面以产品规划矩阵为例说明质量屋中参数的配置及计算。1.首先，对顾客需求按照性能(功能)、可信性(包括可用性、可靠性和维修性等)、安全性、适应性、经济性(设计成本、制造成本和使用成本)和时间性(产品寿命和及时交货)等进行分类，并根据分类结果将获取的顾客需求直接配置至产品规划质量屋中相应的位置。然后，对各需求按相互间的相对重要度进行标定。具体可采用1~9数字分10个级别标定各需求的重要度。数值越大，说明重要度越高；反之，说明重要度低。2.技术需求在配置技术需求时，应注意满足以下三个条件：(1)针对性，即技术需求要针对所配置的顾客需求。(2)可测量性。为了便于实施对技术需求的控制，技术需求应可测定。(3)宏观性。技术需求只是为以后的产品设计提供指导和评价准则，而不是具体的产品整体方案设计。对于技术需求，要从宏观上以技术性能的形成来描述。3.关系矩阵顾客需求与技术需求之间的关系矩阵直观地说明了技术需求是否适当地覆盖了顾客需求。如果关系矩阵中相关符号很少或大部分是“弱”相关符号，则表示技术需求没有足够地满足顾客需求，应对它进行修正。关系矩阵中nc和np分别指的是顾客需求和技术需求的个数，rij(i=1,2,3,…,nc；j=1,2,3,…,np)指的是第i