实现质量导向的设计策略和方法

1.面向质量的设计的实现策略

面向质量的设计的实现策略是质量驱动的集成化产品和过程开发（Integrat-ed Product and Process Development，IPPD）形式。它强调每一设计阶段中制定目标、合成、评价决策过程的分离，通过对每一过程实施相应的方法和工具来增强质量保证的可能性。由于质量分解、合成的引入，使设计阶段综合考虑到一切与产品质量有关的活动，将质量管理与控制活动融入设计中，将质量设计到产品中，保证设计的完善性。

2.面向质量的设计的工具

面向质量的设计是近几年来在现代设计思想、方法的基础上提出并发展起来的，一些早已有的、比较成熟的面向质量的设计方法、工具及面向质量的设计思想指导下新开发的方法、工具构成了面向质量的设计领域的强大的方法、工具库。面向质量的设计对应每一设计阶段都有相应的三个过程：确定质量目标、质量分解与合成、质量评价与决策。面向质量的设计的工具也相应分为三类。

（1）确定质量目标的工具 目前常用的工具是质量功能配置（Quality Func-tion Deployment，QFD），它是由日本Shigeru Mizuno博士于20世纪60年代提出来的，进入80年代后被介绍到欧美，引起广泛的研究和应用。确定质量目标就是要确保以顾客需求来驱动产品的设计和生产，具体做法是采用矩阵图解法，通过定义“做什么”和“如何做”将顾客要求逐步展开，逐层转换为设计要求、零件要求、工艺要求和生产要求。

面向质量的设计的基本工具是质量屋（House Of Quality，HOQ）。质量屋是由若干个矩阵组成的样子像一幢房屋的平面图形。一个产品计划阶段的质量屋的组成如图5-4所示。

图5-4 质量屋

图5-4中的质量屋包括了反映产品设计要求的行矩阵、反映顾客要求的列矩阵、表示设计要求与顾客要求之间关系的矩阵。质量屋的屋顶是个三角形，表示各个设计要求之间的相互关系。质量屋还包括计划开发的产品竞争能力的市场评估矩阵，矩阵中既要填写本企业产品的竞争能力的评估数据，也要填写主要竞争对手竞争能力的评估数据。质量屋底部是技术和成本评估矩阵，矩阵中的数据都是相对于设计要求的，矩阵中包括了本企业产品和主要竞争对手产品的技术和成本估价数据。

质量屋不仅可以用于产品计划阶段，它还可以应用在产品设计阶段（包括部件设计和零件设计）、工艺设计阶段、生产计划阶段和质量控制阶段。一系列的相互关联的质量屋就构成一个完整的面向质量的设计系统。

面向质量的设计系统在设计阶段用以保证将顾客的要求准确转换成产品定义（产品具有的功能和性能，实现这些功能和保证这些性能的机构和零部件的形状、尺寸、内部材质及表面质量等）；在生产准备阶段和生产加工阶段，面向质量的设计系统可以保证将产品定义准确转换为产品制造工艺规程和制造过程，以确保制造出来的产品能满足顾客的要求。也就是说，面向质量的设计系统可以保证将顾客的需求较准确地转移成产品工程特性直至零部件的加工装配要求，取得保证产品质量、增强产品竞争力的效果。

在正确应用的前提下，面向质量的设计系统可以保证在产品生命全周期内，顾客的要求不会被曲解，避免出现功能缺失，同时也避免出现不必要的功能冗余，使产品的工程修改减至最少，并减少使用过程中的维修和运行消耗。

（2）实现质量分解与合成的工具 目前有多种方法被用来实现质量分解与合成，其中较典型的是三次设计法。它又称田口方法，是20世纪80年代初由日本田口博士提出的。

田口认为产品质量与其在生命周期内带来的社会损失有关，社会损失越小，产品质量越高。在这里，社会损失是指产品在生产过程中的费用（即成本）和用户对该产品的使用费用（使用与维护费用、工作中断造成的损失、修理费用等）。

引入损失函数来描述产品质量，设产品的输出特性值为x，其目标值为N，损失函数L（x）可表示为：L（x）=k（x-N）²，式中k为比例函数，可根据具体情况来确定。

根据上式可知，当产品的输出特性值x与目标值N相等时，损失函数为0，没有损失，一旦输出特性值x偏离目标值N，就会有损失，且损失随偏离程度的增大而成平方关系增大。当偏差增大到一定限度时，产品即为不合格，拒绝接受，此时造成的损失为最大，即废品损失或修复损失。

由图5-5可以看出，产品输出特性值x越接近目标值N，损失越小，即产品质量越好，用户满意度越高，因此在进行产品设计时应使输出特性值x尽可能接近目标值N，使损失降低到最小。(www.xing528.com)

在传统的质量控制中一般按公差进行控制，引入田口的损失函数概念，可画出传统质量控制的公差带图，如图5-6所示。由图5-6可看出，即使产品输出特性值x偏离了目标值N，只要还位于公差带范围内，就算合格，只有当产品输出特性值x超出了公差带，才会造成损失，显然，这是不尽合理的。

图5-5 田口损失函数图

图5-6 传统公差带图

田口方法将产品和过程设计分为以下3个阶段：

1）系统设计。系统设计是应用相关科学理论和工程知识，进行产品功能原理设计，产生关于该产品的新的概念、思想和方法，形成产品的整体结构和功能属性或过程的总体方案，即确定产品的形态和特性，并选择最恰当的加工方案和工艺路线。

2）参数设计。参数设计是确定产品的最佳参数（如部件的运动速度、零件的尺寸等）和过程的最佳参数（如加工零件的切削用量、热处理的温度等），以达到产品性能最优化的目标。

3）公差设计。公差设计是在各参数确定的基础上，进一步确定这些参数的公差，即参数的允许变动范围。公差太大会影响产品输出特性，公差太小又会导致加工难度大，制造成本增加，公差设计的实质是在成本与性能之间合理的平衡。

（3）评价决策方法和工具 由于评价决策问题的普遍性、重要性，它已成为最活跃的研究领域。各种各样定量、定性的评价决策方法应运而生，这些方法大部分都是用于详细的、具体的产品模型产生之后，尚缺乏适用于设计早期的评价方法。几种常见的评价方法有：

1）失效模式和效应分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA），是在系统设计过程中，通过对系统各组成单元潜在的各种失效模式及其对系统功能的影响与产生后果的严重程度进行分析，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品的可靠度。

2）故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA），是根据产品或系统可能产生的失效，利用失效树图分析，寻找一切可能导致此失效的原因。

3）设计评审，是运用科学原理和工程方法，发挥集体智慧，在设计的各个阶段对设计进行评议审查，及早发现和消除设计缺陷，以便对设计提出改进或为转入下一阶段提供决策依据。

4）多目标优化，是同时考虑多个目标在某种意义下的最优化问题，在工程设计、生产管理等领域比单目标优化更具有现实意义。

5）模糊综合评判，是利用隶属度函数和权重来表达指标优劣的模糊性和相对重要性，从而对模糊多目标系统进行评价和决策。

6）信息谱熵分析，是用信息熵测度产品关键性满足顾客需求的不确定性，以此作为备选方案中择优的依据。