精益研发之质量设计

　　图1 质量设计产品架构图

　　产品研发涉及到三个过程：系统工程展开、设计工程展开和工艺性展开，在这三个过程中，从精益研发平台进入，创新设计、协同仿真和质量设计联合运用。经过多次迭代，形成精益研发总线，最终整个研发过程会积累成研发知识库，从而形成企业知识资产的核心竞争力。只有进行科学而卓有成效的质量活动，企业才能获得巨大的利润空间。

　　设计过程决定产品质量

　　生产是按照设计图纸和工艺要求来实现产品。生产过程解决不了图纸设计不合理或工艺参数的设计先天问题。而质量检验是在生产完成后进行的符合性验证，属于事后检验，目的是挑出不合格的产品，它只是一个把关，而不能提高产品质量。设计过程制定了质量标准，决定了产品的固有质量。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，应该从设计源头入手。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。

　　质量设计方法论

　　1.现代产品设计理论

　　设计是一门科学。目前有大设计理论体系，对企业设计非常有帮助：

　　（1）欧洲的经典设计理论：强调设计是一个映射过程，功能的实现是能量和信息的转换，其揭示了设计过程的本质；

　　（2）苏联的创新设计理论：创新是有规律可循的，创新不是天才的专利，而是我们每个人都可以学习和掌握的；

　　（3）日本的稳健性设计理论：强调质量是要设计到产品里面去，包括系统设计、参数和容差设计；

　　（4）美国的公理设计理论：保持功能要求的独立性和信息含量最小化原则，侧重于为设计活动构造一个完整的实用性框架；

　　（5）美国的六西格玛设计：追求六西格玛质量，零缺陷。

　　现代企业研发工程师欠缺不是专业技术，而是缺乏系统的产品开发方法来加速产品开发过程，快速设计出高质量的产品。

　　2.质量设计方法论

　　把和质量密切相关的三个分支放在一起，构成了质量设计的理论体系；即：稳健性设计理论、六西格玛设计及公理设计理论。三者有区别也有联系，形成一整套切实有效的质量设计方法。质量设计也是一门科学，目标是建立强健的产品开发体系，设计出具有一流品质低缺陷低成本的产品。

　　（1）公理设计理论

　　公理设计理论提出了整体的公理化理论框架，它提供了评价和判别产品设计质量好坏的标准，并提供了提高质量的方法。公理化设计理念提出：从概念设计到初级设计再到产品设计阶段，进行逐级地设计和影射，从用户域到功能域再到物理域，最后一直到工艺领域。它提供了一系列的判断，在每一级的判断分解中，如果出现不好的设计苗头，就扼杀在萌芽的状态，不会把概念设计问题传递到详细设计中，把详细设计问题再传递到工艺设计中。

　　（2）稳健性设计

　　日本的稳健性设计理论的目标是要建立一个强健的开发体系，使得开发工程师无论是有经验的还是没有经验的设计员都能设计出来具有一流品质、低缺陷和低成本的产品。稳健性设计包含了系统设计、参数设计和容差设计。该理论提出：把顾客的质量要求分解转化成设计参数，形成预期目标值，最终要生产出低成本且性能稳定可靠的物美价廉的产品。

　　（3）六西格玛设计（见图2）

　　图2 六西格玛设计理论

　　六西格玛设计追求零缺陷，提供了设计过程中相关的工具和方法，象QFD、FMEA等，提供了设计后端特别是在工艺优化方面的方法；

　　PERA.Q的质量设计过程

　　1.质量设计技术体系

　　PERA.Q质量设计（见图3）包含了六大核心技术，分别是综合质量展开、公理设计、试验设计、稳健性设计、可靠性设计和面向X设计。这六大技术内部具有复杂的应用和数据的逻辑关系，采用统一的流程管理、数据管理和知识管理，实现技术应用的整合，通过多学科优化，实现设计后端的综合优化。

　　图3 PERA.Q质量设计体系

　　2.质量设计应用模型（见图4）

　　图4 质量设计应用模型

　　质量设计过程是从顾客的需求出发，从产品的概念设计到详细设计到工艺设计，把顾客的需求进行综合映射。即：以顾客需求为驱动，实现功能技术可靠性和成本等的逐级展开，形成可视化的设计图表。

　　在映射的过程当中进行公理化的判断，试验设计、稳健性设计、可靠性设计和面向X设计，最终形成企业设计的虚拟样机，通过底层的平台达成质量体系和目标。把顾客的需求到产品的应求进行一系列的映射，把各种方法封装到平台中，设计师不需要了解复杂的数学方法，从而帮助企业能够轻松地完成质量设计方法的应用。整个质量设计的过程，就是在普通设计的基础上，实现质量的设计和提升，形成高质量、高可靠性的虚拟数字样机。

　　（1）综合质量展开（QFD）：解决如何通过产品质量的策划，明确设计目标和重点的问题。以顾客需求为驱动，实现功能、技术、可靠性和成本等的逐级展开，形成可视化的设计图表。QFD的应用是多个质量屋分析和演绎的过程。按照ASI的应用模型，一般可分为四个阶段。上一级的输出会自动成为下一级的输入，从而实现从顾客需求到一级级的设计目标、工艺参数和控制条件的映射和转化。QFD的核心是质量屋，图景化地展现需求、技术特征、竞争分析、设计目标和它们之间的相关关系。这样，设计师就明白每个过程的需求是什么，用什么技术手段去解决，通过竞争比较，确定设计的重点、技术瓶颈以及目标值等。QFD是一个从前往后的展开系统。

　　其价值点为：

　　①实现了用户需求世界向技术世界的转换；②通过价值和竞争分析确定设计的目标和重点；③实现了设计开发过程的可视化；④快速利用原有的设计信息，大大减少了研制时间和设计更改。

　　（2）公理设计：在系统设计阶段对总体设计方案的分析和判断，主要解决系统性不合理的问题。从用户需求到设计参数的精确映射，快速分析和判别系统的耦合性，量化评价系统的复杂性，给系统简化和创新提供依据，从而实现最优的系统设计并有效地促进企业设计的模块化、标准化。

　　公理设计包含了整个设计过程的设计方法，它应用广泛，并和QFD、TRIZ、稳健性设计以及DFX等有着密切的联系。

　　（3）稳健性设计：在详细设计阶段，基于试验的结果分析，实现对参数和容差的优化。稳健性把质量设计放到产品里边，量化分析并确定产品的最佳参数和合理容差，实现了低成本、高质量的设计效果。

　　（4）正交试验设计（DOE）：利用正交表来安排和分析多因素的试验方案，从试验因素的全部水平组合中，挑选部分代表性的水平组合进行试验，通过对试验结果的分析，了解全面的试验情况，并找出最优的水平组合。

　　这样的试验方法，能够有效地减少试验的次数、降低试验成本并缩短研制周期。除了安排试验方案，还可以通过试验数据的分析，明确因素对于质量指标的影响程度，确定每个因素的最佳水平，通过多个因素的水平搭配，来实现最好的设计效果；

　　（5）可靠性设计与分析（FMEA）（见图5）：对产品的可靠性分配和预计，是在产品研发过程中不断进行的活动，与整个研发过程紧密结合。通过建立产品的故障信息库和失效及影响分析系统，实现改进措施向上级设计环节的信息反馈机制，通过产品可靠性指标分解和分析，实现可靠性指标的预计、分配、计算和预警，保证系统的可靠性。FMEA是从后往前的反馈系统。

　　图5 DFMA应用模型

　　（6）面向X设计（DFX）：DFX核心部分是解决设计方案的可制造性和可装配性等问题，即DFMA（面向制造和装配的设计），降低工艺和生产的难度。DFMA核心有两点：

　　通过优化设计，降低系统的复杂性和控制合理的参数与精度；

　　把生产过程的实际状况整理成设计规则，用来指导和评价设计方案。

　　（7）故障模式与影响分析：是从后往前的反馈过程，是将在后续过程出现的或可能出现的故障或缺陷，进行分析和预防。

　　.Q的特点

　　（1）构建了质量设计的系统化平台；

　　（2）实现质量设计理论方法的封装；

　　（3）与企业设计流程的有机结合；

　　（4）实现质量设计知识积累和重用。

　　结语

　　产品质量设计是有规律的，是一门科学，而不应该仅仅依靠经验来进行设计，只有构建系统化的质量设计平台，才能最大程度地发挥价值。

　　PERA.Q 是安世亚太精益研发平台的质量设计子平台，通过运用PERA.Q可以提升质量设计水平，从而提高产品的固有质量、降低成本并缩短产品研发周期。系统实现了质量设计知识积累和重用，提升了企业研发团队的整体设计水平，并可实现研发产品精确上市。