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数据处理在质控中的运用

时间:2020-03-24 05:14:02

随着产品设计和全面质量管理与控制理论方法研究的不断深入,人们慢慢发现:产品质量的70%-80%是在设计阶段决定的;产品设计阶段的质量控制是产品的“瓶颈”,在产品设计阶段进行质量控制成效比最高。所以,人们不断从改进产品设计过程本身和集成质量控制方法两方面来进行研究,出现了以大量相关的产品设计阶段质量控制理论、技术和方法。尽管如此,产品设计阶段质量控制情况却不容乐观:挑战号航天飞机爆炸事件、火星气候轨道太空船失踪事件等根源于设计阶段质量问题的重大事故层出不穷;据一项调查显示,日本制造业70%的质量损失都根源于设计阶段企业产品质量控制成本居高不下,而且其构成不合理,设计阶段质量控制预防成本比重有待提高。

为此,加强产品设计阶段的质量控制方法及技术的研究和实践,是提高产品整体质量水平,优化和降低整体质量成本的最好途径。本文首先在产品质量概念的基础之上明晰了产品设计质量的概念,提出产品设计质量控制层次模型,结合该模型,对当前典型的现代产品设计质量控制技术与方法的研究现状进行了综述,最后,总结了研究中存在的不足,并对后续研究作了初步的展望。逐步完善,从而对产品质量进行控制。

为了对产品设计阶段的质量进行全面有效的控制,首先必须明确控制对象,即描述清楚产品设计阶段质量内容与表现形式。虽然关于质量控制的研究文献很多,但质量的概念还没有得到有效的定义,为此不少研究机构与学者对产品质量、设计质量的定义进行了相关的研究,试图解决上述问题。

在产品质量定义方面,典型的研究如下:iso9001:2000标准给出的定义,产品质量即一组固有特性满足要求的程度;欧洲质量标准din55350给出的定义,产品质量即产品属性和特征满足给定要求的程度。此外,哈佛大学商学院davida.garvin教授提出的产品质量的8维框架概念,丹麦技术大学工程设计研究所教授mikkelmorup提出的2类质量论,即q和q。

产品设计质量是产品质量在设计阶段的实例化,在这方面典型的研究如下:欧洲著名工程设计专家hubka.v提出了9种影响产品设计质量的因素,即顾客需求、技术体系、设计过程、设计人员、质量保证工具、技术知识库、设计过程的管理、设计环境和设计人员使用的过程及方法;我国学者谢友柏院士从设计的观点认为,产品质量是从属于功能的,质量特性依附于产品设计特征之上,没有功能就谈不上质量,质量是实现功能的程度和持久性的一种度量;美国知名质量管理专家dr.gavinfinn提出,产品设计阶段的质量,是通过图纸和产品设计技术文件等的质量体现出来,度量的一般标准为:实现功能需求的充分性几何数据的准确性和设计数据对下游需求的适配性等;挪威科学技术大学的einarj.aa教授提出从概率的角度来定义设计质量,即设计对象满足规范的概率,q设计=p概率设计对象满足规范根据系统设计方法、公理化设计方法和功能-行为-结构演进设计方法,产品设计阶段可以描述为:将需求在一定的约束条件下,分阶段依次映射为功能模型、结构模型,最后生成工程图纸和产品说明书,产品参数状态依次为需求参数、功能描述参数、结构描述参数和结构特征参数等。从上可以看出,产品设计的实质是设计参数状态和特征属性的变化,产品设计参数是产品设计信息承载的主体。为此,在结合产品质量和产品设计质量概念相关研究基础之上,论文从便于设计质量控制的角度给出设计质量的概念:即产品设计阶段质量特性满足产品功能和性能约束等要求的程度,度量程度的标准是各级设计的输入,度量的形式为设计输出/设计输入,其中质量特性是产品各级设计参数向质量控制视图映射的集合,产品所有质量特性的集合构成产品数据的质量视图,它们是质量控制应用领域操作的主要对象。

在明晰产品设计质量概念的基础之上,为了对其进行不同层次的有效控制,同时便于系统地分析其控制策略和方法,提出如下的产品设计质量控制层次模型,如图1所示。...

从图中可以看出,对产品设计质量的控制可以从质量表现层、质量特性层和设计参数层等不同层次进行控制。质量表现层通过控制和消除质量问题的具体表现形式来达到,典型表现形式为功能波动、功能失效和设计错误等来保证产品设计质量,它属于产品设计质量控制的最外层;质量特性层通过控制决定和影响产品质量的质量特性来实现对产品设计质量的控制和保证,质量特性是产品的固有特性[10],可以从需求和各级产品设计参数中提取。它属于产品设计质量控制的中间层;设计参数层通过直接控制设计要求所关心的相关产品属性的设计参数,对其相关特性进行控制,达到对产品设计质量进行控制和保证的要求。它属于产品设计质量控制的最下层。随着人们慢慢意识到产品设计质量的重要性,如何使其得到有效的控制引起了学术界和工业界的广泛关注,在iso9000系列质量控制与管理标准体系的影响下,出现了一些实践证明行之有效的产品设计质量控制技术与方法。这些技术与方法在产品设计质量控制层次模型中分布如图2所示。

从上图中可以看出,这些技术和方法都从某个控制角度对产品设计阶段的质量进行控制,其中:失效模式与影响分析侧重从识别、分析和消除潜在功能失效来提高产品可靠性;田口方法侧重于通过增强设计方案的稳健性来提高产品质量,即提高产品抵抗制造和使用过程等外界环境因素波动的能力;产品设计波动风险管理法侧重于从总体上识别、评估和消除产品的关键特性的波动风险;设计过程防错法侧重于预防和控制设计阶段的错误来减少质量损失;质量功能配置侧重于优化产品定义,将顾客需求转化为工程要求,将顾客需求配置到设计当中去;六西格玛设计从质量改进的角度出发,以识别、优化和验证ctqs(criticaltoqualitycharacteristics,质量关键特性)为主线来提高产品设计质量;设计评估侧重对产品设计阶段性结果进行评估,评价其是否有能力满足相应的设计要求和设计约束,评估结论作为是否转入下一阶段设计的主要依据;产品属性及早确定方法[36]-[38]侧重于从预防设计缺陷负面影响,改进产品设计过程中分析计划,尽早对产品设计缺陷进行分析,确定产品属性,来保证产品设计质量;保质设计侧重于从总体上提出一套方法和工具来保证产品设计阶段的质量,由于质量概念的模糊性和广义性,保质设计正在成为一种集成dfx(designforx,面向产品全生命周期的设计)工具的集成框架。下面对六西格玛设计、保质设计、产品属性及早确定方法、产品设计波动风险管理和设计过程防错法等产品设计质量控制典型的技术和方法进行简要综述。

六西格玛设计(designforsixsigma,dfss)的初始思想起源于产品公差设计,随着实践的不断深入,渐渐地人们把这种思想应用到产品的参数设计、结构设计、功能设计和产品定义阶段等产品设计全阶段,渐渐地形成了贯穿于产品设计阶段的一套理论方法体系。六西格玛设计提供了一套识别、分析和转换产品开发过程中各级ctqs(criticaltoqualitycharacteristics,质量关键特性)的流程、工具和方法。iddov(identify(识别)、define(界定)、develop(展开)、optimize(优化)、verify(验证))流程是大家公认的适应于制造业的六西格玛设计流程。美国著名六西格玛设计专家subir.chowdhury对iddov流程各个阶段的详细内容和支持工具和方法进行了总结,其中包括:全面质量管理工具、设计控制工具和可靠性设计工具等。关于六西格玛设计方法的研究主要分为六西格玛设计流程以及和现有设计过程的融合、工具方法的使用集成和dfss项目实施方法等方面。

保质设计(designforquality,dfq),又名面向质量的设计,其概念产生于20世纪八十年代末,它是面向质量的产品设计方法学,其基本思想是将质量保证措施与设计过程有机的结合在一起,将产品质量需求和质量特征融入到产品设计过程中,确保产品设计质量,缩短设计时间,降低设计成本。dfq是一种新兴的理论,正在不断地发展和完善。hubka认为:dfq就是建立一个知识系统,它能为设计者实现产品或过程的要求质量提供所有必须的知识;m.morup博士把质量分为q和q两类:q-外部质量,指顾客能感受到的质量,即最终产品所体现的特征、特性;q-内部质量,指企业内部为实现q而进行的一切生产活动的质量,如采购、设计、生产、装配等质量,并基于全面质量管理pdca(plan-do-check-action)环提出了dfq的基本活动单元:制定目标、质量合成与质量评价决策构成。其中,规划单元制定各阶段的质量目标,合成单元采用各种设计方法进行两类质量的目标,评价决策单元以各阶段的质量目标为基准,对各设计方案进行分析对比,对产品的质量进行验证与择优,保质设计过程实际就是在质量两类论的基础上,以基本活动单元为手段,设计相应的内部质量q来保证外部质量q的过程;在国内,浙江大学机械系教授吴昭同和余忠华教授对保质设计策略和方法、保质设计中方案评价及其关键技术和基于知识的保质设计专家系统进行了研究。

产品零件尺寸和工艺的波动是影响产品质量的主要原因之一,田口(taguchi)和戴明(deming)为此给出了大量的论据,sixsigma作为一套系统的通过消除波动来提高质量的方法的成功也证实了这一点。为此,为了改进产品设计过程,麻省理工学院机械工程系教授annac.thornton在分析对19家企业22种工业实践调查结果的基础上,提出了一套基于关键特性的消除产品设计过程波动及其影响的方法和工具:产品设计阶段波动的波动风险管理框架(variationriskmanagementframework,vrm),为企业在设计阶段进行系统的质量控制提供一套有效的方法。vrm是一个持续识别、评估和降低波动风险的过程,波动风险是制造过程影响产品最终质量和失效成本的概率。它由三部分构成:识别潜在风险(identification)、评估相关风险(assessment)和通过控制策略降低风险等(mitigation),此外,这些过程还需要基础支持系统的支持(supporting),支持系统包括:文档管理、供应链管理和管理层支迟基于随着产品设计过程的进展,设计自由度逐渐下降,更改成本越来越高,产品属性相关知识逐渐增加的思想,为了缓解产品后期开发的时间和成本压力,德国慕尼黑工业大学(universityoftechnologymunich)ralfstetter教授等人提出了产品属性及早确定方法(earlydeterminationofproductproperties),尽早对产品设计缺陷进行分析,确定产品属性,来保证产品设计质量。在“由设计更改所导致的设计过程重复所引起的产品开发时间和成本可以通过早期阶段合理的应用分析来减少”的基本假设下,产品属性及早确定方法主要通过在产品设计早期增加分析过程来实现,分析过程包括:澄清任务、分析策划、性能分析和执行,由此来实现产品设计过程中的知识由低信息度向高信息度演变,辅助设计人员进行决策。为了便于工业应用,udolindemann等人开发出参数检查模板工具来支持整个分析过程,并在宝马(bmw)汽车公司进行应用研究,取得了较好的效果在日本丰田汽车公司的工业工程师shigeoshingo提出的poka-yoke(error-proofing,防错)方法的基础之上,美国stanford大学的manufacturingmodelinglaboratory首次提出了设计过程防错法的概念,针对当前设计错误的管理还停留在依靠设计评审和考评表进行反应式的被动管理的现状,他们提出一套主动预防性的设计过程错误预防方法(designprocesserror-proofing),对产品设计过程中的错误进行有效的管理,尽量减少设计错误和设计错误所带来的损失。设计过程防错法主要过程为:定义设计错误;识别错误;分析错误;预防错误。定义设计错误阶段给出设计错误即影响产品功能特征、成本和开发时间的事件集合;识别错误阶段识别出潜在的设计错误。选定目标过程,收集相关信息,分析找出设计过程的关键任务,找出可能存在的设计错误,并填写设计过程错误fmea表;分析错误阶段对识别出来的错误进行分类和分级。首先进行分类,分为知识错误、分析错误、通信错误、执行错误、更改错误和组织错误等。然后利用顾客权重错误公共指数(customerweightederrorcommonalityindex)分析对设计错误进行分级;预防错误阶段寻找相应的错误预防方法利用错误共性指数(errorcommonalityindex)找出错误基本原因,找出主动预防错误的方法。

在以上综述的基础上,总结出当前产品设计质量控制研究中存在的以下不足:

1、缺乏系统性的设计质量控制与保证理论方法研究。由于产品设计阶段质量控制问题没有制造、生产阶段那样明确和具体,目前还处于基于质量管理体系的质量表现层控制和基于设计评估的设计参数层控制相脱离的发展探索阶段,还没有形成一套以质量特性层为核心的独立的产品设计质量控制理论方法,产品设计质量控制理论基础亟待增强;

2、对新的设计模式下质量控制与保证方法的研究不足。并行设计和协同设计等新的产品设计模式为产品设计阶段质量控制提供支持的同时,也提出新的需求,如何建立和开展这些新的产品设计模式下的质量控制方法体系,已经成为制约产品质量水平进一步提高的“瓶颈”;③缺乏相应的软件系统支持。随着产品设计和开发过程和工具的数字化和自动化水平不断提高,为了支持该阶段的质量控制,必须开发出相关的产品设计质量控制软件和工具,并和产品数据管理(productxatamanagement,pdm)/产品全生命周期管理(productlife-cyclemanagement,plm)等产品设计开发平台进行集成。相应软件系统支持的缺乏已经成为制约该领域发展的绊脚石。在现有研究的基础之上,为了弥补当前研究当中的不足,本文对产品设计质量控制后续。

研究作如下初步展望:1、设计质量控制与保证基础理论方法研究。结合iso9000质量管理体系产品实现条款要求和产品设计过程自身特点,基于质量特性层建立起外层质量表现和内层设计参数之间的内在联系,研究质量特性提取、筛选和传递等方法,在产品设计阶段形成产品数据的质量视图,基于质量特性建立起系统的设计质量控制与保证基础理论方法;2、基础理论方法的实现技术研究。在明确质量特性的重要地位基础之上,基于质量特性建立起贯穿产品设计阶段的质量控制方法体系,整合现有设计控制和质量控制方法,体现产品设计质量控制基础理论;3、集成化的软件支持工具系统开发。在已有计算机辅助质量系统(computeraidquality,caq)的基础上,以产品设计质量信息管理系统为起点,开发出识别、分析和控制产品质量特性的工具和方法,建立起贯穿于产品全生命周期的集成化质量控制与信息管理系统。

随着产品设计质量得到越来多的重视,如何对其进行经济而有效的系统控制,提高产品整体质量水平,已经成为工业界和学术界重点研究的课题。本文的目的是通过对产品设计质量基本概念、控制层次模型和典型控制技术与方法的论述,使人们对产品设计质量控制技术与方法有一个正确、系统的认识,有效的利用对数据的搜集处理辅助企业对其产品设计阶段的质量进行控制,提高产品质量水平。


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