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1、六西格玛设计的主要工具邵家骏J(028)85508280(o)(028)85500618(h)2004年4月1六西格玛设计概论略。2 2. .2质量功能展开略。3 3. .3系统设计系统设计主要应用于IDDOV的Define（定义需求）和Develop（研发）阶段。为了达到六西格玛质量水平，首先必须论证和确定先进可行的总体设计方案，从某种意义上说，产品的成败，产品能不能达到六西格玛水平，首先取决于总体设计方案。4 4. .定义和研发阶段的主要任务及需采用的主要方法是：深入分析确定顾客需求（质量功能展开）；论证确定总体设计方案、攻克瓶颈技术、完成产品的结构和零部件设计并制定加工工艺等（系统设计包
2、括TRIZ、FMEA等）。研发阶段是开展六西格玛设计效益最高和潜力最大的阶段。系统设计的内涵包括自顶向下的设计、公理性设计和解决创造性问题的理论（TRIZ）等。限于篇幅，本节重点介绍TRIZ理论，对系统设计的其他内容只作简略介绍。5 5. .3.1系统设计的基本原理与方法3.1.1设计是一个映射过程6 6. .3.1.2自顶向下的设计自顶向下设计的基本思想是深入分析确定顾客需求，从系统顶层开始，进行功能的分配、系统原理框架的展开、信息的传输与处理及综合、接口的控制、余度和系统重构设计、工程专业综合(Engineering Specialty Integration)等，开展自上而下的设计和自下
3、而上的综合。通过有机地管理各子系统、零部件的并行开发，协调技术、进度、成本的矛盾，保证产品的开发按规范的程序、规定的时间节点和成本完成，并保证产品的高质量和高可靠性。7 7. .3.1.3公理性设计公理1：独立公理（模块化公理）保持功能要求的独立性。好的设计应具有模块化的特点，特定的子系统（部件）实现特定的功能，互不干扰，最大限度地减少各功能要求之间的“耦合”。公理2：信息公理（简化公理）信息含量最小化。设计公理的七个推论构成了系统化的设计原则，对设计实践提供指导。8 8. .3.2解决创造性问题的理论（TRIZ）3.2.1TRIZ方法的基本思想TRIZ方法的提出源于以下认识：大量发明面临的基
4、本问题和矛盾（在TRIZ中称之为系统冲突和物理矛盾）是相同的，只是技术领域不同而已。同样的技术发明原则和解决方案一次次地在多年后被重新使用。将这些有关的知识进行提炼和重新组织，就可以指导后来者的创新和开发。TRIZ体系正是基于这一思路开发的，打破了我们思考问题的心理惰性和知识面的制约，避免了创新过程中的盲目性和局限性，指出了解决问题的方向和途径，并得到了计算机辅助软件的支持。9 9. .3.2.2理想的技术系统较好的技术系统应是在构造和使用维护中都消耗资源较少，而能完成同样功能的系统；理想技术系统则是不需要用材料来构造、不耗费能量和空间、不需维护、也不会损坏的系统。即它在实体上不存在（隐含在已
5、有的技术系统中），却能完成所需要的功能。例10.3-1酸液对合金腐蚀试验1010. .3.2.3 缩小的问题与扩大的问题TRIZ方法把所有的问题分为两类：缩小的问题（Mini-Problem）和扩大的问题(Maxi-Problem)。缩小的问题致力于使系统保持不变甚至简化，而消除系统的缺点，完成改进；扩大的问题则不对可选择的改变加以约束，因而可能为实现所需功能而增加零部件，甚至开发一个新的系统，使解决方案复杂化，甚至使解决问题所需的耗费与解决的效果相比得不偿失。TRIZ建议采用缩小的问题。这一思想是实现“理想技术系统”的途径。例10.3-2驾驶杆的共振问题。1111. .3.2.4系统冲突及其
6、处理系统冲突是TRIZ方法的一个核心概念，用于描述隐藏在问题后面的固有矛盾。TRIZ认为，发明可视为系统冲突的解决过程。TRIZ理 论 创 始 人 G奥 特 舒 勒(GAltshuller)对大量发明作了研究，发现虽然它们所属技术领域及所处理的问题千差万别，但隐含其中的系统冲突数量是有限的，典型的系统冲突只有1250种。解决这些冲突所需的典型技术则更少，计40种。在此基础上产生了创造性问题的解决原则。1212. .3.2.5物理矛盾及其处理如果互相对立的属性集中于系统的同一元素上，就称为存在物理矛盾（或内部系统冲突）。物理矛盾的定义是：同一物体必须处于互相排斥的物理状态。也可以表述为：为实现功
7、能F1，元素应有属性P；为实现功能F2，元素应有对立的属性-P。1313. .根据TRIZ理论，物理矛盾可以用三种方法解决：把对立属性在时间上加以分隔；例变后掠翼设计。起落架的设计。把对立属性在空间上加以分隔；例带手柄的煎锅。某塑料管切割过程。把对立属性所在的系统与部件分开。例双体船。1414. .1515. .1616. .3.4创造性问题的分析方法对于创造性问题的解决而言，技术上的辛勤攻关固然重要，对事物加以科学的分析，找出问题的突破口则更为关键。TRIZ通过对发明创造规律的总结，提出了三种独特的方法，帮助创造者分析问题的本质，找出问题的着眼点，从而利用创造性问题的解决办法，事半功倍地实现
8、产品和工艺的改进和开发。1717. .3.4.1创造性问题的解决步骤1818. .例10.3-3某纸厂用圆木作造纸原料。圆木卸在海边的传送带上，并运往切削机械进行加工。为了切削流程顺利完成，对圆木送到机器时的轴线方向作了规定。由于圆木卸下时杂乱地堆砌在传送带上，所以需要在传送过程中增加一个圆木定向的工序，要求使圆木轴线方向与传送带轴线方向一致。1919. .用TRIZ方法作了分析:（1）缩小的问题：不对系统做主要改动，实现圆木定向。（2）系统冲突：定向需要将圆木按要求方向加以排列的机构，但这使系统复杂化。（3）问题模式：应利用系统中已有的要素实现定向功能。（4）冲突区域及资源分析：冲突区域是传
9、送带表面。该区域系统的唯一资源是传送带。（5）理想最终结果：利用传送带自身实现圆木定向。（6）物理矛盾：为实现圆木定向，传送带表面的不同点应有不同的速度；但为传送圆木，传送带表面应以同一速度运动。（7）消除物理矛盾：将互相矛盾的要求分隔在不同的层面上：整个传送带以生产所需的速度向前运动，它的部件则以不同的速度运动。2020. .2121. .3.4.2三元分析法所有系统功能的实现有赖于三个物体的相互作用，即主动物体、被动物体和使动物体之间的相互作用。三元分析法就是对每一具体问题找出这三个关键物体，分析它们彼此之间的关系，使工程人员明白现有系统这三者间好的与坏的作用，全面把握问题的实质，以便采取
10、针对性的解决措施。2222. .以汽车的空气袋为例。主动物体是空气袋，被动物体是乘员，使动物体是与汽车发生撞击的冲撞物，如路旁的栏杆或另一辆车等等。2323. .3.4.3物体场分析TRIZ专家开发了物体场分析这一建模技术，用于描述技术系统中物体和能量的相互作用，对技术系统的动作原理进行深入分析。兼有能量、目标物和工具的技术系统才是完整和稳定的，三者之间构成了一个三角形。2424. .2525. .2626. .3.5创造性问题的解决方法为了创造性地解决问题，TRIZ开发了颇具特色的解决方法，提出了系统冲突的解决原则和问题的标准解决方案，还建立了对解决问题有着重要支持作用的知识库。1.处理创造
11、性问题的40个原则2.创造性问题的标准解决方案2727. .格利高雷叶泽尔斯基（GregoryYezersky）运用原则5“将相同或相似的物体结合或合并”的著名案例：例10.3-41993年，一家著名航空公司为了改进火箭气动外形，引入了“蜂腰”结构，但发现由此带来了负面影响：这种改变将引起强烈的振动，使安装在“蜂腰”结构内壁的传感测量设备无法工作。受已有设计的限制，对问题的解决不允许在系统中进行大量更改。2828. .在美国专利中有一项“给薄玻璃板打圆角”的专利，内容是，给一块薄玻璃板打圆角容易把玻璃振碎，可以把几块薄玻璃板临时粘合在一起，共同打圆角，就避免了问题的发生。从这一专利中获得灵感。
12、2929. .3030. .例10.3-5当前玻璃杯的制造工艺为将熔融状态的玻璃注入相应的模具中成形。外观带棱角的玻璃杯如果用整体模成形，模具的制造会很困难；如果模具精度不好，会影响杯子的外形。在矛盾矩阵表的指引下，怎样解决这一难题呢？3131. .2.创造性问题的标准解决方案物体场分析揭示了系统冲突中本质性的问题。在得出系统的物体场结构以后，就可以利用问题的标准解决方案进行物体场结构的综合与转换，以便解决或至少避开系统冲突。奥特舒勒归纳了76项标准。3232. . 例例10.3-610.3-6 制造带刷毛的塑料块制造带刷毛的塑料块 例例10.3-710.3-7钢丸发送机弯管部分的磨损问题钢丸
13、发送机弯管部分的磨损问题 3333. .4 静态参数设计静态参数设计静态参数设计是六西格玛设计的最主要的技术工具之一，在QFD和系统设计的基础上，针对CTQ和CTP，深入开展静态参数设计，寻找工作参数（或过程参数）的优化匹配，以减少质量特性（或过程特性）的波动，提高产品（或过程）抵御各种干扰的能力（即健壮性）。静态参数设计也可应用于六西格玛改进（DMAIC）的I阶段，在7.6节中已作了简要介绍，本节不再重复。关于静态参数设计更深入的内容，可见文献4、15、16、18-21。3434. .3535. .图8参数设计的非线性效应图3636. .在质量功能展开和系统设计之后，针对CTQ、CTP进行；
14、干扰因素的引入，内外正交表的直积；先减少波动，提高信噪比，再调整目标值；（先减肥，后纠偏）。3737. .5容差设计容差设计5.1 质量损失函数质量损失函数5.1.1 望目特性的损失函数望目特性的损失函数L(y)=k(y-m)2 5.1.2 望小特性的损失函数望小特性的损失函数 L(y)=ky2 5.1.3 望大特性的损失函数望大特性的损失函数L(y)=k/y23838. .5.2 容差的确定方法容差的确定方法5.2.1 由安全系数确定容差由安全系数确定容差5.2.2 下位特性容差的确定下位特性容差的确定5.2.3 老化系数容差的确定老化系数容差的确定 (1) 老化特性和老化系数老化特性和老化
15、系数 (2) 初始值等于目标值的情形初始值等于目标值的情形 (3) 初始值不等于目标值的情形初始值不等于目标值的情形 5.2.4 下位特性的老化系数容差的确定下位特性的老化系数容差的确定3939. .5.3 望目、望小特性的容差设计望目、望小特性的容差设计5.3 望目、望小特性的容差设计望目、望小特性的容差设计5.4 望大特性的容差设计望大特性的容差设计5.5 贡献率法贡献率法5.5.1 单因素情况单因素情况(1)回归直线的确定(2)试验数据的统计分析(3)系统偏差的校正(4)损失函数与平均质量损失的确定(5)容差设计4040. .5.2.2 多因素情况多因素情况（1）试验方案的设计(2)试验
16、数据的统计分析（3）正交多项式回归方程的确定(4)损失函数与质量水平的确定（5）容差设计4141. .6 FMEA分析分析6.1 FMEA方法的适用范围方法的适用范围6.2 FMEA方法的分类方法的分类6.3 FMEA的一般程序的一般程序6.4 DFMEA分析分析6.5 PFMEA分析分析4242. .6.1 FMEA方法的适用范围方法的适用范围FMEA方法的适用范围包括产品和工艺设计中的各种质量问题的分析。把FMEA作为对“产品和过程的确认和更改”以及对“设计和开发”进行风险评估的工具。在DMAIC和IDDOV中都有广泛的应用。4343. .6.2 FMEA方法的分类方法的分类6.2.1 硬
17、件法和功能法硬件法和功能法当当产产品品可可按按设设计计图图纸纸及及其其它它工工程程设设计计资资料料明明确确确确定定时时，一一般般采采用用硬硬件件法法，当当产产品品处处于于研研发发初初期期，设设计计图图纸纸尚尚未未形形成成时时，一一般般采用功能法采用功能法 6.2.2 DFMEA和和PFMEADFMEA适用于产品设计阶段的故障模式与影响分析，而PFMEA则适用于工艺设计和生产制造过程的故障模式与影响的分析。4444. .6.3 FMEA的一般程序的一般程序6.3.1 建立产品的框图或过程的流程图建立产品的框图或过程的流程图6.3.2 填写填写FMEA表格表格发现严重度S8的故障模式，必须采取设计
18、和工艺的更改措施，以消除这些故障模式或明显降低其发生的概率；RPN120-150时，应采取纠正或补偿措施6.3.3DFMEA和PFMEA分析应形成按技术责任制审签的技术报告6.3.4随着产品研制的进展，DFMEA和PFMEA分析应不断地进行修订和迭代4545. .6.4 DFMEA分析分析DFMEA是以设计工程师为主的团队分析产品每一个潜在的故障模式，并确定其发生原因和机理的一种分析技术，通过填写DFMEA表格来完成；名词“故障”来自于英文单词Failure，从英文本意而言，Failure的含意是“失败、失效、故障、事故、中断、损坏、折断、衰退、缺少、不足等”。可见Failure的含意本不限于
19、“故障”，DFMEA适用于各种质量问题；强调量化评估和改进。4646. .4747. .DFMEA评分标准表10.6-2推荐的产品故障严重度（S）评分标准表10.6-3推荐的产品故障频度（O）评分标准表10.6-4推荐的产品故障检测难度（D）评分标准4848. .6.5 PFMEA分析分析PFMEA的目标是：a确定潜在的与过程故障模式有关的产品；b评估过程故障对顾客的潜在影响；c确定引起故障的潜在的制造或装配过程原因，并确定哪一类过程故障是应该重点避免的以及相关的关键过程；d找到和发现一系列的过程故障模式，为今后的分析工作打下良好的基础，建立一个优选的系统。4949. .5050. .PFME
20、A评分标准表10.6-6推荐的过程故障严重度（S）评分标准表10.6-7推荐的过程故障频度（O）评分标准表10.6-8推荐的过程故障检测难度（D）评分标准5151. .7 面向X的设计（DFX）面向X的设计（DesignForX，缩写为DFX）是为了满足顾客对产品全寿命周期的所有要求，针对有关的各种要素进行设计的方法的统称，包括面向制造的设计(DFM)；面向装配的设计(DFA)；面向成本的设计(DFC)；面向试验的设计（DFT）；面向可靠性和维修性的设计(DFRM)；面向售后服务的设计(DFS)；面向环境的设计(DFE)等。5252. .7.1DFX的技术基础和支持软件系统工程、并行工程和价值
21、工程的发展提供了解决上述问题的技术基础。计算机辅助DFX软件的应用美国BDI公司的DFMA软件5353. .DFX是一种优化产品设计的方法，同时也是一种先进的设计理念。其作用方式有两种：DFX设计准则和DFX分析评价工具。DFX设计准则：将X要素方面专家的有关知识和经验整理成具体的设计准则，然后在它们的指导下进行产品设计，相当于在这些专家的直接帮助下选择设计方案，确定产品结构。DFX分析评价工具：在产品设计进行到一定程度后，通过系统分析影响产品的X要素的各种因素，对产品的X要素进行评价，在此基础上给出改进设计的建议。5454. .7.2面向制造和装配的设计(DFMA)面向制造和装配的设计(DF
22、MA)也称作设计制造一体化，是DFX中最重要的部分。DFMA的指导思想是：产品制造、装配和试验检验中的很多问题和困难源于设计不当。在产品设计阶段，工程师除了要满足性能要求外，还必须尽可能地考虑和满足可制造性、可装配性的要求。5555. .7.2.1DFMA总则（1）简化设计在总体方案设计中，首先应当贯彻简化设计的原则，即采用尽可能简洁的结构来实现产品的功能。方案设计的简化不仅减少了零部件的数量、节省了设计费、材料费，更节省了大量的加工费、装配费、库存费、运输费、维护保养费等，在源头采取措施将事半功倍、一本万利。必须纠正“简单的设计方案体现不出水平，先进的方案一定比较复杂”的错误思想，切忌把简单
23、的事情复杂化。最优秀、可靠性最高、效益最高的方案是能够满足顾客需求的最简约的方案。简化设计的方法详见10.3节。5656. .（2）模块化、系列化、通用化（三化）设计（3）互换性设计（4）继承性设计（5）贯彻并行工程，实施团队工作法（6）与DFMA有关的数字化技术DFMA软件、FDM等5757. .7.2.2面向制造的设计(DFM)在产品设计的早期阶段即考虑与制造有关的约束，指导设计师对同一零件进行不同材料和工艺的选择，提高产品的可制造性；对不同制造方案进行制造时间和成本的快速定量估计，全面比较与评价各种设计与工艺方案等。在保证满足设计要求的前提下尽可能选择易于加工的材料、最低的尺寸公差和形位
24、公差要求、合适的尺寸标注基准、适当的热处理和表面处理要求、成熟的工艺方案等。5858. .7.2.3面向装配的设计(DFA)在产品设计过程中利用各种技术手段如分析、评价、规划、仿真等，充分考虑产品的装配环节以及与其相关的各种因素的影响，在满足产品性能与功能的条件下改进产品的装配结构，使设计出的产品是可以装配的，并尽可能降低装配成本和产品总成本。5959. .7.3面向成本的设计(DFC)7.3.1 DFC的原理DFC(DesignForCost)是指在满足用户需求的前提下,通过分析和研究产品在设计、制造、装配、试验检验、使用、维修、回收或报废的全寿命周期中各个部分的成本组成情况并进行评估后,对
25、原设计中成本过高的部分进行修改,以降低产品成本的设计方法。6060. .7.3.2DFC的主要工作内容（1）建立基于并行工程的全寿命周期成本模型（2）成本数据的收集与成本估算（3）与其他DFX工具的集成（4）设计结果评价和改进设计建议的生成（5）目标成本的确定6161. .7.3.3估算制造成本的主要方法（1）成组技术的应用（2）作业成本法（ActivityBasedCost，缩写为ABC）6262. .7.3.4估算非制造成本的主要方法非制造成本主要通过历史成本信息的收集、分析和统计获得。R&D成本；设计成本；销售成本；保修成本；使用成本；回收报废成本；管理费用等。6363. .7.3.5减
26、少成本设计在不改变总体设计方案的前提下，除了应用各种DFX技术外，还可以采用最低消耗设计，即在满足顾客需求，保证安全、强度和适当的设计裕度的原则下，采用合适的材料、最小的尺寸、最低的功耗、最低的加工精度等，以实现最低消耗设计。避免过功能、过强度、过寿命设计。6464. .7.4面向试验的设计(DFT)产品设计时，必须考虑设计验证、例行试验和产品检验的可行性和经济性。DFT要求在设计早期就论证和确定设计验证的方案及其设施，产品制造和装配过程中的测试、试验、检验和计量的方案及其设施。在确定总体设计方案的同时确定设计验证和试验检验的方案并及早地启动相应设施的组建。应当尽可能地应用现有的经过实际使用考
27、验的设计验证和试验检验设施。还必须考虑和确定原材料、元器件、外包工序和外包部件等的验收试验或检验规范。6565. .DFT是保持产品一致性，减少质量波动的重要方法。DFT必须考虑的另一个方面是故障的检测和排除。应在深入到零件一级的FMEA分析的基础上列出产品的所有故障模式及其症状，针对每个故障模式确定需监控的参数和故障判断逻辑，并给出检测、隔离和排除的方法，以便当产品在使用中出现故障时能迅速准确地排除。6666. .7.5面向可靠性和维修性的设计(DFRM)7.5.1面向可靠性的设计（DFR）六西格玛设计的核心是稳健设计（包括QFD、系统设计、实验设计、参数设计、容差设计等方法），其宗旨是提高
28、产品抵御环境变化、制造误差和磨损老化等各种干扰的能力，减少产品质量波动。而实质上，稳健设计在减少产品质量波动的同时，也肯定提高了产品的可靠性。本节主要介绍面向可靠性的经典设计方法。6767. .可采用的可靠性设计分析方法可靠性指标论证与确定；可靠性分配与预计；制定和贯彻可靠性设计准则；开展简化设计、热设计、降额设计、余度设计、耐环境设计等；开展FMEA分析（详见本章第6节）以及故障树分析（FTA）、事件树分析（ETA）、热分析、容差分析等。故障数据管理系统的设计和运行。6868. .2.面向维修性的设计(DFMt)维修性（Maintainability）也是产品的一种质量特性，即由产品设计赋予
29、的使其维修简便、迅速和经济的固有特性。提高维修性也是降低全寿命周期费用（LCC），以满足预期的费用和维修活动的重要途径；维修性设计是可靠性设计的重要补充。6969. .面向维修性的设计的主要工作（1）平均修复时间MTTR的确定和分配；（2）维修策略；（3）可达性设计；（4）防错设计（参见DFMA）；（5）人素工程设计等；（6）测试性设计等。7070. .7.6面向售后服务的设计(DFS)1.维修服务策略的确定2.面向维修性的设计（见7.5节）3.售后保障资源的设计4. 质量可靠性信息系统的建立7171. .7.6.1维修服务策略的确定（1）售后保障资源的方案及设计需求；（2）免费保修的期限和保
30、修范围；（3）维修网络的规模；（4）备件的需求量及供应；（5）产品的报废处理。7272. .7.6.3售后保障资源的设计（1）随机装箱的保障资源如使用说明书，培训资料，随机配送的附件、备件、耗材、专用工具等；（2）维修站配备的测试和维修设备，备件，零部件、元器件，故障诊断和排故资料，维修人员培训资料等；（3）远程咨询服务系统。7373. .7.6.4质量可靠性信息系统的建立确定信息系统的组织机构；规范信息收集的内容；明确信息收集人员的职责；建立先进的信息收集、传递、统计、分析、检索、报表生成等手段；为改进设计、工艺和服务提供依据。7474. .7.7面向环境的设计(DFE)7.7.1环境保护设
31、计7.7.2环境适应性设计7575. .7.7.1环境保护设计产品的设计应尽可能采用不会造成环境污染的材料和制造技术，还必须考虑产品报废时对环境的影响；在产品制造过程中，必须考虑有害废气、废液、废渣的净化排放和操作工人的防护；在产品使用中，应不产生危害顾客安全、健康和污染环境的物质；通过使用DFE软件对这些产品进行面向环境和成本效益的设计7676. .7.7.2.环境适应性设计使产品本身具有很强的抵御环境变化的能力（参见稳健设计），或改善局部工作环境，减少环境变化对产品性能和可靠性的影响（参见耐环境设计）。7777. .7.8面向其他因素的设计根据DFX的原理，参照以上6种DFX的方法，结合工程实际需要，还可以考虑面向其他要素的设计，例如面向开发周期的设计、面向某一顾客群的设计、面向安全的设计、面向便携的设计、面向人素工程的设计等。7878. .谢谢！7979. .
