基于系统化设计过程的产品设计质量控制理论

陈亚哲,刘 杨,任朝晖

(东北大学 机械工程与自动化学院,沈阳 110819)

要保证和控制产品质量就必须从分析产品质量的形成过程入手,而对于产品质量,设计的贡献率可达70%,产品设计是产品质量的灵魂.产品设计阶段对最终产品质量和成本起着重要作用,因而人们也越来越重视产品设计阶段的质量控制.

综合设计法[1-2]是闻邦椿院士基于系统工程的理论提出的产品设计方法,它以产品广义质量为目标,在最大范围内来满足顾客对产品广义质量的要求,它是集功能、结构性能、使用性能和制造性能优化为一体的广义优化的设计方法.

本文是以综合设计法为基础,借鉴系统化设计方法[3]的理念,提出如图1所示的产品系统化设计过程模型[4].该模型将产品设计分为4个阶段:调研、规划、实施和检验阶段.

无论设计什么产品,按照系统化设计过程都可以概括为上述4个阶段.

图1 产品系统化设计过程模型Fig.1 Process model of product systemic design

1 产品设计质量内涵

闻邦椿院士[1-2]认为产品的设计质量有以下两个主要内容:① 产品的功能(包括主功能和辅助功能);② 产品的综合性能(结构性能、工作性能和工艺性能等).因此还可以说,产品的广义质量是“产品总功能和全性能的综合体现”,即产品的广义质量与其总功能和全性能是等价的,如图2所示.

图2 现代机械的产品广义质量内涵Fig.2 Connotation of modern mechanical generalized quality

2 产品设计质量控制定义

在介绍设计质量控制的定义前,先介绍几个与设计质量控制有关的概念.文献[5]对设计控制下了如下定义:设计控制是以保证设计的结果符合人类社会的需要为目的,对设计的整个技术运作过程进行分析、处理、判断、决策和修正的管理行为.《CIMS环境下产品质量系统工程》一文中指出,质量控制就是采取一定的方法使产品的质量特征在规定的标准范围内,指出产品规划过程中的质量控制是指在产品的需求分析以及功能结构设计和工艺设计过程中的质量性能指标的制定、保证和控制.另外,ISO 9000标准[6]对质量控制下了一个很简明的定义:质量管理的一部分,致力于满足质量要求.文献[7-8]强调:质量控制是指为达到质量要求所采取的作业技术和活动;“作业技术”包括为确保达到质量要求所采取的专业技术和管理技术,是质量控制的主要手段和方法的总称;质量控制的目的在于见识过程并派出质量环节中所有阶段中导致不满意的原因,以获得经济效益;质量控制应贯彻预防为主的原则,并和检验把关相结合,把每一个质量环节的作业技术和活动都处于有效的受控状态.我国国家标准GB/T 6583[8]对质量控制的定义为:为保持某一产品、过程或服务质量,满足规定的质量要求所采取的作业技术活动.国际标准ISO 8402[8]定义质量控制为:为满足质量要求所采取的作业技术和活动.

设计质量控制应贯穿于设计质量形成的全过程,设计质量控制的对象是产品设计全过程.综合上面的定义和本文的研究内容,设计质量控制就是致力于满足设计质量要求所进行的控制活动.控制活动从明确设计任务开始,到完成图样和技术文件为止的这一设计过程.

根据上述内容,本文中对产品设计质量控制的概念定义为:从产品设计质量需求出发,在调研、规划、实施和检验4个阶段所形成的产品质量所采取的作业技术和活动.

3 产品设计质量影响因素分析

产品设计质量是在产品设计过程中形成的,产品的质量特征是在设计深化过程中逐渐清晰的,影响产品设计质量的因素散布于产品设计的全过程.随着设计过程的深入,质量特征逐渐细化,并反映到设计方案的每一个细节,最终形成产品设计的整体质量.然而,由于设计过程的多样性和多阶段性,致使人们对设计过程中质量影响因素的分析角度也有所不同.

Hobka[9]根据他对设计过程的理解,系统地分析了设计过程中9种质量影响因素,即顾客产品需求、产品技术系统的完整描述、设计过程、工程设计师、供设计者使用的工具、现有的技术知识、设计过程管理、适宜的环境和设计师所采用的步骤与技术.

Hobka[9]的分析,比较全面地体现了技术系统、管理系统和环境等因素.在Hobka的分析基础上,本文从人员、信息、方法、环境等方面对质量影响因素做了如下分析.

(1) 人员.设计过程的人员包括设计决策者、设计管理者和设计操作者.人员的文化水平、技术水平、决策能力、管理能力、组织能力、作业能力、控制能力以及职业道德等,都会对设计过程的质量产生直接或间接的影响.对人员的质量控制可以采用以下方法:通过教育、培训使设计操作者掌握并使用先进的设计方法和工具;通过网络平台或直接沟通的方式,为人员及时、准确地传达设计相关信息;调动每个人的积极性、创造性,增强责任感,树立质量观念,培养团队协作精神.

(2) 信息.本文的信息是指设计过程中所用到的信息.这些信息涉及顾客对产品的需求信息以及设计过程中产生的各项质量信息,如产品设计技术指标、产品设计质量计划、总体方案设计、产品结构图纸、零部件设计图纸等.如何准确地确定顾客的需求信息,并转化和传递这些信息是产品设计的起点,这一问题可以通过QFD得到有效解决.如何有效地传递和管理设计过程中产生的大量信息,可以通过与CAD,CAM,CAE,PDM的集成运用来解决.

(3) 方法.本文方法指设计过程中所用到的设计技术和工具.合适的设计技术和工具的选取对设计质量的形成有着重要影响.目前已涌现出大量的现代设计方法、质量设计技术、设计分析工具和质量保证方法,合理地选取这些技术和工具是设计质量的重要保证.

(4) 环境.环境是指设计工作开展的氛围和环境,适宜的设计环境和氛围有助于设计人员的发挥,有助于提高设计人员的工作质量,从而保证了设计质量.由于企业对设计工作的重视,基本上能提供适宜的环境,满足设计需求.

4 设计质量控制的思路

设计质量控制将主要依靠人的控制转向依靠相应设计过程的控制来实现,建立设计过程质量控制模式,通过对设计过程的有效控制来保证设计过程的输出结果符合顾客需要,满足市场要求,用过程保证结果.

设计质量控制思路是:在明确设计要求并生成设计任务书后,运用ISO 9000[6]质量保证体系的设计与开发要求,以及项目管理手段,把质量保证和控制措施与设计过程有机结合,加强设计过程的质量控制,及时地运用各项设计质量技术,对所完成的各阶段产品设计结果进行评审,将矛盾和可能出现的错误消除在设计阶段,对产生的质量问题进行统计分析,实施质量追踪,持续改进,从而减少由于设计质量问题带来的反复修改所造成的人力、物力和时间上的巨大浪费,提高产品质量,缩短开发时间,降低成本.建立一个持续改进的设计质量控制系统是公司发展和获得长远利益的基础.

5 设计质量控制模型的建立

目前制造企业在产品设计开发中存在如下问题:

(1) 不能准确地了解顾客需求.开发一个新产品最重要的前提是了解顾客的需求.对顾客的需求了解得越多、越全面,企业就越能主动地满足顾客对产品功能、性能、可靠性、成本、交货期等多方面的要求.只有全面了解顾客的需求,才能确定新开发的产品任务,即进行完善的产品定义.完善的产品定义是在产品开发中取得竞争优势的源泉.在一般情况下,设计开发人员对产品功能、性能的认识和顾客的认识是不一样的,仅靠设计开发人员的知识,不可能做出完善的产品定义,当然也就设计不出高质量的产品.

(2) 缺乏系统的设计方法和技术的支持.目前,一般的制造企业通常仅仅将CAD系统作为替代图版的绘图工具,而不是技术工具.

(3) 没有考虑产品在制造及使用过程环境对产品的影响.事实上这些影响是不可避免的,而且对产品质量有重要影响.

基于系统化设计的产品综合设计法解决了以上这些问题.

系统化设计把产品设计过程分为4个阶段，即调研阶段(Research)、规划阶段(Plan)、实施阶段(Do)和检验阶段(Check or Test).这4个阶段组成一个互相关联的有机整体.在每个设计阶段,设计工作不是仅靠一次工作循环就完成的,而是需要经过多次循环,是一个不断改进、优化的渐进过程.

产品设计质量是在产品的设计过程中形成的,产品的质量特征是在设计过程的深化中逐渐清晰的,影响产品设计质量的因素散布于产品设计的全过程.为了控制产品质量,使所设计的产品尽可能地满足需求,必须在设计过程中按照一定的方法和程序,最大限度地实现顾客需求和质量特征在各个设计阶段的合理映射、转化.随着设计的深入,质量特征逐渐细化,并反映到设计的每一细节,最终形成产品设计的整体质量.具体体现在:在产品设计调研阶段,确定用户需求,将用户需求转化为产品质量特征;在产品设计规划阶段,明确7D规划的过程,在设计过程中根据随时情况变化,随时重新修改或完善产品设计规划;在产品设计实施阶段,根据用户需求确定产品质量功能要素和性能要素,实现功能与性能要求;在产品质量检验阶段,通过理论评价、样机试验、用户使用和专家系统3个方面检验产品设计质量.

基于系统化设计的产品设计质量初步控制模型如图3所示.图的左部为基于系统化设计的设计过程,右部表示了在不同的设计阶段所涉及的质量控制方法.

图3 产品设计质量初步控制模型Fig.3 Preliminary control model of product design quality

要保证产品的设计质量,使所设计的产品尽可能地满足用户需求,就要严格控制产品的设计过程.首先从用户需求出发,通过市场调研掌握用户需求,将用户需求转化为产品功能和性能特征;其次按照上一步获得的功能和性能特征对产品设计进行规划,选择设计内容、方法等;然后在实施阶段,对产品进行功能和性能优化(包括动态优化、智能优化和可视优化等)设计;最后对产品设计质量进行检验,按照综合设计法理论,主要是通过理论评价、样机试验、用户使用和专家系统来检验产品设计质量.

6 结语

本文在综合设计法的基础上,借鉴系统化设计的特点,建立了产品系统化设计过程模型,阐述了产品设计质量的内涵.对产品设计质量控制进行了定义,对产品设计质量影响因素进行了分析,形成了设计质量控制的思路.针对传统产品设计存在的问题,应用系统化设计理论建立了产品设计质量的控制模型.上述理论比较全面、具体,按照该理论设计任何产品都是可行的,值得广泛推广.

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