基于QFD、TRIZ和DOE的产品设计方法研究 - 文章

基于QFD、TRIZ和DOE的产品设计方法研究

作者：杜芳琪熊伟

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一、引言

当前，世界先进的制造业企业已经走过了以产量和质量占领市场的两个阶段，进入到了以创新占领市场的崭新阶段。产品设计是一个复杂的过程，分为四个阶段：产品规划、方案设计、技术设计和详细设计。产品规划的任务是进行待开发产品的需求分析、市场预测、可行性分析，确定设计参数和制约条件，最后提出详细的设计任务书；方案设计实质上就是产品的功能原理设计，是设计方法学研究的重点，它用系统化的方法在功能分析的基础上通过创新构思，优化筛选，求取较理想的方案，列表给出原理参数，并做出新产品的功能方案图；技术设计是把新产品的最优原理方案具体化。详细设计则是把技术设计的结果变成加工过程所需的技术文件。也就是说，需求分析是解决做什么的问题，方案设计解决怎么做的问题，技术设计解决具体怎么做的问题，详细设计则是讲技术设计的结果转化为各种文件输出。

质量机能展开(QFD)采用质量屋将顾客所需特性转化为一系列工程特性，发明问题解决理论(TRIZ)可以解决上述工程特性中的技术冲突，而实验设计(DOE)则可以解决在这个过程中具体怎么做的问题。将三者进行有机集成，将为产品设计提供一种全新的思路。

二、质量机能展开技术

质量机能展开(Quality Function Deployment，QFD)是把顾客(用户、使用方)对产品的需求进行多层次的演绎分析，转化为产品的设计要求、零部件特性、工艺要求、生产要求的质量工程工具，用来指导产品设计和质量保证。QFD起源于日本，由赤尾洋二教授首先提出。随后该技术在美国得到进一步发展，并在世界范围内得到广泛应用。QFD从诞生至今，尤其是在美国等国家快速传播后，已经成为在世界多个国家广为应用的产品开发设计方法，并取得了丰硕的成果。QFD的发展不仅表现在与QFD有关的文献数目日益增多，大量QFD咨询机构的产生，还表现在有大量的QFD软件的开发成功并已应用于质量管理的实践。

三、发明问题解决理论

发明问题解决理论(Theory of Inventive Problem Solving，TRIZ)是由前苏联G．S Ahshuller为首的一批研究人员在50多年间通过分析研究世界各国数百万计的发明专利的基础上所总结归纳出的一套系统化的、基于知识面的、面向人的发明工程方法论。它运用以发明创造方法学为基础的创新技术，为产品创新提供富有创造性的设计方案。该理论对世界产品开发领域已产生了重要的影响。

技术冲突是指系统一个方面得到改进时，削弱了另一个方面的期望。TRIZ原理的核心就是解决技术系统中存在的冲突，解决技术矛盾的有效工具是技术矛盾解决矩阵。它是由TRIZ专利研究确定的39个标准技术特性和40个发明原理及它们之间的对应关系组成的。用技术矛盾解决矩阵、解决待解决的发明问题的过程模型如图1所示。

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图1 技术矛盾解决过程模型

四、实验设计
实验设计(Design of Experiments，DOE)，是以概率论与数理统计为理论基础，经济、科学地制定实验方案以便对实验数据进行有效的统计分析的数学理论和方法，对于解决多因素优化问题卓有成效，而且还能够有效地提高产品质量、降低生产成本，现已为美国和日本企业广泛使用。实验设计还可应用于改进企业管理，调整产品结构，制定生产效益更高的生产计划等。实验设计一是以G.E.P.Box为代表的西方统计质量专家提出的经典实验设计方法，主要包括因子实验和响应曲面法。二是由日本著名质量管理专家田口博士所创立的田口方法，田口将产品设计过程分为三个阶段，即系统设计、参数设计和容差设计，实际上是进行三次优化设计，特别是后两次设计，主要应用正交优化设计对产品的质量和成本进行充分挖掘。

五、QFD、TRIZ和DOE在产品设计过程中的集成应用

传统的产品开发过程采用的是顺序过程．即产品规划、方案设计、技术设计、详细设计四个阶段依次进行。目前多为推广应用的是并行过程。

在产品设计与开发过程中应用QFD方法时，要先建立各个阶段的质量屋，再进行需求变换，最后形成明确的生产要求，从而完成产品开发的质量机能展开全过程。QFD通过对顾客需求的分析和对竞争对手的考虑决定产品的设计参数和规格，因此它是一种顾客驱动和市场导向型的管理过程。它的主要功能是将顾客需求逐步转化为设计过程的工程参数，并逐步转化为生产过程的关键控制点，从而实现源头质量管理。与传统的质量控制方式不同，QFD不是通过最终的产品检验，而是在产品设计之初就将质量作为产品设计的考虑因素而进行产品的开发。质量机能展开过程是通过统称为质量屋(HOQ)的一系列图表和矩阵来完成的，其基本结构要素如图2：

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图2 质量屋的构成

A.左墙——顾客要求及其重要性，是WHATS输入项矩阵。通常可以通过定性与定量的市场研究来识别和确定顾客的要求，进而确定这些顾客要求的重要程度。为了清楚地确定出顾客要求，常采用亲和图(affinity diagram)和树图(tree diagram)对顾客需求信息加以分析、归纳和整理。

B.右墙——评价矩阵。市场竞争能力或可行性分析比较，是从顾客的角度评估产品在市场上的竞争力评估矩阵。旨在确定本公司产品的竞争优势和劣势以寻找突破性的改进方向和领域。

C.天花板——设计要求。HOWS矩阵；是针对需求将采用的工程措施(设计要求或质量特性)。

D.房间——关系矩阵。是HOQ的核心部分，表示顾客需求和技术需求之间的关系。

E.屋顶——相关矩阵。HOWS的相互关系矩阵；即阵内各项目的关联关系，记录了设计要求之间支持、冲突和相关程度。

F.地下室——技术矩阵。HOWS输出项矩阵；即技术需求重要度，技术竞争性评估，技术成本评价目标值等各方面情况．用来确定应优先配置的项目。

QFD是一种系统性的决策技术，在产品开发的各个阶段，它可以保证将需求准确无误地转化为下一阶段的要求。因此，在产品开发过程中引入QFD，可以保证在整个产品寿命循环过程中，顾客的要求得到最直接的表达，同时避免了不必要的冗余功能，还可以使产品的工程修改减至最少。正如赤尾洋二所言，QFD是科学，更具有实践性，每个企业应当根据本企业的实际情况选择适合本企业的QFD方法。

TRIZ是解决技术矛盾和发明问题的有力工具。在完成质量屋构建之后，TRIZ可以提供满足顾客需求的解决矛盾、冲突的设计方案，即解决质量屋中屋顶部分相关矩阵所记录的设计要求之间的矛盾与冲突。利用TRIZ理论中的发明原理、矛盾矩阵、物质一场分析、发明问题解决算法和ARIZ等其他问题解决工具，可以为HOQ的屋顶解决提供实质性的帮助。一旦技术问题抽象成技术矛盾的形式，就要用该问题所处的技术领域中的特定术语描述这个矛盾，然后将这个矛盾转换成一般的工程术语，再由这些一般工程术语选择标准的技术特性，最后由标准技术特性在技术矛盾矩阵中选择可用的发明原理。TRIZ理论的运用不涉及到开发过程的改变与重组，只需要建立强大的工具数据库，用计算机实现其原理和方法。

对于HOQ的地下室部分所输出的信息，会遇到如何选择最优方案的问题，如怎样选择合适的配方，合理的工艺参数，最佳的生产条件，怎样安排实验方案能做到时间最省、效果最好、成本最低等问题。根据DOE的方案设计优先选择对产品特性影响比较大的各相关参数，确定哪些因素重要哪些不重要，每个因素取什么水平为好，各个因素按什么样的水平搭配起来特性指标较好。换言之就是考察影响产品特性的各个参数，确定什么样的参数组合使得产品特性最好。通过上述定性和定量的分析所得到的HOWS项，即完成了“需求什么”到“怎样去做”的转换。更为有意义的是，通过实验的安排和设计使得产品设计部门加深了产品后续生产过程的了解。

在产品设计过程中，QFD提供了设计的方向和目标，但却不能提供满足顾客需求的解决矛盾冲突的方法，而TRIZ不但可以很好地满足这一点，还能够实现产品设计的创新。通过DOE方法的应用，可在上述基础上进一步得到抗干扰能力强的产品最优参数组合。三者的集成应用使得设计出的产品不但满足顾客需求，而且体现了创新，同时又物美价廉。

六、基于QFD、TRIZ和DOE的产品设计方法的优势和效果

随着我国加入WTO，产品的竞争已日益由产品的制造阶段转移到产品的设计阶段，因此，掌握产品设计的先进技术就成为在竞争中取得成功的关键。基于QFD、TRIZ和DOE的产品设计方法将三种理论的思想和方法融人整个产品开发过程中，充分发挥各种理论的优点，为产品设计和开发提供了一套完善、强大的支持工具。

首先，提供柔性的且易于理解的信息，集中反映顾客需求，是市场规律在工程实际中的灵活应用。以顾客满意、社会损失小为驱动，寻求减少质量损失的途径，提高设计质量，生产符合顾客要求的产品。是三种理论的一致性。

其次，加强了各部门的团队协作精神，提高生产各部门对产品开发过程的认识，增进内部信息交流。开展这项工作绝不是开发部门或制造部门某一个部门能够独立完成的，它需要集体的智慧和团队精神。

最后，充分体现了源流管理思想、创新思想和以顾客为中心的思想。

QFD、TRIZ、DOE三者从不同侧面、不同角度保证产品设计质量，生产符合顾客要求的产品。三者的集成应用可以在一定程度上提升产品设计质量。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/28/2009)


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