基于关键质量特性的产品设计本科学位论文.docx

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基于关键质量特性的产品设计本科学位论文

基于关键质量特性的产品设计

摘要

在明确质量特性概念基础上，提出了质量特性（QCs）的三层结构及其技术内涵，给出了关键质量特性（KQCs）概念；给出了产品关键质量特性演化模型与演化活动；结合产品设计过程，建立了基于关键质量特性的产品保质设计（DFQ）活动链与模式；基于质量屋给出了完整的关键质量特性提取方法；在产品功能和结构树基础上，应用公理化设计（AD）中功能与结构域映射理论建立了关键质量特性关联树，并在分析噪声因素和统计故障模式的基础上，基于粗糙集理论和模糊逼近于理想的排序方法（FuzzyTOPSIS）提出了关键质量特性关联树节点的质量关联权重计算方法；提出了关键质量特性关联树节点的关联权重评定方法；将基于三维CAD的方案外形评估与基于虚拟样机的方案性能仿真引入保质设计质量评价活动中。

最后通过案例应用验证了所提理论与方法的正确性与有效性，为产品保质设计提供了一种可行的系统化的实现方法。

关键词：

保质设计；关键质量特性；保质设计活动链；关键质量特性提取；关键质量特性关联树；关键质量；特性仿真评价

Abstract

Firstly，qualitycharacteristics（QCs）aredefined，thethree—layermodelandtechnicalconnotationofqualitycharacteristicsarepresented，thentheconceptofkeyqualitYcharacteristics（KQCs）ispresentedanditsevolutionprocessmode1iscreated，andthekeyactivitiesOfKQCsevolutionarediscussedinthecontextofdesignforquality（DFQ）．ThedesignchainandnewapproachofDFQbasedonKQCsaregiven．IdentificationmethodofKQCsisgivenbymeansofthehouseofquality．DecompositionmethodofhierarchicaltreeofKQCsisstudiedbasedonfunctionalandphysicaltreeinaxiomaticdesign（AD），andthequalityrelationweightassessmentprocessofitsnodesbasedontheirhistorydataofqualityrelatedtOnoiseandfaultanalysisisdiscussedindetailbymeansofroughsetandfuzzytechniquefororderpreferencebysimilaritytoidealsolution（TOPSIS）．Resultsofgeneration，simulationandevaluationimplementedqualityofassuranceplanarestudiedfarther．Finally，casestudiesoftypicalmechanicalproductsareoffered．Applyingtheprincipleofthemethodpresented，thecasestudiesdiscusstheDFQmode，theproceduresofidentifyingKQCs，buildingthehierarchicaltreeofKQCsandverifyingqualityassuranceplan．Thetestresultsofsimulationandphysicalprototypeshowthevalidityandpromise．Therefore，itprovidesanewpracticalapproachfordesignforquality．

Keywords：

designforquality（DFQ）；keyqualitycharacteristics（KQCs）；activitychainofDFQ；identificationofKQCs；decompositionandhierarchytreeofKQCs；simulationandevaluationofKQCs

第一章绪论

1.1研究背景及意义

今天的产品设计，特别是电子产品的设计领域，由于现代科技的迅猛发展，使电子产品具有了更大的造型设计空间。

机械时代的产品外型与结构功能之间的关系变得模糊起来；另一方面，随着社会发展与进步、物质的极大丰富，产品功能已经成为一个大多数企业都可以满足的最基本条件，已经很难形成长久的竞争力，消费者对产品的需要在这一前提下，转向更高层次的精神价值上来。

这些自然就给产品设计提出了一系列新的要求——单纯的工程师或造型设计师，已经无法满足现代产品复杂的属性，产品设计成功的难度变得越来越大。

产品设计质量决定了产品的固有质量，是产品全生命周期质量控制的“瓶颈”，随着并行设计、保质设计和六西格玛设计等产品设计与质量控制新理论方法实践研究的不断深入，如何系统地有效的对产品设计质量进行控制，实现质量驱动的产品设计，保证产品质量，已经成为企业面对的具体问题和研究热点。

近年来，随着国内外针对产品明确任务、初步设计和详细设计等阶段的质量控制与保证技术及方法等研究的不断深入，对贯穿产品设计全过程的系统化的微观层面质量控制对象与质量控制方法提出了迫切需求。

为此，本文提出了一种新的基于关键质量特性的产品设计质量控制方法，并讨论了该控制方法的软件实现。

1.2国内外研究的现状分析

近年来，国内外学者在产品质量设计领域相继做了研究。

M．Morupll博士从产品生产者与消费者的角度提出了两类质量论，把质量分成两类（Q，g）：

Q代表外部质量，指顾客能感受到的质量，即最终产品所体现的特征、特性；g代表内部质量，指企业内部为实现Q而进行的一切生产活动的质量。

在此基础上提出了3个基本活动单元：

制定目标、质量合成与质量评价。

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融合；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。

JulianD．Booker对产品质量设计的支持工具质量功能配置、失效模式影响分析、稳健设计与SixSigma等技术进行了评述，针对这些工具，提出了支持并行产品开发的保质设计工具应用与集成框架。

在国外相关研究成果的基础上，国内学者的研究主要集中在DFQ的集成模式、支持工具与软件支持系统的研究。

虽然现有的质量设计方法研究取得了一些成果，但其工程应用仅局限于离散的产品设计阶段和独立的工具，对如何按照质量工程思想，突出重点地实现宏观与微观相结合的系统化的设计质量保证尚缺乏理论和方法支持，对设计阶段的质量保证只是停留在离散的质量工具应用与管理层面上。

随着质量工程实践的不断深入，形成了质量保证过程中抓关键因素的理念，并提出关键特性（KeyCharacteristics，KCs）和关键质量环节（CriticaltoQuality，CTQ）概念，并分别在波动风险管理l_8]（VariationRiskManagement，VRM）和6西格玛设计（DesignforSixSigma，DFSS）方法体系中得到应用。

1.3研究内容及技术路线

本文主要的研究内容是基于关键质量特性的产品设计，在产品设计的质量保证过程中抓住关键的因素，把关键质量特性作为产品设计的主要设计基础。

本文把关键质量特性的理念引入产品设计方法中，明确关键质量特性概念，提出了基于关键质量特性的产品设计活动链与模式，并对关键质量特性的提取、分解和合成等关键设计活动的技术实现进行了深入研究，各章节具体研究如下：

第一章为绪论，主要阐述本论文题目研究的背景及意义，以及国内外研究的现状分析。

第二章主要阐述产品设计的相关理论基础，主要包括产品设计过程研究的意义，产品设计理论，现代产品设计方法以及产品设计过程模型。

第三章主要介绍关键质量特性的基础知识，包括质量特性的介绍，关键质量特性的定义，关键质量特性的分类与演化以及演化模型。

第四章则是基于关键质量特性的产品设计的设计方法与设计模型，在此章中阐述了怎样提取关键质量特性，引入关键质量特性关联树，采用关联树的形式进行关键质量特性的分解、权重计算和排序结果，最后对具体的实施做了大概的阐述。

第五章在结论中总结全文，简单说明了本文提出的观点在产品设计中的作用，并提出了本文方法的在新产品设计中的局限性。

第二章产品设计的相关理论基础

2.1产品设计过程研究的意义

现代市场以全球化竞争加剧、客户需求变化频繁、市场多极化、先进制造与信息技术的集成为特征，对制造业企业提出的核心要求是又好又快地响应客户需求。

关于并行工程的研究与实践表明:

整个产品生命周期约83%的费用是由产品设计过程的工作所决定，而这一阶段本身所需费用则占不到总费用的3%。

产品设计过程，即从产品定义到产品批量生产之前这一段时间，在产品生命周期中的重要性，促使企业将目光集中在发展出高适应性的设计方法，以管理产品设计过程及资源。

这使得对于产品设计过程管理的研究日益受到重视。

图2-1中可以看出产品设计过程管理在设计过程中所处的地位。

无论是作为设计资源的设计团队、技术与设计工具，还是作为软实力的企业文化，以及最终的产品或服务，都与产品设计过程中的管理活动有着直接的、不可分割的密切联系.产品设计过程管理是综合支配和挖掘各设计元素，推动设计过程高效进行的动力。

图2-1过程结构示意图

2.2设计理论的研究内容

设计理论是研究产品设计的科学，涉及产品设计过程、设计目标、设计者、可用资源、领域知识等5个方面及其相互关系。

设计者是设计的主体，如一个或一组设计人员。

可用资源是时间、空间、经费、计算机网络及设计软件等在设计中要用到的资源。

领域知识是机械原理、机械零件、机构学、电工、电子等设计中要用到的专门知识。

设计目标是对待设计产品的一种详细描述，如图样，数据文件等。

设计过程是指设计者为完成设计所采取的一系列活动。

所谓设计，是指设计者利用可用资源及领域知识，通过设计过程，将用户需求转变为待设计产品的一种详细描述的过程，该描述可用于产品制造。

设计理论的研究内容如图2－2所示。

在设计理论所涉及的内容中，设计过程是其核心。

图2－2设计理论研究的内容

产品设计是一复杂的过程，不同的企业设计过程也不同。

为了对这些不同的设计过程进行描述，需要采用设计过程模型，该类模型是工业界真实设计过程的一种抽象，并能回答真实设计过程中的问题。

2.3现代产品设计方法

随着科学技术的飞速发展，机械产晶向大型化、微型化、多功能多用途化方向发展，原来单一的机械产品设计手段已经陈旧。

目前计算机辅助设计已经褥到比较广泛豹研究与应用，根据强黄国内外设汁学者进行机械产品方案设计所用的方法，可以将其分为四大类型：

系统囊：

的设计方法、结构模块化设计方法、基于产晶知识特征的设计方法、智畿化设计方法。

2.3.1系统化设计方法

系统化设计思想是70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出的，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。

目前制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDl222l的设计方式。

除此之外，我国许多设诗学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：

（1）将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计糯零件设计、工艺栽划、作韭控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理焉有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。

（2）将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。

同时采用了生命系统图符抽象地表达产晶的功能要求，形成产品功能系统结构。

（3）将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：

一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分（单元）及其捆互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设}卡中各个方面的工作积各个不同的设计阶段。

2.3.2结构模块化设计方法

从规划产品的焦度提出：

定义设}十任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品（如通用零件部件等）描述设诗任务，邸分鳃任务时就考感每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产晶规翊除段就瀵除设计任务中可能存在的矛髓，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，南此提高设计效率稻设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。

Feldmann将描述设计任务的功髓讫产晶结构分为圈层：

产箍、功能组成、主要功能组件、功能元件。

并采用面向应用的结构化特征目录，对功雏元件进行更为具体的定性和定量描述。

在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对_于评价专用机械的设计、制造风险寸+分有利。

提倡在产晶功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择秘组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。

这些基本结秘可以是零件、部件，甚至是一个系统。

理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口（联接和配合部），并且是系酬化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。

我国结合软件构件技术程CA矜技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床融大至I小分为产晶级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和cAD技术将它们组合成不阍品种、不同规格的功能模块，再由这些功熊模块组合成不同的加工中心总体方案。

以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的鳃元素进行完整的、结构化的编封}，形成解集设计目录。

并在解集设计目录中列出评论每一个癣的附热信息，菲常有秘于设计工程师选择解元素。

根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：

1）元件间直接定位，并具有自调整性的部件；2）结构上具有共性的组合件；3）具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接；4）具有模块化结构和模块化元件的联接。

并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件问联接的算法化和概念的可视化。

在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构形式的一一对应。

“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。

结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。

对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。

由于实体与功能之间并非是一一对应的关系，一个实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。

因此，若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知识。

2.3.3基于产品特征知识的设计方法

基于产品特征知识设计方法的主要特点是：

用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机制，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。

机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。

欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。

为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种：

编码法、知识的混合型表达法、设计目录法等。

2.3.4智能化设计方法

智能化设计方法的主要特点是：

根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。

在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段。

1）产晶规划一构思产品。

其任务是确定产品的外部特性，并将最初的设想用CAD立体模__型表示，建立能够体现整个产品外形的简单模型。

2）开发一设计产品。

该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根

据设计目标的不同有不同的含义：

可以是基本元素，也可以是复合元素，还可以是要求、特性、形状等等。

将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置（设计模型中解元素间的关系）进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。

3）生产规划一加工和装配产品。

这一阶段主要论述了装配过程中cAD技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。

我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。

重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察。

将构造标准模块、产品整体构造及其制造工艺和使用说明的拟订称为快速成型技术。

建议在产品开发过程中将快速成型技术、多媒体技术以及虚拟表达与神经网络结合应用。

指出随着计算机软、硬件的不断完善，应尽可能地将多媒体图形处理技术应用于产品开发中，例如三维图形代替装配、拆卸和设计联接件时所需的立体结构想象力等。

上述各种方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法，在机械产品方案设计中，将能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构看作结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。

2.4产品设计过程模型

企业竞争是围绕产品的时间（T）、成本（C）、质量（Q）、售后服务（S）j几个因素进行的，如果认为S是Q的组成部分，T、Q、C这三个因素都可能是企业选择设计过程模型时的支配因素。

按选择支配因素的不同，把设计过程模型分为顺序过程模型、设计为中心的模型、并行设计模型和动态过程模型四类。

2.4.1顺序过程模型

传统的设计过程模型为顺序模型，如图2－3所示。

企业选择该类模型的支配因素是为了保证产品的质量与降低成本。

图2－3顺序结构模型

按这种模型，新产品设计在交给制造部门之前，按照图中顺序在企业的不同部门内完成。

经过试验或后续的制造发现设计的不合理之处，在返回到设计的某个阶段，如详细设计阶段，进行再设计，一直到满足要求为止。

2.4.2设计为中心的模型

图2－4是设计为中心的的模型。

企业选择该模型的支配因也是产品的质量与成本。

与上述模型的不同点为：

设计人员在设计阶段要更详细的考虑到制造、装配、环境、全生命周期的成本等，使设计反复的过程尽可能短。

图2－4设计为中心的模型

分析的该类模型的重要特征。

有限元计算、运动学与动力学仿真、加工过程仿真、装配过程仿真等都是分析的内容。

2.4.3并行设计模型

图2－5是并行设计模型。

企业选择该类模型的支配因素搜产品质量及推向市场的时间。

图2－5并行设计模型

该模型与设计为中心的模型不同点为：

该模型为小组工作方式，小组成员要具有不同的知识结构，要有产品开发的下游人员参加，为了共同的目的——尽快开发新产品而努力。

该类模型不仅适用于具备网络环境的大中型企业，也适用于不具备网络环境的小企业。

2.4.4动态过程模型

图2－6是产品设计的动态过程模型。

与并行设计模型相比，各个设计阶段一起开始，小组之间的消息交流更加重要，因此需要更好的设计与过程的集成环境。

企业选用这种模型的驱动力是产品推向市场的时间。

图2－6动态过程模型

第三章关键质量特性

3.1质量特性

产品质量是一组固有特性满足要求的程度，它由适用性和符合性两个层次构成。

适用性是指这组特性满足顾客需求的程度，符合性是指这组特性符合标准要求的程度，适用性决定了符合性，符合性使适用性得以实现，符合性只有在适用性前提下才有价值。

设计阶段质量保证主要任务是提高其适用性，制造阶段质量保证的主要任务是保证符合性。

为了更加清晰描述产品质量，Iso9000标准引人质量特性（QualityCharacteristics，QCs）概念，它们是有关要求的产品、过程或体系的固有特性，具有多维性特点和演化性特点，多维性特点主要体现在产品质量特性集合参数种类和数量上；演化性特点主要体现在产品各级质量特性信息相互传递和反馈过程中。

Juran强调：

质量特性是产品质量的载体，它们可以分为设计质量类、符合性质量类、可信性等时间能力类和现场售后服务类等四类。

其中设计类质量特性主要体现在产品技术指标中，它们决定着其他三类特性，其他三类质量特性是设计类质量特性在制造、使用和售后阶段的具体体现，为完善设计类质量特性提供有益的反馈，就为从质量特性层来保证产品质量提供了理论依据，特别是明确了在产品设计阶段就应重视质量特性的重要实践意义。

在产品设计过程中，驱动产品设计方案产生的设计要求分为两类引：

功能型需求和技术型需求。

功能型需求描述了待设计产品的功能和使用目的，是产品存在的根本；技术型需求以定量或定性的方法描述产品设计方案需要满足的约束条件，是评估产品设计方案质量的首要依据。

在产品设计阶段，产品存在形式为设计方案，而技术型

设计需求是设计方案质量的载体，技术需求的主体是技术指标。

依据产品质量特性是产品质量载体的道理，可以认为，技术需求是产品质量特性的载体，质量特性约束着技术需求。

为了有效表征产品质量，明确其技术内涵，质量特性需要表达顾客、企业和技术人员对产品质量的多视角的认识与度量，为此，提出如图3－1所示产品质量特性3层结构的概念模型。

如图中所示，质量特性由反映用户需求的质量特性维度（QualityDimensionality，QD）、反映企业评价与竞争要求的质量特性要素（QualityEssential，QE）和反映工程师设计要求的质量特性属性（QualityAttribute，QA）所构成，它们构成了产品质量特性的集合。

它们从不同层次反映对产品质量的认识与要求为性能（即功能性）、可靠性、安全性、耐用性、可维护性、经济性、环保性及美感性等方面的质量需求和特征。

与产品性能关联的质量特性要素是质量特性的核心，其承上启下，是联系顾客和设计人员的桥梁。

为了将产品质量特性合成到产品中去，需要和产品设计工程紧密关联，从产品设计数据中构建产品质量特性，实现质量特性维度、质量特性要素到质量特性属性等不同属性的质量需求的依次转化，明确产品保质设计质量目标。

图3－1产品质量特性概念模型

3.2关键质量特性的定义

为了有效地在产品设计阶段开展质量保证工作，需