（机械制造及其自动化专业论文）基于adqfdtriz田口方法的综合设计方法研究.pdf

摘要设计理论可以为设计活动提供理论依据，指导设计者进行设计。公理设计( a d ) 以独立公理和信息公理两条理论为基础，指导设计者在设计的初期做出正确的设计决策，并为设计者提供一个设计的理论框架。质量功能展开( q f d )可以把顾客需求转化为设计要求，使产品获得最大的顾客满意度。发明问题解决理论( t 刚z ) 能给设计者提供解决产品设计问题的具体方法。稳健设计( 田口方法) 提供了如何设计出物美价廉的产品的方法。由于每种理论方法都有自己的适用范围，因此，有必要将它们综合起来用于指导产品设计。在分析总结了公理设计理论、质量功能展开技术、发明问题解决理论和田口方法的研究成果的基础上，本文建立了产品设计的理论集成模型，为产品设计者提供了“做什么 、“怎么做”和“怎样才能做得好”的方法。本文主要开展以下研究工作：对公理化设计理论、质量功能展开技术、发明问题解决理论及田口方法的优缺点进行了比较。建立了a d 与q f d 、q f d 与t r i z 、t r i z 与田口方法、以及q f d 与田口方法之间的两两集成设计模型，以及它们之间的综合集成设计模型。以压缩机切割机床为例对集成设计模型进行了实践，设计出了压缩机切割机床模型，印证了集成设计方法的正确性、可行性与实用性。以手动打孔装订机为例建立了基于s d s m 的产品平台，给出了从单一产品设计到产品族设计的方法。关键词：a d 理论；q f d 技术；t r i z 理论；田口方法；集成模型；产品平台；a b s t r a c tt h ed e s i g nt h e o r yc a np r o v i d et h e o r e t i cb a s i sf o rt h ed e s i g na c t i v i t i e sa n dg u i d e sd e s i g n e r st od e s i g n t h eb a s i so fa x i o m a t i cd e s i g n ( a d ) i sd e p e n d e n tf u n c t i o na n di n f o r m a t i o nf u n c t i o n ，t h i st h e o r yc a nl e a dd e s i g n e r st od or i g h td e c i s i o n m a k i n g ，a n dp r o v i d eat h e o r e t i cf r a m em o d e lo fp r o d u c td e s i g nf o rd e s i g n e r s q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ( q f d ) c a nb eu s e dt ot r a n s l a t ec u s t o m e r sn e e d sa n dw a n t si n t ot e c h n i c a ld e s i g nr e q u i r e m e n t ss oa st oh e l pt om a x i m i z ec u s t o m e rs a t i s f a c t i o n r u s s i a nt h e o r yo fi n v e n t i v ep r o b l e ms o l v i n g ( t r i z ) c a np r o v i d ed e s i g n e r st h ec o n c r e t em e t h o d st os o l v et h ep r o b l e mo fp r o d u c td e s i g n t h er o b u s td e s i g n ( t a g u c h im e t h o d s ) c a np r o v i d et h ew a yt od e s i g np r o d u c e st h ee x c e l l e n ti nq u a l i t ya n dr e a s o n a b l ei np r i c ep r o d u c t e v e r yt h e o r yh a si t sr a n g e ，s oi ti sn e c e s s a r yt oc o m b i n et h e mt og u i d ep r o d u c td e s i g n o nt h eb a s i so fr e s e a r c h e ss u m m a r i z e do nt h ea d ，q f d ，t r i za n dt a g u c h im e t h o d s ，i n t e g r a t i o nd e s i g nm o d e lw h i c hp r o v i d e st h ed e s i g n e rt h ea n s w e rt o “w h a tt od o ”h o wt od o ”a n d h o wt od ob e t t e f t h r o u g ht h eu s eo fa d ，q f d ，t r i za n dt a g u c h im e t h o d si nt u r nc o n n e c t e db yf u n c t i o nw a se s t a b l i s h e d s o m eg r e a t e rd e t a i l sa r ea sf o l l o w s ：t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fa d ，q f d ，t r i za n dt a g u c h im e t h o d sw e r ec o m p a r e d t h ei n t e g r a t i o nd e s i g nm o d e l so fa d & q f d ，q f d & t r i z ，t r i z &t a g u c h im e t h o d s q f d & t a g u c h im e t h o d sw e r ee s t a b l i s h e d t h e nai n t e g r a t i o nd e s i g nm o d e lw h i c hb a s e do na d q f d t r i z t a g u c h im e t h o d sw a se s t a b l i s h e d a sa ne x a m p l e ，i n t e g r a t e dd e s i g nm o d e lh a sb e e np r a c t i c e db yt h ed e s i g no fc o m p r e s s o rc u t t i n gm a c h i n e t h ec o r r e c t n e s s ，f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h ei n t e g r a t e dd e s i g nm o d e lh a sb e e np r o v e d a sa ne x a m p l e ，ap r o d u c tp l a t f o r mo fh o l ep u n c h i n ga n db o o k b i n d i n gm a c h i n em a n u a lb a s e do ns d s mm a t r i xw a se s t a b l i s h e d aw a yo fo n ep r o d u c tt op r o d u c tf a m i l yw a sg i v e n k e yw o r d s ：a dt h e o r y , q f dt e c h n o l o g y , t r i zt h e o r y ，t a g u c h im e t h o d s ，i n t e g r a t e dm o d e l ，p r o d u c tp l a t f o r m ，独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：涨古中签字日期：加多尹车月3 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解签叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：签字日期：加哆年张砷1月；目导师签名：侈冱 帮签字目期：乙加7 年易月弓日第一章绪论1 1 课题研究的意义第一章绪论企业的市场竞争力决定于产品的水平，而产品的水平关键在于设计。所以设计工作的质量，直接关系到产品的质量、性能、研制周期和经济效益，甚至关系到国民经济的发展。在当今科技竞争日益激烈的形势下，为了赢得市场，企业就必须以市场为导向，以最快的速度率先推出功能满足要求，质量上乘、价格合理、服务完善而且符合环保要求的产品。即使产品具有最优的t q c s e ( t i m e ，q u a l i t y 、c o s t 、s e r v e 、e n v i r o n m e n t ) 指标。因此，先进设计方法与工具的采用，对企业的产品开发乃至企业的竞争能力具有至关重要的作用。a d ( 公理设计) 是设计领域内的科学准则，能指导设计者在设计过程中做出正确的决策，为创新设计或改善已有的设计提供良好的思维方法【2 】。a d 能为设计者提供一个理论框架，能指导设计者在设计过程中判断正在进行中的设计在结构上是否是优化的，从而从源头上避免不良设计的产生，适用于所有的设计。q f d ( 质量功能展开) 是一种把顾客需求转化为质量需求，由此决定产品设计的质量，并系统地配置到产品的各个环节及过程要素的多层次演绎方法。作为国际著名的产品设计理论之一，q f d 得到学术界和工业界的广泛认可，并在一些著名的国际大企业中得到成功的实施和运用。根据日美等先进工业国家的文献报道p 圳，应用q f d 方法不但能提高产品质量，保证产品开发一次成功，而且能使产品开发周期缩短1 3 ，成本减小1 2 ，效绩十分明显。i s 0 9 0 0 0 国际标准也特别强调“以顾客为关注焦点”，而q f d 正是分析顾客需求，并使之与产品的开发密切关联的最有效的工具。因此，q f d 技术受到各国重视，并获得了广泛应用。符合中国企业的现状，是中国企业实现质量振兴，赢得竞争优势的理想工具。t r j z ( 发明问题解决理论) 是关于系统创新的科学，它通过定义机械设计中的物理和技术这两类冲突，并通过冲突矩阵和创新原理创制性地解决这两种冲突，而不是通过传统意义上的技术折衷来实现技术创新【5 】。t r i z 的出发点是借助于经验发现设计中的冲突，冲突发现的过程也是通过对问题的定性描述来完成的。它在许多国家大企业中解决了成千上万的产品开发中的新问题，已成为解决技术问题中强有力的工具。田口方法又称三次设计，是一种系统化的三设计方法，其核心思想是在产品设计阶段就进行质量控制，试图用最低的制造成本生产出满足顾客要求的、对社第一章绪论会造成损失最小的产品。它的核心为参数设计，本质上是利用参数之间的非线性关系及参数和各种干扰因素、环境因素之间的交互作用，提高产品( 系统) 的抗干扰能力，即制造和使用中的稳健性1 6 j 。成为获得低成本、高质量、可靠性高且开发周期短、有市场竞争力产品的主要手段。a d 给出了产品设计的框架，但是至于产品设计中出现耦合的情况下如何解耦? 如何使产品“做的更好却没有给出很好的答案；q f d 能确定为满足用户需求要“做什么”，但不能解决“如何做”；t r i z 提供了一系列解决困难问题的工具，但设计人员需凭借经验确定“做什么”，而且对于“如何做的更好”没有给出解决的方法；稳健性设计给出了如何降低成本、提高产品质量的方法，解决了“如何做的更好”的问题，但对于产品设计中“做什么的问题确不尽人意，而且如果产品本身存在耦合的时候，不能从根本上解决产品的质量问题，只是一种折衷优化。可见每种理论都有自己的局限，无法有效地运用于产品设计的整个过程。根据a d 、q f d 、t r i z 及田口方法的优势和局限，将它们进行综合研究，取长补短用来指导产品设计，这类研究已成为一个热点。1 2 国内外研究现状1 2 1 国外研究现状公理设计理论是美国麻省理工学院( m i t ) 院士n a mp y os u h 于1 9 9 0 年在t h ep r i n c i p l e so fd e s i g n ) ) 一书中正式提出的。公理设计理论是设计领域内的科学准则，能指导设计者在设计过程中做出正确的决策，为创新设计或改善己有的设计提供良好的思维方法。当公理化设计第一篇论著出版时，就在工程设计领域引起轩然大波，受到了广泛的关注，国外相继出现了一些公理设计理论的研究团体，如m i t 的公理化设计小组、公理化设计会议等，公理化设计及其应用已成为当今工程创新设计领域研究的热点。d l i n d h o l m 等人将a d 理论应用于创新设计过程的决策问题，根据设计分解的过程进行推理，得到设计决策树【7 ：v i g a i nh a r u t u n i a n 等研究了基于a d 理论的产品设计的决策系统及其开发辅助公理设计软件的内容和意义【8 】；j a s o nd h i n t e r s t e i n e r 等研究了将a d 用于控制系统中，建立了系统结构模型和系统控制模型，并研究了公理设计软件的设计过型9 j ；n i c o l ac a p p e a i 研究了机动车上电池支撑板模糊设计的公理决策方法，将a d 用于方案设计的选择上【lo 】；a l b a n o 和s u h 运用a d 论发展了机械并行设计理论；j u n g 和b i l l a t o s 应用a d 理论进行了组装设计的研究，还有很多学者专注于基于a d 的强健设计等。第一章绪论q f d 在上世纪6 0 年代末起源于日本，7 0 年代初日本三菱公司的神户造船厂首次使用了“质量表”。1 9 7 8 年日本m i z u n o 和a k a o 编写出版了质量功能配置一书，介绍了q f d 在日本的快速发展与广泛应用。1 9 8 7 年日本科技联合组织成立了质量功能配置研究会，从1 9 9 1 年起召开质量功能配置研讨会。q f d 在日本发展1 0 多年以后，美国汽车工业界等积极引进q f d 方法，并作了进一步的完善和改进。国防工业方面，波音公司、前麦道公司等积极推广应用q f d 方法，提高了产品质量。美国空军于1 9 8 7 年颁布可靠性与维修性2 0 0 0年规划，将q f d 列为减少质量波动、提高产品可靠性的方法之一。美国国防部1 9 8 8 年颁布的指令d o d d d 5 0 0 0 5 l “全面质量管理( t q m ) ”中，q f d 与田口方法、实验设计、新q c 七工具、s p c 等并列，作为研制武器装备的承包商必须应用的质量工程技术】。q f d 在8 0 年代中期由意大利引入欧洲，在意大利企业中进行了有益的实践。德国则于8 0 年代末接触q f d 技术，在一些大中型企业进行q f d 的应用。1 9 9 3 年，首届全欧洲q f d 大会在米兰召开。目前，q f d 已在全球几十个国家得到应用。丰田公司从1 9 7 5 年开始采用q f d ，通过运用q f d 使汽车防锈能力从世界几大汽车制造商中较差水平上升为目前世界最好的一家。福特公司1 9 8 4 年开始采用q f d ，自1 9 8 7 年以来，一直成为运用q f d 的领先者。克莱斯勒公司运用q f d 开发中型汽车的l h 平台，原型设计完成时间比过去提前3 5 周，而且整个项目需要人数比过去减少了8 6 0 人。q f d 的应用已经被制造企业所广泛接收，如美国的通用汽车公司、惠普公司、国际数字设备公司、加拿大通用汽车公司等都相继采用了q f d 方法，在汽车、家用电器、集成电路、软件开发等领域中都有成功应用q f d 的报道2 | 。经过二十多年的发展，q f d 技术已趋于成熟，并在工程实践中积累了大量成功经验，但无论在理论和实践上，尤其在如何适应大型、复杂、高科技产品的需要方面，q f d 仍在继续发展中。t r i z 是由前苏联g s a l t s h u l l e r 及其同事在分析研究了世界上近2 5 0 万件高水平发明专利，综合多个学科领域原理、法则的基础上提出的创新方法理论体系。它于1 9 4 6 年被提出，经过5 0 多年的发展，已经成为解决技术问题的强有力的方法学。在俄国、美国、欧洲和日本等许多国家大企业中，t r i z 解决了成千上万的产品开发中的新问题【l 引。在2 0 世纪8 0 年代以前，t r i z 理论对其他国家处于保密状态。苏联解体后，一批科学家移居西方国家。t r i z 理论也被带到了西方，并迅速引起了学术界和企业界的极大关注。各种关于t r i z 理论的研究和培训机构纷纷成立，主要有复兴领导力研究院( r l i ) 、发明机器公司( i m c ) 等。a s i 把t r i z 列为与q f d 、稳健设计并列的质量工程方法，并从19 9 5 年开始举办了以三者为主题的全面产第一章绪论品开发年会。r l i 总裁k o w a l i c k 和d o m b 于1 9 9 6 年在互联网上创办了t r i z 杂志f 1 4 1 。目前西方国家t r i z 的发展主要集中在两个方面：一是t r i z 的现代化，二是t r i z 与其它设计方法的比较和整合研究。当前t r i z 的现代化主要集中在4 个t r i z 模式的研究上 1 0 1 ：i i i ( 1 d e a t i o ni n t e r n a t i o n a li n c ，观念化国际股份公司) 模式、i m c ( i n v e n t i v em a c h i n ec o r p ，有发明才能的机器公司) 模式、s i t ( s y s t e m a t i ci n v e n t i v et h i n k i n g ) u s i t ( u n i f i e ds t r u c t u r e di n v e n t i v et h i n k i n g ，统一结构的发明思想) 模式和r l l ( r e n a i s s a n c el e a d e r s h i pi n s t i t u t e ，复兴领导协会) 模式。t r i z 的另一个研究重点就是t r i z 与其它创造性问题的解决方法和工具的结合1 1 2 】。m i c h a e ls c h l u e t e r 应用t r i z 的理想状态和功能分析模型改善q f d 的k a n o 模型，以正确确定顾客的需求功能；诺埃尔拉恩博士州o e ll r o n r o v i r a ) 在1 9 9 6 年建议将冲突矩阵和4 0 条发明原理应用于质量屋的设计。上世9 0 年代后，t r i z 理论与计算机技术相结合的研究也逐渐成为热f - 1 1 5 , 1 6 1 。以t r i z 理论方法为原理的计算机软件陆续开发出来，主要i n v e n t i o nm a c h i n e 公司的t e c h o p t i m i z e r 和k n o w l e d g i s ，d e a t i o ni n t e m a t i o n a l 公司的i n n o v a t i o nw o r k b e n c h ( i w b ) 等。目前欧美国家的计算机辅助创新技术得到越来越广泛的研究和应用。一些著名的公司如m o t o r l a 、h p 等都已开始使用计算机辅助创新技术解决工程技术问题。稳健设计的研究始于2 0 世纪7 0 年代日本学者田口博士所创立的三次设计法【1 7 】，为稳健设计奠定了基础。随后k a c k e r ，p h a d k e 和n a i r 也分别进行了研究，使之在业内得到了高度重视与发展【l 引。基于田1 2 1 稳健性设计方法在统计方面的缺陷，v i n i n g ，m y e r s 与k i m ，l i n 提出稳健性思想应该与响应曲面方法( r s m ，r e s p o n s es u r f a c em e t h o d ) 结合起来考虑，并且给出了实际的例子l 憎j 。随着计算机技术的不断发展，国内外学者对稳健设计理论与应用的研究做了大量的工作【2 0 】，并相继出现了基于响应曲面模型的稳健设计【2 1 】、基于容差模型的稳健设计f 2 2 】、基于工程模型的稳健设计f 2 3 1 、基于成本质量模型的稳健设计f 矧，以及最小灵敏度法等稳健设计方法。d e r r i n g e r 与s u i c h 2 6 1 在h a r r i n g t o n 2 7 】的构想的基础之上，提出的满意度函数的方法。k h u r i 与c o n l o n 提出的马氏距离法1 28 i ，通过计算与理想点之间的距离并使之最小化来获得最优解。p i g n a t i l l o 2 9 j 等人依据田1 5 1质量损失的概念，提出了解决多响应优化问题的质量损失函数法l j ，该方法考虑了经济意义上的损失：k a p u r 和c h o 3 1 1 利用泰勒级数展开，提出了多变量损失函数；a m e s 等 3 2 】为优化多变量响应曲面提出了二次损失函数；a r t i l e s 1 e o n l 3 3 j 提出了无量纲“标准化”的多元损失函数等等，有关多元质量设计评述和比较的文献可参考 3 4 】。田口的三次设计通常是在进行完参数设计之后再进行容差设计( 也4第一章绪论称公差设计) ，c r e v e l i n g d s 、z h a n g d 6 f l ：t y a n g 3 7 1 在文中指出的，一个理想的容差设计应该同时考虑产品的参数设计和容差设计，没有容差设计，参数设计的结果就不能保证是最优的；b i s g a a r d 3 8 】也指出参数设计的最优解依赖于设计参数的容差，因而这两个阶段应同时进行，或反复进行。a j e a n g 在其4 篇文章中讨论了参数和容差并行设计的方法，均以质量损失为目标1 3 7 , 3 9 - 4 u ；j e f f w u 提出参数和容差整合的方法，应用泰勒级数展开来近似响应函数，与田口的序贯设计相比总成本大大减少【4 2 】。k i m 4 3 】将参数设计与容差设计进行并行设计。s a v a g e 【4 4 j 研究了多响应问题的成本最小化设计，通过调节设计变量的均值和容差来提高产品质量的符合性并降低成本，他用符合概率来计算质量损失成本。在各种理论集成方面：19 9 9 年度赤尾奖获得者j o h nt e m i n k o 博士认为，田1 2 1 方法、q f d 、t r i z 在整个设计过程的不同方面有不同的贡献，如果将三者结合起来将是产品设计的强有力的工具。他以q f d 的5 个步骤为框架，融合t r i z和田口方法构建了“顾客驱动的稳健创新模型”。而p e a r s el j o h n s o n 则以企业文化为背景，以稳健设计为主干，结合t r i z 等方法，建立了基于原则的产品开发过程宏观模型。针对三大设计方法都不同程度存在不足和缺陷，一些专家做了比较深入的研究。y a n gk a i ，k a p u r ，k a i l a s hc 将q f d 与稳健设计进行集成研究。瑞士的j i a c h e nh o u ，d a i z h o n gs u 提出基于q f d ，a h p a n pa n dt r j z 的面向客户，制造的产品驱动模型。美国r o h a na s h i r w a i k e ra n dg o ie o k u d a n 提出将a d 与t r i z 综合使用的观点。美国的g o n c a l v e s c o e l h o ，a m ，m o u r a o ，a j f ，p e r e i r a ，z l 提出用a d 来改进q f d 的方法。美国的b r a s ，b ，m i s t r e ef 提出将a d 与稳健设计进行折中来处理问题。1 2 2 国内研究现状我国对于新兴起的公理设计理论也开展了广泛的研究，例如：华东交通大学的程贤福探讨了基于a d 的机械产品设计过程中的评价方法 4 5 】，他认为在设计过程中包含多准则的评价决策问题，需要一种合理、有效的评价方法，a d 理论不但可为设计者提供一种设计指导框架，而且为他们提供了可以量化的设计评价准则。在设计过程中，首先运用独立性公理来评判设计方案是否合理，并运用信息公理对设计方案进行量化评价。a d 理论可以用来判断产品是否满足人们需要，是否需要创新设计，上海交通大学吴建华、杜正春等人结合轿车门窗密封条端头冲切工位的开发【4 6 | ，用a d理论指导设计过程，给出了斜冲工位功能要求( f r ) 与设计参数( d p ) 的映射和各自的分解过程，给出了基于公理设计的斜冲工位的概念设计草图，最终得到了基于公理设计理论的轿车门窗密封条端头冲切工位的设计；南京航空航天大学王平、第一章绪论高德平提出了将a d 运用于柴油机曲轴设计的方澍47 1 ，从公理设计角度对曲轴进行了分析，建立了基于公理化的曲轴设计系统框架并开发了在u g h 平台上进行公理化设计的软件系统；华中科技大学c a d 中心，程贤福、肖人斌等人也对公理设计理论做了深入的研究【4 8 l ，河北工业大学机械学院的江屏等人在公理设计理论的指导下进行了闸阀结构的创新设计【4 9 j 等等。上世纪9 0 年代初q f d 通过两个渠道传入我国，并在早期阶段形成了两个流派【5 0 】。9 0 年代初在日本留学的熊伟、张小东、董乐群以及日本q f d 专家赤尾洋二、新藤久和大藤正等人向国内介绍q f d 理论。同时，邵家骏等利用赴美国进行质量保证技术考察的契机，从美国引入q f d 技术。近年来，我国学者也对q f d进行了介绍和研究，q f d 方法也逐渐被应用到我国许多行业中。在国内高校中，清华大学、浙江大学、上海交通大学、西安交通大学、河北工业大学、天津大学等对q f d 方法都有一定的研究。1 9 9 5 年，国家自然科学基金资助了q f d 的研究项目，并取得了一定的研究成果。2 0 0 1 年在国家8 6 3 计划及国家“十五”科技攻关重大项目基金资助下，哈尔滨工业大学进行了运用q f d 优化产品开发设计成本的研究。2 0 0 4 年，浙江大学的熊伟分别在国家自然科学基金与浙江省自然基金资助下，开展了q f d 的理论拓展及其在软件开发中的应用模式研究。在企业中，成都飞机设计研究所于1 9 9 0 年向国内引入q f d ，并通过各种途径跟踪美国、日本q f d 的最新进展，开展与国外的学术交流，将q f d 技术中国化、开发q f d 的计算机辅助软件，并以多种方式在国内推广这一技术。2 0 0 1 年，联想单独成立了公司级质量管理部，并建立了各层级监督检查机制与制度。质量部f - 1 引导各个环节利用质量功能展开，将客户的需求转化为各个产品形成环节的关键性能指标( k p i ) ，这一革新取得了巨大的成功。2 0 0 2 年，联想被国家质检总局评选为“2 0 0 2 年全国质量管理先进企业”。t r i z 理论在我国同样得到了学术界的广泛重视【5 。牛占文、檀润华介绍了t r i z 理论过程、方法和常用工具，黄旗明对t r i z 中已有的a r i z 算法进行了改进。河北工业大学的檀润华带领下的研究生主要从事t r i z 的理论介绍和发展方面的研究，他主编的创新设计一书以实例说明了t r i z 理论的应用。并应用t r i z 中的物质一分析方法解决我国企业中的产品的创新问题、提出了q f d 与t r i z 集成方法、技术进化驱动的用户需求分析、技术进化过程驱动的设计过程模型，并开始分析中国专利。重庆大学机械学院侯智等人在分析t r i z 理论的基础上针对t r i z 在发展和成熟的过程中存在的问题和复杂性，提出利用脑图和三角图来简化问题的解，并且提出问题解决系统的思路，还认为问题解决系统会结合t r i z 理论的优点，克服t r i z 的不足，是t r i z 理论发展的必然结果。6第一章绪论在q f d 和t r i z 与其它理论集成方面，也有不少国内专家学者积极开展研究1 5 2 1 。清华大学的马怀宇等提出了基于q r i z q f d 融产品概念设计过程模型。2 0 0 2 年在天津自然科学基金资助下，河北工业大学的檀润华得出了基于q f d f f r i z 的概念设计过程模型，在河北省自然科学基金资助下，苑彩云则提出了基于q f d t r i z 的创新设计研究。2 0 0 3 年四川大学在国家自然科学基金及国家8 6 3 c i m s 主题基金资助下，进行创新性思维及计算机辅助产品创新设计研究。近年来，国内专家还开展了以q f d 和t r i z 为基础的计算机辅助创新软件的研制。其中较有影响的是河北工业大学在2 0 0 3 年研发的计算机辅助产品创新软件i n v e n t i o n t o o l l 0 。该软件包含三个模块：技术进化模块、效应模块、冲突解决原理模块，分别与t r i z 理论中技术进化、效应、冲突解决原理相对应。上世纪8 0 年代初，三次设计法受到我国学术界和质量管理部门的重视，国内先后出版了一些介绍田口方法的译著和论著1 5 引。此后，很多学者对田口方法进行了深入的研究，指出了田口方法存在的一些缺陷，如田口的内外乘积表导致实验次数过多，将信噪比( s n ，s i g n a ln o i s er a t i o ) 作为目标函数来分析是不合适的，忽略因子间存在较强的交互作用等问题。马义中、徐济超以及刘玉敏等人，研究了如何确定多个质量指标整体波动的度量问题 5 4 1 ，利用信息论中的熵理论，建立了多指标稳健设计的一般模型。徐济超、马义中等人提出的基于熵理论的多响应问题的稳健性度量方法【5 5 1 ，其本质上是对信噪比在多维空间上的一种推广。朱学军、王安麟等1 5 6 j 研究了基于灵敏度分析的机械结构稳健设计问题，把非稳态惩罚函数与遗传算法相结合，探讨了求解多目标稳健设计有效解的优化方法。何桢1 5 7 】对马氏距离法进行了改进，考虑了响应间方差协方差的影响，及过程的经济性。在理论集成方面：东北大学赵新军；北京科技大学石贵龙，余元冠；重庆大学侯智、张根保、丁志华等；以及上海交通大学，浙江大学，河北工业大学等众多学者均提出并将q f d ，t r i z ，稳健设计进行集成的综合研究，将几种理论的优势互补，具有一定的创新性。天津大学尚志武，王太勇，万淑敏，吴振勇，任成祖，廖帮全等提出集成q f d 、v e 、t r i z 的新产品开发系统q v t s 研究。而将公理设计、质量功能配置、t r i z 、田口方法进行综合研究的情况还没有报道。1 3 本文研究内容及创新点企业靠产品，产品靠质量，在全球激烈的市场竞争中，拥有高质量的产品以及具有成功开发新产品的能力是企业生存和发展的保证。本课题从我国企业尤其是制造业的实际情况出发，针对企业的新产品开发设计能力明显低于生产制造能第一章绪论力的实际问题，在对公理设计理论、质量功能展开理论、技术创新理论和田口方法深入研究和探索的基础上，提出了将公理化设计、质量功能展开、技术创新理论和田口方法集成应用于产品设计开发过程的大胆设想，并将理论付诸实践，这为提高产品研制质量提供了一个新的思路。本文的主要研究内容及创新点如下：( 1 ) 通过对大量的相关文献研究分析，本文对a d 、q f d 、t r i z 与田口方法4 种工具的国内外现状和发展进行详细的总结。( 2 ) 对a d 、q f d 、t r i z 与田口方法的理论体系和体系构架以及在产品设计质量的应用等进行详细的总结。( 3 ) 针对a d 、q f d 、t r i z 与田口方法4 种工具在产品设计过程中所处的不同地位和作用进行分析和比较。并针对a d 、q f d 、t r i z 与田口方法在产品设计中的互补性，建立两两之间的集成模型以及综合集成模型。( 4 ) 以压缩机切割机床的设计为例，探讨如何从客户实际需求出发，在a d 、q f d 、t r i z 与田口方法综合设计方法的指导下进行设计，经过概念的抽象和功能结构的逐层分解和转化，确定出设计参数等，创造性地设计出满足需要的新产品，验证综合设计方法的正确性与实用性。( 5 ) 对产品平台进行了介绍，并以手动打孔装订机为实例，建立了基于敏感设计矩阵产品平台，找出了公共平台参数和可调节平台参数，实现从单个产品到产品族的设计。目前，有越来越多的人重视了对设计方法的研究，企业也在不断尝试对各种优秀设计方法的综合应用。因此，要快速找到一种适合我国国情的产品设计模式，应对产品设计方法的研究不断推陈出新，本文研究的结构如图1 1 所示。图1 1 本文研究结构流程第二章与本文研究相关理论介绍第二章与本文研究相关理论介绍2 1 公理设计理论n a mp y os u h 教授的公理设计理论以两条公理一独立公理和信息公理为基础，有利于提高设计的创造性，缩短设计周期，判断设计的优劣。通过建立功能需求f r s 和约束c s 来清楚地形成设计目标，根据公理设计提供的判别准则，尽可能早地消灭坏的想法，使设计师们集中精力于好的设计。2 1 1 公理设计基本概念( 一) 域域是不同设计活动的界限线。公理设计将设计过程分为用户域、功能域、物理域和过程域。用户域表达了用户所希望的某个产品、过程、系统或材料应有的属性( c u s t o m e ra t t r i b u t e s ，c a s ) ：功能域是根据用户需求确定的产品功能要求( f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，f r s ) 和约束( c o n s t r a i n s ，c s ) ；物理域是为满足功能要求而确定的设计参数( d e s i g np a r a m e t e r s ，d p s ) ；过程域是根据物理域的设计参数而制定的工艺过程变量( p r o c e s sv a r i a b l e s ，p v s ) 1 2 1 。其逻辑关系如图2 1 所示：图2 - l 设计世界的四个域相邻的两个域中，左边的域表示“要达到什么样的目标”，而右边的域则表示“选择什么方法来实现左边域的要求”。不同的设计领域，不同的设计任务都可以由这四个域来描述。1 ) 用户域用户域是整个市场和客户的一个抽象概括，保证设计目标和方向的正确性。用户需求是指市场和客户对产品的要求，它包括消费者对产品的性能、用途等方面的要求。2 ) 功能域功能域是满足用户需求的一系列产品的功能的集合。功能是对技术系统或产品能完成的任务的抽象描述，反映产品所具有的特定用途和各种特性。公理设计定义的功能要求是对于具体要求的设计目标进行完全特征描述需求9第二章与本文研究相关理论介绍的最小集合。功能要求必须同时满足设计约束的制约。设计约束是指设计者确定的设计方案中的限定条件，由用户需求等决定。3 ) 物理域物理域是实现功能要求的物理结构的集合。它描述了产品的整个结构设计。设计参数是物理域中的关键物理变量，指能够实现功能要求的产品的结构，它表征设计，并满足规定的f r s 。4 ) 过程域过程域描述整个产品的生产过程和方法。过程变量是过程域中的关键变量，指实现设计参数的加工制造方法。( 二) 分解、迭代和映射公理设计是从高层的抽象概念到低层详细细节的分解与展开的过程【2 j 。以功能域和物理域的转换为例，如图2 2 所示。在功能域与物理域中反复迭代以分解f r s 和d p s ，并生成f r 和d p 的层次，粗线框表示留下而不必进一步分解的“叶”。图2 - 2 功能域与物理域之间的映射高一级的功能要求f r 根据实际需要分解为功能要求f r l 和f r 2 ，f r l 和f r 2要共同满足上一层的f r ，又要对应上一层的d p ，然后进抵物理域，寻求分别满足f r l 和f r 2 的d p i 和d p 2 ，这样形成了f r d p _ f r ( 低层的卜d p ( 低层的) 的反复分解迭代的过程。这个分解迭代的过程一直继续下去直至所有分支都达到最终状态，f r 得到满足而不再有进一步的分解为止。约束伴随分解的过程产生，是可接受解的边界。( 三) 层次结构树层次结构树是公理设计中域间最终映射分解的结果。通过设计的分解过程，设计师将设计意图转变为可实现的设计细节。如果把产品看成是一个系统，那么设计就是一个把系统分解为子系统，再把子系统分解为部件，再把部件分解为零件，最后分解为零件特征确定设计参数和过程变量的过程。层次结构树的最高级别是对产品的抽象概括，最低级别叶参数是产品的最终第二章与本文研究相关理论介绍设计结果。设计树的顶层，确定总体结构参数实现总体功能要求，它决定了产品的设计方向。叶设计参数是设计的详细结构，它描述了产品的组成和结构。因此，产品可以看成是由所有的设计参数组成的，而不仅仅是由结构树最底层的设计参数组成，叶设计参数是对产品的完整描述【5 8 】。2 1 2 设计公理( 一) 独立公理独立公理即保持功能需求的独立性。在设计过程中，如果不保持功能独立，设计过程中功能要求f r s 之一发生变化，那所有的设计参数d p s 都必须做相应的改变。譬如一台机器，当一个d p s 在生命周期中发生磨损，除非所有其他d p s都做相应的改变，否则这个机器就必须丢掉。因而我们必须遵守独立公理。如何保持功能需求的独立性呢? 在从功能域向物理域映射的过程中，当有两个或多个功能要求f r s 时，设计结果必须是能够满足f r s 中的每一个而不影响到其他的f r s 。同样在从物理域向过程域的映射过程中也必须选择正确的过程变量p v s 去满足d p s 而保持d p s 间的独立。怎样才算是保持了功能需求的独立昵? 域间的映射过程可以在数学上用定义设计目标和设计解的特征向量表示。从功能域到物理域的映射可用下式表示： f r _ 1 4 k d 尸( 2 一1 )m =彳i l4 1 2彳2 l么2 2a 州a h 2彳l h么2 ，彳。泓) =f 础归) ： 鸩其中 a 】为设计矩阵，表征产品设计的设计方程，其中元素彳，可由下式确定：a 沪竺生( 2 2 )o d p j同样从物理域中的d p 向量到过程域中的p v 向量的映射，设计方程可写成： d p = 【b 】 p v ( 2 3 )其中( b ) 是表征过程设计特征的设计矩阵，与【a 】的形式相似。为了满足独立性公理，设计矩阵【a 】 b 】必须是对角矩阵或三角矩阵，当它们是对角矩阵时，每一个功能要求都能保持独立性，这样的设计称为无耦合设计；当设计矩阵为三角矩阵时，只有按正确的顺序确定设计参数，才能保证功能要求之间的独立性，这样的设计称为准耦合设计；其它矩阵形式都是耦合设计，不满足独立公理的要求。因此，若要功能要求保持独立，必须改进设计使设计矩阵是对角矩阵或三角矩阵。第二章与本文研究相关理论介绍( - - ) 信息公理信息公理要求信息含量i 最低。i 最低的设计是最好的设计。i 定义为：j = - l 0 9 2p( 2 - 4 )其中p 为事件成功的概率，对于有m 个f r s 的情况下，整个系统的信息含量i s y s ，定义为：i s y s = ，= 一i o g ：只( 2 - 5 )p 为满足职，的概率。闷脚事实上成功概率是由设计师为满足f r s 而规定的设计范围与在规定范围内生产该部件的系统的能力系统范围的交集所决定，如图2 - 3 所示：图2 3 功能需求的设计范围、系统范围、公共范围和系统p d f其中，系统p d f 是系统范围上的系统概率密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ，p d f ) ；设计范围的中点是设计的目标值，偏差是目标值和系统p d f 的均值之间的距离。成功的概率：尸f = 瓣= 共同范围顺积( 2 - 6 )那么信息含量就可以表示为：i = l 0 9 2 1 = 一l 0 9 2 厶( 2 7 )凡当有若干个f r s 需要满足时，信息公理是选择最佳d p s 集的强有力工具。2 2q f d 理论研究q f d 是一种用户为驱动的产品开发方法，即采用系统化、规范化的方法调查和分析用户需求，并将其转换成为产品特征、零部件特征、工艺特性等技术需求信息，使所设计和制造的产品能真正地满足用户需求。它将注意力集中于规划第二章与本文研究相关理论介绍和问题的预防上，而不仅仅集中于问题的解决上。q f d 的核心思想是：注重产品从开始的可行性分析研究到产品的生产都是以顾客需求为驱动，强调将顾客的需求明确地转变为产品开发的设计者、制造者均能理解执行的各种具体信息，保证企业最终能生产出符合顾客需求的产品。2 2 1q f d 的理论体系结构自从2 0 世纪6 0 年代q f d 的概念提出至今，无论是理论还是实践都取得了显著发展。关于q f d 的定义，目前已经形成三种被广泛接受的模式【59 | 。通常，q f d 实施包括两个基本过程：( 1 ) 用户需求的提取。( 2 ) 用户需求的瀑布式分解过程。以a s i 模型为代表，说明q f d 的瀑布式分解过程。一般采用矩阵( 也称质量屋) 的形式，将用户需求逐步展开，分层地转换为技术需求。从用户需求开始，经过四