（机械设计及理论专业论文）机电产品设计缺陷形成机理及控制体系研究.pdf

摘要 摘要 产品的最终质量是通过设计阶段和制造阶段等逐步实现的，产品使用过程 中出现的质量问题很多是由于设计缺陷造成，而不少设计缺陷可以通过系统科 学的控制设计过程加以避免或解决。目前有关设计缺陷控制的研究大都以某一 类具体产品为研究对象，探讨其设计缺陷的形成机理及检测或控制技术，企业 对于这些研究成果难有借鉴意义。本文从过程管理的角度提出了设计缺陷的控 制体系，该体系适用于所有机电类产品的设计开发过程。 为了快速响应顾客需求并严格控制缺陷产生，本文以并行设计开发模式为 基础，提出了设计周期最小化建模方法，并以空调的设计开发为例对该模型进 行应用分析。在深入研究设计缺陷形成过程后，运用数学建模等方面的知识构 建了设计缺陷控制体系。该体系随着设计过程的进展，不断跟进控制，其目的 是遏制设计缺陷的发展，消除已形成的设计缺陷。整个体系由缺陷预防体系、 缺陷控制模型和缺陷解决方案三部分组成，前两部分属于事前控制，后者属于 事后解决。本文最后将设计周期最小化模型及设计缺陷控制体系应用于某公司 u p s 电源外壳的改良设计。 关键词：设计缺陷；并行设计；形成机理；控制体系；缺陷因素 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef i n a lq u a l i t yo fp r o d u c ti sg r a d u a l l yc o m p l i e dt h r o u g ht h ed e s i g np h a s ea n d m a n u f a c t u r i n gp h a s e al o to fp r o d u c tq u a l i t yp r o b l e m sa r i s i n gi nt h eu s i n gc o u r s ea r e c a u s e db yd e s i g nd e f e c t s a n dm a n yd e s i g nd e f e c t sc a nb ea v o i d e do rr e s o l v e db y i m p l e m e n t i n gs y s t e m ss c i e n c ec o n t r o l t o d e s i g np r o c e s s n o wm o s ts t u d i e s a r e e x p l o r i n gt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fd e s i g nd e f e c t sa n di t st e s t i n go rc o n t r o l l i n g t e c h n o l o g yf o rac l a s so fs p e c i f i cp r o d u c t s t h ee n t e r p r i s eh a r d l yh a v er e f e r e n c ef o r t h e s ef i n d i n g s t h i sa r t i c l ep r o p o s e st h ed e s i g nd e f e c t sc o n t r o l l i n gs y s t e mf r o mt h e s t a n d r i o i n to fp r o c e s sm a n a g e m e n t t h es y s t e ma p p l i e s t ot h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t p r o c e s so fa l lt h em a c h i n e r ya n de l e c t r o n i cp r o d u c t s i no r d e rt oq u i c k l yr e s p o n dt oc u s t o m e r sn e e d sa n d s t r i c t l yc o n t r o ld e f e c t s ，t h i s a r t i c l ep r o p o s e sm o d e l i n gm e t h o do fm i n i m i z i n gt h ed e s i g nc y c l eb a s e do nt h e c o n c u r r e n td e s i g na n d d e v e l o p m e n tm o d e ，a n da n a l y s i s e st h em o d e lt h r o u g ht h e a i r - c o n d i t i o n e re x a m p l e a f t e ri n - d e p t hr e s e a r c hf o r m a t i o np r o c e s so fd e s i g nd e f e c t , w eb u i l d d e s i g n d e f e c t s c o n t r o l l i n gs y e t e mb yu s i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l i n g k n o w l e d g e 。w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd e s i g np r o c e s s ，t h es y s t e mc o n t i n u e t o f o l l o w u pc o n t r o l ，w h i c h sa i mi st oc u r bt h ed e v e l o p m e n to fd e s i g nd e f e c t sa n d e l i m i n a t et h ef o r m e dd e s i g nd e f e c t s t h ee n t i r es y s t e mw a sc o m p o s e db yt h r e ep a r t s ， w h i c ha r ed e f e c tp r e v e n t i o ns y s t e m ，d e f e c tc o n t r o l l i n gm o d e la n dd e f e c ts o l u t i o n t h e f i r s tt w op a r t sa r ep r e c o n t r o l l i n ga n dt h el a s to n ew a ss u b - r e s o l v i n g f i n a l l y , t h i s a r t i c l ea p p l i e st h em o d e lo fm i n i m i z i n gt h ed e s i g nc y c l ea n dd e s i g nd e f e c t s c o n t r o l l i n gs y s t e mt ot h ei m p r o v e dd e s i g no fu p sp o w e rs u p p l y k e yw o r d s ：d e s i g nd e f e c t s ；c o n c u r r e n td e s i g n ；f o r m a t i o nm e c h a n i s m ；c o n t r o l l i n g s y s t e m ；d e f e c tf a c t o r s l l 目录 第l 章引言l 1 1 论文的选题背景及意义1 1 2 产品的设计开发2 1 2 1 对设计开发的理解2 1 2 2 主要的设计开发活动3 1 2 3 设计开发的组织模式3 1 2 4 机电产品的设计开发6 1 3 设计质量控制理论7 1 3 1 影响设计质量的因素8 1 3 2 设计质量控制的相关技术与方法9 1 3 3 设计质量控制模型1 1 1 4 本文研究内容13 第2 章基于进程冲突的并行设计周期最小化模型1 5 2 1 设计周期1 5 2 2 设计进程冲突16 2 3 设计进程的执行顺序及设计周期的算法1 7 2 4 设计进程的分解原则19 2 5 实例建模分析19 本章小结2 2 第3 章产品设计缺陷形成机理及预防体系2 3 3 1 设计缺陷2 3 3 2 设计缺陷的形成机理2 4 3 3 设计缺陷预防体系2 5 本章小结2 8 第4 章基于并行设计的产品设计缺陷控制模型2 9 4 1 并行设计中的缺陷因素2 9 目录 4 2 设计缺陷控制模型3 0 4 2 1 风险评估程序31 4 2 2 设计缺陷控制程序。3 6 本章小结3 8 第5 章产品设计缺陷的解决方案3 9 5 1 设计缺陷的识别3 9 5 2 缺陷因素重要度评估4 1 5 3 设计缺陷解决模型4 3 本章小结4 5 第6 章设计缺陷控制体系及应用分析4 6 6 1 设计缺陷控制体系4 6 6 2u p s 电源外壳的开发过程4 7 6 2 1 外壳的串行设计4 8 6 2 2 外壳的并行设计4 9 6 3 设计缺陷控制体系应用结果分析5 1 本章小结。51 第7 章结论与展望5 2 7 1 结j 沧5 2 7 2 展望5 2 致谢5 4 参考文献5 5 攻读学位期间的研究成果。5 8 i v 第1 章引言 第1 章引言 1 1 论文的选题背景及意义 随着市场竞争的不断加剧和以顾客为中心理念的日益树立，产品质量、成 本或价格、从识别顾客要求到满足顾客要求的响应时间已构成企业核心竞争力 最为重要的内容。能否以低廉的生产成本和高质量的产品迅速响应顾客要求已 成为企业生存和发展的基础。满足顾客要求的响应时间通常由市场调研、产品 研发、采购、制造、交付等环节的时间所构成。产品寿命周期的日益缩短和快 速响应顾客要求的日益提升使得对产品设计开发时间的控制变得极为重要。 然而，快速响应顾客要求往往要求尽可能缩短设计开发时间，这样可能使 得有关环节的设计开发活动无法充分展开，从而造成有些设计缺陷无法在设计 阶段得到暴露并予以妥善解决。这些缺陷的影响将在消费者的使用过程中发生， 这不仅增加企业售后服务的成本，更影响顾客的满意程度和企业的声誉，严重 者将影响到企业的生存和国家的经济安全。根据统计，产品使用过程中出现的 质量问题有很大一部分是由于设计缺陷造成或可以通过设计过程的控制加以避 免或得以解决的【。2 0 0 7 年的出口儿童玩具和最近的丰田汽车均因设计缺陷造 成的一系列召回事件及其产生的相关影响就充分说明了设计缺陷危害或后果的 严重性。因此，有效控制设计缺陷的产生是快速响应顾客要求的前提。 要尽可能缩短产品设计周期并有效控制设计缺陷，一方面需研究缩短设计 周期的产品设计开发模式，另一方面必须研究设计缺陷产生的过程或机理，进 而科学合理的组织设计产品设计开发过程，即应进行的设计系列活动或过程， 采用或可能采用的设计原理、方法和手段，设计质量的控制程序等，从而达到 有效控制设计缺陷的产生。 因此，从综合考虑设计缺陷控制和快速响应顾客要求的角度，开展有效缩 短产品并行设计周期方法的研究，在此基础上分析设计缺陷产生的机理并提出 有效的控制技术、方法和手段，对保证和提升设计质量具有很好的理论和实际 应用价值。 第1 章引言 1 2 产品的设计开发 1 2 1 对设计开发的理解 国际工业协会将产品的设计定义为：以决定工业产品理想目标为目的的创 造活动【2 】。另外在设计科学名词术语汇集中将设计定义为：一种作业，把所 确定的设计任务在一个设计过程中转化为技术系统的具体描述。 i s 0 9 0 0 0 ：2 0 0 8 标准对设计和开发的定义为：将要求转化为产品、过程或体 系的规定的特性或规范的一组过程。i s 0 9 0 0 1 ：2 0 0 8 标准中规定设计和开发的条 款包括设计和开发策划、设计和开发输入、设计和开发输出、设计和开发评审、 设计和开发验证、设计和开发确认、设计和开发更改的控制。当然，在具体的 产品设计开发过程中以上条款的执行顺序并不是必然的，但当这些条款贯穿于 整个设计开发过程时却构成了一个系统。i s 0 9 0 0 1 ：2 0 0 8 标准并没有要求组织严 格规定这一系统和顺序，而是强调根据设计的具体情形以“系统方法和“过 程方法 的原则解决具体的设计问题。 为使组织有效运作，必须识别和管理众多相互关联的活动。通过使用资源 和管理，将输入转化为输出的活动可视为过程。通常，一个过程的输出直接形 成下一个过程的输人。组织内诸过程的系统应用，连同这些过程的识别和相互 作用及其管理，可称之为“过程方法”。过程方法的优点是能够对诸过程的系统 中单个过程之间的联系以及过程的组合和相互作用进行连续的控制。过程方法 在质量管理体系中应用时，强调以下方面的重要性。 ( 1 ) 理解并满足要求； ( 2 ) 需要从增值的角度考虑过程； ( 3 ) 获得过程业绩和有效性的结果； ( 4 ) 基于客观的测量，持续改进过程。 根据以上i s 0 9 0 0 1 ：2 0 0 8 中对过程方法的描述，可以将过程方法理解为将 活动和相关的资源作为过程进行管理，以期得到更好结果。只有将资源和活动 放在过程中才能反映其效果，也只有这样资源和活动才能处于被管理状态。 从过程的角度理解产品设计开发，以过程方法对设计开发过程进行科学管 理。i s 0 9 0 0 1 ：2 0 0 8 标准中对设计和开发的要求就是基于过程的角度提出的，可 以用图1 1 所示的过程图表示设计和开发。 第1 章引言 要求一组转换过程产品规定特性或规范 l - 7 图1 1 设计和开发的基本模式 对于任何产品的设计和开发活动都涉及资源，将活动和相关的资源作为过 程进行管理，可以更高效的得到预期结果，这也是对设计开发过程进行科学管 理的目的。 1 2 2 主要的设计开发活动 产品的设计开发活动主要包括市场调研、方案功能设计、技术参数设计、 工艺设计、生产试制、设计评审、设计验证和设计确认等设计环节或设计活动【3 5 】。 市场调研由营销部门完成，必要时可以加入其他部门人员，组成一个调研 小组。调研对象可以是市场现有产品、竞争对手、消费者、产品使用环境等。 市场调研需完成以下目标：掌握同类产品的信息、发现潜在的市场需求、产品 定位分析与预测、找出本企业产品的卖点。 方案设计、技术设计和工艺设计主要由设计部门完成。方案设计主要包括 功能设计、外观及结构方案设计、电控系统方案设计等。技术设计是在方案设 计的基础上进一步细化并形成相关技术文件，主要包括结构设计、性能设计、 电控设计、标准化等内容。工艺设计主要包括工艺方案设计和形成工艺文件两 方面内容。 设计评审、设计验证和设计确认是控制设计质量的常用方式：设计评审是 评价上流设计活动是否满足要求并识别问题、提出必要改进措施的过程；设计 验证是站在过程的角度，对设计活动进行检查，以确定该活动是否达到产品规 范的试验过程；设计确认也是一种验证，不过其对象是总体设计结果与原始的 产品设计意图之间的吻合度，通常是借由实际样品试验或模拟测试来达成确认 的动作。 1 2 3 设计开发的组织模式 ( 1 ) 串行设计开发组织模式 串行设计作为传统的设计开发组织模式，将产品设计开发过程细分后，每 个部门和每个人独立完成一部分工作，采用流水线的作业模式，待本部门工作 3 第l 章引言 完成后再交由下部门。详细的串行设计开发模式见图1 2 。 图1 2 串行设计开发模式 在该模式中，产品的设计开发通常始于市场部，之后依次是产品设计部、 工程部、制造部和客户支持部等，设计开发环节逐一展开，后一环节的开发活 动是在前一环节开发活动的基础上进行的。其具有的优缺点如下： 各环节研发活动展开充分、设计缺陷能够得到充分暴露和解决； 设计开发过程涉及的职能部门之间往往缺乏沟通交流，易在各部门之间 形成隔阂，造成研发效率低下，使得研发时间延长，不利于快速响应顾客需求。 ( 2 ) 并行设计开发组织模式 并行工程在美国、德国及日本等一些工业发达国家已得到较为深入的研究， 并广泛应用于汽车、飞机、计算机、机械和电子等制造行业，取得了显著的经 济效益。从近年来国外在并行工程方面的实践来看，它的绩效主要在提高设计 质量，缩短开发周期，降低生产成本，优化开发过程等方面1 6 1 。在国内，并行工 程已于1 9 9 2 年底被列为国家8 6 3 计划自动化领域的重点研究和国家自然科学基 金资助内容，相继开展并完成了一些并行设计工程方法、关键技术和应用实施 的研究，如以c i m s 信息集成和c a d c a e c a p p c 舢以为基础，扩展面向装配 的设计和面向制造的设计功能，实现基于产品数据管理系统的并行设计和产品 全生命周期的数字化定义等，某些关键技术研究成果已经达到国际先进水平， 取得显著的社会经济效益l 7 1 。 并行设计作为并行工程的核心内容，是一种较新的产品设计与开发的理念， 是对产品及其相关过程( 包括制造过程和支持过程) 进行并行、一体化设计的 一种系统化的工作模式【8 】。在并行设计中，任务的执行是由多学科集成产品开发 团队来执行的，并且并行设计也需要一些环境和技术上的支持。 并行设计与传统的串行设计相比，更强调在产品开发的初期阶段，要求产 品的设计开发者从一开始就要考虑从产品的工艺规划、制造、装配、检验、销 4 第1 章引言 售、使用、维修到产品的报废为止的所有环节，建立产品寿命周期中各个阶段 性能的继承和约束关系及产品各个方面属性间的关系，以追求产品在寿命周期 全过程中的性能最优【9 | 。通过产品每个功能设计小组，使设计更加协调，使产品 性能更加完善。从而更好的满足客户对产品综合性能的要求，并减少开发过程 中产品的反复，进而提高产品的质量、缩短开发周期并大大的降低产品的成本。 详细的并行设计开发模式见图1 1 3 。 图1 3 并行设计开发模式 由图1 3 可知，并行设计中各设计开发活动在一定程度上并行进行，体现在 各设计活动或内部子设计过程并行交错的进行，例如当方案功能设计中完成了 外观及结构设计后，并不需等其他方案功能设计内容( 如电控系统设计) 也完 成，就可以进行外观及结构相关的技术设计，形成技术文件，甚至可以进一步 完成外观及结构的工艺设计。同时并行设计也更加强调上游设计团队和下游设 计团队的信息交流，信息的反馈应及时有效。 可见，并行设计技术的基本思想就是打破传统串行开发中各相关部门依次 串行作业的顺序与条块限制，在产品开发的初期就综合考虑产品生命周期中各 个环节的影响，实现产品设计与后续活动的协调，以大幅度缩短研制周期，使 产品获得更加稳定的质量和更为低廉的成本。其优缺点如下1 1 0 】： 5 第1 章引言 ( 1 ) 很好地克服了串行设计开发模式设计开发时间长、效率低下的问题； ( 2 ) 由于一些设计开发活动因同时进行或时间限制而展开不充分，使得可能 存在的产品固有缺陷无法识别而得不到解决，即造成设计缺陷的存在。实践表 明，对于同一开发团队在相同环境下，采用并行设计研发产品较采用串行设计研 发产品出现设计缺陷的风险要更高【1 1 1 2 1 。 1 2 4 机电产品的设计开发 在i s 0 9 0 0 0 ：2 0 0 8 标准中将产品定义为过程的结果，并将产品区分为服务、 软件、硬件、流程性材料四种通用类型。制造业中涉及的机电产品，如发动机、 机械零件、空调等属于硬件产品。本文所涉及的产品的设计开发是指机电类产 品的设计开发。 机电产品的设计开发有很多形式，是多种知识的有效集合，其过程不但取 决于产品本身的复杂程度，还取决于产品设计和开发的创新程度。产品设计开 发有以下四种类型【2 】： ( 1 ) 产品的发明，发明过程是一种完全创造性思维的过程，一般很难受常规 约束，对于这种情形现有控制体系往往不适用，例如电话的发明。 ( 2 ) 新概念产品的设计和开发，属于产品的创新，这种情况一般有产品原型， 例如电脑从台式机到笔记本的设计开发。 ( 3 ) 继承性产品的设计和开发，主要是在已发明或创新产品的基础上设计开 发产品，其原理、结构、功能和性能大部分以继承为主，但需要开发一些新的 性能和功能，甚至在局部的创新，例如黑白电视机到彩色电视机的发展。 ( 4 ) 适应性产品的设计和开发，在原理、结构、功能和性能的基础上设计和 开发产品，主要是标准产品、变形产品、系列产品的补充、品种变换的设计， 例如同品牌相机产品某一系列的发展。 一般情况下的企业所指的产品设计开发大都属于以上所述四种类型的( 3 ) 和 ( 4 ) ，较少有类型( 2 ) 的情况，类型( 1 ) 更是少之又少。 产品设计阶段是决定产品质量好坏的关键，制造阶段只是产品设计结果的 实现过程，对于机电类产品的设计开发，具有其特殊性。图1 4 中详细描述了机 械类产品的设计开发程序( 不包括后续的工艺设计与生产试制) ，显然不可能找 到一种任一情况下都行之有效的设计开发程序，但图1 4 是人们根据长期设计机 械类产品的经验所总结出来的，具有较为普遍的借鉴意义【1 3 】。 6 第1 章引言 图1 4 机械类产品的设计开发程序 1 3 设计质量控制理论 设计作为制造的前续过程，普遍观点认为设计质量能很大程度上决定产品 最终质量。i s 0 9 0 0 0 ：2 0 0 8 标准定义质量为：一组固有特性满足要求的程度。从 过程的角度考虑产品设计开发，可以这样理解设计质量：设计质量指一组固有 特性按要求转换为产品的特性或规范的能力【l4 1 。可见产品设计质量是指所设计 的产品是否满足顾客需求、性能能否满足要求、制造和维护是否方便、有无环 境危害等。因此，可以说设计质量是一个集技术、管理、市场、经济等方面为 一体的综合性概念。 7 第1 章引言 1 3 1 影响设计质量的因素 影响产品设计质量的因素繁多而复杂。根据对产品设计过程的理解，经系 统分析总结，设计过程中主要有八种影响设计质量的因素【1 4 j 。 ( 1 ) 顾客对产品的需求 顾客需求分析是产品设计开发的起点，在确定顾客对产品的需求时要综合 考虑的因素有竞争对手的信息、顾客或用户意见、常规或标准环境、技术风险 和机会等。 ( 2 ) 产品技术系统的完整描述 众所周知，用户需求变更、工程科学问题( 如刚度或强度分析错误) 、制造 或装配实施困难、成本高及加工不稳定等问题均会造成设计返工。这些问题不 但发生的频率高，而且危害性极大。因此完整描述产品的整个技术系统，综合 设计评审、设计验证、设计确认等方法建立早期预警系统，并且使用专门的质 量工具来帮助评估、改进设计过程是解决问题的重要手段。 ( 3 ) 现有的技术知识 技术信息对保证设计质量非常重要，要评估工程师所掌握专业技术信息质 量的高低，可参考以下评判指标： 企业信息系统的完整性； 信息载体的类型，信息的编辑与加工等， 信息的存在形式是否清晰、内容是否准确和可靠、信息的时效性。 ( 4 ) 设计过程及管理 为了增加产品设计开发成功的机会，必须周密的策划设计过程，系统的实 施设计程序，从而使整个设计过程变得全面且井井有条。实践证明，并行工程 是管理产品设计开发过程的有效方法，该技术融入了大量的管理方法，例如j i t 、 t q m 等。实施并行设计，建立高效的多功能设计小组的工作机制，可以有效地 缩短设计时间、降低开发成本、提高产品质量。 ( 5 ) 设计工程师 设计工程师应该具有以下素质： 对产品设计质量能作出全面、合理的评价； 能熟练地收集新知识和信息、合理的选择和应用，针对具体设计任务使 用恰当的设计工具； 能审视设计开发过程并清楚自己所扮演的角色，建立与团队的良好协作 8 c a d c a m c a p p 系统，硬件方面包括足够大的工作空间、易控的环境条件、适 宜的装饰、亮度适中的照明等，适宜的环境不但能提高员工工作时的专心程度， 而且有助于工程师的想象力和创造力的发挥，提高工作效率。 1 3 2 设计质量控制的相关技术与方法 提高设计质量的相关技术与方法是将质量通过设计过程融合到产品中去的 。 系统技术与方法，从而实现用户需求的产品质量目标。这些技术与方法主要包 括田口三次设计、d f x 技术、质量机能展开( q f d ) 、可靠性设计、故障模式及 影响分析( f m e a ) 和故障树分析( f t a ) 等【1 5 之o l 。 田口三次设计将产品设计过程分为系统设计、参数设计和容差设计三个阶 段，亦称为三次设计。系统设计根据产品规划所要求的功能，利用专业知识和 技术，对该产品的整个系统结构和功能进行设计；参数设计是田口三次设计的 重点，利用参数设计可以使用公差范围较宽的廉价元件组装出高质量的产品； 容差设计是在参数设计的基础上，确定合适的容差。 d f x 技术是基于并行工程的思想，主要包括面向制造的设计( d f m ) 、面向 装配的设计( d f a ) 、面向质量的设计( d f q ) 、面向可靠性的设计( d f r ) 等。其目的 在于使产品设计与过程规划同时进行，在设计的早期阶段就考虑后续阶段的要 求，对产品设计的质量、可靠性、可装配性、可制造性等进行评价。 9 第1 章引言 质量机能展开( q f d ) 作为质量管理学中的重要方法，也是提高设计质量 的重要手段。质量机能展开包括综合的质量展开和狭义的质量机能展开，综合 质量展开具有多方面的含义，包括质量展开、技术展开、可靠性展开、成本展 开；狭义的质量机能展开即有关质量管理业务职能的展开，所用基本工具是“质 量屋 ，此方法不仅可以帮助企业稳定产品质量，还可以将企业的质量管理水平 提高到更高的层次。质量机能展开基本构成详见图1 5 。 图1 5 质量机能展开的基本构成 可靠性设计是以提高可靠性为主要目的的设计方法。常用的可靠性设计方 法有预防故障设计法、冗余设计、耐环境设计法、减荷设计、人机工程设计法、 安全性设计法、防错设计等。 故障模式及影响分析( f m e a ) 是故障模式、影响与危害性分析( f m e c a ) 的一部分内容，包括功能f m e a 、硬件f m e a 、接口f m e a 、产品设计一制造 f m e a 。功能f m e a 一般是针对设计复杂度高的产品在在设计早期阶段使用。 硬件f m e a 要求比较严格，一般适用于从零件开始自下而上分析。接口f m e a 要求分析硬件层次上的所有接口，对产品质量有影响的软件接口也应进行分析。 产品设计一制造f m e a 的分析对象主要是制造工艺文件，确定采用的设计方案 是否引入了新的故障模式，其影响如何。 故障树分析( f t a ) 以系统不希望发生的结果，作为系统失效判断的一个顶 事件，并以此为分析目标，自上而下逐层分析导致顶事件的一切可能原因或原 因的组合。依此方法找出系统内可能发生的人为错误、硬件失效、软件错误、 环境影响等因素作为底事件，并且建立底事件与顶事件之间的逻辑关系，用逻 辑门符号链接，形成一颗类似倒立的树状图形，称为故障树。 1 0 第1 章引言 1 3 3 设计质量控制模型 设计质量控制主要依靠现有的先进设计技术和管理方法，将其和设计过程 有机融合，通过对设计过程的有效控制以达到设计结果符合顾客需要的要求， 是一种以对过程的控制来保证过程结果的方法。 ( 1 ) 控制思路 设计质量控制思路是结合i s 0 9 0 0 1 ：2 0 0 8 质量管理体系的要求及项目管理 的手段，将质量管理与项目管理的相关方法与设计过程有机结合，适时适地的 运用各种设计质量控制技术与方法，将可能出现的错误或矛盾遏制在设计过程 的早期阶段。必要时在各个关键的设计阶段设置设计评审点，对已完成的设计 结果进行评审，发现已产生的质量问题并对其进行分析、解决，形成相关文件， 跟踪并持续改进【2 l - 2 2 1 。 按照该设计质量控制思路能有效减少设计返工，避免金钱及时间上的浪费， 不但可以大大缩短设计时间、降低设计成本，而且更为重要的是提高了产品设 计质量。 ( 2 ) 控制模型 随着设计过程的不断推进，设计质量逐步形成，但由于设计者自身局限性、 设计阶段的各种约束限制等各方面因素的影响，使得设计过程无法尽善尽美， 各设计阶段的质量特征与质量要求间无法实现百分之百的转化。因此，在每个 设计阶段中都存在不同程度的质量损失【2 3 1 。 设计任务书下达后进行方案功能设计，该环节中可能由于受前续设计结果 不合理或设计者对后续设计环节( 包括制造和使用) 相互间约束考虑不充分的 影响，导致产品设计方案存在不足或缺陷而造成质量损失【2 4 1 。在技术参数设计 阶段，对后续环节中的可制造性、可装配性等考虑不周或缺乏科学的随意选取 设计参数也同样会造成质量损失【2 5 】。另外缺乏有效的质量信息的管理手段或质 量控制方法，也是导致设计质量损失的重要原因。可见对产品设计质量控制的 过程可理解为运用相关技术与方法降低各设计阶段质量损失的过程。 只有将设计过程中质量损失降至最低，确保产品设计质量，才能达到满足 顾客要求的目的。为此本文提供如图1 6 所示的设计质量控制模型。在该模型中， 设计质量相关的技术与方法是支持产品设计过程顺利进行的基础，质量管理方 法和项目管理的技术的应用为提高产品设计质量提供保证。 第1 章引言 i s o 9 0 0 0 质 量 设 管 计 理 质 方 且 法 里 保 证 方 法 项 目 管 理 等 1 2 第1 章引言 相关质量控制活动的要求。 事中控制以事前控制和质量策划生成的文件为指导，在各质量控制点实施 设计质量评审、设计质量验证和设计质量确认，如未通过则不得进入下一个设 计环节。在设计过程中，结合项目管理技术，运用设计质量分析方法分析存在 的质量问题，并评估各环节的设计质量实际水平，确认质量误差并采取相应的 纠偏措施。 最后系统分析各设计环节中所产生的设计质量问题，寻找其产生原因并采 取合理消除措施，不断改进设计质量、追踪记录，形成相关文件提供参考借鉴， 以实现持续改进设计质量为控制目标。此部分内容属于事后控制。 1 4 本文研究内容 通过本章对串并行设计优缺点的总结可知，并行设计相比串行设计具有设 计周期短的优势，因此要实现快速响应顾客要求和对设计缺陷的有效控制，须 在并行设计开发模式下探讨周期最小化的设计方法及设计缺陷控制手段。 本文将以机电产品为研究对象，以有设计周期最小化和效控制设计缺陷为 目标，在深入研究产品设计开发模式的基础上，寻求缩短产品并行设计周期方 法，探讨设计缺陷产生或形成的机理，进而构建设计缺陷的整个控制体系。具 体研究内容包括以下四个方面。 ( 1 ) 有效缩短产品并行设计周期方法的研究 虽然并行设计具有设计周期短的优势，但如何以并行设计为出发点，协调 设计过程中各种冲突，组织好设计开发活动，从而获得最短的设计周期仍是本 文的主要研究内容。这部分研究内容见第2 章。 ( 2 ) 设计缺陷产生或形成机理研究 探讨设计缺陷产生的机理和相关条件，以便确定产生设计缺陷风险较高的 设计开发环节或设计开发活动，作为控制设计缺陷的研究基础。这部分研究内 容见第3 章。 ( 3 ) 设计缺陷控制方法的研究 从系统或过程的角度，定性与定量分析相结合，以设计缺陷发生风险最小 为目标，分析研究设计缺陷的控制方法，主要包括缺陷预防体系和缺陷控制模 型两个方面。这部分研究内容见第3 章和第4 章。 1 3 第1 章引言 ( 4 ) 产品设计缺陷解决方案研究 设计缺陷控制模型的应用可以将设计缺陷的产生风险降到最低，但并不一 定能完全防止设计缺陷的产生。缺陷解决方案用于识别已形成的设计缺陷，并 在技术、时间、成本等条件的综合约束下将其合理解决，该方案作为控制设计 缺陷影响产品质量的最后关卡显得尤为重要。这部分研究内容见第5 章。 1 4 第2 章基于进程冲突的并行设计周期最小化模型 第2 章基于进程冲突的并行设计周期最小化模型 随着全球市场的形成，为了更快的响应顾客需求，缩短产品设计开发周期 成为市场竞争的焦点。因此，各大企业纷纷实行并行设计作为产品设计开发模 式，以期缩短产品开发时间，增强产品竞争力。 目前对于并行设计的研究重点大都集中在以实例为基础的建模研究、产品 信息模型以及基于i d e f 或p e t r i 网等开发工具的模型研究_ 上 2 6 - 2 9 ，其中薛善良、 钟佩思、汪峥等学者对并行开发过程建模及并行度优化等问题也进行了深入研 究【3 m 3 2 j 。相关研究成果虽然较为成熟，但对并行设计过程如何进行合理的分解 和重组以达到设计周期最小化的研究并不多见，已建模型也没有很好的可操作 性。 并行设计模型的建立需对设计过程进行逐层分解后重组，进而构成整个并 行设计开发活动的执行框架，因此对并行设计过程的分解、分解程度以及分解 后的重组方法成为建模的关键，分解技术与方法的研究可参考文献【3 3 1 。 本章在深入研究了并行设计开发模式的基础上，给出了基于进程冲突的并 行设计周期最小化模型的建模方法。 2 1 设计周期 产品设计周期指从用户需求分析开始，经过一系列的设计过程，到产品投 入生产所需花费的时剐川。设计周期作为产品全寿命周期的关键时期，是决定 产品成本及质量的重要阶段。新产品的设计、生产制造到投入市场，大多数时 间都花费在设计上，许多产品的设计开发需要3 5 年，有的甚至是1 0 年以上。 因此缩短产品设计周期对快速响应顾客需求意义深远。 并行设计中，各设计开发活动交替并行的进行，整个设计开发过程都要求 全员参与，信息应及时反馈与交流，资源也将被最大程度的利用，较之串行设 计，能节约大量时间。并行设计周期如图2 1 所示。 1 5 第2 章基于进程冲突的并行设计周期最小化模型 产品设计周期 图2 1 产品并行设计周期 2 2 设计进程冲突 并行设计的特性决定设计的进程中必将存在大量的冲突，知识信息的冲突、 人员冲突、设备冲突等都将给并行设计有序的实施带来困难，本文将这些冲突 统称为资源冲突。可以说并行设计过程就是不断面对冲突、解决冲突的过程， 也只有合理的处理这些冲突，才能确保并行设计的顺利完成，达到缩短设计周 期的目的。 在操作系统中资源冲突是指不同的应用程序使用了相同的系统资源而造成 系统工作异常的现象【3 5 1 ，冲突必然造成时间的延迟。参考文献 3 6 】将设计进程定 义为设计任务的执行过程。结合设计进程和资源冲突的概念，本章对设计进程 冲突定义如下。 定义：设计进程冲突指设计进程在执行上，因为存在资源冲突，以致一个 设计进程必须在另一设计进程执行了一部分或完全执行完后才能开始执行的情 况。 设计进程在输入资源满足要求的条件下开始执行，产生所需的输出。在并 行设计中，当设计进程之间不能实现完全意义上的并行执行时，则设计进程之 间存在“设计进程冲突”，根据冲突的不同程度，赋予冲突系数的大小，如图 2 2 所示。 1 6 第2 章基于进程冲突的并行设计周期最小化模型 系数绝对 翟电 值为1 曰悃 设 计 进 系数绝对 陌卜圈一 程 值为0 1 l ：! ! = 上叫心 冲 突 系数绝对1 9 卜 值为0 叫删卜1 至 图2 2 设计进程冲突 ( 1 ) 设计进程a 输出为设计进程b 的输入提供资源，a 和b 完全冲突；此时a 对b 的冲突系数为1 ，b 对口的冲突系数为1 。 ( 2 ) 设计进程口和设计进程b 的输入资源( 包括信息、人力、设备) 存在竞 争，口和b 存在冲突。根据资源竞争的不同程度，若口在b 前执行，并在b 前结束， 则a 对b 的冲突系数为0 1 ，且b 对口的冲突系数为1 o ，此时系数绝对值的大 小等于在b 执行前口执行时间占口整个执行周期的比率。此情况下定量确定冲突 系数的大小需有丰富此类工作经验的工程师，综合考虑所有因素，根据具体情 况建立经验公式进行求解或建立表格提供查询。 ( 3 ) 设计进程口和设计进程b 实现完全意义的并行执行，或设计进程a 的执行 周期完全包括设计进程b 的执行周期，此时冲突系数为0 。 2 3 设计进程的执行顺序及设计周期的算法 产品的设计开发过程包括用户需求分析、设计开发任务书、方案功能设计、 技术参数设计、工艺设计、生产试制等环节，将各个环节逐层分解后共获得m 个 设计进程，构成集合，记为n = 如。，玎：，疗，一，刀。小刀。) ，聊个设计进程可以 属于相同分解层，也可以属于不同分解层。本文引用冲突系数作为衡量冲突大 小的因数，则设计进程玎，和刀，之间的冲突系数可记为a f f ，根据设计进程冲突的 定义可知允产一a 一建立如图2 3 所示的设计进程冲突关系矩阵分析计算。由于 1 7 第2 章基于进程冲突的并行设计周期最小化模型 同一设计进程之间不存在资源竞争，所以a ，= 0 ，故图2 3 中对角线上的数据都 为0 。 设计进程刀l 设计进程船2 设计进程，2 。 设计进程珂l设计进程玎2 设计进程刀册 图2 3设计迸程冲突关系矩阵 构建冲突关系矩阵后，计算设计进程咒，的冲突系数总值z = h ，对冲突 系数总值，按从大到小排序，冲突系数总值大的设计进程先执行= l 并可计算得 知z 大小上相邻的设计进程之间的并行程度，为并行设计过程的重组提供了依 据。若得到的排序为、聆t ：、行k ，其中1 k ，m ，则，具有下 列性质： ， ( 1 ) 若生t 半丛1 ，则h k t + l = 1 ，即设计进程，z 机。必须在设计进程疗t 执行完 后才能进行； ff ( 2 ) 若o 尘f _ l ，则o k 1 ，即设计进程咒k 。在设计进程还 ff 未执行完就可以进行，且h = 生t 产且； r ( 3 ) 若生t 导丑- 0 ，则h = 0 ，即设计进程+ 。和设计进程以屯可以完全并 行执行。 定义执行设计进程玎t 所需时间为t t ，且f 女为设计进程玎t 和玎t + 。的总执行 时间，则p ( 2 p 聊) 个，连续的设计进程的总执行时间为。叱。，重组后可 以依据气，t + 。求出产品整个设计过程的总时间，即设计周期。 ，一j ，m 础”r k ，_ + ，j九= “+ ：= = ，缸，= o “ “”晦+ ，一1 。k + 九。鼻+ ：，+ + 九，州f 州+ f k ，o 九，辅+ 2 ，九州l ( 21 ) 1 8 第2 章基于进程冲突的并行设计周期最小化模型 2 4 设计进程的分解原则 合理分解设计进程，然后建立模型，进而计算出并行设计周期，对于已经 确定分解程度并完成分解的设计过程按这样的思路进行重组建模，毫无疑问设 计周期是最短的，但对如何确定设计进程分解程度及分解终止点没有过多考虑。 按本章以上提出的思路初步分解并建立重组模型后，有无必要对模型中的设计 进程刀做进一步分解，从而建立更加合理的模型，需考虑以下原则。 ( 1 ) 存在设计进程口。、口2 、a p 和刀之间的冲突系数绝对值l k i = 1 ，即 完全冲突。刀分解成、刀。后，有一个或一个以上的子进程和口l 、口，、 口。中的某一个或一个以上的设计进程存在一定的并行度，则刀的分解应该执行。 若不存在和口1 、口，、口。中任一进程有并行度的子进程，分解后满足 f 。 ，。，则疗的分解仍应执行。 ( 2 ) 存在设计进程b 。、b ：、b ，和刀之间的冲突系数绝对值k i l ，即 存在一定并