设计质量控制原理及应用

1、1 质量功能展开（质量功能展开（ QFD ）原理及应用）原理及应用一、原理一、原理 问题的导入：为保证设计质量，能否在产品尚问题的导入：为保证设计质量，能否在产品尚未生产之前，就对后续过程中质量控制的重点未生产之前，就对后续过程中质量控制的重点和存在的问题作出明示？和存在的问题作出明示？1. 定义：定义：将将顾客的需求顾客的需求逐层转化为逐层转化为产品特性产品特性与与过过程技术程技术要求，并推动产品设计和制造质量改进要求，并推动产品设计和制造质量改进的一种方法。的一种方法。第六章第六章 设计质量控制原理及应用设计质量控制原理及应用 要要 求求 质质 量量 质量特性质量特性 产品规划产品规划 质

2、质 量量 特特 性性 零件特性零件特性 零部件展开零部件展开 零零 件件 特特 性性 制造作业制造作业 过程方案过程方案 制制 造造 作作 业业 生产要求生产要求 生产计划生产计划3.质量屋：质量功能展开过程：质量屋：质量功能展开过程：产品规划、零件产品规划、零件展开、过程方案和生产计划展开、过程方案和生产计划组成。组成。二、质量功能展开步骤二、质量功能展开步骤 质量展开表的制作质量展开表的制作 确定展开项目：对象、负责人、市场要求确定展开项目：对象、负责人、市场要求 成立项目小组成立项目小组 制定产品规划制定产品规划建立规划阶段质量屋建立规划阶段质量屋设计评审设计评审零件展开、过程方案、生产

3、计划阶段质量屋零件展开、过程方案、生产计划阶段质量屋制定质量标准制定质量标准编制作业指导书编制作业指导书 质量屋的不断更新和完善质量屋的不断更新和完善2 可信性设计原理及应用可信性设计原理及应用可信性是用于表述可用性及其影响因素可信性是用于表述可用性及其影响因素（可靠性、维修性、维修保障性可靠性、维修性、维修保障性）的集合术语。）的集合术语。一、可靠性分析与设计一、可靠性分析与设计 1.定义：定义：产品产品在在规定条件规定条件下和下和规定时间规定时间（整个生命周（整个生命周期）内，完成期）内，完成规定功能规定功能的的能力能力。可靠性的概率度量称。可靠性的概率度量称为为可靠度可靠度。 规定条件：

4、规定条件：产品使用时的环境条件、工作条件，贮存产品使用时的环境条件、工作条件，贮存条件条件 规定时间：规定时间：次数、周期、连续使用、长时间、瞬时次数、周期、连续使用、长时间、瞬时 规定功能：规定功能：根据使用要求由技术标准规定。根据使用要求由技术标准规定。 2.可靠性衡量指标可靠性衡量指标 不可修复产品不可修复产品可靠度、失效率、平均寿命可靠度、失效率、平均寿命 可修复产品可修复产品维修度、可用度、平均修复时间维修度、可用度、平均修复时间 1）可靠度及可靠度函数）可靠度及可靠度函数 可靠性是以时间为尺度度量的产品特性，它是时可靠性是以时间为尺度度量的产品特性，它是时间间t的函数，称为的函数，

5、称为可靠度函数用可靠度函数用R（t）表示表示 。产品从开。产品从开始工作到首次故障前的工作时间始工作到首次故障前的工作时间T称为寿命。以下三个称为寿命。以下三个事件是等价的：事件是等价的： 产品在时间产品在时间t内完成规定的功能内完成规定的功能 产品在时间产品在时间t内无故障内无故障 产品的寿命产品的寿命T T大于时间大于时间t 产品的产品的可靠度函数可靠度函数可以看作是事件可以看作是事件T T t的概率：的概率： R（t）= P（T t） T产品故障前工作时间产品故障前工作时间 t规定的时间规定的时间 P（T t）产品工作到）产品工作到t时刻不发生故障的概率时刻不发生故障的概率例例1 1 某

6、船在某船在4545天的航海任务中，其雷达无故障的概率为天的航海任务中，其雷达无故障的概率为90%90%，就是指在，就是指在4545天的时间内其可靠度为天的时间内其可靠度为R R（4545）= P= P（T T 45 45）=90%=90%由可靠度的定义知：由可靠度的定义知：R R（t t）= P= P（T T t t）N N0 0t=0t=0时，在规定的条件下工作的产品数时，在规定的条件下工作的产品数r(t) r(t) 在在0 0t t时刻的工作时间内，发生故障的产品数时刻的工作时间内，发生故障的产品数00Nr(t)-N tR）（例例2 2 某电子管某电子管10001000只，开始工作到只，开

7、始工作到500500小时内有小时内有100100只出只出现故障，工作到现故障，工作到10001000小时共计有小时共计有500500只出现故障，求该批只出现故障，求该批电子管工作到电子管工作到500500小时和小时和10001000小时的可靠度。小时的可靠度。解解 N N0 0=1000 r(500)=100 r(1000) =500=1000 r(500)=100 r(1000) =5009.0001000100-1000 5R）（5.00001000500-1000 1R）（例例3 t=03 t=0时，投入工作的时，投入工作的1000010000只灯泡，以天为度量时间只灯泡，以天为度量时间

8、的单位，当的单位，当t=365t=365天时，发现有天时，发现有3030只坏，求到只坏，求到1 1年的可靠年的可靠度。度。解解 N N0 0=10000 r(365)=30=10000 r(365)=30997.03651000030-10000 R）（2）平均寿命）平均寿命 不可修复产品：不可修复产品：寿命是指产品在失效前的工作时间或寿命是指产品在失效前的工作时间或存储时间；平均寿命是指产品失效前的平均工作时间或存储时间；平均寿命是指产品失效前的平均工作时间或存储时间（存储时间（故障前平均时间故障前平均时间MTTF ） 可修复产品：可修复产品：寿命是指相邻的两次故障（失效）之间寿命是指相邻的

9、两次故障（失效）之间的工作时间，平均寿命是指产品的无故障工作时间的工作时间，平均寿命是指产品的无故障工作时间（MTBF）。）。 设设N0个不可修复的产品在相同条件下进行试验，测得个不可修复的产品在相同条件下进行试验，测得其全部故障时间为其全部故障时间为t1、t2、tN0，则其全部故障前时间，则其全部故障前时间（MTTF）为：）为： f(t)-失效密度函数失效密度函数 在故障率一定的情况下，故障率与在故障率一定的情况下，故障率与MTBF（或（或MTTF）互为倒数，即互为倒数，即NiidtttfMTBFtN0100)(11)(0dtetMTBFt3）累计故障分布函数）累计故障分布函数不可靠度不可靠

10、度 定义：定义：产品产品在在规定条件规定条件下和下和规定时间规定时间内，丧失内，丧失规定功规定功能（发生故障）能（发生故障）的的概率概率。 F（t）= P（T t） 某产品给定的工作时间为某产品给定的工作时间为1000小时，小时，T为产品故障为产品故障前的时间，则前的时间，则 F（1000）= P （T 10001000） F（t）= P（T t） r(t) 在在0 t时刻的工作时间内，发生故障的产品数时刻的工作时间内，发生故障的产品数 R（t）+ F（t）=1 r(t) tF0N）（ 4） 失效率（故障率）失效率（故障率）（t）：产品或系统工作到）：产品或系统工作到时刻时刻t尚未失效，而在时

11、刻尚未失效，而在时刻t后的单位时间内发生失效的后的单位时间内发生失效的概率。单位主要有：概率。单位主要有：%/h 10-6/h 10-8/h (Fit Failure unit) 对于低故障率的元器件常以对于低故障率的元器件常以1010-8-8/h /h 为故障率，它的意为故障率，它的意义为每义为每100100个产品工作个产品工作100100万小时，只有万小时，只有1 1个故障，或者个故障，或者是每是每10001000个产品工作个产品工作1010万小时只有万小时只有1 1个故障。个故障。 失效率是一条随时间变化的曲线失效率是一条随时间变化的曲线浴盆曲线浴盆曲线产品投产品投入后经过：入后经过：

12、早期失效期早期失效期 偶然失效期偶然失效期 损耗失效期损耗失效期3. 系统可靠性分析与设计系统可靠性分析与设计 1）故障模式影响及危害分析（）故障模式影响及危害分析（Failure Mode ,Effect and Criticality Analysis FMEA / FMECA）：是可靠性分析的一种重要定性分析。它）：是可靠性分析的一种重要定性分析。它是按照一定的格式有步骤地分析每一个部件、单元（或每一种功能）是按照一定的格式有步骤地分析每一个部件、单元（或每一种功能）可能产生的故障（失效）模式，每一种失效模式对系统的影响及失效可能产生的故障（失效）模式，每一种失效模式对系统的影响及失效后

13、的严重程度，是一种失效因果关系分析。后的严重程度，是一种失效因果关系分析。 故障模式：故障的表现形式：断裂、接触不良、泄露、腐蚀等。故障模式：故障的表现形式：断裂、接触不良、泄露、腐蚀等。 用途：用途： 发现生产中薄弱环节，有助于设计人员有针对性地采取改进措施。发现生产中薄弱环节，有助于设计人员有针对性地采取改进措施。 协助确定可靠性关键件和重要件。它们是改进设计、可靠性增长、协助确定可靠性关键件和重要件。它们是改进设计、可靠性增长、生产质量控制的主要对象。生产质量控制的主要对象。 为产品的检验程序、故障试点的设置、维修分析、保障分析提供依为产品的检验程序、故障试点的设置、维修分析、保障分析提

14、供依据。据。FMEA工作程序：工作程序： 列出产品（系统）中各部件的名称编号列出产品（系统）中各部件的名称编号 假设并列出可能发生的所有失效模式假设并列出可能发生的所有失效模式 说明各失效模式对整个系统的影响说明各失效模式对整个系统的影响 指出失效的危害程度指出失效的危害程度 提出防止失效的方法和补救措施提出防止失效的方法和补救措施2） 故障树（故障树（Fault Tree Tree ） FTA分析分析:通过通过对可能造成产品故障的硬件、软件、人为因素对可能造成产品故障的硬件、软件、人为因素进行分析，画出故障树，从而确定产品故障原进行分析，画出故障树，从而确定产品故障原因的各种组合方式及其发生

15、概率的分析技术。因的各种组合方式及其发生概率的分析技术。包括定性和定量分析。包括定性和定量分析。3） 系统可靠性设计系统可靠性设计 转向转向 串联系统的可靠性设计：串联系统的可靠性设计： 汽车可以分成汽车可以分成5大子系统：大子系统：发动机、变速箱、制动、转向与轮胎。发动机、变速箱、制动、转向与轮胎。 串联系统的可靠度函数：串联系统的可靠度函数： 发动机发动机 制动制动 变速箱变速箱ittRtRninii111）（）（ 轮胎轮胎 由由130万个零部件组成的导弹，其零件的不良万个零部件组成的导弹，其零件的不良率为百万分之一，其正常运行的概率（可靠度）率为百万分之一，其正常运行的概率（可靠度）为：

16、为：%25.272725.0)101 ()(130000061tiRtRni）（分析：分析：系统的可靠性在很大程度上取决于组系统的可靠性在很大程度上取决于组成单元的可靠度、系统的可靠性结构模式、成单元的可靠度、系统的可靠性结构模式、组成单元的数量。组成单元的数量。 并联系统的可靠度分析：在一个有并联系统的可靠度分析：在一个有n个单元的并个单元的并联系统中，如果一个单元正常工作，系统就正常联系统中，如果一个单元正常工作，系统就正常工作，或者，只有当所有单元都失效时，系统才工作，或者，只有当所有单元都失效时，系统才失效。失效。两个元件并联系统的可靠度：两个元件并联系统的可靠度： )(1(1)(1)

17、(111niiniitRtFtFtR）（）（）（）（）（）（tRtRtRtRtR2121二、维修性：二、维修性：在定量的维修性设计中，需要建立在定量的维修性设计中，需要建立维修性模型，进行维修性分配和维修性设计。维修性模型，进行维修性分配和维修性设计。 1.定义：定义：维修性是指产品在规定条件下和规定时间内，维修性是指产品在规定条件下和规定时间内，按规定的程序和方法进行维修时保持或恢复其规定状按规定的程序和方法进行维修时保持或恢复其规定状态的能力。态的能力。 维修性是产品的一种设计特性，是在产品研制初维修性是产品的一种设计特性，是在产品研制初期及整个研制过程中，设计者把维修简便、迅速、经期及整

18、个研制过程中，设计者把维修简便、迅速、经济的特性设计到产品中，以保证产品在生产、安装和济的特性设计到产品中，以保证产品在生产、安装和使用时，能以最低的寿命周期费用和最短的停机时间，使用时，能以最低的寿命周期费用和最短的停机时间，保持或恢复产品到规定的状态。保持或恢复产品到规定的状态。 2.维修的主要类型：维修的主要类型：预防性维修、修复性维修、维护预防性维修、修复性维修、维护3.维修性定量指标维修性定量指标维修度：产品在规定的条件和规定时间内，按规定的程维修度：产品在规定的条件和规定时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持和恢复其规定状态的概率。序和方法进行维修时，保持和恢复其规定状态的概率

19、。平均修复时间平均修复时间MTTR ：排除故障所需实际时间的平均值：排除故障所需实际时间的平均值平均故障间隔时间平均故障间隔时间MTBFMTBF：设一个可修复产品在使用过程中发生了设一个可修复产品在使用过程中发生了N N0 0次故障，每次次故障，每次修复后又重新使用。测得每次持续工作时间依次为修复后又重新使用。测得每次持续工作时间依次为t t0 0 、t t1 1、t t2 2、t tN0N0，则其，则其MTBFMTBF为：为：平均预防性维修时间：某个平均预防性维修时间：某个维修级别维修级别一次预防性维修所一次预防性维修所需时间的平均值。需时间的平均值。 NtNTMTBFNii01001Ntn

20、tM0)()(4.维修性设计模型：维修性设计模型： 准则：简化准则、人机工程准则、标准化准则、准则：简化准则、人机工程准则、标准化准则、模块化准则、标识化准则、快速和简便准则模块化准则、标识化准则、快速和简便准则 维修性分配：等值分配法、按可用度分配法、维修性分配：等值分配法、按可用度分配法、相似产品分配法、加权因子分配法相似产品分配法、加权因子分配法 维修性预计：单元对比法、时间累计法、抽样维修性预计：单元对比法、时间累计法、抽样评分法、抽样预计法评分法、抽样预计法三、保障性三、保障性保障性：保障性：产品的设计特性和计划的保障资源能满足使产品的设计特性和计划的保障资源能满足使用要求的能力。用

21、要求的能力。维修保障性维修保障性：从维修资源方面保证维修工作正常进行：从维修资源方面保证维修工作正常进行的能力。的能力。维修保障性综合参数：维修保障性综合参数：把产品的时间分为工作时间及把产品的时间分为工作时间及不能工作时间，不能工作是由于出了故障需要维修造不能工作时间，不能工作是由于出了故障需要维修造成的。成的。不能工作时间包括维修时间及延误时间不能工作时间包括维修时间及延误时间。平均延误时间：平均延误时间：由于保障资源补给或管理原因未能及由于保障资源补给或管理原因未能及时对产品进行维修所延误的时间时对产品进行维修所延误的时间MDT。维修保障计划：维修保障计划：贯穿于产品设计、制造和使用全过

22、程，贯穿于产品设计、制造和使用全过程，通过在产品研制过程中的维修保障性分析，制定维修通过在产品研制过程中的维修保障性分析，制定维修保障计划。保障计划。 四、可用性四、可用性 定义：在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在定义：在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在规定的条件和规定的时间，处于可工作状态或可使用规定的条件和规定的时间，处于可工作状态或可使用状态的程度。可用性的概率度量状态的程度。可用性的概率度量A称为可用度。称为可用度。 产品的可用性取决于可靠性、维修性及产品的可用性取决于可靠性、维修性及MDT，当，当MDT=0时，为固有可用度时，为固有可用度 使用可用度：使用可用度：延误时间

23、维修时间工作时间工作时间不能工作时间工作时间工作时间0AMTTRMTBFMTBFAi五、寿命周期费用五、寿命周期费用 寿命周期：产品从研制开始到退役或整个报废为止的寿命周期：产品从研制开始到退役或整个报废为止的周期。周期。 寿命周期费用包括：寿命周期费用包括：v 研制费研制费C1v 生产或购置费生产或购置费C2v 使用与保障费使用与保障费C3v 退役处置费退役处置费C4 产品可信性的影响因素可靠性、维修性、维修保障性产品可信性的影响因素可靠性、维修性、维修保障性对寿命周期费用有较大影响对寿命周期费用有较大影响 在产品设计的整个阶段，应对可信性影响因素进行权在产品设计的整个阶段，应对可信性影响因

24、素进行权衡分析，按最小寿命周期费用来优化产品设计。衡分析，按最小寿命周期费用来优化产品设计。六、风险六、风险 风险：是指在规定的费用、进度和技术约束条风险：是指在规定的费用、进度和技术约束条件下，产品研制可能发生具有潜在后果的不期件下，产品研制可能发生具有潜在后果的不期望情况。望情况。 风险是由于缺少对事件的预测或控制产生的，风险是由于缺少对事件的预测或控制产生的，而且对任何产品研制过程都是固有的，在产品而且对任何产品研制过程都是固有的，在产品寿命周期任何时间都会发生。寿命周期任何时间都会发生。 风险是可以度量、评估和管理的。风险管理是风险是可以度量、评估和管理的。风险管理是对资源的反复优化过

25、程，以降低风险，成功实对资源的反复优化过程，以降低风险，成功实现产品功能。现产品功能。3 产品质量三次设计原理及应用产品质量三次设计原理及应用 一、概述一、概述 实验设计：实验设计：将数理统计的原理用来将数理统计的原理用来安排实验方案安排实验方案和和进行进行实验结果分析实验结果分析的方法。的方法。实验设计的目的：实验设计的目的：利用实验设计法对实验进行合理安排，利用实验设计法对实验进行合理安排，对实验结果进行科学分析，以较小的实验规模（实验次对实验结果进行科学分析，以较小的实验规模（实验次数）、较短的实验周期和较低的实验成本，获得理想的数）、较短的实验周期和较低的实验成本，获得理想的实验结果和

26、正确的实验结论。实验结果和正确的实验结论。实验设计的发展：实验设计的发展：英国学者英国学者费舍尔（费舍尔（RAFisher)在在20世纪世纪20年代为使农业试验合理化，提出的一种用于安排年代为使农业试验合理化，提出的一种用于安排实验和分析实验数据的数理统计方法。日本学者实验和分析实验数据的数理统计方法。日本学者田口玄田口玄一一首先将实验设计法成功地应用于新产品的开发设计。首先将实验设计法成功地应用于新产品的开发设计。二、二、三次设计原理：三次设计原理：l由日本质量管理专家田口玄一提出。由日本质量管理专家田口玄一提出。l将整个设计工作分为：系统的设计（一次设计）、参将整个设计工作分为：系统的设计

27、（一次设计）、参数设计（二次设计）、和容差设计（三次设计）。数设计（二次设计）、和容差设计（三次设计）。l核心思想是在产品的设计阶段就进行质量控制，用最核心思想是在产品的设计阶段就进行质量控制，用最低的制造成本生产出满足顾客要求的、对社会造成最低的制造成本生产出满足顾客要求的、对社会造成最小损失的产品。小损失的产品。l它是实验设计理论在产品开发设计的具体应用。它是实验设计理论在产品开发设计的具体应用。l把专业技术和统计技术结合起来，通过实验和计算，把专业技术和统计技术结合起来，通过实验和计算，用较低的成本和较短的时间寻求出设计参数的最佳组用较低的成本和较短的时间寻求出设计参数的最佳组合和合理的

28、容差范围，使产品达到最好的输出特性。合和合理的容差范围，使产品达到最好的输出特性。1.系统设计（系统设计（功能设计）功能设计）l系统设计系统设计是产品的功能设计，其任务是规定是产品的功能设计，其任务是规定产品的功能，确定产品的基本结构提出初始产品的功能，确定产品的基本结构提出初始的设计方案，是的设计方案，是“三次设计三次设计”的基础。的基础。l对于结构复杂的对于结构复杂的 产品，需要全面考察各种参产品，需要全面考察各种参数对质量特性的影响。数对质量特性的影响。l 通过系统设计可以选择需要考察的因素及其通过系统设计可以选择需要考察的因素及其水平。因素是指构成系统的元件或构件，水水平。因素是指构成

29、系统的元件或构件，水平是指元件或构件的参数或取值。平是指元件或构件的参数或取值。l系统设计可以使用计算和实验两种方法。系统设计可以使用计算和实验两种方法。v 基本术语基本术语例例在某化学工程中，为了提高合成树脂的在某化学工程中，为了提高合成树脂的抗拉强度抗拉强度，决定进行，决定进行实验。通过考察生产工艺和以往的生产记录，得知实验。通过考察生产工艺和以往的生产记录，得知添加剂种类添加剂种类和和添加量添加量等两个因素对抗拉强度有较大影响。现要找出它们的最佳等两个因素对抗拉强度有较大影响。现要找出它们的最佳条件组合，使抗拉强度最大。条件组合，使抗拉强度最大。指标：指标：抗拉强度抗拉强度，用来衡量试验

30、结果效果的特征值。可以是定性指，用来衡量试验结果效果的特征值。可以是定性指标也可以是定量指标；可以是单一指标，也可以是多指标。如果标也可以是定量指标；可以是单一指标，也可以是多指标。如果指标越大效果越好，则该指标是指标越大效果越好，则该指标是优指标优指标；否则为；否则为劣指标劣指标。 因子：因子：对质量特性值有很大影响并选来进行实验的因素。用对质量特性值有很大影响并选来进行实验的因素。用A表示添表示添加剂种类，加剂种类，B表示添加量。表示添加量。水平：水平：进行实验的因子在数量上的程度或质量上的状态。因子进行实验的因子在数量上的程度或质量上的状态。因子B的三的三个水平分别用个水平分别用B1、B

31、2、B3表示。表示。单一因子实验法：单一因子实验法：每次只对一个因子进行实验。每次只对一个因子进行实验。 添加剂种类添加剂种类A 添加量添加量B抗拉抗拉强度强度 参数设计是产品设计中最重要的阶段，其指导参数设计是产品设计中最重要的阶段，其指导思想是选择系统中所有参数的最佳组合，减少思想是选择系统中所有参数的最佳组合，减少各种干扰的影响，使所设计的产品质量特性值各种干扰的影响，使所设计的产品质量特性值波动小，稳定性好，并确定参数组合的中心值。波动小，稳定性好，并确定参数组合的中心值。2. 参数设计参数设计 例例 设有一晶体管稳压电源，输入交流电以后，设有一晶体管稳压电源，输入交流电以后，希望得到

32、稳定的输出目标值为希望得到稳定的输出目标值为110V，波动范围为，波动范围为2V的直流，提出优化设计方案。的直流，提出优化设计方案。P166 容差设计：是在参数设计确定了最佳参数组合的容差设计：是在参数设计确定了最佳参数组合的中心值以后，进一步运用统计方法确定各个参数中心值以后，进一步运用统计方法确定各个参数的允许极限，并分析研究参数允许范围和产品成的允许极限，并分析研究参数允许范围和产品成本的关系。通过容差设计来确定各参数的最合理本的关系。通过容差设计来确定各参数的最合理的容差，使总损失最小。的容差，使总损失最小。 3. 容差设计原理及应用容差设计原理及应用l产品功能界限产品功能界限 o：由于产品质量特性值的波由于产品质量特性值的波动使产品丧失功能的