.,1,第六章設計過程質量管理,面向質量的產品設計,.,2,資料表明：產品質量的好壞，約70%是由產品設計的質量所決定的。開發設計是產品質量形成的最為關鍵的階段。設計一旦完成，產品的固有質量也就隨之確定-產品質量是設計、制造出來的，而不是檢驗出來的。,.,3,第一節面向質量的產品設計,一、產品設計的DfX方法DfX(DfP、DfD、DfM、DfR、DfE、DfC)，面向產品生命周期的產品設計方法，即為產品生命周期內某一環節或某一因素而設計。,.,4,設計過程,產品概念形成,顧客未來需求預測,面向產品開發的技術選擇,面向過程選擇的技術開發,最終產品定義,產品營銷與分銷準備,產品設計與評價,制造系統設計,產品制造、交付和使用,.,5,二、面向質量的產品設計設計產品時，通常必須首先回答許多問題：顧客所需的特性有哪些？這些特性哪些是關鍵特性？如何平衡這些特性之間的關系？產品可選材料有哪些？產品的可制造性如何保證？產品的可靠性如何保證？需要多少成本才能使產品在市場上獲得成功？這些問題的解決方法-面向質量的產品設計,.,6,三、面向質量的產品設計使用的質量工程技術質量工程技術為產品研制設計、技術改進提供了合理而高效的技術方法。常用的方法主要有：質量功能展開。它利用關系矩陣科學地將顧客的要求轉達化為所開發產品的規格要求。田口三次設計。即田口線外質量工程，分為系統設計、參數設計、容差設計三個階段。此方法可有效地減少產品質量特性的波動，增強產品在使用過程中的抗干擾能力。可信性工程。綜合運用各種方法提高產品的可信性（包括可用性、可靠性、可維修性）。價值工程。價值工程技術可避免設計人員只著眼于追求高的性能指標，而對成本關心較少。價值工程有利于設計人員樹立良好的成本效益觀念，節約社會資源。,.,7,第二節質量功能展開,一、質量功能展開（QFD）的起源與發展對于來說，質量的定義已經發生根本性的轉變，即從“滿足設計需求”轉變為“滿足顧客需求”。企業確定顧客需求之后，必須將這些需求轉化為產品功能設計。質量功能展開（QFD，QualityFunctionDeployment）就是將顧客需求轉化為功能設計的一種方法。有時這種轉化過程也被稱為展現顧客需求（voiceofthecustomer)。,.,8,QFD于70年代初起源于日本，由曾任教于東京理工學院的水野滋（S.Mizuno）博士提出。70年代中期，QFD相繼被其它日本公司所采用。豐田公司于70年代后期使用QFD取得了巨大的經濟效益，新產品開發起動成本累計下降了61%，而開發周期下降了1/3。今天，在日本，QFD已成功地用于電子儀器、家用電器、服裝、集成電路、合成橡膠、建筑設備和農業機械中。福特公司于1985年在美國率先采用QFD方法。80年代早期，福特公司面臨著競爭全球化、勞工和投資成本日益增加，產品生命周期縮短、顧客期望提高等嚴重問題，采用QFD方法使福特公司的產品市場占有率得到改善。今天，在美國，許多公司都采用了QFD方法，包括福特公司、通用汽車公司、克萊斯勒公司、惠普公司等，在汽車、家用電器、船舶、變速箱、渦輪機、印刷電路板、自動購貨系統、軟件開發等方面都有成功應用QFD的報道。,.,9,二、質量功能展開的基本階段1、調查和分析顧客需求顧客需求是質量功能配置的最基本的輸入。顧客需求的獲取是質量功能配置過程中最為關鍵也是最為困難的一步。要通過各種市場調查方法和各種渠道搜集顧客需求，然后進行匯集、分類和整理，并用加權來表示顧客需求的相對重要度。2、顧客需求的瀑布式分解過程采用矩陣（也稱為質量屋）的形式，將顧客需求逐步展開，分層地轉換為產品工程特性、零件特征、工藝特征和質量控制方法。在展開過程中，上一步的輸出就是下一步的輸入，構成瀑布式分解過程。,.,10,QFD是一個非常結構化（structured)的、矩陣驅動（matrix-driven）的過程，其運行包括4個階段：將顧客需求(customerrequirements)轉化產品特性(performancemeasures)將產品特性轉化成零件特性(featuresandtechnology)將零件特性轉化成關鍵工藝操作(partsspecification)將關鍵工藝操作轉化成生產要求(manufacturingprocesses)。,.,11,產品規劃通過產品規劃矩陣，將顧客需求轉換為技術需求（最終產品特征），并根據顧客競爭性評估（從顧客的角度對市場上同類產品進行的評估，通過市場調查得到）和技術競爭性評估（從技術的角度對市場上同類產品的評估，通過試驗或其它途徑得到）結果確定各個技術需求的目標值。設計展開利用前一階段定義的技術需求，從多個設計方案中選擇一個最佳的方案，并通過零件配置矩陣將其轉換為關鍵的零件特征。過程規劃通過工藝規劃矩陣，確定為保證實現關鍵的產品特征和零件特征所必須保證的關鍵工藝參數。生產控制通過工藝/質量控制矩陣將關鍵的零件特征和工藝參數轉換為具體的質量控制方法。,.,12,.,13,三、質量屋嚴格地說，QFD是一種思想，一種產品開發和質量保證的方法論。它要求產品開發要直接面向顧客需求，在產品設計階段考慮工藝和制造問題。通過市場調查收集到的顧客信息是QFD過程的基本輸入，如何將這些需求轉換成產品和零部件的關鍵特征以及配置到制造過程的各工序中去。美國學者J.R.HAUSER與D.CLAUSING于1988年提出的質量屋（HOQ，HOUSEOFQUALITY）則是在產品開發中具體實現這種方法論的工具，它提供了一種將顧客需求轉換成產品和零部件特征并配置到制造過程的基本結構。,.,14,質量屋圖示,.,15,1、質量屋的構成質量屋的組成包括7個部分，以一級的質量屋為例，他們分別是：左墻：用戶需求。右墻：主要是競爭對手分析，選擇主要的競爭對手，對每個競爭對手在每個用戶需求方面的表現進行評估，與我們自己進行對比；天花板：將用于滿足客戶需求的產品技術要求；房間：關系矩陣表，即用戶需求與技術要求的關聯程度，以簡單的數值級別來標識其影響程度，如1、3、9；地板：質量規格。各個技術要求的量化目標，它依據與競爭對手分析的結果而來；地下室：技術性評價表，也是與競爭對手分析，不過是分析競爭對手在每個技術要求方面的表現，用于與我們自己進行對比；屋頂，是產品技術要求之間的關系，有以下幾種可能：正相關（強、弱）、負相關（強、弱）、無關。,.,16,.,17,2、建造質量屋的技術路線（1）調查顧客需求（2）測評各項需求對顧客的重要度（3）把顧客需求轉化為技術要求（4）確定顧客需求的滿意度方向（5）填寫關系矩陣表（6）計算技術重要度（7）設計質量規格（8）技術型評價（9）市場競爭性評價（10）確定相關矩陣,.,18,清潔的餐廳,美味的食物,有響應的服務,顧客需求,舒適的座椅,.,19,.,20,第三節可靠性工程（面向可靠性的設計）,可靠性技術是提高產品質量的一種重要手段，它本身已形成一門獨立的學科。可靠性的發展歷史可靠性的教訓史提高可靠性的意義可靠性的基本概念可靠性度量系統可靠性的計算可靠性試驗可靠性管理,.,21,一、可靠性的發展歷史,質量與可靠性伴隨著兵器的發展而誕生和發展。第二次世界大戰開始，由于納粹德國發射的V-1、V-2導彈的不可靠及美國運往遠東的航空無線電設備有60不能工作，引起了對可靠性問題的認識。,V2導彈,.,22,1944年納粹德國用V-2導彈襲擊倫敦，有80枚沒有起飛就在起飛臺上爆炸，還有不少導彈沒有達到倫敦就掉進英吉利海峽。當時，美國海軍統計，電子設備在規定所有期內僅有30的時間能有效地工作。在此期間，因可靠性問題損失飛機2100架，是被擊落飛機的1.5倍。通過大量現場調查和故障分析，采取了對策，誕生了可靠性這門學科。,.,23,二、可靠性教訓史,一部可靠性發展史，就是不可靠教訓史。這里我們應特別看到，有些電子設備在使用的關鍵時刻出現了故障，造成的經濟損失就更大了。美國1957年發射的“先鋒號”衛星中，由于一個價值二美元的器件出了故障，造成了價值220萬美元的損失。美國航天局1978年、1979年三次火箭發射失敗，損失1.6億美元。1971年，原蘇聯三名宇航員在“禮炮”號飛船中由于一個部件失靈而喪生。,.,24,1986年1月28日，美國航天飛機“挑戰者號”起飛76秒后爆炸，其中7名宇航員喪生，直接經濟損失達12億美元，美國的民族精神受到了嚴重創傷。這次事故的直接原因是因為一個密封圈不密封而引起的。,.,25,1986年4月26日，位于前蘇聯烏克蘭地區基輔以北130公里的普里皮亞特市的核電站，發生了震驚世界的切爾諾貝利核電站核泄漏事故。爆炸致使299人受到大劑量輻射、19人死亡，179人送醫院治療。附近的四座100萬瓦的核電站全部被迫停止運轉，前蘇聯核電供應量為此減少了10%。芬蘭、埃及等國取消了原與前蘇聯簽定的核設備訂單，損失估計有近百億美元。蘇聯的兩大糧倉烏克蘭和白俄羅斯地區也受到不同程度的核污染，糧食和甜菜產量受到很大影響。另外，事后的清理工作，估計也花費了幾十億美元。核污染造成的后遺癥，其代價更是難以估計。據一些西方專家估計，這一事故將給數百萬蘇聯人埋下致命禍根。3年后，核電站50公里范圍內的癌癥患者、兒童甲狀腺患者及畸形家畜和植物（如體格碩大的老鼠，苞蕾異常肥大的花菜）等急劇增加。據專家分析，核電站爆炸的客觀原因可能是堆蕊冷卻系統發生故障，使工藝管內缺水，堆內溫度急劇上升，導致燃料蕊體熔化，使高溫下的水蒸汽與鈷、石墨發生反應產生氫氣，并在高溫下發生爆炸后引起大火。,.,26,“永不沉沒的”Titanic,1912年4月15日處女航中，在北大西洋撞上冰山而沉沒，1500人葬生海底，造成了當時在和平時期最嚴重的一次航海事故，也是迄今為止最著名的一次。泰坦尼克號上所使用的鋼板含有許多化學雜質硫化鋅，加上長期浸泡在冰冷的海水中，使得鋼板更加脆弱。遭遇冰山只是“泰坦尼克”號沉沒的原因之一，另外，一個罪魁是，連接船體各部分的固定鉚釘，竟然是用摻有礦渣的劣質金屬制成的。,.,27,1974年，我國發射衛星的運載火箭因為一根直徑為0.25mm的導線斷裂，導致整個系統被引爆自毀。1991年，我國“澳星”發射失敗，起因于一個小小的零件故障，所造成的經濟損失和政治影響是巨大的。,.,28,三、可靠性研究與應用的目的和意義,提高產品可靠性，可以防止故障和事故的發生。提高產品可靠性，能使產品總的費用降低。提高產品可靠性，可減少停機時間，提高產品可用率，一臺設備可以頂幾臺設備的工作效率。對于企業：提高產品可靠性，可以改善企業信譽，增強競爭力，擴大產品銷路，從而提高經濟效益。提高產品可靠性，可減少產品責任賠償案件的發生，以及其他處理產品事故費用的支出，避免不必要的經濟損失。,.,29,四、可靠性及相關基本概念,1.可靠性（Reliability）定義產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力。產品可靠性定義的要素是三個“規定”:“規定條件”、“規定時間”、“規定功能”,.,30,質量與可靠性關系從廣義質量觀看，質量涵蓋可靠性從狹義的質量觀看，就是“符合性質量”可靠性畢竟與狹義的質量管理還是有很大區別的，質量出了問題，往往批次性很強。可靠性是更深層次的與設計、工藝相關的根本性問題。有些企業對于可靠性工程有一種錯誤觀念，認為可靠性工程是質量部門的事情，而設計部門卻很少人員參與。產品的可靠性是在設計階段就已經決定了在用戶使用過程中，均是“可靠性”問題,.,31,2.故障及其分類產品或產品的一部分不能或將不能完成預定功能的事件或狀態，稱之為故障。故障的表現形式，叫做故障模式。引起故障的物理化學變化等內在原因，叫做故障機理。產品按從發生失效后是否可以通過維修恢復到規定功能狀態，可分為可修復產品和不可修復產品。對可修復產品稱為故障，對不可修復產品稱為失效。產品的故障分類有多種：按發生的規律分偶然故障和耗損故障按引起的后果分為致命性故障和非致命性故障按統計特性分獨立故障和從屬故障,.,32,3.維修性產品在規定的條件下和規定的時間內，按規定的程序和方法進行維修時，保持或恢復執行規定狀態的能力稱為維修性。規定條件指維修的機構和場所及相應的人員、技能與設備、設施、工具、備件、技術資料等。規定的程序和方法指的是按技術文件規定采用的維修工作類型、步驟、方法等。能否完成維修工作當然還與規定時間有關。維修性是產品質量的一種特性，即由產品設計賦予的使其維修簡便、迅速和經濟的固有特性。產品的可靠性與維修性密切相關，都是產品的重要設計特性，因此產品可靠性與維修性工作應從產品論證時開始，提出可靠性與維修性的要求，并在開發中開展可靠性與維修性設計、分析、試驗、評定等活動，把可靠性與維修性要求落實到產品的設計中。,.,33,4.保障性系統(裝備)的設計特性和計劃的保障資源滿足平時和戰時使用要求的能力稱為保障性。保障性是裝備系統的固有屬性，它包括兩方面含義，即與裝備保障有關的設計特性和保障資源的充足和適用程度。設計特性是指與保障有關的設計特性，如與可靠性和維修性等有關的，以及保障資源要求裝備所具有的設計特性。這些設計特性可以通過設計直接影響裝備的硬件和軟件。如使設計的裝備便于操作、檢測、維修、裝卸、運輸、消耗品(油、水、氣、彈)補給等設計特性。從保障性角度看，良好的保障設計特性是使裝備具有可保障的特性或者說所設計的裝備是可保障的。保障資源是保證裝備完成平時和戰時使用的人力和物力。從保障性的角度看，充足的并與裝備匹配完善的保障資源說明裝備是能得到保障的。裝備具有可保障的特性和能保障的特性才是具有完整保障性的裝備。,.,34,5.可用性和可信性可用性是在要求的外部資源得到保證的前提下，產品在規定的條件下和規定的時刻或時間區間內處于可執行規定功能狀態的能力。它是產品可靠性、維修性和維修保障的綜合反映，這里的可用性定義是固有可用性的定義，外部資源(不包括維修資源)不影響產品的可用性。反之，使用可用性則受外部資源的影響。可用性的概率度量稱為可用度。可用性通俗地說是“要用時就可用”。實際上，可靠性和維修性都是為了使顧客手中的產品隨時可用。可靠性是從延長其正常工作時間來提高產品可用性，而維修性則是從縮短因維修的停機時間來提高可用性。可用性是顧客對產品質量的又一重要的需求。可信性是一個集合性術語，用來表示可用性及其影響因素：可靠性、維修性、維修保障。可信性僅用于非定量條款中的一般描述，可信性的定性和定量具體要求是通過可用性、可靠性、維修性、維修保障的定性和定量要求表達的。,.,35,五、可靠度性度量,1、可靠度及可靠度函數產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的概率稱為可靠度。可靠度是關于時間t的函數，記為R（t)。如果規定產品從開始工作到首次故障前的工作時間為T，即壽命。壽命T是一個隨機變量，而可靠度函數可以看作是隨機事件“Tt”的概率，可靠度函數表示為：,.,36,根據定義，可靠度可以通過下式測算：式中：Nt=0時，在規定條件下進行工作的產品數；Nf(t)在0到t時刻的工作時間內，產品的累計故障數。Ns（t）-工作到時刻t處于能完成規定功能的產品數，殘存產品數。例：設t=0時，投入工作的10000只燈泡，以天作為度量時間的單位，當t=365天時，發現有300只燈泡壞了，求一年時的工作可靠度。解：已知N=10000，Nf(t)=300，故：R(365)=(10000-300)/10000=0.97,.,37,2、不可靠度（累積故障概率）產品在規定的條件下和規定的時間內，喪失規定功能的概率稱為不可靠度。不可靠度函數可以表示為：產品的不可靠度還可以通過下式測算：,.,38,可靠度與不可靠度的關系為：,不可靠度函數示意圖,可靠度函數示意圖,.,39,3、故障密度函數f(t)定義故障密度函數f(t)為不可靠度函數的導數，它可以看成是t時刻后一個單位時間產品故障的概率，即則有：,.,40,R(t)、Q(t)、f(t)之間的關系示意圖,參看教材P63例4-1,.,41,4、故障率工作到某時刻尚未故障的產品，在該時刻后單位時間內發生故障的概率，稱之為產品的故障率。用數學符號表示為：式中故障率；,t時刻后，時間內故障的產品數；,對于低故障率的元部件常以為故障率的單位，稱之為菲特（Fit）。,t時刻后，時間內故障的產品數；,.,42,可靠度、不可靠度、故障密度函數與故障率之間的關系,.,43,浴盆曲線大多數產品的故障率隨時間的變化曲線形似浴盆，稱之為浴盆曲線。由于產品故障機理的不同，產品的故障率隨時間的變化大致可以分為三個階段：,.,44,當產品的故障服從指數分布時，故障率為常數，此時可靠度為：R(t)=e-(t)在上例中，若一年后又有1只燈泡壞了，求故障率是多少?解：已知t=1，r(t)=1，NS(t)=9700則：(t)=1/（97001）=0.000103天,.,45,5、失效(故障)前平均時間(MTTF)設N個不可修復的產品在同樣條件下進行試驗，測得其全部失效時間為t1，t2，tN其平均失效前時間(MTTF)為：對于不可修復產品，失效時間就是產品的平均壽命。當N趨向于無窮時，MTTF為產品故障時間這一隨機變量的數學期望，即,.,46,例設有5個不可修復產品進行壽命試驗，它們發生失效的時間分別是1000h，1500h，2000h，2200h，2300h，問該產品的MTTF觀測值?解：MTTF=(1000+1500+2000+2200+2300)5=95005=1800h,.,47,6、平均故障間隔時間(MTBF)一個可修復產品在使用過程中發生了N次故障，每次故障修復后又重新投入使用，測得其每次工作持續時間為t1，t2，tN，其平均故障間隔時間MTBF為：當產品的壽命服從指數分布時，產品的故障率為常數，有,.,48,例：設有一電子產品工作1萬小時，共發生故障5次，問該產品的MTBF的觀測值?解：MTBF=100005=2000h,.,49,7、維修度在規定的條件下使用的產品發生故障后，在規定時間（0，t）內完成修復的概率，記作M（t）。修復率：修復時間已達到某一時刻但尚未修復的產品在該時刻后的單位時間內完成修復的概率，記作（t）。平均修復時間：可修復的產品的平均修理時間，其估計值為修復時間總和和修復次數之比，記作MTTR（MeanTimeToRepair）。,.,50,平均修復時間可以通過平均值去估算，即：Ti為第i次修復時間。同樣，如果修復率是常數，則M（t）服從指數分布，即,.,51,8、可用度A產品可用度是指產品的平均故障間隔時間與總時間的比值。如果故障率、修復率均為常數，則,.,52,六、系統可靠性計算,產品的可靠性是設計出來的，生產出來的，也是管理出來的。產品開發者的可靠性設計水平對產品固有的可靠性影響是重大的，因此可靠性設計與分析在產品開發過程中具有很重要的地位。在可靠性設計方案的研究過程中，常假定元件或分系統有某種可靠性，建立產品系統級、分系統級或設備級的可靠性模型，然后計算所設計的系統的可靠性。產品典型的可靠性模型有串聯模型、并聯模型和混聯模型。,.,53,1、串聯系統的可靠性如果系統S是由n個單元S1、S2、Sn組成，n個單元中只要有一個失效，整個系統就失效，這樣的系統就稱為串聯系統。各單元如果是相互獨立的，則有系統的可靠度為,.,54,如果各個單元的故障率分別為：1,2,n,則系統的可靠度為,系統的故障率？,.,55,2、并聯系統的可靠性如果系統S的n個單元中，只要有一個單元正常工作，系統就能正常工作，換句話說，只有所有單元都出現故障，才會導致系統故障，這樣的系統就成為并聯系統，也稱工作貯備模型。如圖所示：,.,56,并聯系統的可靠度為：,系統的故障率？,.,57,3、混合系統的可靠性計算把若干個串聯系統和并聯系統重復的加以串聯和并聯的組合，就得到更復雜的可靠性結構模型，稱為混合系統。混合系統的可靠性計算需要逐級進行。,.,58,七、可靠性試驗,可靠性試驗的基本概念可靠性試驗分類常用可靠性試驗,.,59,1、可靠性試驗的基本概念,可靠性試驗概念廣義而言，凡是為了了解、考核、評價、分析和提高產品可靠性而進行的試驗都可以稱之為可靠性試驗。可靠性實驗目的在研制階段使產品達到預定的可靠性指標在產品研制定型時進行可靠性鑒定在生產過程中控制產品的質量對產品進行篩選，以提高整批產品的可靠性水平研究產品的故障機理,.,60,2、可靠性試驗分類,可靠性試驗按試驗地點和方式分為兩大類：現場試驗、模擬試驗。模擬試驗按試驗性質分為：破壞性試驗、非破壞性試驗。模擬試驗按試驗目的分為：可靠性鑒定試驗、壽命試驗、耐久性實驗、篩選實驗、可靠性增長試驗。,.,61,3、常用可靠性試驗,常用的可靠性試驗GJB450A在可靠性工作項目中規定的可靠性試驗：環境應力篩選可靠性研制試驗可靠性增長試驗可靠性鑒定試驗可靠性驗收試驗環境應力篩選試驗(ESSEnvironmentStressScreen)在產品出廠前或使用前，有意將環境應力施加到產品上，以便發現和排除不良元器件、制造工藝和其他原因引入的缺陷造成的早期故障。可靠性研制試驗通過對產品施加環境應力、工作載荷，尋找產品中的設計缺陷，以改進設計，提高產品的固有可靠性,.,62,可靠性增長試驗通過對產品施加模擬實際使用環境的綜合環境應力，暴露產品中的潛在缺陷并采取糾正措施，使產品的可靠性達到規定的要求可靠性鑒定試驗模擬實際使用環境，對產品施加工作應力，驗證產品設計是否達到規定的可靠性要求可靠性驗收試驗模擬實際使用環境，對產品施加工作應力，驗證批生產產品的可靠性是否保持在規定的水平，即產品經過生產期間的工藝、工裝、工作流程變化后的可靠性。,.,63,八、可靠性管理,1基本概念2可靠性管理組織機構3可靠性大綱4可靠性工作項目及工作流程5可靠性大綱的監督與控制,.,64,1基本概念,可靠性管理可靠性是產品在使用中顯示出來的一種特性，是通過一系列工程活動設計、制造到產品中去的，而這些活動的進行需要恰當的組織和管理。可靠性管理就是從系統的觀點出發，通過制定和實施一項科學的計劃，去組織、控制和監督可靠性活動的開展，以保證用最少的資源實現用戶所要求的產品可靠性。可靠性管理的目的是保證用戶可靠性要求