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设计方法与精益研发质量管理

  现代产品结构日益复杂,精度不断提高,而且其中不乏技术密集型产品。这些复杂的高科技产物广泛采用了新材料和新技术,用户对其可靠性、可维修性、安全性和成本效益等指标,都提出了更为严格的要求,产品质量。因此,现代产品的设计开发方法与传统产品相比,发生了很大改变,而制造企业和用户寻求提高产品质量的途径也正悄然发生变化。

  产品设计与产品质量

  从本世纪50年代开始,基于传统设计开发经验,结合新兴的统计分析技术、管理技术、IT技术和方法论,人们积极寻找先进的设计理论与方法,TRIZ理论、ADT理论、田口设计法、六西格玛设计等一系列新的理论方法应运而生。公理设计理论的奠基人Nam P.Suh教授曾指出,“经验或对比设计技术与方法极大地限制了实际设计水平的提高,对复杂产品的高效、系统设计显得无能为力,基于新的设计技术与方法理论,建立系统、完整的现代设计方法学和设计平台,是应对设计挑战的关键”(Nam P.Suh,2001)。

  而且,随着新型设计方法实践活动的深入展开,人们发现,产品的功能性、可靠性、安全性、成本效益和可维护性等质量指标与设计过程、设计方法息息相关。NASA火箭因O型密封圈的错误布置导致发射失败,新奥尔良酒店的承重设计问题导致其在飓风中垮塌,某型号手机的键盘受力设计不合理导致频繁断键,某品牌电视的EMI设计缺陷导致视频信号紊乱……在设计阶段出现问题,对最终产品质量的影响几乎是致命的,反之,在严格控制设计开发阶段的质量,是提高产品质量水平的重中之重。而且,通过深入研究,我们还会发现,产品设计质量不仅影响最终产品,还会影响制造工艺和生产环节。因为设计方案决定了生产计划的制定,原材料的采购,零部件的选用,加工设备的调配,加工工序的安排,加工精度的确立,以及质量等级的高低……设计上的“先天不足”会造成后续工作一系列的“后患”。南方一家设计、生产烟火报警器的企业就遇到过类似的问题,设计人员选用了不在企业备件目录内、已经停产的一种时序控制芯片,在量产准备阶段才发现,这种时序芯片市场上已经没有存货,只能采用同类的国内仿品,质量根本无法保证,而重新修改设计、制版、排产、备料需要耗费大量的时间和金钱。

研发质量管理
图 设计问题导致手机键盘频繁断裂

  据统计,在最终产品的质量问题中,80%是由设计原因引起的,而设计还决定了70%的产品成本。设计是产品质量形成的根源。在备件、生产、检验等环节进行质量控制和改进所取得的效果,远没有控制和改进设计质量所取得效果好,而这一环节恰恰是国内大部分企业所忽视的。

  谈及中国企业的产品质量控制,中国工程院刘源张院士就曾指出:“中国企业拿到国外订单,很少检测图纸设计是否有缺陷,只能完全依照图纸生产,监管生产阶段的质量管理与国外看齐了,产品质量仍然会市场出问题。追根溯源,产品质量还是设计进去的,既不是检测出来的,也不全是造出来的。”控制和改善设计质量,减少设计差错,是提高产品质量的金钥匙。

  改善设计质量的理论与方法

  宽泛意义的设计是指产品正式投产前的全部开发研制过程。一种新产品从开始提出设计要求直到投产使用,包括调查研究、制定方案、产品设计、试制、试验、鉴定以及制造、装配、销售、使用和维修准备等过程。大体而言,设计过程又可以分成概念设计、方案设计、详细设计、样机试验和工艺生产准备五大阶段。上述各设计阶段互相之间有着密切的联系,相互作用和影响。由此可见,设计质量应是上述几个研发阶段质量的总和,设计过程任何一个环节的质量问题都可能影响到产品的设计质量,进而影响最终的产品质量。

  如何改善产品的设计质量呢?我们必须从众多新兴的设计理论和方法中汲取营养。公理设计、稳健设计和六西格玛设计是三种与设计实践结合较为紧密、并日臻完善的设计理论和方法体系,这三者相互关联、相互结合、相互作用,形成了提高产品设计质量的理论基础。

  1. 公理设计

  科学发展史证明,科学公理与科学理论、方法之间密切相关,例如,利用几何公理可以建立欧几里德几何学,利用物理公理可证明牛顿第二、第三定律,利用光速绝对性和运动相对性公理可以推导出黎曼几何学和广义牛顿定律……任何理论和方法背后似乎都有着公理的存在,那么设计理论和方法的背后是否存在固定的设计公理呢?

  从数学设计学的观点看,设计就是一个把顾客“需求域”的顾客需求参量映射到“功能域”的功能参量,又从功能参量映射到“物理域”的设计参量,再从“物理域”将设计参量映射到“过程域”的过程参量的连续映射过程,以创造“使顾客完全满意(TCS)”的最佳综合解。而从工程学角度讲,设计是将顾客的需求或革新要求转换成为满足顾客和企业期望的产品、过程/流程或服务的活动。麻省理工的Nam P. Suh教授认为,上述设计过程公理的发现将会促进设计理论与方法的科学化与设计创新。

研发质量管理
图 公理理论的设计域与设计过程链

  1990年,Nam P. Suh教授提出了公理设计理论,他针对设计活动,提出了公理化理论框架,并据此提供了评价和判别产品设计质量好坏的标准,进而推出改善设计质量的方法。80年代,公理设计形成了12条设计假定,最后归结为两条设计公理:独立公理与信息公理。基于这两条公理又建立了16个定理与8条推论。公理设计的最终目标是:证明设计活动本身是可描述、可掌握的设计科学,人们可以利用公理设计的理论、方法增强设计的创造性、设计方案的鲁棒(稳定)性和可制造性、可维护性,并建立通用的设计科学基础、设计平台和设计工具,提升设计的可控性和自主性。

  2. 稳健设计

  稳健设计又称为田口方法,是日本田口玄一博士所创立的。田口方法是一种低成本、高效益的质量工程方法,它强调产品质量的提高不是通过检验,而是通过设计。其基本思想是把产品的稳健性设计到产品和制造过程中,通过控制源头质量来抵御大量的下游生产或顾客使用中的噪声或不可控因素的干扰。田口方法不仅提倡在低成本的条件下开发出高质量的产品,而且使用先进的试验技术来降低设计试验费用,这也正是田口方法对传统思想的革命性改变。

  田口方法的特色主要体现在以下几个方面:

  (1)“源流”管理理论。田口方法认为,开发设计阶段是保证产品质量的源流,是上游,制造和检验阶段是下游。在质量管理中,应该着重抓好上游管理。

  (2)产品开发的三次设计法。田口方法将产品开发设计分为三个阶段,即系统设计、参数设计和容差设计。田口方法追求产品的系统稳定性,通过分析质量特性与部件之间的非线性关系,找出使稳定性达到最佳水平的组合,而不是一味地提高部件的品质标准。三次设计方法能从根本上解决内外干扰引起的质量波动问题,利用三次设计这一有效工具,设计出的产品质量好、价格便宜,且性能稳定。

  (3)质量与成本的平衡性。引入质量损失函数这个工具使工程技术人员可以从技术和经济两个方面分析产品的设计、制造、使用和报废等过程,使产品在整个生命周期内社会总损失最小。在产品设计中,采用容差设计技术,使得质量和成本达到平衡,设计和生产出价廉物美的产品,提高产品的竞争力。

  (4)新颖、实用的正交试验设计技术。使用综合误差因素法、动态特性设计等先进技术,用误差因素模拟各种干扰(如噪声),使得试验设计更具有工程特色,大大提高试验效率,增加试验设计的科学性,并大大节约试验费用。

  3. 六西格玛设计

  六西格玛设计是按照合理的流程、运用科学的方法准确理解和把握顾客需求,对新产品/新流程进行健壮设计、使产品/流程在低成本下实现六西格玛质量水平。同时使产品/流程本身具有抵抗各种干扰的能力,既是制造和使用环境恶劣,产品仍能满足顾客的需求。六西格玛设计是在提高产品质量和可靠性的同时降低成本和缩短研制周期的有效方法。

  六西格玛设计的诞生是市场竞争的结果。特别是20世纪90年代以来,世界范围内高新技术产业迅猛发展,社会生产力不断提高,消费越来越多样化,国际市场对产品的要求越来越苛刻。高品质、短周期、多品种、小批量、高可靠性、具有良好的维修性和售后服务的产品才能胜出,市场竞争也由价格竞争为主转向质量(包括品种、性能、价格、交货期、可靠性、售后业务等方面)竞争。在这种情况下,综合各种质量管理理论、方法和工具,并汲取稳健性设计等方法、理论,六西格玛设计诞生了。六西格玛设计目前可谓风头正劲,为许多世界顶级企业所采用,创造了巨大的经济效益。

  精益研发与设计质量管理

  针对提高企业产品研发、设计质量,安世亚太在其精益研发体系中,提供了一整套的质量设计解决方案——PERA Quality质量设计平台。PERA Quality是精益研发的核心部分,贯穿了企业产品研发的各个环节,将设计质量优化和管控的理念渗透到产品的全生命周期之中。在精益研发体系中,PERA Quality和创新设计平台PERA Innovation、协同仿真平台PERA Simulation采用统一的流程管理、数据管理和知识管理,提供了基于质量管理、注重技术创新、支持产品优化的虚拟样机开发环境,形成企业全新的基础研发平台。

  PERA Quality质量设计平台基于公理设计、稳健设计和六西格玛设计理论方法,包含了六大核心技术,分别是质量功能展开(QFD)、公理设计、正交试验设计、稳健性设计、可靠性设计和面向X的设计。这六大技术内部具有复杂的应用和数据逻辑关系,其间采用统一的流程管理、数据管理和知识管理,实现技术应用的整合,通过多学科优化,实现设计后端的综合优化。而产品的质量设计过程就是综合、交互运用上述六项技术的过程:首先利用QFD技术从客户需求出发,将客户的需求转化展开为设计项目的技术需求指标,然后利用稳健设计、正交实验设计、可靠性设计、面向X的设计等方法完成设计,并逐级利用设计公理进行判断和优选,最终实现设计质量指标。PERA Quality将一系列的质量设计方法封装在统一的平台内,设计师在这一平台上开展设计工作,就在不自觉间运用了先进的质量设计方法。同时,经过长期的应用磨合与知识积累,可以逐步建立企业自身的质量设计知识库,形成独一无二的核心设计能力。

  设计质量管控,人人参与

  中国质量协会的马林副会长曾经在她那本《质量经营》的书中提到,“中国产品围绕质量的索赔和投诉,有70%是设计问题所引发的”。而事实上,75%以上的中国企业的质量管理部门不负责设计质量的管控,他们仅仅负责制造生产和检验环节的质量问题。产品的设计和研发质量谁来关心呢?技术部门的设计研发人员吗?很多设计研发人员习惯从技术层面考虑问题,而产品的质量、经济性、可制造性等指标则往往被忽略。事实上,很多企业针对设计人员开展的稳健性设计、六西格玛设计培训,更像是统计学培训,确实与设计本身关联不大。难怪研发人员不买账。企业的管理者是否该积极参与到设计质量的管控中呢?毕竟设计质量的改善对提升经济效益作用明显。但是,由于对产品设计本身缺乏深入了解,企业的管理者和企业IT人员一样,往往只能充当各种专业培训的促成者和购买各种平台、工具的推动者和决策者,应用成功与否则与其无关。

  事实真是如此吗?不,事实是,实施和应用PERA Quality这样的质量设计平台,并从中持续获益,需要企业方方面面人员的积极参与。

  首先是企业管理者的支持和参与。管理者的作用是通过行动自上而下地贯彻、统一研发质量管控的思路,使所有参与者和所有活动都集中于不断改进研发质量。管理者必须付诸行动,而不是仅仅停留在公开演说阶段,积极、持续地参与到研发质量管理的工作中,与熟悉研发技术和流程的中层技术管理者紧密配合,不断关注研发质量管理的改善情况,是质量设计平台成功应用的关键。

  其次,研发部门的中层技术管理人员和企业IT人员要相互配合,为质量设计平台的实施和应用营造良好的技术环境和人文氛围。深入分析企业的研发质量管理需求,制定详细、切实可行的规划,把握好系统实施的进度,确保持续获得阶段性的收益。同时,为研发人员提供高质量、与设计实际紧密结合的研发质量管理培训,建立相应的激励机制,鼓励技术人员积极摸索新的设计方法,并采用研发质量管理平台。要知道,研发人员学会了鱼骨图、控制图、矩阵图不代表研发质量的提高,而深入理解研发质量管理的实质,自发地灵活运用PERA Quality平台、工具,实际效果会好得多。

  第三,千万不要忽略了企业的质量管理部门。正如前文所述,研发质量左右着后续的工艺、生产和检验等一系列的环节,企业的质量管理部门怎么能将生产、质检与研发质量管理割裂开来呢?何况,PERA Quality本身已经将研发质量管控的理念贯穿到了产品的全生命周期中。企业可以吸纳质量管理部门的人员组成跨部门的独立研发质量管控小组,由企业管理者授权,统一管理、协调研发质量的改善工作。独立的研发质量管控小组将有助于改善项目的持续性和实施效果。

  第四,研发人员的积极参与。研发人员不应仅仅成为技术实现的机器,要从设计方法论的角度看待设计过程,积极学习和掌握各种先进的设计方法,充分利用PERA Quality提供的QFD、稳健设计等技术,将设计作为一项有目的的、创造性的工作,将创新能力最大化,从而实现自身设计能力质的提升。

  实施精益研发的质量管理平台、改善研发质量是转变企业传统观念和研发模式的过程,在全员积极参与的前提下,明确的战略目标,切实合理的项目规划,高效的项目组织,以及必要的激励手段是保证研发管理项目成功的关键,是使研发质量获得明显改善的重要基础。

 

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