（管理科学与工程专业论文）离散制造业质量工具集成方法与应用研究.pdf

中文摘要 本文主要针对制造业质量工具的集成方法和应用进行了研究。持续质量改进 中的各种质量工具之间并非是彼此孤立的，对其进行集成应用不仅有利于减少质 量信息的冗余和不一致性，而且有利于发挥各种工具的长处，提高质量改进工作 的效率。文章分别对产品设计开发和生产制造阶段进行了工具集成研究，并介绍 了在此基础上进行软件开发的相关情况。 各种工具如质量功能展开、失效模式与效应分析、统计过程控制、实验设计 等，经过长时间的应用实践和不断完善，已经是比较成熟的技术，在各个行业都 得到了不同程度的应用。但是我们发现，各种质量工具之间存在着广泛的信息交 互和功能互补。本文对这一领域的研究成果进行了总结，分别对产品设计阶段和 生产制造阶段的质量工具集成研究进行了回顾，指出在产品设计阶段，应该综合 应用质量功能展开、失效模式与效应分析和实验设计等技术实现产品和过程设计 的优化，在生产控制阶段结合统计过程控制和实验设计，对生产线进行不断改进 和控制测量。在此基础上文章给出了基于过程的质量工具集成方案，以生产流程 为平台，将各种质量设计、分析、优化和控制工具集成起来，建立一个集成质量 管理系统，并分析了此集成质量管理系统与c a d c a p p c a m 之间的关系。 质量管理工作离不开计算机的支持，单就某种或某些改进方法而言，目前已 经有了不少非常优秀的软件可以使用，比如m i n i t a b 、j m p 、q f d 2 0 0 0 等，但是 将多种质量工具结合在一起，使得它们之间可以进行信息交流和协作的软件目前 还很少见。也正是这个原因，我们也尝试开发了这样一套软件来体现集成质量管 理的思想。本文的最后两部分对集成质量管理系统 q m s 的功能、改进方案以及 应用情况作了较为详细的介绍。 关键词：集成质量管理系统质量工具集成 持续质量改进 a b s t r a c t t h i st h e s i sp r e s e n t so u rs t u d i e so nt h ei n t e g r a t i o no fq u a l i t yt o o l sf o rd i s c r e t e m a n u f a c t u r i n g d i f f e r e n tk i n d so fc o n t i n u o u sq u a l i t yi m p r o v e m e n t ( c q i ) t o o l sd o n o ts t a n da l o n e t h ei n t e g r a t i o no ft h e s et o o l sc a l ln o to n l y h e l pt or e d u c et h e r e d u n d a n c ya n di n c o n s i s t e n c yo ft h ea n a l y s i si n f o r m a t i o nf r o md i f f e r e n tc q i t o o l s b u ta l s ob r i n go u tt h eb e s to ft h e s et o o l sa n de v i d e n t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f q u a l i t ym a n a g e m e n tw o r k t h et h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c hw o r ki nb o t hd e s i g n a n dm a n u f a c t u r ep h a s ea n dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tb a s e do no u rr e s e a r c h t h ec o n c e p to fc q ii sw i d e l ya c c e p t e dt o d a y q u a l i t yt o o l s ，s u c ha sq u a l i t y f u n c t i o nd e p l o y m e n t ( q f d ) ，f a i l u r em o d ea n de f f e c t i v ea n a l y s i s ( f m e a ) ，s t a t i s t i c a l p r o c e s sc o n t r o l ( s p c ) a n dd e s i g no fe x p e r i m e n t ( d o e ) ，e t c a f t e rl o n gt e r m so f r e s e a r c ha n dp r a c t i c e ，h a v eb e e nf u l l yd e v e l o p e da n dw i d e l yu s e d h o w e v e r w ef i n d t h e r ei sm u c hi n f o r m a t i o ne x c h a n g ea n df u n c t i o nc o m p e n s a t i o nb e t w e e nt h e m t h e p a p e rr e v i e w st h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t si n t h i s f i e l da n dt h e nf o c u s e so nt h e r e s e a r c hw o r ki nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ep h a s eo fp r o d u c t s i nd e s i g np h a s e ， i n t e g r a t e da p p l i c a t i o no fq f d ，f m e a a n dd o ew i l lo p t i m i z ep r o d u c td e s i g n i n ga n d i nt h em a n u f a c t u r ep h a s e ，b a s e do nt h es p c d o e ，w ec a nk e e pc o n t i n u o u s i m p r o v e m e n ta n d c o n t r o lo f t h ep r o d u c t i o n h e r e b yw eg i v eo u ta ni n t e g r a t i o nm o d e l b a s e do np r o c e s sm a n a g e m e n t o nt h i sf i a t ，d i f f e r e n tq u a l i t yo p t i m i z e ，a n a l y s i sa n d c o n t r o lt o o l sa r ei n t e g r a t e dt of o r m e da ni n t e g r a t e dq u a l i t ym a n a g e m e n ts y s t e m w e a l s oa n a l y s i st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n t e g r a t e dq u a l i t ym a n a g e m e n ts y s t e ma n d t h ec a d c a p p c a ms y s t e m w i t h o u tc o m p u t e rt e c h n o l o g yh a r d l ya n yq u a l i t yi m p r o v e m e n tc a nb ec a r r i e do u t t o d a y a st os i m p l eq u a l i t yi m p r o v ew o r k ，t h e r eh a sb e e ns o m ev e r yg o o ds o f t w a r e ， s u c ha sm i n i t a b ，j m pa n dq f d 2 0 0 0 ，b u ts o f t w a r et h a ts u p p o r t si n t e g r a t e du s eo f t h e s et o o l si sn o ts e e ny e t b e c a u s eo ft h i sw ed e v e l o p e dt h ei n t e g r a t e dq u a l i t y m a n a g e m e n ts y s t e mc a l l e di q m s t h el a s tt w op a r t so f t h i sp a p e rg i v et h ed e t a i l so f t h ef u n c t i o n ，i m p r o v e m e n tp l a na n do n ea p p l i c a t i o nc a s eo f t h es o f t w a r e k e yw o r d s ：i n t e g r a t e dq u a l i t ym a n a g e m e n ts y s t e m ；i n t e g r a t i o no fq u a l i t yt o o l s c o n t i n u o u sq u a l i t yi m p r o v e m e n t 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，也不包含为获得丕洼盘堂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 旒嵋 签字日期：a 瑚j - 年月力日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼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：) 叻f 年 导师签名 签字e t 期：刎年，月彤日 秒一 第一章问题的提出 第一章问题的提出 1 1 质量工具集成的重要性和意义 从生产检验到统计质量控制，再从全面质量管理到战略质量管理，伴随着日 趋激烈的商业竞争，质量这一学科不管是在研究还是在应用领域都在经历着飞速 的发展。 从2 0 世纪8 0 年代开始，持续质量改进成为了全球质量界研究的重点。越来 越多的企业认识到，要想在激烈的市场竞争中保持自己的优势，就必须进行持续 的质量改进。在这一理念的影响下，全面质量管理、六西格玛质量等质量管理模 式和方法逐渐得到普及并在多个世界级大企业的应用中取得了优良的效益。 1 s 0 9 0 0 0 2 0 0 0 版国际质量认证体系也将持续质量改进作为了重点内容。持续质 量改进的方法发展至今已经经过了近2 0 年的时间，不管是学术界还是企业界， 大家都不断将这理论进行丰富和完善，使得持续质量改进的思想从具体的方法 和工具上得以实现和完善。但同时我们也发现，虽然在产品的设计、制造等不同 阶段都已有众多的质量设计和改进工具供设计人员和工程师们使用，但是他们的 应用往往是彼此孤立的。事实上各种质量工具之间存在着广泛的信息交互和功能 互补，它们在质量设计和改进的各个阶段并不是简单的前后关系，而是形成了相 互交叉、相互联系的网络结构。 对质量工具进行集成化应用的意义在于： ( 1 ) 提高设计效率，缩短上市时间。各种工具的集成使用，可以帮助实现 并行设计，使各种质量数据之间的相互访问更加有效，同时减少设计修改的重复 次数，大大地缩短了设计过程，提高了设计效率，从而使产品尽可能地及早进入 市场。 ( 2 ) 提高设计与制造的准确性和一致性。质量工具的集成，保证了企业内 所有人员采用同一数据来工作，共享同一目标( 顾客满意) ，这样就避免了设计 上的重复和不一致。 ( 3 ) 促进全面质量管理。集成系统有利于建立适应i s 0 9 0 0 0 系列认证和全 面质量管理的环境，更有利于实现持续质量改进和过程信息的文档化，为跨职能 小组的质量改进工作提供了有效的平台，也为各种人员的培训提供了更加全面的 支持环境。 第一章问题的提出 1 2 质量工具集成的可行性分析 应该说，将各个阶段的质量工具进行集成应用，不仅是必要的，也是可行的。 其可行性具体表现为： 从技术的角度上看，现代计算机和数据库、网络技术的发展为质量工具的 集成提供了硬件环境。虽然目前将各种工具集成应用的软件还很少见，但 是就各个工具单独而言，已经有不少较为成熟的软件包，例如m i n i t a b 、j m p 、 q f d 2 0 0 0 、f m e a 等，甚至个别软件包之间的数据可以相互转换，应该说 这为多种工具之间的集成应用提供了一种可行的方案。 从组织管理的角度来开，多种质量工具的应用都需要跨职能小组( c r o s s f u n c t i o nt e a m ) 来完成，目前在产品开发过程中广泛采用的基于跨部门小 组形式的并行工程方法，客观上要求要综合使用各种质量工具，实现高质 量的产品工艺过程设计。 1 3 国内外研究现状综述 j o s e a h e r e d i a 等人在1 9 9 6 年提出了一个集成的质量系统框架，在这个框架 中，将集成划分为五个维度： 知识的集成：指工序工艺知识和质量工程知识的集成，并且被所有子系统 共享； 外部功能集成：与计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 和 计算机辅助工艺计划( c a p p ) 等的集成； 垂直集成：指质量系统内部划分为工厂级、车间级和工序级的子系统； 内部功能集成：指四个质量子系统的集成，这四个子系统分别是质量评审 子系统，过程改进和再造子系统、维护和校准子系统、以及控制和计划执 行子系统： 过程集成：是指贯穿整个产品生命周期的全过程集成。 这五个维度按次序反映了集成从基础到高级、由浅入深、由简单到详细的顺 序，从信息和系统的观点来看，它确实可以为企业建立质量管理信息系统提供一 个较完整的框架结构。 tn o o h 于2 0 0 0 年提出了达到优秀质量的“7 s 步骤”，其中涵盖了质量功能 展开( 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 ) 、失效模式与效应分析( f a i l u r em o d e a n de f f e c t sa n a l y s i s ，f m e a ) 、测量系统分析( m e a s u r e m e n ts y s t e ma n a l y s i s ， m s a ) 等多种质量分析优化工具【2 】。同时在文章中t _ n g o h 也指出，只有将各种 第一章问题的提出 质量工具集成应用才能最大限度的发挥它们的效率和能力。s u s a nm s a n c h e z 等 人在文章中指出，基于美国供应商协会提出的四阶段q f d 展开模型，质量功能展 开的过程也可以看成为一个不断将顾客需求( v o i c eo f c u s t o m e r ，v o c ) 转化为 工程要求( v o i c eo f e n g i n e e r i n g ，v o e ) 的过程，而在这一过程当中，多种质量 工具如失效模式与效应分析( f m e a ) 、实验设计( d o e ) 、统计过程控制( s t a t i s t i c a l p r o c e s sc o n t r o l ，s p c ) 等工具将发挥重要的作用 3 o 吴澄从c i m s 的角度也指出，现代集成制造系统的实现应该分为信息集成、过 程集成和企业集成三个步骤【4 。吕庆领、陈俊和唐晓青对于基于质量工具的质量 计划过程模型进行了研究【5 】，并且提出了面向制造业扩展型企业的i e l 一q i s 系统模 型【6 j ，对“老七种工具”、“新七种工具”和质量功能展开在质量计划流程中的适 用范围进行了阐述。该模型在质量工具的连续使用方面具有很好的指导作用，但 它并未涉及到各种工具间的交互作用和影响，还具有一定的改进空间。 冯禹等人对先进制造环境下的各种质量保证技术进行了研究【7 】，分析了质量 功能展开、统计过程控制、面向产品生命周期的设计( d f x ) 等主要质量保证技 术的原理、作用和它们之间的相互关系。他指出，质量功能展开( q f d ) 和田口 方法( t a g u c h im e t h o d s ) 是互补的，从不同的角度和不同的方面对产品的质量进 行保证。他也提出了各种质量保证技术的集成应用思想，并认为实现集成化质量 保证系统的有效途径之一就是建立统一的产品数据模型。提出了质量功能展开和 田口方法( 或稳健性设计) 进行集成的还有r e v e l l e 目和刘鸿恩【9 】等人。r e v e l l e 较为详细的阐述了田口的三次设计思想系统设计、参数设计和容差设计在 质量功能展开各部分和各阶段的应用，指出田口方法和质量功能展开的结合有利 于设计制造出稳健的、并且是顾客需要的产品。刘鸿恩等人从两个方面分析了二 者的结合：一方面，田口的参数设计思想可以用于质量屋的相关分析；另一方面， 出口方法着眼于工程设计，对顾客需求考虑较少，在系统设计阶段缺乏支持工具， 而质量功能展开可以弥补这一不足。他还指出质量功能展开和田口方法的集成应 用将成为未来的一个研究热点。 何桢、生静等人阻“1 对于制造业中产品设计和制造阶段的质量工具进行了较 为深入的研究，分析了质量工具集成的必要性和可能性，提出在设计阶段综合应 用q f d 、f m e a 矛i i d o e ( 包括经典实验设计和田口方法) 保证产品设计最优化和 顾客满意度的同时满足，在生产阶段以s p c 和d o e 为基本技术持续质量改进的思 想，分析了系统与c a d 、c a p p 和c a m 的关系，并在此基础上提出了初步的系统 设计和数据库设计。 从计算机系统实现的角度，罗书强、张建勋和何玉林等人u5 , 1 6 分别就客户 服务器模式、浏览器j l l i 务器模式的集成质量管理系统的实现方法进行了探讨， 第一章问题的提出 并比较了两种体系结构的优缺点。 纵观国内外相关领域的研究情况，随着c i m s 的推广，各种计算机辅助质量 系统( c a q ) 已经在各种行业内得到了应用并且取得了一定的效益，但是他们大 多局限于对来料的检验、生产过程的在线监控等方面。而对于各种质量设计、优 化和控制工具的研究可以说仍处于起步阶段国内外学者有关这一方面的研究成 果主要集中于理论体系研究阶段，由于不同行业本身存在的质量体系和设计开发 方法的差异性，要建立一个通用的平台具有相当的难度，目前实际开发并得到应 用的软件还不多见，主要有由北京航空航天大学质量工程实验室开发的 q q e n t e r p r i s e 软件 1 7 】、由广州红地技术有限公司开发的红地t 0 s ，但是不管是 从各种质量工具之间的信息交互和功能互补的角度，还是从集成质量系统与其它 外部功能的集成度来看，各种软件都还具有广阔的研究内容和改进空间。 1 4 本文的研究内容和技术路线 本文对于质量工具集成的研究首先从对各种工具的简要分析开始，第二章先 后对质量工程展开( q f d ) 、失效模式与效应分析( f m e a ) 、实验设计( d o e ) 、 多变异分析( m u l t i v a r ia n a l y s i s ，m v a ) 、测量系统分析( m s a ) 和过程能力分 析( p r o c e s sc a p a b i l i t y a n a l y s i s ，p c a ) 等质量分析和改进方法进行了介绍，并给 出了连续质量改进的流程图和各种工具在连续质量改进过程当中的使用场合。第 三章分别针对制造业产品的设计和生产阶段各种质量工具的集成方案进行了研 究。指出在设计阶段，综合应用q f d 、f m e a 和d o e ，准确地将客户需求转换 为产品、零部件及工艺特性，并增强设计质量的可靠性；在生产阶段，以d o e 和s p c 工具为基础，形成质量改进和质量控制的循环过程。文章给出了各种质 量工具的集成模型，并分析了集成质量系统与c a d c a m c a p p 的交互关系。在 此基础上，第四章详细介绍了自行开发的集成质量管理系统i q m s2 0 的设计思 路、功能模块以及进一步的改进计划。文章最后给出了集成质量管理系统在天津 起重设备有限公司的试用情况。论文的技术路线图如图1 1 所示。 第一章问题的提出 并比较了两种体系结构的优缺点。 纵观国内外相关领域的研究情况，随着c i m s 的推广，再种计算机辅助质量 系统( c a q ) 已经在各种行业内得到了应用并且取得了一定的效益，但是他们大 多局限于对来料的检验、生产过程的在线监控等方面。而对于各种质量设计、优 化和控制工具的研究可以说仍处于起步阶段，国内外学者有关这一方面的研究成 果主要集中于理论体系研究阶段，由于不同行业本身存在的质量体系和设计开发 方法的差异性，要建立一个通用的平台具有相当的难度，目前实际开发并得到应 用的软件还不多见，主要有由北京航空航天大学质量工程实验室开发的 q q e m e r p r i 删e 川、由广卅红地技术有限公司开发的红地i q s 【l ”，但是不管是 从各种质量工具之间的信息交互和功能互补的角度，还是从集成质量系统与其它 外部功能的集成度来看，各种软件都还具有广阔的研究内容和改进空间。 1 4 本文的研究内容和技术路线 本文对于质量工具集成的研究首先从对各种工具的简要分析开始，第二章先 后对质量工程展开( q f d ) 、失效模式与效应分析( f m e a ) 、实验设计( d o e ) 、 多变异分析( m u l t i v a i l a n a l y s i s ，m v a ) 、测量系统分析( m s a ) 和过程能力分 析( p r o c e s sc a p a b i l i t y a n a l y s i s ，p c a ) 等质量分析和改进方法进行了介绍，并给 出了连续质量改进的流程图和各种t 具在连续质量改进过程当中的使用场合。第 三章分别针对制造业产品的设计和生产阶段各种质量工具的集成方案进行了研 究。指出在设计阶段，综合应用q f d 、f m e a 和d o e ，准确地将客户需求转换 为产品、零部件及工艺特性，并增强设计质量的可靠性：在生产阶段，以d o e 和s p c 工具为基础，形成质量改进和质量控制的循环过程。文章给出了各种质 量工具的集成模型，并分析了集成质量系统与c a d c a m c a p p 的交互关系。在 此基础上，第四章详细介绍了自行开发的集成质量管理系统i q m s2 0 的设计思 路、功能模块以及进一步的改进计划。文章最后给出了集成质量管理系统在天津 起重设备有限公司的试用情况。论文的技术路线图如图1 - l 所示。 起重设各有限公司的试用情况。论文的技术路线图如图1 - 1 所示。 第一章问题的提出 图1 1 技术路线图 第二章连续质量改进 第二章连续质量改进工具分析 2 1 质量改进工具与技术 2 1 1 质量功能展开 1 概述 质量功能展开( q f d ) 产生于2 0 世纪6 0 年代的日本，随后在日本得到广泛 的应用，8 0 年代后传入美国，并且随着质量功能展开方法的不断完善，它的应 用也从最初的汽车制造业扩展到了整个制造行业，以及后来的医疗健康、软件开 发、交通运输和教育等行业或部门。 质量功能展开的目标是： 在产品设计阶段将顾客要求转换成技术要求； 将技术要求展开到各级生产活动，从而在投产前建立必要的控制机制。 2 质量屋 质量功能展开的第一步就是构造质量屋。质量屋从某种意义上说就是一个矩 阵，因其形状像一间房屋，故名“质量屋”( 图2 1 ) 。质量屋由六个部分组成： ( 1 ) 顾客需求( v o c ) ； 图2 - 1 质量屋 第二章连续质量改进 ( 2 ) 计划矩阵( p l a n n i n gm a t r i x ) ，又称顾客竞争性评价； ( 3 ) 技术要求( t e c h n i c a lr e s p o n s e ) ； ( 4 ) 关系矩阵( r e l a t i o n s h i p s ) ； ( 5 ) 相关矩阵( c o r r e l a t i o nm a t r i x ) ； ( 6 ) 技术竞争性评价。 3 质量功能展开的四个阶段 质量功能展开的四阶段模式最初是由美国供应商协会提出的，它也是现在广 为流行的一种模式。这四个阶段( 矩阵) 包括： ( 1 ) 产品计划矩阵( 一级质量屋) ( 2 ) 设计展开( 零部件展开) 矩阵 ( 3 ) 制造( 工序) 计划矩阵 ( 4 ) 生产( 运作) 计划矩阵 在展开过程中，上一级矩阵的“输出”技术要求，是下一级矩阵的“输 入l 顾客需求，因此保证了原始的顾客需求在整个设计生产中得到满足和尊 重。考虑到时间、成本等因素，只对上一级中 在技术竞争性评价中重要的，或 同其他竞争企业相比，缺乏市场竞争力的，或 具有创新意义的 技术要求进行展开。质量功能展开的四阶段如图2 - 2 所示【，各阶段的目的及作 用如表2 - 1 所示 2 0 。 顾客需求 + 荤搽 ：蓁剽斟 + 缺乏竞争力? 。 + 技术新 t 重要的 全 一工序4 生产 史龠妻案a 阡爿委枭 工序 要求 嘣术新：震矍爿 顾客满 + 缺乏竞争力 删爸7 两恳 + 技术新 图2 2 质量功能展开的四个阶段 降 件 j i 吉 部求 零 零要互i 计求设要 塞刁 第二章连续质量改进 表2 1 质量功能展开各阶段的目的及作用 阶段目的作用 1 产品计划将顾客需求转化成产品的设计要求确定产品概念 确定关键零部件， 2 零部件计划将设计要求转化成零部件要求 选择正确的设计概念 3 制造计划将零部件要求转化成工艺要求确定最佳制造工艺 确定关键的生产、控制要 求( 过程控制参数、控制 4 生产计划 将工艺要求转化成生产要求 点、控制方法、抽样大小 和频率、检查方法等) 2 1 2 失效模式与效应分析 1 f m e a 的概念与特点 失效模式与效应分析( f m e a ) 是依据由质量目标所制定的技术文件，根据 经验分析产品设计与生产工艺中存在的弱点和可能产生的缺陷，以及这些缺陷产 生的后果与风险，并在决策过程中采取措施加以消除。失效模式与效应分析 ( f m e a ) 并不是革新性的概念，它的提出是基于质量改进的需要，是一项可靠 性工程技术，作为一项事前预防性的分析工作，在设计与制造确定之前用来探讨 失效的因果关系。这种方法由产品低层零件组发生失效，评估对其上层系统的影 响，并检讨改进方法，减低失效发生几率，籍以在早期找出失效原因与预防措施， 提高产品可靠性。 它的目的可总结如下： 认知及评估系统、产品、过程、设计或服务等的己知和潜在失效； 确认能消除或降低潜在失效发生的纠正措施。 文件化、档案化，经过确认失效原因，引入纠正或预防措施，再把相关程 序或工作书标准化，其实也是p d c a 管理循环的表现。 从f m e a 的定义及目的可知，f m e a 是制造( 设计) 工程师用来在摄大范围 内保证自己在设计或制造过程中能充分考虑并指明潜在失效模式及相关后果的 起因或机理的分析方法。f m e a 以其最严密的形式总结了工程师进行工艺过程设 计( 零部件、子系统和系统设计) 时的设计思想。这种系统化的方法与一个工程 师在任何制造计划过程( 设计过程) 中正常经历的思维过程是一致的，并且被规 第二章连续质量改进 范化、文件化。 f m e a 分析与质量的预防为主的原则相一致。最好的控制是在问题发生之 前，而不是问题发生之时或之后，预防性控制是同有效的计划一起开始的，从准 确的预测，决定正确的策略，到建立有效的标准都要有控制的观点，运用控制的 方法。预防性控制的原则就是要把问题消灭在发生之前。 f m e a 分析与质量的经济性原则相一致。图2 - 3 是质量成本构成图【2 】j ： 羹一一 单”+ ， 位 成 奉、i 、 预防+ 鉴别成本l 合耗 l 适宜质量水平 图2 3 质量成本构成图 蛊 从图中可以看出，预防成本和鉴别成本随合格率的提高而不断增加，相反， 内、外部故障成本随着合格率的提高而不断降低，质量成本就是这两部分叠加的 结果。两条曲线的交点叠加值所对应的就是质量成本最低点，称适宜的质量成本。 f m e a 分析在产品( 工艺) 设计中根据潜在失效模式对“顾客”的影响，对其进行 排序列表，进而建立一套改进设计和开发试验的优先控制系统。为实现质量成本 的最优化，提供更多的信息。 f m e a 是企业内员工的知识和经验的综合应用。由过程f m e a 的工作流程图 可以看出，f m e a 是一项很繁杂、很细致的工作，它涉及到生产设计中的每个指 标，包括尺寸的确定、寿命试验的制定等等项目，也涉及到生产加工、装配过程 中的每道工序的定位、装夹、加工方式等等内容。因而，开展f m e a 得依靠集 体协作，必须综合每个人的智慧，需要有设计、制造、装配、售后服务、质量可 靠性等各方面的专业人才。f m e a 可以成为促进有关部门间充分交换意见的催化 剂，从而提高集体的工作水平。 所有的f m e a 最后都要求制作f m e a 表，它是f m e a 分析结果的书面总结。 因而f m e a 为设计部门、生产规划部门、生产部门、质保部门等有关技术部门 提供了共享的信息资源；另一方面，f m e a 为以后同类产品进行设计提供了不可 多得的借鉴资料。 第二章连续质量改进 综上所述，不断追求产品质量是企业不可推卸的责任和发展的推动力，应用 f m e a 技术来识别并消除潜在隐患，对质量的改进有着举足轻重的作用。事先花 时间很好地进行综合的f m e a 分析，能够简单、低成本地对产品或过程进行修 改，从而减少或消除因修改而代来更大损失的机会。而随着企业对f m e a 的重 视与日俱增，f m e a 将被质量管理者应用到各个领域。 2 f m e a 的类型 总体说来，由于f m e a 不同领域、不同目的的使用，可大致分为以下四种 f m e a ： 系统f m e a 用于在早期构思设计阶段分析系统和子系统。系统f m e a 着 重分析由系统缺陷引起的与系统功能相联系的潜在失效模式。它包括对一个系统 与其他系统间的相互作用以及系统的单元间的相互作用的分析。 系统f m e a 的输出有： 以危险优先序数( r p n ) 排列的潜在失效模式清单 系统功能清单用以检测系统功能潜在失效模式 用以清除产品失效模式原因或减低其发生率的设计措施清单 系统f m e a 的益处有： 帮助选择最佳系统设计 帮助产生失效模式发生频度等级，用以估计特定的系统设计方案能否达到 其可靠性目标 增加系统潜在的问题发现的可能性 鉴别由系统与其他系统间相互作用与或子系统相互作用所引起潜在的系 统失效模式 帮助确定要不要硬件冗余 设计f m e a 用来在产品交付生产前分析产品。重点分析由设计缺陷引起 的产品潜在失效模式。 设计f m e a 的输出有： 潜在产品失效模式的清单 潜在关键特性与重要特性清单 用以清除产品失效模式原因或减低其发生率的设计措施清单 为正确的检验、检测方法所定义的参数清单 设计f m e a 的益处： 建立设计改进措施的优先次序 为产品设计变更的理由建立文档以指导将来产品设计的发展 为全面的产品设计鉴定试验程序提供信息 第二章连续质量改进 帮助鉴别潜在的关键特性和重要特性 帮助早在产品开发期间就鉴别潜在产品失效模式 使全面考虑产品失效模式及其高一级组件影响的过程更周全 帮助鉴别潜在的安全问题，以便拟定产品设计措施来消除这些问题 过程f m e a 用来分析制造或装配过程。重点分析由制造或装配过程缺陷 引起的潜在产品失效模式。 过程f m e a 的输出： 按危险优先序数排列的潜在产品失效模式的清单 潜在关键特性与重要特性的清单 对有关键特性与重要特性的产品采取的建议措施清单 用以消除产品失效模式的原因或降低其发生率， 过程能力无法改善时，改进产品缺陷检测的过程措施清单 过程f m e a 的益处： 帮助分析新的制造与装配过程 可以对潜在制造与或装配过程失效模式及其影响考虑更周全 鉴别过程缺陷，以便工程师集中力量进行控制从而减少生产不合格产品的 发生或集中力量于提高对不合格产品检测的方法 鉴别关键特性与重要特性，并帮助制定全面的制造控制计划 建立过程改进措施的优先次序 将过程变更的理由编成文件，以指导将来的制造装配过程的发展 服务f m e a 用于在服务到达顾客前对服务进行分析。重点分析由系统或 过程缺陷引起的失效模式。 服务f m e a 的输出： 按危险优先序数排列的潜在失效的清单 任务或过程的潜在关键特性和重要特性清单 过程或任务潜在瓶颈的清单 清除失误措施的清单 应用系统过程各项功能的清单 服务f m e a 的益处： 帮助分析工作流程 鉴别任务缺陷 鉴别关键和重要任务，帮助建立控制计划 建立改进措施的优先次序 将过程变更的理由编成文件，以指导将来的服务 第二章连续质量改进 2 1 3 实验设计 1 实验设计概述 实验设计法( d o e ) 是英国生物统计学家费歇尔( r a f i s h e r ) 在上世纪2 0 年代为使农业实验合理化而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。对于一个过程或系统，通常可以形象地把它看作为机器、方法、人以及 其他资源的一种组合，它把一些输入转变为一个或多个可观察的响应输出。这个 过程或系统中的一些变量x l ，x 2 ，x p 是可控制的，另一些变量z 。，z 2 ， z 。是不可控制的，如图2 4 所示 2 2 l 。 可控因素 x 】 x 2x 。 z lz2z 。 不可控因素 图2 - 4 过程或系统的一般模型 输出 一个设计的实验是一个试验或一系列试验，它对一个过程或系统的输入变量 作一些有目的的改变( 调整质量特征值的水平) ，以便能够观察到和识别出引起 输出响应变化的缘由。应用实验设计这一工具，就能对实验进行合理安排，对实 验结果进行科学的分析，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，获得理想的实验结果和正确的结论。 实验设计的三个基本原则是重复性、随机化以及区组化，通常称为费歇尔三 原则【2 3 】。 重复性( r e p e t i t i o n ) 原则。是指基本实验的重复进行。如果孑是无重复试 验结果的方差，那么当试验重复n 次后，方差就减少到0 2 n ，所以重复试验 的第一个目的就是可以得到比较精确的实验结果。其次，在实验过程中， 总会不可避免地出现由偶然性原因而造成的随机误差( r a n d o me r r o r ) ，而 通过重复实验，则可以在进行方差分析时定量地将误差成分的影响计算出 来，进而客观地评价实验结果。 随机化( r a n d o m i z a t i o n ) 原则。它是实验设计使用统计方法的基石。在实 验中，人为的有次序安排试验往往会引起系统性误差。通过随机化，可以 最大程度地将系统误差( s y s t e m a t i ce r r o r ) 转变为随机误差。随机化要求实 第二章连续质量改进 验材料的分配和各个试验进行的次序都是随机地确定的，观察值是独立分 布的随机变量。 区组化( b l o c k i n g ) 原则。它也是用来提高试验的精确度的一种方法。它是 将实验对象按照某种水平或标准加以分组，同一组内的试验尽量保证受同 样的影响。同整个实验相比，一个区组内的性质应该更为类似，因而，可 以降低抽样的样本数，同时提高了实验的精确度。 在进行实验设计时，d o u g l a sc m o n t g o m e r y 2 2 1 推荐以下步骤： ( 1 ) 问题的识别。即确认需要实验的问题。 ( 2 ) 因素和水平的选择。实验者必须选择在实验中准备变化的因素、这些因 素变化的范围、以及在做实验时对这些因素规定的水平。当目的是因素筛选或过 程特征化时，通常最好是保持低的因素水平数( 最经常的是用两个水平) 。 ( 3 ) 响应变量的选择。在选择响应变量时，实验者应该确信这一个变量真正 会对所研究的过程提供有用的信息。 ( 4 ) 实验设计的选择。主要涉及考虑样本量( 重复次数) ，合适的试验次序， 是否划分区组等。 ( 5 ) 进行实验。 ( 6 ) 数据分析。在实际应用上，j m p ，m i n i t a b 等软件都是很好的分析工具。 ( 7 ) 结论和建议。继续跟踪试验和确认试验，以证实实验所得结论的正确性 是在实验结束后不可忽略的步骤。 2 实验设计类型简介 实验设计类型的划分是依照其发展历史而确定的。一是以ge eb o x 为代表 的西方统计质量专家提出的经典实验设计方法，主要包括因子实验和响应曲面法 ( r e s p o n s es u r f a c em e t h o d ，r s m ) 。二是由日本著名质量管理专家田1 3 玄一所创 立的田口方法。表2 - 2 对几种实验设计类型作了比较口4 0 5 1 。 表2 2 因子实验、响应曲面和田口方法的比较分析 设计方法优点缺点应用条件 随着影响因素的增加， 全因子 考虑了所有因素及交实验次数明显增加； n e “m - a jm s b m 。 产品 s s b 。，a ( b n 埘。s 。g ( 6 b e 一, , , e 焉 m s 。p f c ( 川，卜1 ) ) h 岱l m 位置s s w 。t h 。a b ( n 一1 、 m s 。口s 6 a ( n w t t h i n l ) 第二章连续质量改进 i 合计船m m a b n l 根据方差分析表可以看出时间变异和产品间的变异相对于位置内的变异是 否显著，从而可以分析出主要的变异来源，为改善质量或在工序控制中合理抽样 指明了方向。进一步的方差分解，可以估计出每种变异的方差。 对于随机效应的嵌套性试验设计问题，各效应的均方差期望为 e ( m s n 。) = 盯；+ ”盯；+ b n o ； e ( m s & m 删) = 盯。2 + h 仃； 占( 峨m 。) = 盯： 因此，各种变异的方差估计为 彦；= m s m m 。 毋：盟业二丝幽! 7 1 存2 ：m s t i m - m s b e t w e e n 1 6 玎 通过设计m v a 的试验，搜集数据，并进行方差分析和方差估计，可以清楚 地了解工序质量变异的主要来源，为改善工序质量或在工序控制中合理抽样指明 了方向，因而这一方法对工序质量分析和控制的意义体现在以下几个方面1 2 6 3 7 】： ( 1 ) 在进行工序过程能力分析时，若产品质量特征值存在上述三种变异， 应根据多变异分析结果确定合理的抽样方案。对于短期过程能力分析，一般要求 样本数据应包含产品内变异和产品间变异。在长期工序能力分析时，还应考虑时 间变异。若产品内变异较大，在一个产品内要多抽几个测量点；若产品间变异较 大，列应连续多抽几个产品，保证样本能捕获主要的随机性变异。 ( 2 ) 在进行工序控制时，首先在选择和设计控制图之前应进行m v a ，明确 变异来源，才能选择适宜的控制图和设计合理的抽样方案。 ( 3 ) 在进行实验设计时，实验设计的目标往往是为了减少变异，在产品质 量特征存在多变异的情形下，也应事先进行m v a 找出变异的来源，确定采用重 复试验或仿行试验，以及试验数据的测量方法等，从而为安排合理的试验设计方 案提供依据。 2 1 5 测量系统分析 在产品的统计质量管理中数据的使用是极其频繁和相当广泛的，无论是过程 控制、抽样检验、可靠性，还是回归分析、实验设计等都要使用数据，这些统计 质量管理的方法都是以数据为基础而建立起来的。假如数据失真或误差很大，都 会导致分析失效、决策失败。所以在应用质量管理的各种统计方法前，应首先把 第二章连续质量改进 注意力集中在数据的质量上，为此需要对获得数据的测量系统进行考察。 测量系统是为了完成对被测对象质量特征的测量所需要的人员、量具、程序、 软件、操作等的集合。测量系统分析的目的在于分析测量过程对产品质量特征值 变异的影响大小及规律，也可以说是分析测量系统本身的误差能否满足要求。测 量系统的误差包括偏倚、重复性、再现性、稳定性和线性。 偏倚是用来表征测量数据质量高低的统计指标，指多次测量结果的平均值与 其基准值的差。 另一表征测量数据质量高低的统计指标是变差，是指多次测量结果的变异程 度，常用测量结果的标准差彦表示，也可以用过程变差p v 表示。过程变差是指 9 9 的测量结果所占区间的长度。通常测量结果服从正态分布( ，盯2 ) ，于是在 正态分布下有： , ( i x - l 2 5 7 5 0 ) = 0 9 9 这时9 9 的测量结果所占区间( 一2 5 7 5 0 - ，u + 2 5 7 5 0