第六章 设计过程质量管理ppt课件.ppt

1 第六章设计过程质量管理 面向质量的产品设计 2 资料表明 产品质量的好坏 约70 是由产品设计的质量所决定的 开发设计是产品质量形成的最为关键的阶段 设计一旦完成 产品的固有质量也就随之确定 产品质量是设计 制造出来的 而不是检验出来的 3 第一节面向质量的产品设计 一 产品设计的DfX方法DfX DfP DfD DfM DfR DfE DfC 面向产品生命周期的产品设计方法 即为产品生命周期内某一环节或某一因素而设计 4 设计过程 产品概念形成 顾客未来需求预测 面向产品开发的技术选择 面向过程选择的技术开发 最终产品定义 产品营销与分销准备 产品设计与评价 制造系统设计 产品制造 交付和使用 5 二 面向质量的产品设计设计产品时 通常必须首先回答许多问题 顾客所需的特性有哪些 这些特性哪些是关键特性 如何平衡这些特性之间的关系 产品可选材料有哪些 产品的可制造性如何保证 产品的可靠性如何保证 需要多少成本才能使产品在市场上获得成功 这些问题的解决方法 面向质量的产品设计 6 三 面向质量的产品设计使用的质量工程技术质量工程技术为产品研制设计 技术改进提供了合理而高效的技术方法 常用的方法主要有 质量功能展开 它利用关系矩阵科学地将顾客的要求转达化为所开发产品的规格要求 田口三次设计 即田口线外质量工程 分为系统设计 参数设计 容差设计三个阶段 此方法可有效地减少产品质量特性的波动 增强产品在使用过程中的抗干扰能力 可信性工程 综合运用各种方法提高产品的可信性 包括可用性 可靠性 可维修性 价值工程 价值工程技术可避免设计人员只着眼于追求高的性能指标 而对成本关心较少 价值工程有利于设计人员树立良好的成本效益观念 节约社会资源 7 第二节质量功能展开 一 质量功能展开 QFD 的起源与发展对于来说 质量的定义已经发生根本性的转变 即从 满足设计需求 转变为 满足顾客需求 企业确定顾客需求之后 必须将这些需求转化为产品功能设计 质量功能展开 QFD QualityFunctionDeployment 就是将顾客需求转化为功能设计的一种方法 有时这种转化过程也被称为展现顾客需求 voiceofthecustomer 8 QFD于70年代初起源于日本 由曾任教于东京理工学院的水野滋 S Mizuno 博士提出 70年代中期 QFD相继被其它日本公司所采用 丰田公司于70年代后期使用QFD取得了巨大的经济效益 新产品开发起动成本累计下降了61 而开发周期下降了1 3 今天 在日本 QFD已成功地用于电子仪器 家用电器 服装 集成电路 合成橡胶 建筑设备和农业机械中 福特公司于1985年在美国率先采用QFD方法 80年代早期 福特公司面临着竞争全球化 劳工和投资成本日益增加 产品生命周期缩短 顾客期望提高等严重问题 采用QFD方法使福特公司的产品市场占有率得到改善 今天 在美国 许多公司都采用了QFD方法 包括福特公司 通用汽车公司 克莱斯勒公司 惠普公司等 在汽车 家用电器 船舶 变速箱 涡轮机 印刷电路板 自动购货系统 软件开发等方面都有成功应用QFD的报道 9 二 质量功能展开的基本阶段1 调查和分析顾客需求顾客需求是质量功能配置的最基本的输入 顾客需求的获取是质量功能配置过程中最为关键也是最为困难的一步 要通过各种市场调查方法和各种渠道搜集顾客需求 然后进行汇集 分类和整理 并用加权来表示顾客需求的相对重要度 2 顾客需求的瀑布式分解过程采用矩阵 也称为质量屋 的形式 将顾客需求逐步展开 分层地转换为产品工程特性 零件特征 工艺特征和质量控制方法 在展开过程中 上一步的输出就是下一步的输入 构成瀑布式分解过程 10 QFD是一个非常结构化 structured 的 矩阵驱动 matrix driven 的过程 其运行包括4个阶段 将顾客需求 customerrequirements 转化产品特性 performancemeasures 将产品特性转化成零件特性 featuresandtechnology 将零件特性转化成关键工艺操作 partsspecification 将关键工艺操作转化成生产要求 manufacturingprocesses 11 产品规划通过产品规划矩阵 将顾客需求转换为技术需求 最终产品特征 并根据顾客竞争性评估 从顾客的角度对市场上同类产品进行的评估 通过市场调查得到 和技术竞争性评估 从技术的角度对市场上同类产品的评估 通过试验或其它途径得到 结果确定各个技术需求的目标值 设计展开利用前一阶段定义的技术需求 从多个设计方案中选择一个最佳的方案 并通过零件配置矩阵将其转换为关键的零件特征 过程规划通过工艺规划矩阵 确定为保证实现关键的产品特征和零件特征所必须保证的关键工艺参数 生产控制通过工艺 质量控制矩阵将关键的零件特征和工艺参数转换为具体的质量控制方法 12 13 三 质量屋严格地说 QFD是一种思想 一种产品开发和质量保证的方法论 它要求产品开发要直接面向顾客需求 在产品设计阶段考虑工艺和制造问题 通过市场调查收集到的顾客信息是QFD过程的基本输入 如何将这些需求转换成产品和零部件的关键特征以及配置到制造过程的各工序中去 美国学者J R HAUSER与D CLAUSING于1988年提出的质量屋 HOQ HOUSEOFQUALITY 则是在产品开发中具体实现这种方法论的工具 它提供了一种将顾客需求转换成产品和零部件特征并配置到制造过程的基本结构 14 质量屋图示 15 1 质量屋的构成质量屋的组成包括7个部分 以一级的质量屋为例 他们分别是 左墙 用户需求 右墙 主要是竞争对手分析 选择主要的竞争对手 对每个竞争对手在每个用户需求方面的表现进行评估 与我们自己进行对比 天花板 将用于满足客户需求的产品技术要求 房间 关系矩阵表 即用户需求与技术要求的关联程度 以简单的数值级别来标识其影响程度 如1 3 9 地板 质量规格 各个技术要求的量化目标 它依据与竞争对手分析的结果而来 地下室 技术性评价表 也是与竞争对手分析 不过是分析竞争对手在每个技术要求方面的表现 用于与我们自己进行对比 屋顶 是产品技术要求之间的关系 有以下几种可能 正相关 强 弱 负相关 强 弱 无关 16 17 2 建造质量屋的技术路线 1 调查顾客需求 2 测评各项需求对顾客的重要度 3 把顾客需求转化为技术要求 4 确定顾客需求的满意度方向 5 填写关系矩阵表 6 计算技术重要度 7 设计质量规格 8 技术型评价 9 市场竞争性评价 10 确定相关矩阵 18 清洁的餐厅 美味的食物 有响应的服务 顾客需求 舒适的座椅 19 20 第三节可靠性工程 面向可靠性的设计 可靠性技术是提高产品质量的一种重要手段 它本身已形成一门独立的学科 可靠性的发展历史可靠性的教训史提高可靠性的意义可靠性的基本概念可靠性度量系统可靠性的计算可靠性试验可靠性管理 21 一 可靠性的发展历史 质量与可靠性伴随着兵器的发展而诞生和发展 第二次世界大战开始 由于纳粹德国发射的V 1 V 2导弹的不可靠及美国运往远东的航空无线电设备有60 不能工作 引起了对可靠性问题的认识 V2导弹 22 1944年纳粹德国用V 2导弹袭击伦敦 有80枚没有起飞就在起飞台上爆炸 还有不少导弹没有达到伦敦就掉进英吉利海峡 当时 美国海军统计 电子设备在规定所有期内仅有30 的时间能有效地工作 在此期间 因可靠性问题损失飞机2100架 是被击落飞机的1 5倍 通过大量现场调查和故障分析 采取了对策 诞生了可靠性这门学科 23 二 可靠性教训史 一部可靠性发展史 就是不可靠教训史 这里我们应特别看到 有些电子设备在使用的关键时刻出现了故障 造成的经济损失就更大了 美国1957年发射的 先锋号 卫星中 由于一个价值二美元的器件出了故障 造成了价值220万美元的损失 美国航天局1978年 1979年三次火箭发射失败 损失1 6亿美元 1971年 原苏联三名宇航员在 礼炮 号飞船中由于一个部件失灵而丧生 24 1986年1月28日 美国航天飞机 挑战者号 起飞76秒后爆炸 其中7名宇航员丧生 直接经济损失达12亿美元 美国的民族精神受到了严重创伤 这次事故的直接原因是因为一个密封圈不密封而引起的 25 1986年4月26日 位于前苏联乌克兰地区基辅以北130公里的普里皮亚特市的核电站 发生了震惊世界的切尔诺贝利核电站核泄漏事故 爆炸致使299人受到大剂量辐射 19人死亡 179人送医院治疗 附近的四座100万瓦的核电站全部被迫停止运转 前苏联核电供应量为此减少了10 芬兰 埃及等国取消了原与前苏联签定的核设备订单 损失估计有近百亿美元 苏联的两大粮仓乌克兰和白俄罗斯地区也受到不同程度的核污染 粮食和甜菜产量受到很大影响 另外 事后的清理工作 估计也花费了几十亿美元 核污染造成的后遗症 其代价更是难以估计 据一些西方专家估计 这一事故将给数百万苏联人埋下致命祸根 3年后 核电站50公里范围内的癌症患者 儿童甲状腺患者及畸形家畜和植物 如体格硕大的老鼠 苞蕾异常肥大的花菜 等急剧增加 据专家分析 核电站爆炸的客观原因可能是堆蕊冷却系统发生故障 使工艺管内缺水 堆内温度急剧上升 导致燃料蕊体熔化 使高温下的水蒸汽与钴 石墨发生反应产生氢气 并在高温下发生爆炸后引起大火 26 永不沉没的 Titanic 1912年4月15日处女航中 在北大西洋撞上冰山而沉没 1500人葬生海底 造成了当时在和平时期最严重的一次航海事故 也是迄今为止最著名的一次 泰坦尼克号上所使用的钢板含有许多化学杂质硫化锌 加上长期浸泡在冰冷的海水中 使得钢板更加脆弱 遭遇冰山只是 泰坦尼克 号沉没的原因之一 另外 一个罪魁是 连接船体各部分的固定铆钉 竟然是用掺有矿渣的劣质金属制成的 27 1974年 我国发射卫星的运载火箭因为一根直径为0 25mm的导线断裂 导致整个系统被引爆自毁 1991年 我国 澳星 发射失败 起因于一个小小的零件故障 所造成的经济损失和政治影响是巨大的 28 三 可靠性研究与应用的目的和意义 提高产品可靠性 可以防止故障和事故的发生 提高产品可靠性 能使产品总的费用降低 提高产品可靠性 可减少停机时间 提高产品可用率 一台设备可以顶几台设备的工作效率 对于企业 提高产品可靠性 可以改善企业信誉 增强竞争力 扩大产品销路 从而提高经济效益 提高产品可靠性 可减少产品责任赔偿案件的发生 以及其他处理产品事故费用的支出 避免不必要的经济损失 29 四 可靠性及相关基本概念 1 可靠性 Reliability 定义产品在规定条件下和规定时间内 完成规定功能的能力 产品可靠性定义的要素是三个 规定 规定条件 规定时间 规定功能 30 质量与可靠性关系从广义质量观看 质量涵盖可靠性从狭义的质量观看 就是 符合性质量 可靠性毕竟与狭义的质量管理还是有很大区别的 质量出了问题 往往批次性很强 可靠性是更深层次的与设计 工艺相关的根本性问题 有些企业对于可靠性工程有一种错误观念 认为可靠性工程是质量部门的事情 而设计部门却很少人员参与 产品的可靠性是在设计阶段就已经决定了在用户使用过程中 均是 可靠性 问题 31 2 故障及其分类产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态 称之为故障 故障的表现形式 叫做故障模式 引起故障的物理化学变化等内在原因 叫做故障机理 产品按从发生失效后是否可以通过维修恢复到规定功能状态 可分为可修复产品和不可修复产品 对可修复产品称为故障 对不可修复产品称为失效 产品的故障分类有多种 按发生的规律分偶然故障和耗损故障按引起的后果分为致命性故障和非致命性故障按统计特性分独立故障和从属故障 32 3 维修性产品在规定的条件下和规定的时间内 按规定的程序和方法进行维修时 保持或恢复执行规定状态的能力称为维修性 规定条件指维修的机构和场所及相应的人员 技能与设备 设施 工具 备件 技术资料等 规定的程序和方法指的是按技术文件规定采用的维修工作类型 步骤 方法等 能否完成维修工作当然还与规定时间有关 维修性是产品质量的一种特性 即由产品设计赋予的使其维修简便 迅速和经济的固有特性 产品的可靠性与维修性密切相关 都是产品的重要设计特性 因此产品可靠性与维修性工作应从产品论证时开始 提出可靠性与维修性的要求 并在开发中开展可靠性与维修性设计 分析 试验 评定等活动 把可靠性与维修性要求落实到产品的设计中 33 4 保障性系统 装备 的设计特性和计划的保障资源满足平时和战时使用要求的能力称为保障性 保障性是装备系统的固有属性 它包括两方面含义 即与装备保障有关的设计特性和保障资源的充足和适用程度 设计特性是指与保障有关的设计特性 如与可靠性和维修性等有关的 以及保障资源要求装备所具有的设计特性 这些设计特性可以通过设计直接影响装备的硬件和软件 如使设计的装备便于操作 检测 维修 装卸 运输 消耗品 油 水 气 弹 补给等设计特性 从保障性角度看 良好的保障设计特性是使装备具有可保障的特性或者说所设计的装备是可保障的 保障资源是保证装备完成平时和战时使用的人力和物力 从保障性的角度看 充足的并与装备匹配完善的保障资源说明装备是能得到保障的 装备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装备 34 5 可用性和可信性可用性是在要求的外部资源得到保证的前提下 产品在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力 它是产品可靠性 维修性和维修保障的综合反映 这里的可用性定义是固有可用性的定义 外部资源 不包括维修资源 不影响产品的可用性 反之 使用可用性则受外部资源的影响 可用性的概率度量称为可用度 可用性通俗地说是 要用时就可用 实际上 可靠性和维修性都是为了使顾客手中的产品随时可用 可靠性是从延长其正常工作时间来提高产品可用性 而维修性则是从缩短因维修的停机时间来提高可用性 可用性是顾客对产品质量的又一重要的需求 可信性是一个集合性术语 用来表示可用性及其影响因素 可靠性 维修性 维修保障 可信性仅用于非定量条款中的一般描述 可信性的定性和定量具体要求是通过可用性 可靠性 维修性 维修保障的定性和定量要求表达的 35 五 可靠度性度量 1 可靠度及可靠度函数产品在规定的条件下和规定的时间内 完成规定功能的概率称为可靠度 可靠度是关于时间t的函数 记为R t 如果规定产品从开始工作到首次故障前的工作时间为T 即寿命 寿命T是一个随机变量 而可靠度函数可以看作是随机事件 T t 的概率 可靠度函数表示为 36 根据定义 可靠度可以通过下式测算 式中 N t 0时 在规定条件下进行工作的产品数 Nf t 在0到t时刻的工作时间内 产品的累计故障数 Ns t 工作到时刻t处于能完成规定功能的产品数 残存产品数 例 设t 0时 投入工作的10000只灯泡 以天作为度量时间的单位 当t 365天时 发现有300只灯泡坏了 求一年时的工作可靠度 解 已知N 10000 Nf t 300 故 R 365 10000 300 10000 0 97 37 2 不可靠度 累积故障概率 产品在规定的条件下和规定的时间内 丧失规定功能的概率称为不可靠度 不可靠度函数可以表示为 产品的不可靠度还可以通过下式测算 38 可靠度与不可靠度的关系为 不可靠度函数示意图 可靠度函数示意图 39 3 故障密度函数f t 定义故障密度函数f t 为不可靠度函数的导数 它可以看成是t时刻后一个单位时间产品故障的概率 即则有 40 R t Q t f t 之间的关系示意图 参看教材P63例4 1 41 4 故障率工作到某时刻尚未故障的产品 在该时刻后单位时间内发生故障的概率 称之为产品的故障率 用数学符号表示为 式中 故障率 t时刻后 时间内故障的产品数 对于低故障率的元部件常以为故障率的单位 称之为菲特 Fit t时刻后 时间内故障的产品数 42 可靠度 不可靠度 故障密度函数与故障率之间的关系 43 浴盆曲线大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆 称之为浴盆曲线 由于产品故障机理的不同 产品的故障率随时间的变化大致可以分为三个阶段 44 当产品的故障服从指数分布时 故障率为常数 此时可靠度为 R t e t 在上例中 若一年后又有1只灯泡坏了 求故障率是多少 解 已知 t 1 r t 1 NS t 9700则 t 1 9700 1 0 000103 天 45 5 失效 故障 前平均时间 MTTF 设N个不可修复的产品在同样条件下进行试验 测得其全部失效时间为t1 t2 tN其平均失效前时间 MTTF 为 对于不可修复产品 失效时间就是产品的平均寿命 当N趋向于无穷时 MTTF为产品故障时间这一随机变量的数学期望 即 46 例设有5个不可修复产品进行寿命试验 它们发生失效的时间分别是1000h 1500h 2000h 2200h 2300h 问该产品的MTTF观测值 解 MTTF 1000 1500 2000 2200 2300 5 9500 5 1800h 47 6 平均故障间隔时间 MTBF 一个可修复产品在使用过程中发生了N次故障 每次故障修复后又重新投入使用 测得其每次工作持续时间为t1 t2 tN 其平均故障间隔时间MTBF为 当产品的寿命服从指数分布时 产品的故障率为常数 有 48 例 设有一电子产品工作1万小时 共发生故障5次 问该产品的MTBF的观测值 解 MTBF 10000 5 2000h 49 7 维修度在规定的条件下使用的产品发生故障后 在规定时间 0 t 内完成修复的概率 记作M t 修复率 修复时间已达到某一时刻但尚未修复的产品在该时刻后的单位时间内完成修复的概率 记作 t 平均修复时间 可修复的产品的平均修理时间 其估计值为修复时间总和和修复次数之比 记作MTTR MeanTimeToRepair 50 平均修复时间可以通过平均值去估算 即 Ti为第i次修复时间 同样 如果修复率是常数 则M t 服从指数分布 即 51 8 可用度A产品可用度是指产品的平均故障间隔时间与总时间的比值 如果故障率 修复率均为常数 则 52 六 系统可靠性计算 产品的可靠性是设计出来的 生产出来的 也是管理出来的 产品开发者的可靠性设计水平对产品固有的可靠性影响是重大的 因此可靠性设计与分析在产品开发过程中具有很重要的地位 在可靠性设计方案的研究过程中 常假定元件或分系统有某种可靠性 建立产品系统级 分系统级或设备级的可靠性模型 然后计算所设计的系统的可靠性 产品典型的可靠性模型有串联模型 并联模型和混联模型 53 1 串联系统的可靠性如果系统S是由n个单元S1 S2 Sn组成 n个单元中只要有一个失效 整个系统就失效 这样的系统就称为串联系统 各单元如果是相互独立的 则有系统的可靠度为 54 如果各个单元的故障率分别为 1 2 n 则系统的可靠度为 系统的故障率 55 2 并联系统的可靠性如果系统S的n个单元中 只要有一个单元正常工作 系统就能正常工作 换句话说 只有所有单元都出现故障 才会导致系统故障 这样的系统就成为并联系统 也称工作贮备模型 如图所示 56 并联系统的可靠度为 系统的故障率 57 3 混合系统的可靠性计算把若干个串联系统和并联系统重复的加以串联和并联的组合 就得到更复杂的可靠性结构模型 称为混合系统 混合系统的可靠性计算需要逐级进行 58 七 可靠性试验 可靠性试验的基本概念可靠性试验分类常用可靠性试验 59 1 可靠性试验的基本概念 可靠性试验概念广义而言 凡是为了了解 考核 评价 分析和提高产品可靠性而进行的试验都可以称之为可靠性试验 可靠性实验目的在研制阶段使产品达到预定的可靠性指标在产品研制定型时进行可靠性鉴定在生产过程中控制产品的质量对产品进行筛选 以提高整批产品的可靠性水平研究产品的故障机理 60 2 可靠性试验分类 可靠性试验按试验地点和方式分为两大类 现场试验 模拟试验 模拟试验按试验性质分为 破坏性试验 非破坏性试验 模拟试验按试验目的分为 可靠性鉴定试验 寿命试验 耐久性实验 筛选实验 可靠性增长试验 61 3 常用可靠性试验 常用的可靠性试验GJB450A在可靠性工作项目中规定的可靠性试验 环境应力筛选可靠性研制试验可靠性增长试验可靠性鉴定试验可靠性验收试验环境应力筛选试验 ESS EnvironmentStressScreen 在产品出厂前或使用前 有意将环境应力施加到产品上 以便发现和排除不良元器件 制造工艺和其他原因引入的缺陷造成的早期故障 可靠性研制试验通过对产品施加环境应力 工作载荷 寻找产品中的设计缺陷 以改进设计 提高产品的固有可靠性 62 可靠性增长试验通过对产品施加模拟实际使用环境的综合环境应力 暴露产品中的潜在缺陷并采取纠正措施 使产品的可靠性达到规定的要求可靠性鉴定试验模拟实际使用环境 对产品施加工作应力 验证产品设计是否达到规定的可靠性要求可靠性验收试验模拟实际使用环境 对产品施加工作应力 验证批生产产品的可靠性是否保持在规定的水平 即产品经过生产期间的工艺 工装 工作流程变化后的可靠性 63 八 可靠性管理 1基本概念2可靠性管理组织机构3可靠性大纲4可靠性工作项目及工作流程5可靠性大纲的监督与控制 64 1基本概念 可靠性管理可靠性是产品在使用中显示出来的一种特性 是通过一系列工程活动设计 制造到产品中去的 而这些活动的进行需要恰当的组织和管理 可靠性管理就是从系统的观点出发 通过制定和实施一项科学的计划 去组织 控制和监督可靠性活动的开展 以保证用最少的资源实现用户所要求的产品可靠性 可靠性管理的目的是保证用