汽车产品开发质量管理概要

汽车产品开发质量管理李余兵(上海大众汽车有限公司上海 摘要:汽车产品开发是一个非常复杂的过程。现代汽车公司的研发应注重实施全生命周期的汽车产品质量规划与管理,尤其在产品设计的早期阶段,在设计过程中就先期考虑质量要求。论文运用并行工程与模块化的设计理念,运用开闭环的设计思路来实现开发质量的控制与优化,并完善设计履历制度,高质量地完成汽车产品开发。本文还结合了保险杠系统开发来说明产品开发的质量管理。关键词:全生命周期,质量管理,模块化设计,并行工程,保险杠系统中图分类号:U462 文献标识码:AVehicle Product Development Quality ManagementLI Yubing(Shanghai Volkswagen Automotive Company shanghai, Abstract: Vehicle product development is a complex process. Modern automotive company R&D activities should focus on total life cycle product quality planning and management, especially, in the early design stage, should take quality requirements into consideration in the design process. With the design philosophy of concurrent engineering and modular design, the paper utilizes the open and close loop design chain to perform development quality control and optimization, and use design record to achieve vehicle product design and development. It explains product development quality management with the case of bumper system.Key words:Total life cycle, quality management, modular design, concurrent engineering, bumper system汽车产品开发过程是一个非常复杂的过程,是从顾客的潜在需求出发,定义产品的定位与目标市场,从产品功能分析着手,经过造型设计、总布置分析、结构概念设计、工艺概念设计、装配概念设计然后再进行零件详细设计、设计分析和反馈修改设计、工艺设计与可制造性设计等这样一个循环渐进的复杂设计流程,完成详细设计的定型后进行样件样车试制与试验,然后进行新车型的试生产,最终实现批量化生产(SOP。产品开发过程就是一个价值形成的过程,然而只有通过顾客的消费才能使产品开发形成的价值予以实现,因此现代公司越来越推崇于客户化定制1,根据顾客特殊喜好设定产品差异化的固有特性,这样才能使产品更好满足不同顾客的不同需求。质量是企业可持续发展的前提,为改进产品质量,产业界与学术界开展了大量的质量规划管理评价的研究与工作,诸如丰田汽车的TQC质量管理小组与全员质量管理TQM,以及摩托罗拉与GE等的六西格玛管理,密歇根大学以及上海交通大学研究的车身制造质量控制的“2mm”工程2等。国际标准化组织为了保证产品的一致性,推出了ISO9000系列,ISO/TS 64969以及ISO10005、ISO10006与ISO10007等国际性标准,保障认证企业生产的产品符合顾客需求,确保产品的可靠性与一致性。张建操3论述了产品设计和开发过程中需重点关注质量控制点与控制方法。现代科学技术的最新发展,尤其是如系统工程4、并行工程5、LCA生命周期分析与管理6,7等为持续改进产品质量提供了技术支撑。侯亮等8论述了模块化产品设计的有关概念、方法、关键技术及其应用实例,并提出了产品模块化设计的研究热点课题和发展趋势。在产品开发设计阶段提高产品开发的质量意识,完善设计履历制度,即零件档案,有助于产品设计开发质量的改进与提升。1. 设计技术准则与产品开发流程1.1 产品开发的目标产品开发目标:可靠性、耐久性、绿色环保节能、健康安全及可持续发展等。产品开发的质量目标是满足或适当超越顾客的希望与需求。产品开发要基于顾客导向,通过顾客需求工程,产品开发小组(Product development team,PDT研究顾客之声(V oice of customer,VOC,根据顾客需求提取影响产品质量的关键细节(Detail critical to quality ,CTQ,并形成需求描述文档(Statement of requirement,SOR。通过品质功能展开(Quality function deployment,QFD,将SOR 转化为设计指标与设计参数。产品开发过程的设计映射路线,见图1。 1.2 设计任务书产品设计开发通过一系列的设计任务书进行管控,如产品设计任务书、项目设计任务书、零部件设计任务书等。设计任务书就是对需求文档SOR的技术性定义与规范。汽车产品是一个复杂的层次性结构,需要产品经理与项目经理通过工作分解系统(work breakdown structure, WBS,完成工作定义与划分,详细定义工程师的工作陈述(statement of work, SOW。工作陈述是一个用清楚、可理解的术语来描述要完成什么项目工作、要交付什么产品以及要提供什么样服务的综合性文档。清晰完整的任务定义是任务分配的前提,准备一个有效的工作陈述需要充分理解满足一个特定需求的产品和服务。汽车产品设计师须为本代与后代的发展存续而深思熟虑,因此设计师必须拥有一颗伟大与慈善的心灵与严谨的专业精神。首先以人为本;仔细地考虑设计可能带给这个世界的后果;提高人们的机动性来改善人们的生活品质。产品开发过程中,设计的聚焦也将以系统工程的思维在整车的性能下考虑零部件的设计,设计工程师需了解与掌握产品开发设计过程中的风险管理知识与技巧,以更好满足产品开发过程中的质量管理与控制。1.3 设计输入首先进行设计输入评审,主要完成来料检查,上游工作输出的工作质量校核;技术审核,校核当前成熟技术与判断技术发展趋势;生产制造审查,检验当前配套体系与自制体系的工艺条件。采用并行工程的方式,在项目的概念设计阶段就提前让战略供应商参与OEM先期产品质量规划与控制(Advance product quality planning,APQP的研发活动,充分发挥供应商生产制造知识诀窍与工艺技能。1.4开发流程每个OEM厂都有自身严格规范的产品开发流程,见图2,如GM-GVDP流程与VW-PEP手册来控制产品开发过程,以确保产品的可靠性与一致性。对于开发流程中的每一个阶段都有相应设计评审与质量校核。现代汽车公司的研发一般都是以产品开发小组PDT或并行小组(concurrent engineering team, CET的形式来开展用户域功能域结构域工艺域约束满足与功能实现图1设计映射图2 汽车开发开发过程设计活动。通常,每一个关键零部件都设有一个主管工程师(father of part, FOP。PDT设计工程师必须反复检查与校核设计方案的性能与结果,增加产品的可靠性,尽最大的努力通过各种手段,比如手工样件、CAE分析以及各种试错方法,尽可能在设计的早期发现和解决问题。设计质量管理与控制贯穿于产品形成的全过程,对产品形成全过程的所有环节和阶段中有关质量的设计研发活动都进行管理与控制。每一个阶段的关键任务都需要设置设计质量审核,对于不同的阶段与要求可以采用不同审查的组织模式与审查方法,如阶段门阈审查制度(stage-gate review 9与计划评审技术PERT10方法等。在项目阶段任务内,PDT 小组首先根据技术概念设计方案,确认设计的关键影响因素,全力探索可行方案。对于汽车产品确保产品质量的一致性,尺寸工程功能同步小组应该从概念设计阶段就开始参与设计开发活动。2.设计过程质量控制2.1产品特性汽车产品结构是分层次的,每一个层次都有彼此的设计目标。例如车身结构的层次化模型:车身-总成/子装配-零件。汽车产品设计过程中,通常将常用的较为固定的子装配体称为总成,一个装配体包含方位、自由度和几何尺寸等信息;零件特征附属于零件的实体模型并包含一定的功能定义。约束满足的映射链环:特征-形状-结构-功能-性能-顾客满意(Feature - Form- structure - function - performance - satisfaction ,参见图1。在早期设计阶段,设计工程师人员需要根据产品功能需求初步识别关键特征(key characteristics,KC集合。对于车身而言,KC的选择一般从性能和外观出发,确定那些对整车产品质量影响最直接的尺寸特征作为关键特征,如外覆盖件配合间隙与平整度、发动机总成安装位置等。2.2开闭环的产品开发过程经过WBS工作分解与功能划分,产品开发形成一个个较为独立的工作单元,见图3,任务Task i的输出作为任务task j的输入,每一个任务遵循PDCA的持续改进圈(continuous improvement circle, CIC。产品的开发设计通过开发链中的一个个工作单元工作包通过接口连接而形成一个完整功能的产品。对于复杂的产品,先分解后集成,然而接口单元的处理将直接影响产品的性能与质量;开发活动的分解也是如此,跨功能跨部门的交接与协调对项目的成功起着至关重要的作用。 的各阶段工作需要协同进行。并行开发模式的各个阶段都涉及交接接口处理,需反复的沟通、更改与交接。基于系统工程的保险杠系统产品设计过程,参见图4。整个保险杠系统设计过程需要涉及材料、工艺、尺寸、CAE等跨领域的设计与综合,完善的保险杠系统开发涵括正确的选材、合理的工艺、严格的试验与规范的开发流程。2.3闭环设计质量控制产品开发项目管理首先是确定完整的边界与设计范围,从而定义清晰明确的工作职责,形成一个个工作包或者工作单元,即工作闭环。零部件工程师完成设计范围参数值域内的优化,充分发挥工程师集体或个人的专业技能、设计经验,运用人机工程、计算机辅助技术、人工智能、智能算法等手段实现零部件设计的精益求精。鉴于开发周期的缩短与成本的压力,产品开发设计的一个趋势是模块化设计。进行模块化设计,首先将产品划分为模块,然后以模块为基本单位(封闭环进行设计,模块的合理性极大地关系着设计的效率与产品性能的实现。在车身设计开发中,一般也将较为常规的装配体或模块称为总成,如车门、翼子板、发动机罩、前端模块等。模块信息包括每个零件的信息、模块自身的信息、模块间的相互关系、关联与拓扑信息。模块化设计方法(见图5是从功能分析着手,通过模块划分与组合来实施模块化装配设计的方法。模块化设计的基础和核心是产品装配功能分析。产品装配功能分析要实现的主要作用是:对产品功能进行装配功能分解,确定各个功能模块之间的相关度并优化模块的连接方式,进行功能模块重新组合形成完整的产品功能模块化装配系统。模块化设计的核心思想就是:并行工程的设计理念,通过产品内部的标准化来实现外部的个性化和多样化,用少量模块组合生成尽可能多的品种,最大限度地满足不同功能需求与约束要求。模块化设计主要包括两方面内容:一是根据顾客需求与采用的生产技术条件对设计的产品进行功能分析,合理划分出产品模块;二是根据设计约束与功能要求将划分的模块进行组合优化成模块化产品方案。闭环设计主要问题就是闭门造车。而在产品装配过程或者模块技术移植过程中,可能将潜在带病的零部件或模块安装至产品上,从而影响产品质量甚至产品族的质量。这也是目前平台化模块化一个潜在风险,因此在产品开发质量控制中应当严格控制模块单元的设计质量。由此可见,闭环设计的过程是一个局部最优过程,优点是精益求精,其局限性就是局部优化。产品开发过程需要基于PLM (product life management system, PLM 的全过程CAE 驱动设计以及设置开环设计质量检查与控制。2.4开环设计质量控制在一般的汽车产品设计开发过程中,大约60-70%的设计更改是由于分总成和零部件之间的界面/接口(Interface 问题造成的。界面/接口问题主要是指零部件将的连接装配关系。为克服闭环设计的缺点,基于并行工程的理念,需要对SOW 进行反复的开环校核与审查。开环主要包括纵向开环与横向开环。纵向开环,需要提前对后续各阶段问题进行考虑。运用DFX (DFA 、DFM 、DFE 等技术分析后续工艺设计,生产制造设计以及全生命设计的潜在问题解决与设计优化,因此产品开发过程需要产品生命周期管理PLM 系统支持的产品集成开发设计环境。横向开环,对于产品则需要周密考虑产品家族与产品本身衍生车型,以及零部件本身的周边零部件。目前OEM 整车厂通过平台化模块化战略来加快新产品开发流程与降低开发成本,提高零部件的兼容性与变型繁衍能力,通过结构的细部调整与/或设计结构预留来实现产品的兼容与产品的变型与变异。对于平台化设计与模块化设计,就尤其需要对零部件进行开环设计,即模块接口问题。每一个零件都有很多KC 特征,如图6所示。两个 图4 保险杠系统产品设计过程 图6.装配接口设计零件装配的界面连接分别由零件Part i 的Fea j 特征与零件Part j 的Fea k 特征,有时零件Part i或Part j可能还与其他零件相连接。从功能分析和模块划分与组合的角度来看,影响零件间装配的界面交互作用的主要影响因素有几何结构相关性、功能相关性、工艺可行性、偏差的累积与传递特性。3.设计校核与开发结果交付3.1 DV&V准备与执行设计验证与确认(design verification and validation, DV&V是一种贯穿于产品开发过程由开始到每一改进阶段的试验活动和文件化的程序方法。有效的DV&V为设计工程师提供了准确的设计工作验证文件。DV&V的目标是确保部件或系统符合所有工程要求,在产品正式认可发布前,根据全面而完整的试验项目,保证产品可靠性满足顾客要求的目标与设计任务书制定的设计目标。DV&V准备工作是汇总功能性、耐久性和可靠性试验要求,依据零件实际工况确认试验条件,审查仪器设备、样件(样品样车、试验平台的准备条件,创造准确的试验仿真环境,以顺利完成各项性能试验。DV&V执行工作主要是根据试验规划,完成试验项目,记录试验结果,最终汇编成一份正式完整的试验文档,为设计评审提供依据,以便零部件成功的设计发布(design release,DR。3.2 评价方法与流程试验结果进行设计发布的必要条件,设计发布工程师依据DV&V试验确认是否进行DR发布。通过各项DV&V 试验认可后,开发的零部件仍需要跨部门跨功能跨项目甚至是跨平台的设计评价与审核。评价小组(成员主要涵盖产品设计、工艺设计、生产设计、质量保障以及战略供应商等部门 对设计方案进行全面的审核与判断,集思广益,多角度全局性审核开发质量。对于保险杠设计而言评价准则(图7,主要有零件重量、零件成本、工艺可行性、尺寸稳定性、维护维修方便性等。在本文的保险杠系统开发设计案例中,保险杠系统的设计与开发必须进行一系列的开发性设计验证与确认(DV&V试验以及零件认可试验,如材料试验、尺寸试验、装车试验、性能试验、液压振动试验以及严格的道路试验,从而确保开发的保险杠系统满足质量要求。试验工程师一旦发现问题,应立即通知设计工程师进行分析与解决,因此需要一个集成PDM的PLM开发平台,可以在E-PLM 系统平台上进行问题发布与解决。产品开发的成果,主要是符合质量要求的产品或服务。产品开发的成果,主要是符合质量要求的产品或服务。参考保险杠系统的设计开发交付成果,开发的标的物主要包括正式的技术图纸(材料,工艺、专利、技术诀窍与工艺等。4.产品开发全过程的质量监控项目管理的方法与手段来实施整个开发过程产品开发质量的监管与控制。产品开发设计遵从现代项目管理的流程,制定工作表(joblist与检查表(checklist来管控设计活动,并相应记录设计履历。对于汽车这样的复杂产品而言,通过工程更改来实现问题纠正与质量优化。产品开发的变更通常是通过工程更改管理系统(Engineering change management system, ECM来控制与实施。根据工程问题来源(工艺、结构、造型、市场等由零部件主管工程师(FOP提交工程更改申请(Engineering change request, ECR,填写维护工程更改表单(Engineering change order, ECO。工程 2012 年增刊 机械设计与研究 Machine Design and Research 更改表单由 BOM 系统工程师输入 BOM 管理系统，获得工 程更改表单（ECO）的临时更改号，在工程更改管理系统中 流转，获得各功能部门领导的表态签字认可，项目管理部门 或系统自动汇总各部门表态意见信息，签发工程更改正式 号，予以工程更改批准，并对外正式发布，各功能单位依据 该 ECO 来执行该工程更改，并对工程更改结果评价备档。 可见，产品开发设计系统需要搭建一个 PLM 系统平台，实 施产品设计开发过程流的管理与控制， 利用开闭环审查制度 做好每一个阶段每一个零部件或系统的开发质量审核与设 计发布。 参考文献： 1.李仁旺,苏宝华,祁国宁.面向大批量定制的产品建模-理论.方法. 应用M.北京：科学出版社,2005. 2.Ceglarek D., Shi J. and Zhou Z. Variation reduction for assembly: methodologies and case studies analysisR. Technical Report of the 2mm Program, University of Michigan, Ann Arbor, 1994. 3.张建操.浅谈产品研发过程中的质量管理C.2010 中国汽车工程学 会年会论文集,2010,1744-1748. 4.林益明,袁俊刚.系统工程内涵、过程及框架探讨J.航天器工 程,2009,18（1）:8-12. 5. 结论与展望 设计工程师必须确保设计过程实现设计功能，结构与 型式为功能服务， FOP 根据项目设计任务书优化参数与局部 细节，在工作单元内精益求精。在设计的早期就同步实现产 品设计质量规划、管理与控制。模块化平台化的趋势下，更 应该加强产品设计质量管理工作与控制。在项目开发过程 中，本文运用全生命周期、并行工程的设计理念，利用开闭 环的开发模式实现零部件系统的全局优化， 以更好提高产品 开发质量。 同时完善的设计记录有助于产品质量的管理与控 制。在召回制度日加健全的情况下，设计履历有利于问题的 追溯与解决。设计履历由开发工程