《质量管理学（第三版）》第5章 设计质量管理

第5章设计质量管理学习目标:熟悉正交表的格式及特征熟悉正交试验设计的基本概念和基本流程熟练掌握质量功能展开的原理及实施要点掌握质量屋的结构及内容理解田口方法的基本观点和策略熟悉三次设计的基本原理“双五归零”概念及原理引例：丰田召回门事件丰田产品大规模召回起源于美国。2009年8月底，美国发生丰田“雷克萨斯”品牌汽车突然加速导致4人死亡的事故，这成为丰田召回事件的导火索。丰田公司随后便要求公司在美国的1400余家经销商，开始召回存在问题的雷克萨斯与丰田其他品牌车辆。9月份后丰田美国公司累计召回车辆达到426万辆，这创造了丰田汽车召回的新纪录。2010年1月21日，因油门踏板存在设计缺陷，丰田汽车美国公司再次发布召回，召回大约230万辆8种型号丰田品牌的汽车。这些产品包括丰田在美国最畅销的凯美瑞系列车型、卡罗拉系列车型、RAV4系列车型等，仅在2009年便销售了79.24万辆，这约相当于其当年在美销售总量的53%。讨论：（1）根据案例辨析“产品是设计出来的，而不是制造出来的”（2）设计质量对产品最终质量造成什么样的影响？

二、研究内容、创新点第一节正交试验设计

基本概念正交表及其特点正交试验设计

二、研究内容、创新点一、基本概念20世纪30年代，由于农业试验的需要，费歇

(R.A.Fisher)在试验设计和统计分析方面做出了一系列先驱工作，从此试验设计成为统计科学的一个分支。

20世纪60年代，日本统计学家田口玄一将试验设计中应用最广的正交设计表格化

二、研究内容、创新点一、基本概念试验指标：衡量试验条件好坏的特性

1因子：将试验中要加以考察而改变状态的因素

2因子：将试验中要加以考察而改变状态的因素称为因子，如在工业生产中，影响产品质量的因子有原材料、工艺条件、工人技术水平等，常用A,B,C等大些英文字母表示。试验指标：衡量试验条件好坏的特性（可以是质量特性也可以是产量特性或其它）称为指标，它是一个随机变量。为了方便起见，常用x表示。一、基本概念所谓正交试验设计，就是利用一套现成的规格化的表—正交表来安排多因素试验，并对试验结果进行统计分析，找出较优（或最优）试验方案的一种科学方法。正交试验设计4水平：把因素变化的各种状态和条件

3水平：因子在试验中所取得状态称为水平，如果一个因子在试验中取k个不同状态，就称该因子有k个不同水平。因子A的k个水平常用A1,A2,…Ak表示。二、正交表及其特点正交表是一些已经制作好的规格化的表，是正交实验设计的基本工具，它给出了各种因素和水平的代表性很强的实验组合。L8(27)表的纵向列数（因素数）表的字码数（位级数）表的横行数（试验数）正交表代号正交表

1二、研究内容、创新点二、正交表及其特点

列行号12345671234567811111111112222122112212222112121212212212122112212212112L8(27)表二、研究内容、创新点二、正交表及其特点结构特点：

1、每列有四个“1”，四个“2”2、每任意两列的8个数中（横组合）的（1，1）（1，2）（2，1）（2，2）正好各出现两次常见的还有：L12(211)、L16(215)、L4(23)、L18(37)、L18(21×37)、L18(61×36)、L12(31×24)等二、研究内容、创新点二、正交表及其特点均衡分散性能够较全面地反映出试验的结果，试验结果得好点，即使不是最好点，也是相当好的点和相当好的生产条件。整齐可比性多因素的可比，在一个因素处于一种位级时，其他各种因素的位级变化是有规律的和均匀的。对一种因素的对比，找出级差，确定它处于是否是主要因素，可看出灵敏度的问题。正交表的特点

2二、研究内容、创新点三、正交试验设计正交试验的极差分析法的一般步骤是：（1）定指标，确定因素，选水平；（2）选用适当的正交表，表头设计，确定试验方案；（3）严格按条件做试验，并记录试验结果；（4）计算各列的同一水平的数据和与极差Rj；（5）按极差大小排出因素的主次；（6）选取较优生产条件；（7）进行验证性试验，做进一步分析。正交试验设计的步骤

1二、研究内容、创新点三、正交试验设计【例5-2】某工厂为了提高产品的转化率，决定进行试验，寻找较好(或最好)的生产工艺条件。根据历史资料，认为影响转化率的因素可能有四个，分别是反应温度（℃）、反应时间（分）、用碱量（㎏）和反应压力（个大气压），依次记为A、B、C和D（设因素之间没有交互作用）。由经验，确定了各因素的三个不同水平，见表5-2。问应如何安排试验？正交试验设计的例子

2二、研究内容、创新点三、正交试验设计【例5-2】某工厂为了提高产品的转化率，决定进行试验，寻找较好(或最好)的生产工艺条件。根据历史资料，认为影响转化率的因素可能有四个，分别是反应温度（℃）、反应时间（分）、用碱量（㎏）和反应压力（个大气压），依次记为A、B、C和D（设因素之间没有交互作用）。由经验，确定了各因素的三个不同水平，见表5-2。问应如何安排试验？正交试验设计的例子

2具体的正交试验设计思路及例题答案见教材内容

二、研究内容、创新点第二节质量功能展开

质量功能展开的原理质量屋二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理质量功能展开的定义1目前尚一个没有统一的QFD定义。但对QFD的一些认识是共同的。

《美国空军R&M2000大纲》对QFD的说明是：“QFD是保证用户、消费者需求，并能推动产品设计和生产工序设计改进的一种方法，也即把用户、消费者需求变换成产品特性和工序特性，并由全企业来完成这些要求的系统方法。”二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理质量功能展开的定义1QFD的本质就是要求企业不断地倾听顾客的心声，并通过合适的方法、采取适当的措施在产品形成的全过程中予以体现这些顾客的需求。QFD是在实现顾客需求的过程中，帮助在产品形成过程中所涉及到的企业各职能部门制订出各自相应的技术要求的实施措施，并使各职能部门协同地工作，共同采取措施保证和提高产品质量。QFD的应用涉及了产品形成全过程的各个阶段，尤其是产品的设计和生产阶段。被认为是一种在产品开发阶段进行质量保证的方法。二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解模型2实施QFD的关键是将顾客需求分解到产品形成的各个过程，将顾客需求转换成产品开发过程具体的技术要求和质量控制要求。通过对这些技术和质量控制要求的实现来满足顾客的需求。二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解模型2实施QFD的关键是将顾客需求分解到产品形成的各个过程，将顾客需求转换成产品开发过程具体的技术要求和质量控制要求。通过对这些技术和质量控制要求的实现来满足顾客的需求。产品计划零件配置工艺计划工艺/质量计划技术要求零件特性工艺步骤工艺/质量控制参数用户需求转换QFD瀑布式分解模型2二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解模型2严格地说，QFD只是一种思想，一种产品开发管理和质量保证的方法论。对于如何将顾客需求一步一步地分解和配置到产品开发的各个过程中，还没有固定的模式和分解模型，可以根据不同目的按照不同路线、模式和分解模型进行分解和配置。二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解模型2产品规划矩阵顾客需求产品技术需求零件规划矩阵产品技术需求关键零件特性工艺/质量控制矩阵关键工艺步骤工艺规划矩阵关键零件特性关键工序二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解模型2按顾客需求（分解为5个质量屋矩阵）→技术需求(重要、困难和新的性能技术要求）→子系统/零部件特性(重要、困难和新的子系统/零部件技术要求)→制造过程需求(重要、困难和新的制造过程技术要求)

→统计过程控制(重要、困难和新的过程控制参数)。

二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解步骤3顾客需求是QFD最基本的输入。顾客需求的获取是QFD实施中最关键也是最困难的工作。要通过各种先进的方法、手段和渠道搜集、分析和整理顾客的各种需求，并采用数学的方式加以描述。

二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解步骤3（1）确定顾客的需求由市场研究人员选择合理的顾客对象，利用各种方法和手段，通过市场调查，全面收集顾客对产品的种种需求，然后将其总结、整理并分类，得到正确、全面的顾客需求以及各种需求的权重(相对重要程度)。在确定顾客需求时应避免主观想象，注意全面性和真实性。二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解步骤3（2）产品规划产品规划矩阵的构造在QFD中非常重要，满足顾客需求的第一步是尽可能准确地将顾客需求转换成为通过制造能满足这些需求的物理特性。产品规划的主要任务是将顾客需求转换成设计用的技术特性。并根据顾客需求的竞争性评估和技术需求的竞争性评估，确定各个技术需求的目标值。

二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解步骤3（3）产品设计方案确定依据上一步所确定的产品技术需求目标值，进行产品的概念设计和初步设计，并优选出一个最佳的产品整体设计方案。这些工作主要由产品设计部门及其工作人员负责，产品生命周期中其它各环节、各部门的人员共同参与，协同工作。二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解步骤3（4）零件规划基于优选出的产品整体设计方案，并按照在产品规划矩阵所确定的产品技术需求，确定对产品整体组成有重要影响的关键部件/子系统及零件的特性，利用失效模型及效应分析(FMEA)、故障树分析(FTA)等方法对产品可能存在的故障及质量问题进行分析，以便采取预防措施。二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解步骤3（5）零件设计及工艺过程设计根据零件规划中所确定的关键零件的特性及已完成的产品初步设计结果等，进行产品的详细设计，完成产品各部件/子系统及零件的设计工作，选择好工艺实施方案，完成产品工艺过程设计，包括制造工艺和装配工艺。二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解步骤3（6）工艺规划通过工艺规划矩阵，确定为保证实现关键产品特征和零部件特征所必须给以保证的关键工艺步骤及其特征，即从产品及其零部件的全部工序中选择和确定出对实现零部件特征具有重要作用或影响的关键工序，确定其关键程度。二、研究内容、创新点一、质量功能展开的原理QFD瀑布式分解步骤3（7）工艺/质量控制通过工艺/质量控制矩阵，将关键零件特性所对应的关键工序及工艺参数转换为具体的工艺/质量控制方法，包括控制参数、控制点、样本容量及检验方法等。二、研究内容、创新点二、质量屋

质量屋(HouseofQuality,HOQ)的概念是由美国学者J.R.Hauser和DonClausing在1988年提出的。质量屋为将顾客需求转换为产品技术需求以及进一步将产品技术需求转换为关键零件特性、将关键零件特性转换为关键工艺步骤和将关键工艺步骤转换为关键工艺/质量控制参数等QFD的一系列瀑布式的分解提供一个基本工具。质量屋的概念及结构1二、研究内容、创新点二、质量屋

质量屋的概念及结构1关系矩阵屋顶顾客需求技术评估竞争分析技术特性关系矩阵竞争分析技术特性顾客需求技术评估屋顶二、研究内容、创新点二、质量屋

质量屋的概念及结构1绝对权度Wi绝对权度Wai重要度Ii销售点Si改进比例Ri目标T本企业U…企业A零件特性np…零件特性4零件特性3零件特性2零件特性1屋顶…顾客需求4顾客需求3顾客需求2…r11顾客需求1顾客需求Ci竞争分析企业Br12r13r14r21r22r23r24r2npr1npr31r41rnc1

……………………顾客需求ncrnc2rnc3

rnc4rnc

np

r32r33r34r3npr4npr42r43r44二、研究内容、创新点二、质量屋

质量屋的概念及结构1技术指标值相对重要程度Tj重要程度Tai本企业…企业B企业A技术评估零件特性np…零件特性4零件特性3零件特性2零件特性1屋顶竞争分析……r11顾客需求1顾客需求Cir12r13r14r1nprnc1

……………顾客需求ncrnc2rnc3

rnc4rnc

np

二、研究内容、创新点二、质量屋

质量屋的内容2一个完整的质量屋包括6个部分。顾客需求及其权重，即质量屋的“什么(What)”。技术需求(最终产品特性)，即质量屋的“如何(How)”。关系矩阵，即顾客需求和技术需求之间的相关程度关系矩阵。竞争分析，站在顾客的角度，对本企业的产品和市场上其它竞争者的产品在满足顾客需求方面进行评估。技术需求相关关系矩阵，质量屋的屋项。技术评估，对技术需求进行竞争性评估，确定技术需求的重要度和目标值等。二、研究内容、创新点二、质量屋质量屋中参数的配置及计算3下面以产品规划矩阵为例说明质量屋中参数的配置及计算。（1）顾客需求及权重首先，对顾客需求按照性能(功能)、可信性(包括可用性、可靠性和维修性等)、安全性、适应性、经济性(设计成本、制造成本和使用成本)和时间性(产品寿命和及时交货)等进行分类，并根据分类结果将获取的顾客需求直接配置至产品规划质量屋中相应的位置，并确定权重。确定权数常用两种方法：专家评分法；层次分析法二、研究内容、创新点二、质量屋质量屋中参数的配置及计算3（2）技术需求配置技术需求时，应注意满足以下三个条件：针对性，即技术需求要针对所配置的顾客需求。可测量性。为了便于实施对技术需求的控制，技术需求应可测定。宏观性。技术需求只是为以后的产品设计提供指导和评价准则，而不是具体的产品整体方案设计。对于技术需求，要从宏观上以技术性能的形成来描述。

二、研究内容、创新点二、质量屋质量屋中参数的配置及计算3（3）关系矩阵

顾客需求与技术需求之间的关系矩阵直观地说明了技术需求是否适当地覆盖了顾客需求。如果关系矩阵中相关符号很少或大部分是“弱”相关符号，则表示技术需求没有足够地满足顾客需求，应对它进行修正。关系矩阵中nc和np分别指的是顾客需求和技术需求的个数，rij(i=1,2,3,…,nc；j=1,2,3,…,np)指的是第i个顾客需求与第j个技术需求之间的相关程度值。二、研究内容、创新点二、质量屋质量屋中参数的配置及计算3（4）竞争分析通过对其它企业的情况以及本企业的现状进行分析，并根据顾客需求的重要程度以及对技术需求的影响程度等，确定对每项顾客需求是否要进行技术改进以及改进目标。竞争能力用1~5五个数字表示，1表示最差，5表示最好。然后根据本企业现状和改进目标计算出对顾客需求的改进程度(比例)，最后，再根据改进程度、重要性等计算出顾客需求的权重(绝对值和百分比)。二、研究内容、创新点二、质量屋质量屋中参数的配置及计算3竞争分析配置计算过程中的各项计算公式改进比例Ri=改进目标Ti/本企业现状Ui绝对权重Wai=改进比例Ri

×重要度Ii×相关程度分Si相对权重Wi=(Iai/∑Iai)×100%i表示顾客需求的编号。二、研究内容、创新点二、质量屋质量屋中参数的配置及计算3（5）技术评估技术评估的配置主要是完成对各技术需求的技术水平及其重要性的计算与评估。技术需求的重要程度按下面两式计算：重要程度Taj的绝对值=∑rij·Ii重要程度Taj

的相对值=(Taj/∑Taj)×100%其中i表示顾客需求的编号，j表示技术需求的编号，rij是关系矩阵值，Ii

是顾客需求的权重。二、质量屋质量屋中参数的配置及计算3（6）屋顶屋顶表示出了各技术需求之间的相互关系，这种关系表现为三种形式：无关系、正相关和负相关。屋顶中的内容不需要计算，一般只是用单圆圈表示正相关，用符号X表示负相关，标注到质量屋屋顶的相应项上，作为确定各技术需求具体技术参数的参考信息。

二、研究内容、创新点第三节田口方法输出质量特性田口质量的基本观点田口质量策略质量损失函数二、研究内容、创新点一、输出质量特性输出质量特性即指选用什么样的特性值来度量产品的质量。对于具体的某一种产品设计，选用什么特性值来度量质量，是一个非常专业的问题。一、输出质量特性1.分类按照质量特性来源可以分为下游、中游、上游和源游质量特性按照衡量尺度可以分为计量特性值和计数特性值按照质量特性目标值的趋向可以分为望目特性、望小和望大特性一、输出质量特性2.影响输出质量特性的因素一类是可控因素，是指那些在设计和制造中可以控制的因素，如零部件的几何尺寸、间隙，所用原材料的抗拉强度值、电路中电阻的欧姆值等。这些因素又称为设计变量。另一类是不可控因素，对产品质量特性有影响，而在设计中难于控制的因素。如：使用条件、操作人员、工作对象、环境因素（温度、湿度等），同种原材料由于炉号不同而造成抗拉强度上的差异等，这些因素又称为噪声因素。一、输出质量特性2.影响输出质量特性的因素外噪声——是指产品在使用或运行中，由于环境和使用因素的差异或变化而影响产品质量特性稳定性的因素，如：机床加工精度随温度变化的变化，时钟的快慢随温度、湿度的变化而发生变化等。内噪声——是指产品在存放和使用过程中，随时间的推移而直接影响的产品质量特性的因素。如材料老化、失效或磨损、腐蚀等。随机噪声——是指产品由于在生产中人、机、料等的差异而使产品质量特性发生波动的因素。如制造参数、材料性能的波动、操作人员和加工环境的改变等。虽然这种差异无法预测，但它们服从一定的统计规律，因此成为随机噪声。

噪声类型二、研究内容、创新点二、田口质量的基本观点质量在最初即被设计到产品中的，而不是靠检验和审查出来的质量是通过最大限度地减少对目标值的偏离，得到的最佳值，而不是对规格进一步确证的失败值质量并非基于产品的外观特征或特性质量成本可用作为产品特征变化以及测算全系统损失的一种功能来加以测量二、研究内容、创新点三、田口质量策略使产品质量特性的均值尽可能达到目标值(减少目标值偏离）使由于各种干扰因素引起的功能特性波动的方差尽可能（减少产品间的变异）减少产品质量变异的方式1二、研究内容、创新点三、田口质量策略（1）通过产品的概念设计，改变输入输出之间的关系，使其功能特性尽可能接近目标值。（2）通过参数设计调整设计变量的名义值，使输出均值达到目标值。减少目标值偏离的方法2二、研究内容、创新点三、田口质量策略（1）通过减少参数名义值的偏差，从而可以缩小输出特性的方差。但是减小参数的容差需要采用高性能的材料或者高精度的加工方法，这就意味着要提高产品的成本。（2）利用非线性效应，通过合理的选择参数在非线性曲线上的工作点或中心值，可以使质量特性值的波动缩小。减少产品间的变异的方法3二、研究内容、创新点四、质量损失函数传统设计思维上，工程师通常利用规范来衡量产品质量的好坏，这种传统的解释是：落在允许的范围内的部件都是好的，而落在允许范围之外的部件都是坏的,如图a所示。

高0高0变异给社会增加的成本变异给社会增加的成本规范规范规范下界目标上界

a规范规范规范下界目标上界

b二、研究内容、创新点四、质量损失函数田口博士认为质量就是产品上市后给予社会的损失。这种损失指产品出售后的成本，即产品销售给用户后由于产品质量的损失（质量特性偏离目标值）所需的费用。即使输出特性在用户要求的公差范围内，其输出特性的波动仍可给用户造成损失，离目标值越远，损失越大，如图b。

二、研究内容、创新点四、质量损失函数质量损失函数为其中是不依赖于y的常数，称为质量损失系数。若把产品不能正常发挥其功能的极限偏差记为，把偏差为时的损失记为，则上式中的k值可求解如下:二、研究内容、创新点第四节三次设计三次设计基本概念设计质量的形成过程系统设计参数设计容差设计二、研究内容、创新点一、三次设计基本概念1.信噪比(SN比)——稳健性指标在质量管理中，所谓SN比，一般是指主效应（相当于信号）与误差效应（相当于噪音）之比值2.灵敏度——平均值指标灵敏度是评价产品质量特性平均值的指标二、研究内容、创新点二、设计质量的形成过程质量杠杆1返修产品质量生产控制工艺设计产品设计被动

主动质量是设计出来的，而不是制造出来的。只有在设计源头上进行治理，才是最有效和最经济的质量控制方法。这也是三次设计的意义所在。二、研究内容、创新点二、设计质量的形成过程设计质量的形成过程2系统设计参数设计容差设计⊙运用专业的科学和工程技术⊙初步选定部件或材料⊙确定出输出质量特性及类型⊙确定影响因素的公差范围⊙选择可控因素最佳水平组合⊙运用试验设计等优化方法⊙找出目标值⊙不增加成本条件下使系统对波动不敏感⊙在质量和成本间权衡⊙利用质量损失函数优化⊙在一定的成本增加前提下求得进一步改进质量用户需求稳健产品二、研究内容、创新点三、系统设计

系统设计是利用专业知识和技术，对产品进行整个系统结构的设计，它应求出产品性能指标与各有关元器件参数之间的函数关系。也就是说，靠专业人员和专业技术人员选择一个基本的模型系统，确定产品质量特性的目标值和容差，使产品达到所要求的功能。通过系统设计可以帮助我们选择需要考察的因子及其水平。这里所说的因子是指构成产品这一系统的元件或构件，水平是指元件或构件的参数（或取值）。二、研究内容、创新点四、参数设计

参数设计是通过选择系统中所有参数（包括原材料、零件等）的最优水平组合，从而尽量减少各种干扰的影响，使所设计的产品质量特性波动小，稳定性好。通常，首先使用波动范围较宽的三级品来进行设计，使质量得到改善。二、研究内容、创新点四、参数设计

针对参数设计问题对因素进行分类制定可控因素水平表制定误差因素水平表选择内表选择外表计算或试验得出质量特性的值计算信噪比（SN比）和灵敏度内表的统计分析确定最佳或满意的可控因素水平组合验证试验

参数设计的基本步骤二、研究内容、创新点五、容差设计

容差设计可以认为是参数设计的补充。通过参数设计确定了系统各零部件或元器件参数的最佳组合之后，进一步确定这些参数波动的容许范围，这就是容差设计。也就是根据各参数的波动对产品质量特性贡献的大小，从经济性角度考虑有无必要对影响大的参数给予较小的容差（用一、二级品替代三级品）。二、研究内容、创新点五、容差设计

容差设计的基本步骤根据参数设计的最佳方案，制定误差因素水平表选用正交表，确定试验方案试验数据的统计分析损失函数与质量水平的确定确定最佳容差二、研究内容、创新点第五节质量问题“双五归零”“双五归零”的起源“双五归零”的基本术语“双五归零”的基本内容“双五归零”的实施步骤“双五归零”管理方法应用工具二、研究内容、创新点一、“双五归零”的起源20世纪90年代，航天领域开创了一项具有行业特点的航天质量管理方法，即质量问题“双五归零”，包含“技术归零”和“管理归零”