华理工质量管理与可靠性教案05设计质量控制原理及应用

课程名称：《质量管理与可靠性》第7讲次授课题目第五章设计质量控制原理及应用5.1质量功能展开QFD本讲目的要求及重点难点：目的要求]（1）质量功能展开的原理（2）质量屋的结构[重点]质量功能展开的原理[难点]质量功能展开的应用内容[本讲课程的内容]第五章设计质量控制原理及应用5.1质量功能展开QFD5.1.1质量功能展开概念质量功能展开(QualityFunctionDeployment,QFD)，也有国内的专家译为“质量机能展开”、“质量功能展开”等。它是一种立足于在产品开发过程中最大限度地满足顾客需求的系统化、用户驱动式的质量保证方法。5.1.2质量功能展开的产生于发展产生：QFD于60年代初起源于日本，进入80年代以后逐步得到欧美各发达国家的重视并得到广泛应用。实例：1、1966年，日本三菱重工株式会社的神户造船厂针对产品的可靠性提出了质量屋的雏形，随后日本质量专家水野滋提出了狭义的质量功能展开。2、1978年，水野滋和赤尾洋二的《质量机能展开》出版，从全公司质量管理（CWQC）的角度介绍了质量功能展开及其应用的27个步骤。3、1988年，QFD经过10年推广应用，从制造业发展到建筑业、医院、软件生产、服务业。在总结各行业企业应用QFD经验的基础上，出版发行了由赤尾洋二教授编写的《灵活应用质量展开的实践》。5.1.3QFD的基本原理质量功能展开过程由产品规划（设计）、零件展开（设计）、过程方案（工艺计划）和生产计划四个阶段组成。这四个阶段是一个并行过程，通过这些过程，顾客需求被逐步展开成为设计要求、零件特性、制造工艺和生产要求。

典型的QFD分解示意图（以产成品为例）系统的质量功能展开过程及其特点产品规划阶段：来自市场顾客的原始需求由产品规划阶段质量屋转换成为工程特征要求，即通常意义上的工程设计目标要求；零件展开阶段：工程特征要求经零部件设计阶段质量屋转换成零部件特征要求，过程方案阶段：零部件特征要求由过程方案阶段质量屋转换成对制造工艺的要求；生产计划阶段：制造工艺要求最后由生产计划阶段的质量屋转换成具体的生产要求。市场顾客需求通过一系列的转换最终由生产要求来满足。这一系列的需求转换过程就是系统的QFD技术过程质量屋的结构（HOQ）质量屋是反映两组要素相互关系得矩阵表产品规划质量屋的主要用途：将顾客质量需求转换成质量特性要求，并分析确定最需要改善的质量特性。）1）质量屋有六部分组成：④④②③⑤①⑥①要求质量；通过市场调研得到的顾客直接的质量要求，顾客质量要求应分层，并确定权重；②质量特性表；产品具体的工程质量特性；③关系矩阵；用于表示顾客质量要求与工程技术人员提出质量特性之间的相互关系程度；④相关矩阵；用于表示质量特性之间的相互关系程度；⑤质量策划/计划质量；对于顾客质量要求，比较本企业与其他竞争企业的竞争能力⑥设计质量。对于质量特性，比较本企业与其他竞争企业的竞争能力举例：质量屋5.14质量屋的的绘制过程首先，建立QFD跨职能小组，5-6人较好第一步：市场调查第二步：绘制要求质量展开表第三步：制作质量要素展开表第四步：构造要求质量与质量要素的关系矩阵第五步：进行质量策划第六步：用独立配点法求得质量要素重要度质量屋概念要求质量展开表举例：减速箱是机械传动中很常用的一种装置，它的质量可以影响到整个设备的工作情况。下面以减速箱为例，说明QFD在其设计质量控制中的应用。经过调查、分析和整理后减速箱顾客需求如图所示。质量概念的发展内容产品规划矩阵

内容零件规划矩阵

内容工艺规划矩阵质量控制规划矩阵样表关键工艺步骤关键工艺参数控制点控制方法样本容量检验方法导入该方法要得到企业高层领导的高度重视和支持和相关部门的参与。然后分别按照质量要求的调查、转换、落实的顺序，由市场营销、开发设计、工艺、制造、品管、服务等部门人员，组成动态的跨职能小组；小组人数5-6人为好，始终要有一个归口管理部门。不能满足于现状，而要根据用户需求、新技术的变化，不断改进展开表，为不断策划出新产品提供可靠的依据。与IPD、CE（并行工程）、FMEA、VE（价值工程）等各种方法整合难点：过于繁琐，考验耐性

内容[本讲小结](1)产品质量的市场属性(2)质量功能展开的发生和发展以及在实践中的应用(3)质量功能展开的基本方法；质量屋的结构。[本讲作业]无

课程名称：《质量管理与可靠性》第8讲次授课题目第五章设计质量控制原理及应用5.2正交试验设计本讲目的要求及重点难点：目的要求]（1）正交试验设计理念（2）正交试验设计步骤（3）极差分析法[重点]正交试验设计[难点]极差分析法内容[本讲课程的内容]第五章设计质量控制原理及应用5.2正交试验设计正交试验设计（OrthogonalDesign）是于二十世纪50年代初期，由日本质量管理专家田口玄一（Tachugi）博士在前人提出的多因素试验设计方法的基础上，进一步研究开发出来的一种试验设计技术。正交试验是一个科学的安排和分析试验的方法。它是利用“均衡分散性”和“整齐可比性”正交值原理，从大量的试验点中挑选出适量、具有代表性、典型的试验点以解决多因素问题的试验方法。正交试验设计主要可以完成：确定出各因素对试验指标的影响规律，得知哪些因素的影响是主要的、哪些因素的影响是次要的、哪些因素之间存在相互影响；选出各因素的一个水平组合来确定最佳生产条件。正交试验设计的基础是正交表。正交表的格式与特性在数学上，两个向量A和B若满足即两向量的内积等于零，则称向量A与向量B正交。

1、正交表的定义与格式定义：设A是一个的矩阵（n行k列），其中第j列元素由元素构成，若A的任意两列均衡搭配，则称A是一张正交表。例如：2、正交表的性质（1）任意列中各水平重复出现的次数相等。第j列中各水平重复出现的次数：（2）任意两列所构成的水平对是完全有序数字对，各水平对重复出现的次数相等（均衡搭配）。3、正交试验设计的基本步骤4、正交试验设计的结果分析直观分析是通过简单地计算各因素水平对试验结果的影响，并用图表形式将这些影响表示出来，再通过极差分析（找出最大值、最小值），最终确定出优化的水平搭配方案（生产方案），或找出因素对试验结果的影响程度。例：某工厂一零件的镗孔工序质量不稳定，经常出现内径偏差较大的质量问题。为了提高本工序的加工质量，拟通过正交试验确定影响内径偏差的各因素的主次顺序，以探求较好的工艺条件来改进工艺操作规程。（1）试验方案设计设计试验方案时，首先要明确试验要解决的问题（内径偏差过大），即明确试验指标——内径偏差（越小越好）；然后明确影响试验指标的主要因素，选取适当的因素水平。（2）明确试验指标和影响因素，制定因素水平表根据以往的生产经验和正交试验设计的特点，每个因素各选取三个水平进行试验，如下：（3）选择正交表，设计表头根据因素及水平的多少，选择四因素、三水平的正交表L9(34)，如下：（4）根据正交表确定试验方案按正交表L9(34)的内容及所设计的表头，将试验方案填入正交表中。（5）按设计的试验方案进行试验

内容（6）试验结果的计算与分析试验结果的计算与分析主要解决以下三个问题（试验的目的）：◆分清各因素对试验指标影响的主次顺序；◆找出（确定出）优化生产方案，即确定出采用什么样的因素水平组合才能使试验指标达到最优；◆分析试验因素对试验指标的影响趋势；为进一步试验指明方向。直接分析由试验数据可以直接看出，在#8号试验（A3B2C1D3）的工艺条件下，镗出来的孔孔径偏差最小（0.05mm）。但这种条件是否就是因素水平的最佳搭配呢？在9种方案之外还有没有更好的水平搭配呢？这需要通过进一步的计算、分析得到最佳的生产条件。计算分析通过对原始试验数据的简单计算，确定各因素水平的影响程度，最终找出最佳生产条件。验算。若T为9次试验的偏差之和

内容画出试验因素与试验指标关系的趋势图（以各因素的水平为横坐标，以相应水平下的为纵坐标；定量因素用实线表示，定性因素用虚线表示）。根据正交表的综合可比性，由上述计算及趋势图可分析得出以下结论：为使孔径偏差最小：

内容◆刀具数量以4把刀（A3）时为最好（还可进一步对刀具更多的情况进行试验）；◆切削速度以38r/min（B2）时为最好；◆走刀量为0.7mm/r（C2）时为最好；◆刀具类型以II型刀（D3）为最好。最佳水平组合：A3B2C2D3计算分析的结果有时也可能不如直接分析合理，其主要原因可能是：◆试验误差过大；◆存在其它影响因素而未加以考虑；◆因素水平选取不当。内容[本讲小结]（1）正交试验设计理念（2）正交试验设计步骤（3）极差分析法[本讲作业]技术人员为了改善某种刚才热处理的强度，依据已有技术信息选择的因素极其水平：淬火温度Ａ：A1=840oC,A2=850oC,A3=860oC;回火温度：B1=410oC,B2=430oC,B3=450oC;回火时间：C1=40min,C2=60min,C3=80min;试验结果如下，试考察淬火温度、回火温度、回火时间对钢材强度的影响。1)、计算并填充表格中的空缺项；2)、试用极差分析法确定最佳的工艺条件，并把个因素的主次顺序排列出来。

课程名称：《质量管理与可靠性》第9讲次授课题目第五章设计质量控制原理及应用5.3可靠性设计本讲目的要求及重点难点：目的要求]（1）掌握可靠性的三个指标（可靠度、平均寿命、失效率）的含义及计算（2）系统可靠性计算（串并联）[重点]系统可靠性计算[难点]系统可靠性计算内容[本讲课程的内容]第五章设计质量控制原理及应用5.3可靠性设计产品质量指标是产品技术性能和产品可靠性两种指标的综合。技术性能指标不涉及时间因素，而可靠性与时间紧密联系，可靠性指标必须进行大量的试验分析和统计分析才能得到。可靠性原理可靠性概念：可靠性是指产品（包括零件和元器件、整机设备、系统）在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力可靠性涉及产品、规定条件、规定时间、规定功能和能力五种因素，但核心是规定的时间。可靠性指标可靠度与不可靠度可靠度：产品在一定条件下和一定时间t内不发生故障而完成规定功能的概率称为产品的可靠度，记为R(t)。不可靠度：在规定工作时间t内，在规定的条件下，产品丧失规定功能的概率。称为不可靠度，用F(t)表示显然：可靠度函数R(t)可以看作事件“T>t”概率，即产品的失效分布函数：。其中f(t)为概率密度函数可靠度R(t)可以用统计方法来估计。设有N个产品在规定的条件下开始使用。令开始工作的时刻t取为0，到指定时刻t时已发生失效数n(t),亦即在此时刻尚能继续工作的产品数为N-n(t)，则可靠度的估计值（又称经验可靠度）为故障密度函数：假设寿命T是连续型随机变量，则产品在（0∞）内任一时刻附近的单位

位时间发生故障的概率f(t)称为故障密度函数因此：f(t)=F/(t)平均寿命对于不可修复产品而言：平均寿命是指产品失效前的平均工作时间，记为MTTF(MeatTimetoLailure)对于可修复产品而言：平均寿命是指产品的平均无故障工作时间，记为MTBF(MeatTimeBetweenLailure)对于离散型随机变量，即有限个产品的情况：MTTF=(i=1,2,…..)n为产品数，为第i的产品的寿命MTBF=(i=1,2,…..)n为产品数，为第i件产品两次故障间的工作时间对于寿命为连续型随机变量时，MTTF和MTBF均为寿命t的数学期望（均值），所以有MTTF=MTBF=f(t)=说明：对于一个连续型随机变量X，E(X)=所以：E(X)=服从指数分布的寿命分布函数在可靠性分析中应用较多，由于它的特殊性，以及在数学上易处理成直观的曲线，故在许多领域中首先把指数分布讨论清楚。若产品的寿命或某一特征值t的故障密度为f(t)=（）则称t服从参数为的指数分布则不可靠度：可靠度平均寿命MTBF=因为：所以有：MTBF=MTTF与MTBF表达式一样例：测得18台某种电子设备从工作开始到初次失效的时间数据（单位：h）分别为：160，290，506，680，1000，1300，1408，1632，1634，1957，1967，2315，2400，2912，4010，4315，4378，4500，求这18台电子设备的平均寿命（MTBF）解：MTBF==1/18（160+290+。。。+4500）=2075.8h失效率失效率：产品工作到时刻t尚未失效，而在时刻t后的单位时间内发生失效的概率。失效率也称失效函数或故障函数，记为。=所以，知道了产品的失效分布，就可以知道失效函数，就可以知失效分布。当产品寿命服从指数分布时失效率常用单位是””和””.而对于可靠性高的产品常用””为单位，计一个“菲特”Fit。1Fit=，其意义：100个产品工作一百万小时，只有一个可能发生失效例：设某元件的寿命服从指数分布，他的平均寿命（MTBF）为5000h，试求其失效率和使用125小时后的可靠度。解：（1）求失效率：当寿命服从指数分布时MTBF=失效率（2）求使用125h后的可靠度当较小时有近似式：R(t)==1-而=125所以有：R(125h)=1-=1-0.025=0.975失效率是一个最基本的可靠性特征量，失效曲线一般成“浴盆曲线”，由此曲线可知产品从投入工作可经过三个阶段：早期失效期：磨合阶段，原因是产品本身不合格或工艺质量低，应在设计制造方面找原因，使失效率稳定下来。理解可靠性概念失效率与平均寿命的关系偶然失效期：是产品正常工作时期，此时产品的失效率是随机的，失效率基本正常，接近于常数损耗失效期：经过长时间的工作，产品已进入剧烈磨损或疲劳状态，表现为失效率迅速上升，直到报废。改善磨损失效的方法在于不断提高零部件、元器件的使用寿命。系统可靠性模型计算1）、串联模型组成系统的所有单元中任一单元的故障就会导致整个系统故障的系统称串联系统。其逻辑框图如图所示。系统工作事件发生等于系统各单元正常工作的事件同时发生所以计算公式为2）并联模型组成系统的所有单元都故障时，系统才故障的系统叫并联系统，其逻辑框图如图所示。数学模型为：例题1：已知某元件的寿命服从指数分布，其平均寿命MTBF=6000小时，试计算：（1）、其失效率为多少？（2）、400小时、2000小时和4500小时后的可靠度各为多少？答：（1）=1/MTBF=1/6000=1.67（2）R（400）=1-t=1-1.67200=0.97内容R（2000）=1-t=1-1.672000=0.67R（4500）=1-t=1-1.674500=0.25例题2:如图所示亿个系统网络图，图中已知R1=0.8，R2=0.7，R3=0.6，R4=0.8，R5=0.8，试求系统网络的可靠度为多少？（共8分）R2=0.7R1=0.8R2=0.7R1=0.8R5=0.8R4=0.8③R5=0.8R4=0.8③R3=0.6R3=0.6答：R1.2=R1.R2=0.80.7=0.56R1.2.3=R1.2+R3-R1.2R3=0.56+0.6-0.560.6=0.82R4.5=R4R5=0.80.8=0.64R1.2.3.4.5=R1.2.3R4.5=0.82*0.64=0.53

内容

[本讲小结]（1）可靠性的三个指标（可靠度、平均寿命、失效率）的含义及计算，（2）系统可靠性计算（串并联）[本讲作业]已知某公司生产的X型号彩色电视机的可靠性指标MTBF＝15000h，经可靠性测试试验，证实该产品失效分布服从指数分布。求下列可靠性指标：⑴产品的失效率；⑵当产品工作时间t＝1×30×24×20=1440h的可靠度和累积失效概率函数；

课程名称：《质量管理与可靠性》第10讲次授课题目第五章设计质量控制原理及应用5.4三次设计本讲目的要求及重点难点：目的要求](1)理解三次设计的理念及方法(2)掌握容差设计及质量损失函数[重点]容差设计，质量损失函数。[难点]质量损失函数的计算内容[本讲课程的内容]第五章设计质量控制原理及应用5.4三次设计20世纪30年代，日本著名质量管理专家田口玄一博士创立了产品质量三次设计理论，它将产品设计分为三个阶段：系统设计、参数设计和容差设计。三次设计是设计阶段的产品质量控制方法，这种方法是用最低的制造成本生产出满足顾客需求的、对社会造成损失最小的产品，确定产品设计参数的最佳组合。系统设计系统设计是产品的功能设计，其任务是规定产品的功能，确定产品的基本结构，提出初始设计方案。系统设计是“三次设计”的基础，对于结构复杂的产品，要全面考察各种参数对质量特性值得影响。参数设计参数设计是产品设计的核心工作，所有参数设计，就是选择出影响质量特性值得各元件参数的最佳及最适宜的组合，使系统的质量特性波动最小，稳定性最好。质量的稳定性：同一工艺条件下，一批产品质量的分散质量的可靠性：产品质量随时间变化的情况。质量的稳健性：产品质量随环境及外界条件变化的情况由于质量受多种因素的影响，产品的输出特性总是存在波动，要绝对消除这种波动是不可能的，但可通过合理选择参数的组合，减少这种波动的程度，从而保持质量的稳定性。许多产品的输出特性与参数的不同组合之间存在着非线性的函数关系，如图：

当取时，其波动为，而这时输出为，波动为；当取时，其波动仍为，而这时输出为（非线性），波动为；在产品设计中参数是比较多的，不难找到一个与特性成线性关系的z因素：y=az+b通过调整因数把y从降低M值，即z从调到，y则从调到，即得到值。三、容差设计容差设计的概念产品功能界限是由于产品质量特性的波动而使产品丧失功能的质量特性临界值，就是产品的公差范围，即允许产品质量特性值y在目标值m附近有的波动，提高精度减少损失，但也提高了成本，这是在确定容差时要考虑平衡关系。容差是公差的一半，容差