质量工程学第七章质量功能展开与可靠性设计.ppt

1、第七章 质量功能展开与可靠性设计,第一节 质量功能展开(QFD) 第二节 可靠性设计 第三节 失效模式与影响分析（FMEA） 第四节 故障树分析（FAT）,第一节 质量功能展开(QFD) 主要内容： 质量功能展开QFD（ Quality Function Deployment ） 的基本原理； 质量屋（HOQ）的构成。 QFD实例,第七章 质量功能展开与可靠性设计,一、质量功能展开概述 1、QFD的概念：质量功能展开(Quality Function Deployment, QFD)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。,了 解 顾 客 要 求,

2、策划成产品,产 品,满 足 顾 客 要 求,QFD,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),2、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： QFD起源于日本三菱重工，为了保证建造复杂货轮的每一个步骤都适合客户的具体要求。1966，赤尾洋二教授提出了QFD设计理论方法。丰田公司于70年代采用QFD后，其新产品开发成本下降了61%，开发周期缩短了1/3，产品质量也得到了相应的改进。 3、应用领域及公司：可适于各行业应用。 福特公司、通用汽车公司、克莱思勒公司、 惠普公司、麦道公司、 施乐公司、电报电话公司等都相继

3、采用了QFD。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),二、QFD的原理 1、 QFD过程原理 目前尚没有统一的QFD定义。但对QFD的一些认识是共同的。质量功能展开过程由产品规划、零件展开、过程方案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、制造作业和生产要求。 质量功能展开主要采用质量屋（于House of Quality,HOQ）的基本结构。利用质量屋将顾客需求逐层展开，确定提高顾客满意度的关键质量特性，确定影响关键质量特性的关键零部件，确定影响关键零部件的关键工艺过程，确定关键工艺的关键生产要求与保证

4、手段,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),2、系统的质量功能配置过程及其特点 由前面的叙述可知，产品开发各阶段质量屋的建立目的是进行需求变换。 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； 工艺计划阶段：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

5、过程,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),要求质量和质量特性 之间的关系矩阵,要求质量,市场竞争能力评价,技术竞争能力评价,质量特性,质量特性 之间的相关程度,计划质量,要求质量重要度,设计质量,质量特性重要度,3、质量屋的结构,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),顾客需求质量；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； 质量特性：产品具体的工程质量特性； 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； 相关矩阵：用于

6、表示质量特性之间的相互关系程度； 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，从而调整顾客要求为计划质量。 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，规定设计质量目标。,关系矩阵,质量 策划,质量特性,需求质量,设计质量,相关矩阵,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),4、质量屋举例,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),三、QFD在减速箱研制过程中的应用 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。,第七章 质

7、量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),经过调查、分析和整理后的减速箱顾客需求,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),1、产品规划矩阵,2、零件规划 零件规划矩阵仅包括了矩阵的几个基本组成部分，即技术需求、关键零件特性、关系矩阵和关键零件特性目标值。 零件规划矩阵的开发过程同产品规划矩阵基本相同。值得注意的是：由于QFD的分解过程同产品设计的相关过程是并行交叉进行的，关键零件特性只有在产品设计方案确定之后才能确定。因此，在进行零件规划之前先应选择能满足顾客需求的产品最佳设计方案。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),零件规划矩

8、阵,3、工艺规划矩阵 工艺规划矩阵的开发步骤同零件规划矩阵也是基本类似，从零件规划矩阵是选择的关键零件特性被配置到工艺规划矩阵中，成为工艺规划矩阵的输入。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),工艺规划矩阵包含以下两个条件的工艺特性： (1)它们是关键工艺过程中的一些工艺特性； (2)它们是直接针对工艺规划矩阵的关键零件特性而设置的。 但在实际应用时，当企业在进行工艺规划时，它们可能希望对整个工艺进行研究，而不局限于上述范围。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),工艺规划矩阵,4、质量控制规划 从目前的国外应用实践来看，各个企业在质量控制规

9、划阶段所采用的QFD矩阵差别很大，几乎没有形成一个比较规范的格式。 出现这种状况其实也是正常的，由于企业生产产品类型、生产规模、技术力量、设备状况以及其它各种因素的影响，其质量控制方法和体系也就大不一样。 质量控制规划矩阵样表,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),实际上，QFD的矩阵构造与分解方式可以是多种多样的。因此，与其说QFD是一种方法，倒不如说它是一种思想，是一种在产品开发过程中，将用户的呼声转换为质量特性、产品构型、设计参数和技术特性及制造过程参数等的一种思想。QFD涉及到多方面的理论与方法，如设计、测试、制造、成本、可靠性以及市场学等。同时QFD还涉及企

10、业管理模式、企业文化甚至地域文化习惯等。在企业中要开展QFD，除了技术、设备及人力资源的配备外，还需要进行企业文化的变更以及对企业全体员工的宣传教育。企业在使用QFD后，一定会收到良好的收益。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第一节 质量功能展开(QFD),第二节 可靠性设计 主要内容： 可靠性基本概念； 可靠性指标； 系统可靠性设计。,第七章 质量功能展开与可靠性设计,表1-1 复杂性对系统可靠性的影响,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,一、可靠性概念,可靠性定义：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

11、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。 必须明确产品可靠性所规定的条件 必须明确所规定的时间 必须明确产品所需完成规定的功能 必须明确产品可靠性研究的对象,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,二、可靠性指标 衡量产品可靠性的指标很多，各指标之间有着密切联系，其中最主要的有四个，即： 可靠度R (t)、 不可靠度(或称故障概率)F (t)、 故障密度函数f (t) 平均寿命MTTF( 可修复产品MTBF) 故障率(t)。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,1）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

12、产品的可靠度，记为R(t)。 如果用随机变量T表示产品从开始工作到发生失效或故障的时间，若用t表示某一指定时刻。显然：可靠度函数R(t)可以看作事件“Tt”的概率， R(t)P (T t),第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,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： 当N足够大时，就可以把频率作为概率的近似值，同时可见可靠度是时间t的函数。 ）不可靠度 不可靠度：在规定工作时间t内，在规定的条

13、件下，产品丧失规定功能的概率。称为不可靠度，用F(t)表示：,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,F (t)可以看作事件“Tt”的概率，即产品的失效分布函数： 故障密度函数f(t) ：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时间发生故障的概率f(t)称为故障密度函数，因此：,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,3)概率方法计算可靠度R(t)、F(t),式中，t：规定的时间 T：产品的寿命 f(t)：故障密度函数,F(t):表示产品实际寿命T小于规定时间t的概率,可靠度：,R(t):表示产品实际寿命T大于规定时间t的概率,不可靠度：,R(

14、t)与F(t)的关系,1,0,t,R(t),F(t),4）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(Meat Time to Failure) 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(Meat Time Between Failure),第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,对于产品寿命为离散型随机变量ti，即有限个产品的平均寿命为寿命 的数学期望（均值）： ni为第i组产品的个数， ti为第i组产品的寿命。 ni为第i组产品的个数， ti为第i组产品两次故障之间的工作时间。 当每组产品个数都为1个（即

15、ni =1），产品总数为N时，则有： 对于寿命为连续型随机变量t时， MTTF和MTBF均为寿命t的数学期望（均值），所以有：,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,5）服从指数分布的平均寿命 在可靠性理论中，指数分布是最基本、最常用的分布，适合于失效率为常数的情况。它不但在电子元器件偶然失效期普遍使用，而且在复杂系统和整机方面以及机械技术的可靠性领域也得到使用。 指数分布常用于描述由于偶然因素冲击，引起系统失效的失效规律.,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,若产品的寿命或某一特征值 t的故障密度为:,则称t服从参数为,的指数分布,可靠度,平均寿命MTBF,所以

16、有：MTBF,MTTF与MTBF表达式一样,则不可靠度：,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,6)失效率（故障率）,定义 ：工作到t时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率称之为产品的失效率。失效率一般用 表示。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,重点,时间内失效的产品,讨论指数分布函数的可靠性指标,例：设某电子产品的寿命服从 的指数分布，求该产品的可靠度和失效率。,解：,重点,不可靠度：,可靠度：,失效率：,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= ，

17、其意义：1000个产品工作十万小时，只有一个可能发生失效。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,对于指数分布的可靠性的衡量指标,则有：故障密度函数 ： (t0) 不可靠度： (t0) 可靠度： (t0) 失效率： 平均寿命：,重点,t,R(t),t,t,指数分布的f(t)、R(t)与 曲线,(t),对于由指数分布的零部件组成的产品，能否用以新零件换旧零件的方法来提高产品的可靠度？,故障密度函数,可靠度,失效率,失效率曲线特点,失效率曲线也称“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、偶然失效期、耗损失效期。,t时间,(t) 失效率,A,B,产品失效率曲线

18、特点,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。 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.在这期间内产品发生故障大多出于偶然因素，如突然过载、碰撞等。 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。,指数分布例题,例：一元件寿命服从指数分布，其平均寿命()为2000小时，求故障率及求可靠度R (100)=? R(1000)=? 解： 此元件在100小时时的可靠度为0.95，而在1000小时时的

19、可靠度为0.50。,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=0.975,三、系统可靠性设计 1、串联系统可靠性 组成系统的所有单元中任一单元正常工作事件记为Ai整个系统正常工作事件记为A，组成系统的任何单元出现故障时，系统就不能正常工作的系统叫串联系统，其逻辑框图如图所示：,系统A正常工作事件发生等于系统各单元正常工作事件Ai

20、同时发生:,当各单元之间相互独立时，则系统正常工作的概率为：,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,所以，系统可靠度为：,系统可靠性模型(串联模型),根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为： R (t)系统的可靠度； Ri (t)第i个单元的可靠度。,系统可靠性模型(串联模型),若各单元的寿命分布均为指数分布，即 式中 s系统的故障率； i各单元的故障率。,系统可靠性模型,2、并联系统可靠性 组成系统的所有单元中任一单元正常工作事件记为 ，则单个单元出现故障事件记为 ，整个系统正常工作事件记为A，整个系统出现故障事件记为 ，组成系统的所有单元都出现故障时，系统才不能正常工作的

21、系统叫并联系统，其逻辑框图如图所示：,上式说明：故障事件 都发生，整个系统才不能正常工作，即故障事件 发生时。,当各单元之间相互独立时，则并联系统出现故障的概率为：,所以，系统不可靠度为：,系统可靠性模型(并联模型),根据并联系统定义逻辑框图，其数学模型为 式中 F(t)系统的不可靠度； Fi(t)第i个单元的不可靠度。,3、串并混合系统可靠性 可靠性逻辑框图如图所示。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,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？,答： R1.2= R1. R2=0.8X0

22、.7=0.56 R1.2.3= R1.2+ R3- R1.2xR3=0.56+0.6-0.56X0.6=0.82 R4.5= R4XR5=0.8X0.8=0.64 R1.2.3.4.5= R1.2.3 XR4.5=0.82X0.64=0.53,R2=0.7 R1=0.8 R3=0.6,R4=0.8 R5=0.8,串并联混合模型,例 某系统由7个单元串并联组成，如图所示，已知这7个单元的可靠度为R1R2R3R4R5R6R70.91，试求该系统的可靠度。 解：首先计算U2和U3、U4和U5组成的串联子系统U23和U45的可靠度分别为,串并联混合模型,然后计算U23和U45再并联的子系统U2345以

23、及U6和U7组成的并联子系统U67的可靠度分别为 整个系统就由单元U1、U2345和U67串联组成，故得整个系统的可靠度为,例 某系统由7个单元串并联组成，如图所示，已知这7个单元的可靠度为R1R2R3R4R5R6R70.91，试求该系统的可靠度。 解：首先计算U2和U3、U4和U5组成的串联子系统U23和U45的可靠度分别为,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,然后计算U23和U45再并联的子系统U2345以及U6和U7组成的并联子系统U67的可靠度分别为 整个系统就由单元U1、U2345和U67串联组成，故得整个系统的可靠度为,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性

24、设计,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？,解： （1） =1/MTBF=1/6000=1.67 （2）R（400）=1- t=1-1.67200=0.97 R（2000）=1- t=1-1.672000=0.67 R（4500）=1- t=1-1.674500=0.25,第七章 质量功能展开与可靠性设计第二节 可靠性设计,FMEA属于“由下而上”的归纳法。FMEA是从零件故障到系统故障，即在分析系统每个零件的所有故障模式基础上，再分析部件的各种故障模式，由部件故障再分

25、析系统故障，是一种定性分析方法。,第七章 质量功能展开与可靠性设计 第三节 失效模式与影响分析FMEA,一、失效模式与影响分析FMEA (Failure Mode Effect Analysis)概念 通过分析产品、系统或生产过程中存在潜在失效的零部件、环节等，分析其对产品、系统或生产过程的影响的程度，找出薄弱环节，采取措施，提高产品、系统或过程的可靠性。 资料表明这种方法是很有效的，在工程上很有价值。这种方法是找出设计上的潜在缺陷的手段，是设计审查中必须重视的资料之一，是设计者和生产者必须完成的任务。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第三节 失效模式与影响分析FMEA,通过分析产品所有可能的

26、故障模式来确定每一故障对人员和系统安全、任务成功、系统性能、维修性、维修要求等的潜在影响，并按其影响的严重程度及其发生概率，确定其危害度，找出薄弱环节，以便采取有效的措施消除或减轻这些影响。 2、FMEA主要分为三种： 设计失效模式及影响分析（DFMEA） 系统失效模式及影响分析（SFMEA） 过程失效模式及影响分析（PFMEA）,第七章 质量功能展开与可靠性设计第三节 失效模式与影响分析FMEA,二、设计失效模式（DFMEA） 因设计不合理而使产品存在潜在的故障，常见的设计失效模式如：疲劳断裂、腐蚀、松动、变质、硬化、泄露、变形、剥落、退色、烧伤、振动、过早磨损等,第七章 质量功能展开与可靠

27、性设计第三节 失效模式与影响分析FMEA,三、DFMEA的任务 (1) 列出全部部件的故障模式。 (2)分析对系统功能造成的影响和后果。 (3)判断每种故障模式的危害度大小。估计危害度发生的概率。 (4)提出相应对策和建议，进行更改设计、冗余设计，把潜在的、危害大的故障消灭在设计阶段。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第三节 失效模式与影响分析FMEA,四、DFMEA表的计算分析 风险概率（Risk Priority Number）,缩写RPN RPN=P*S*D 发生概率P：失效发生的概率大小，0=p=1 严重度S：失效发生对零部件功能影响程度大小1=S=10 不易发现度D：失效发生后被发现

28、的难易程度，D值越大表明越不易被发现 1=D=10 通过计算失效模式的RPN值，并与RPN的目标值比较，可判断失效模式对产品的影响程度大小，并可判断改进后的效果。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第三节 失效模式与影响分析FMEA,标准的FMEA的格式,22.4,28,9,19.6,车门锈蚀项：919.618，未达到目标值，但有所下降，需继续改进。,一、故障树分析概述 故障树分析（Fault Tree Analysis）是可靠性和安全性分析的另外一种技术，是安全系统工程的主要分析方法之一，它能对各种系统的危险性进行辨识和评价，不仅能够分析出故障的直接原因，而且能够深入地揭示出故障的潜在原因。

29、故障树分析法就是把所分析系统的最不希望发生的故障模式作为故障分析的目标，然后找出直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成下一级事件发生的全部直接因素，自上而下的层层查找，直到找到原始的、且故障原因机理或概率分布已知而不用再深究的因素为止。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第四节 故障树分析FTA,古樟树分析（自上而下的分析方法） 故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号描述系统中各种事件之间的因果关系。 “底事件”是导致其事件的原因事件，位于所讨论故障树底端。 “结果事件”是由其它事件或事件组合所导致的事件。它总是位于某个逻辑门的输出端。 故障树的结构 古樟树是由各种事件及逻辑门构成的一组树状逻辑关系图 （1）顶事件：要解决的系统故障事件。 （2）底事件：包括基本事件和未探明事件。,第七章 质量功能展开与可靠性设计第四节 故障树