支持面向質量設計的制造信息結構模型

李 靖，同淑榮，馬春暉

LI Jing, TONG Shu-rong, MA Chun-hui

（西北工業大學 管理學院，西安 710072）

0 引言

面向質量的設計是指在產品的開發和設計過程中，根據一定的準則和方法將各種需求轉化為產品的質量特性[1]。在轉化過程中，需要產品生命周期知識特別是與質量有關的知識的支持[2,3]。制造信息是產品生命周期知識的重要組成部分，包括產品性能、材料、制造過程、可加工性、可裝配性、可維護性等[4～6]。在實際設計過程中，制造信息若能及時、準確地反饋給設計人員，會提高產品開發效率，降低產品生產成本。

為設計人員提供支持面向質量設計的制造信息，需要研究制造信息與面向質量設計全過程的關系，并由此建立支持面向質量設計的制造信息結構，為最終開發支持面向質量設計的制造信息系統提供基礎。

1 面向質量設計過程分析

1.1 面向質量設計工具

面向質量設計的一個重要工具就是質量功能展開(Quality Function Deployment,簡稱QFD)，它將產品質量和產品實現過程質量綜合在一起，把顧客的需求展開到產品設計過程中，包括產品規劃、零部件配置、工藝設計和生產規劃四個階段。在展開過程中，上一層的輸出就是下一層的輸入，從而確保設計的產品在質量上滿足用戶的需求。

1.2 設計各階段任務

根據每個設計階段需要輸入及輸出的內容，可確定各階段的主要任務。每個階段所要完成的任務不同，所需要的制造信息也不同。不同設計階段的任務可用圖1來表示。

圖1 DFQ各階段任務

2 面向質量設計對制造信息的需求分析

2.1 支持設計的制造信息分類

結合面向質量設計各階段所要完成的任務及所需要輸出的內容，在不同階段，需要考慮不同的制造信息。比如，在產品規劃階段，要確定產品是否選用新材料，這時需要考慮新材料的可獲得性及成本等因素。在工藝規劃階段，要編制零件工藝卡片，這時需要了解車間設備的加工能力等因素。

為了清晰地表示產品設計各階段對不同制造信息的需求并方便收集制造信息，首先對制造信息進行分類。按照產品的生產過程，將制造信息分為以下幾類：

1）生產準備信息。包括材料庫存率，新材料的可獲得性，設備使用現狀，成本和產量相關性。其中，成本和產量相關性是指在生產過程中，有時設計的產品或零件可以制造出來，但批量生產時，受到設備穩定性或工裝要求等限制，可能會使成本大幅度提高。

2）生產過程信息。這主要是指產品生產過程中影響產品質量的因素，包括設備的加工能力，材料的性能及供應現狀，工作人員的業務素質，零件的工藝流程方法，對質量特征值的檢測方法，生產所處的環境。

設備的加工能力：設備可加工的零件，所能達到的精度和粗糙度，設備運行時的穩定性。

圖2 DFQ與制造信息關系

工作人員的業務素質：包括設計人員，工藝人員，制造人員的業務熟練水平，對產品質量的責任意識，以及學歷、年齡、控制自身情緒不穩定性的能力等

材料的性能及供應現狀：材料的供應狀態，規格，品種，材料的物理性能、力學性能及化學性能，材料的工藝性及加工處理方法。

零件的工藝方法：零件的工藝方法，上下工序的銜接，每道工序的具體加工方法。

對質量特征值的檢測方法：產品或半成品的測量指標，采用的測量工具，測量方法，測量的判定標準。

生產所處的環境：生產車間所處的環境質量狀況，如溫度，濕度，塵埃等與產品質量直接相關的因素。

3）檢驗信息。檢驗部門對各個工序的產品或半成品進行檢驗，記錄相關的質量特征值，嚴禁不合格產品進入下道工序，同時分析產品缺陷的產生原因，對產品實行質量控制。

4）裝配信息：零件緊固方法和裝配路徑，零件之間的配合間隙和配合區段長度，零件的夾持表面。

生產過程中產生的制造信息一般通過文檔來記錄，通過對制造信息分類，可以根據各類信息的不同來源由相關人員錄入到制造信息系統中，從而規范地記錄制造信息，為設計者提供參考。

2.2 設計各階段對制造信息的需求

根據第二節對面向質量設計各階段設計任務的描述，詳細分析設計與制造信息的需求關系。比如在產品規劃階段，確定是否采用新材料時要考慮現有設備能夠加工的材料種類；零部件配置階段估算產品性能時則需要考慮所用材料的力學性能、化學性能等。面向質量設計與制造信息的關系具體如圖2所示。

設計對制造信息的需求貫穿在整個設計過程之中。隨著設計階段的不斷深入，對制造信息的考慮越來越多，越來越具體。同時，在設計的不同階段，又需要共享很多制造信息。

圖3 支持面向質量設計的制造信息結構模型

3 制造信息結構模型構建

在對產品設計過程、設計任務進行描述的基礎上，分析了產品設計對制造信息的需求。在此基礎上，建立支持面向質量設計的制造信息結構模型如圖3所示。其中，數據庫中存儲質量檢驗數據、設備數據、材料數據等，通過系統進一步的數據挖掘來生成設計者所需要的制造信息。知識庫中存儲質量標準、以往不同產品與合格率之間的關系、生產裝配知識等能夠直接為設計者提供決策支持的知識。模型庫中存儲各種分析方法，對設計者的問題進行推理，分析，對設計者的方案進行優化，最終為設計者提出可行性建議。模型庫是系統的核心的部分，因為設計者很少依靠數據直接進行決策，通常都要經過模型庫的分析才能支持自己的設計決策。數據庫，知識庫，模型庫既可以單獨為設計者提供設計支持，也可以互相提供支持信息。

支持面向質量設計的制造信息功能結構模型建立后，以此為基礎可開發實現支持面向質量產品設計的制造信息系統。將制造信息按照不同類別錄入系統，系統會通過數據挖掘技術對錄入信息進行處理、存儲并實時更新，使設計人員能夠查詢與自己所負責的設計階段相關的制造信息，提高設計質量。

4 結論

采用QFD分析面向質量的產品設計過程，明確產品設計各階段所需完成的任務。對制造信息按照產品生產過程分類，便于信息采集與處理。根據設計任務分析設計對制造信息的需求，建立面向質量的產品設計與制造信息的關系。在此基礎上，建立支持面向質量設計的制造信息結構模型。模型面向用戶進行開發設計，使具有不同任務的設計者在設計決策時能夠考慮制造約束，設計與制造之間信息共享，為開發支持面向質量設計的制造信息系統提供基礎。

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