基于過程方法的硬件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷影響因素分析*

劉衛(wèi)東，胡偉立，鄭慧萌，肖承地

(南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

基于過程方法的硬件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷影響因素分析*

劉衛(wèi)東，胡偉立，鄭慧萌，肖承地

(南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

為了減少產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中因影響因素的考慮不足而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷，基于過程方法分析了影響結(jié)構(gòu)缺陷各個(gè)設(shè)計(jì)活動(dòng)模塊的影響因素，并且建立了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷的影響因素關(guān)系模型。在此基礎(chǔ)上，利用模糊層次分析法對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷設(shè)計(jì)活動(dòng)與影響因素定量化描述。研究成果對(duì)企業(yè)預(yù)防和控制硬件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷起到重要指導(dǎo)意義。

結(jié)構(gòu)缺陷；影響因素；關(guān)系模型；過程方法

0 引言

受硬件產(chǎn)品復(fù)雜性和多樣性等特點(diǎn)的影響，其設(shè)計(jì)過程中存在眾多的影響設(shè)計(jì)質(zhì)量的不確定因素。隨著設(shè)計(jì)過程的展開，若某一環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，都會(huì)影響產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)缺陷的產(chǎn)生。在質(zhì)量工程領(lǐng)域，設(shè)計(jì)缺陷是指因產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在的問題或不足造成產(chǎn)品存在缺陷，即產(chǎn)品不能滿足預(yù)期或規(guī)定用途的相關(guān)要求。文獻(xiàn)[1]將設(shè)計(jì)缺陷分為功能缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷、性能缺陷、工藝缺陷四種類型。其中結(jié)構(gòu)缺陷是指因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問題或不足而導(dǎo)致產(chǎn)品存在的缺陷，主要表現(xiàn)為產(chǎn)品存在結(jié)構(gòu)可靠性、材質(zhì)適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)緊湊性、人機(jī)安全性等方面的缺陷。考慮到結(jié)構(gòu)缺陷的產(chǎn)生主要集中在設(shè)計(jì)過程的概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩階段，這兩個(gè)階段設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)定、材料的選取以及結(jié)構(gòu)布置都可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能缺陷，并且有可能直接或間接地增大后續(xù)過程工作性能缺陷和工藝缺陷的發(fā)生概率。因此,預(yù)防和控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷應(yīng)成為產(chǎn)品開發(fā)關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，由于設(shè)計(jì)過程的動(dòng)態(tài)性，使得難以把握設(shè)計(jì)過程與結(jié)構(gòu)缺陷的影響因素關(guān)系，可能造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷的影響因素及其影響程度也不明確，使得設(shè)計(jì)者對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行預(yù)防和控制時(shí)過于盲目。

目前對(duì)硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷形成的一般規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究的成果極少，僅文獻(xiàn)[2-3]從改進(jìn)設(shè)計(jì)的角度，對(duì)設(shè)計(jì)缺陷的數(shù)學(xué)模型及其在不同設(shè)計(jì)開發(fā)模式中的形成、發(fā)展過程和改進(jìn)質(zhì)量成本等問題，應(yīng)用神經(jīng)單元模型等理論和方法進(jìn)行了初步的研究探討。而在設(shè)計(jì)質(zhì)量影響因素的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對(duì)設(shè)計(jì)缺陷影響因素分析方面主要有：文獻(xiàn)[4]從設(shè)計(jì)技術(shù)、設(shè)計(jì)管理和設(shè)計(jì)環(huán)境等方便提出九種可能造成設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響因素；文獻(xiàn)[5]則從人、機(jī)、料、法和環(huán)五個(gè)方面分析了設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響因素;西北工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研究了影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的制造知識(shí)、材料等質(zhì)量信息[6-7]。然而，這些研究僅定性地分析了影響因素對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響，缺乏對(duì)設(shè)計(jì)缺陷影響因素與設(shè)計(jì)缺陷形成過程的研究，特別是定量分析設(shè)計(jì)缺陷因素對(duì)設(shè)計(jì)過程的影響。鑒于此，本文從質(zhì)量管理的角度出發(fā)，基于過程方法對(duì)設(shè)計(jì)過程的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究分析，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用模糊層次分析法，定量化描述結(jié)構(gòu)缺陷影響因素對(duì)設(shè)計(jì)活動(dòng)的相對(duì)重要程度。研究有利于企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)過程中有針對(duì)性地采取措施，為預(yù)防和控制設(shè)計(jì)缺陷提供理論依據(jù)。

1 基于過程方法的結(jié)構(gòu)缺陷因素分析

1.1 過程和過程方法

圖1 結(jié)構(gòu)缺陷影響因素結(jié)構(gòu)關(guān)系模型

ISO9000質(zhì)量管理體系對(duì)過程定義為“一組將輸入轉(zhuǎn)化為輸出的相互關(guān)聯(lián)或相互作用的活動(dòng)”[8]，過程方法是指組織內(nèi)各過程的系統(tǒng)的應(yīng)用，連同這些過程的識(shí)別和相互作用及其管理。從定義可知，任何一個(gè)過程都包括輸入、輸出、增值轉(zhuǎn)換活動(dòng)、活動(dòng)所需資源、過程所處的環(huán)境和檢測(cè)評(píng)價(jià)活動(dòng)等六要素。輸入是實(shí)施過程的基礎(chǔ)或依據(jù)，輸出是完成過程的結(jié)果，通過使用資源和管理，對(duì)過程進(jìn)行一系列的增值轉(zhuǎn)換活動(dòng)。同時(shí)，每一個(gè)過程都是在一定的設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行的，為了確保過程的質(zhì)量，對(duì)輸入過程的信息、要求和輸出的產(chǎn)品(有形的或者無形的)以及在過程中的適當(dāng)階段應(yīng)進(jìn)行必要的監(jiān)控和評(píng)價(jià)。

1.2 設(shè)計(jì)過程影響因素分析

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)的一切活動(dòng)、信息、數(shù)據(jù)、資源的總和。它是由一系列子過程及設(shè)計(jì)活動(dòng)組成，通常的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程分為四個(gè)階段：設(shè)計(jì)規(guī)劃階段、概念設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段和工藝設(shè)計(jì)階段。每個(gè)階段對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)缺陷也不同，在文獻(xiàn)[1]的研究中，已明確結(jié)構(gòu)缺陷主要在概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生。

產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中最關(guān)鍵最復(fù)雜的設(shè)計(jì)階段，它是一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)和功能層分解的過程，根據(jù)既定的設(shè)計(jì)需求構(gòu)建產(chǎn)品的主要功能和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)原理，并選擇合適的求解方法，依據(jù)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和開發(fā)周期等指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估[9]。此過程主要集中在產(chǎn)品總體功能、結(jié)構(gòu)方案的規(guī)劃上，綜合考慮到企業(yè)生產(chǎn)加工能力，技術(shù)水平、質(zhì)量成本等因素確定最優(yōu)方案。這些活動(dòng)中需要的資源信息包括技術(shù)、設(shè)備等信息，并綜合考慮過程所處的環(huán)境，包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、決策信息、質(zhì)量成本、設(shè)計(jì)人員素質(zhì)等。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)活動(dòng)主要集中在功能載體結(jié)構(gòu)的確定、材料選擇和功能載體的詳細(xì)設(shè)計(jì)等活動(dòng)，是將原理設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)化的一個(gè)過程，所處的環(huán)境和資源等因素錯(cuò)綜復(fù)雜，需要綜合考慮零部件的可制造性、可裝配性、可靠性、可檢測(cè)性和經(jīng)濟(jì)性等方面。

2 結(jié)構(gòu)缺陷因素結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

2.1 硬件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷影響因素模型構(gòu)建

硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是一個(gè)多層次、多步驟和分階段的反復(fù)迭代的設(shè)計(jì)過程，其涉及的影響因素眾多，分布于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的各個(gè)階段。并且為了避免設(shè)計(jì)的反復(fù)性，在設(shè)計(jì)過程的初始階段就要考慮到影響整個(gè)產(chǎn)品缺陷的因素。因此，為了更好的表達(dá)缺陷因素與設(shè)計(jì)過程的關(guān)系，避免設(shè)計(jì)缺陷的產(chǎn)生，本文采用過程方法構(gòu)建了結(jié)構(gòu)缺陷影響因素結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，如圖1。

在該模型中，不僅表達(dá)出設(shè)計(jì)過程中各設(shè)計(jì)階段間的邏輯順序關(guān)系，理順了設(shè)計(jì)階段的各個(gè)活動(dòng)的輸入、輸出，而且還清晰地呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)資源、環(huán)境等缺陷因素與設(shè)計(jì)過程的關(guān)系，為以后的設(shè)計(jì)缺陷的預(yù)防和控制提供了理論基礎(chǔ)。然而，從該模型可以看出，影響結(jié)構(gòu)缺陷的因素比較多，在具體的設(shè)計(jì)活動(dòng)中，往往由于以上原因不能合理有效的控制這些因素，這也同時(shí)增加了設(shè)計(jì)缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要進(jìn)一步定量掌握設(shè)計(jì)階段的影響因素對(duì)設(shè)計(jì)活動(dòng)的影響程度，以便有針對(duì)性地采取措施來優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3 結(jié)構(gòu)缺陷影響因素定量化描述

關(guān)于因素權(quán)重確定，學(xué)者從不同角度提出了專家調(diào)查法、層次分析法、信息熵法等不同的方法，這些方法在某個(gè)方面有一定的合理性，但結(jié)構(gòu)缺陷影響因素與設(shè)計(jì)過程之間存在模糊性和不確定性，很難用精確的標(biāo)度來衡量因素間的關(guān)系，而模糊層次分析法[10-11]可用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度來表示因素之間模糊關(guān)系的程度，大大降低了人的主觀性。因此，本文引入模糊層次分析法來確定缺陷影響因素對(duì)各設(shè)計(jì)活動(dòng)的相對(duì)影響程度。

3.1 模糊層次分析法

模糊層次分析法最早由張吉軍教授提出，它是在層次分析法的基礎(chǔ)上將層次分析法和模糊綜合評(píng)判結(jié)合起來求因素權(quán)重的方法，該方法克服了普通層次分析法要經(jīng)過調(diào)整、檢驗(yàn)、再調(diào)整才能使矩陣具有達(dá)到一致性的缺點(diǎn)，通過因素之間比較來構(gòu)造一致性判斷矩陣，從而求出各因素的相對(duì)權(quán)重，使評(píng)估更具有可靠性和有效性，步驟如下：

(1)建立優(yōu)先關(guān)系判斷矩陣A

將各個(gè)因素兩兩判斷，按 “0.1-0.9”標(biāo)度法定量表示因素之間的相對(duì)重要程度,得到因素的隸屬度，構(gòu)建模糊優(yōu)先判斷矩陣A。

(1)

(2)構(gòu)建模糊一致性矩陣R

將模糊互補(bǔ)矩陣R做數(shù)學(xué)變換，如下所示:

(2)

得到模糊一致性矩陣

(3)

并對(duì)該矩陣進(jìn)行檢驗(yàn)是否滿足條件：

rij=rik-rjk+0.5 (4)

(3)計(jì)算排序向量W

(5)

(6)

因此得到模糊一致性矩陣的排序向量W=(w1,w2,...,wn)T。

3.2 舉例分析

為了便于表達(dá)，將結(jié)構(gòu)缺陷的設(shè)計(jì)模塊及影響因素用符號(hào)來表示，六個(gè)設(shè)計(jì)模塊即功能分析及功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊、結(jié)構(gòu)動(dòng)作的分解和構(gòu)思模塊、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)方案構(gòu)思與設(shè)計(jì)模塊、確定功能載體結(jié)構(gòu)模塊、材料選擇模塊、詳細(xì)設(shè)計(jì)功能載體模塊，分別用F1、F2、F3、F4、F5、和F6表示。在過程方法中由于上一階段的輸出即為下一階段的輸入，因此把輸入輸出因素歸為一類表示，用a1，a2，a3和a4分別表示輸入輸出類、資源類、環(huán)境類以及監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)四大類結(jié)構(gòu)缺陷影響因素，各設(shè)計(jì)缺陷影響因素的符號(hào)描述見圖1。下面以F1功能分析及功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊的影響因素為例進(jìn)行分析。

3.3.1 構(gòu)建以模塊F1的模糊判斷矩陣

根據(jù)標(biāo)度法對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷的各影響因素打分，得到因素的模糊判斷矩陣A，由于篇幅有限，此處不再列舉。

3.2.2 計(jì)算影響因素權(quán)重

根據(jù)式(2)構(gòu)建的模糊一致性判斷矩陣代入式(6)，即得到F1模塊各影響因素的權(quán)重W1=(0.0927 0.0662 0.0652 0.0691 0.1000 0.0812 0.0662 0.0643 0.0777 0.0914 0.0444 0.0744 0.0381 0.0691)

同理，根據(jù)上述步驟可得到其它模塊F2、F3、F4、F5、和F6影響因素的權(quán)重排序，結(jié)果如表1。

4 結(jié)果分析

結(jié)合圖1所示的結(jié)構(gòu)缺陷影響因素結(jié)構(gòu)關(guān)系模型與表1的影響因素對(duì)各設(shè)計(jì)活動(dòng)模塊的影響程度結(jié)果，對(duì)上述結(jié)構(gòu)關(guān)系模型在設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用進(jìn)行分析和總結(jié)，可以得到以下結(jié)論：

(1)結(jié)構(gòu)關(guān)系模型詳細(xì)描述了影響結(jié)構(gòu)缺陷的設(shè)計(jì)活動(dòng)與影響因素之間的關(guān)系，某一設(shè)計(jì)活動(dòng)的影響因素控制不利，都可能導(dǎo)致此活動(dòng)存在缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響下一個(gè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。該結(jié)論指出了結(jié)構(gòu)缺陷的傳導(dǎo)路徑和缺陷源，為預(yù)防和控制結(jié)構(gòu)缺陷指明了方向。

(2)結(jié)構(gòu)關(guān)系模型不僅全面描述了產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷階段的各個(gè)設(shè)計(jì)活動(dòng)模塊的影響因素，而且還綜合專家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)定量描述了各設(shè)計(jì)活動(dòng)模塊影響因素的權(quán)重。這在以后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)工程師有針對(duì)性地監(jiān)控對(duì)設(shè)計(jì)活動(dòng)影響較大的因素，以此預(yù)防和控制結(jié)構(gòu)缺陷的產(chǎn)生。

(3)結(jié)構(gòu)缺陷影響因素眾多，有些相同的影響因素在不同的設(shè)計(jì)活動(dòng)中的影響程度不同。因此，在不同的設(shè)計(jì)活動(dòng)中，要根據(jù)企業(yè)情況合理的分配資源對(duì)其控制，在有限的資源和時(shí)間內(nèi)使各設(shè)計(jì)活動(dòng)存在缺陷的風(fēng)險(xiǎn)最小化。

5 結(jié)束語

在硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中，影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷的設(shè)計(jì)活動(dòng)眾多，相應(yīng)的影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜。本文采用過程方法，分析了影響硬件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷的設(shè)計(jì)階段以及各個(gè)活動(dòng)模塊的影響因素。從輸入、輸出、所需資源、所處環(huán)境、增值轉(zhuǎn)化活動(dòng)及監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)過程六要素全面系統(tǒng)地構(gòu)建了結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，彌補(bǔ)了以往產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)計(jì)缺陷影響因素關(guān)注的不足，直觀展現(xiàn)了影響因素、設(shè)計(jì)活動(dòng)與結(jié)構(gòu)缺陷之間的作用關(guān)系，并且采用模糊層次分析法實(shí)現(xiàn)了影響因素與各設(shè)計(jì)活動(dòng)之間的定量化關(guān)系，其結(jié)果對(duì)制定預(yù)防和控制設(shè)計(jì)缺陷的措施具有重要指導(dǎo)意義，也為研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的形成原因奠定了基礎(chǔ)。

[1] 劉衛(wèi)東，肖承地，朱敏. 基于灰色聚類評(píng)估的硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷分類研究[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(12):65-67．

[2]Wei-dong LIU，Gui-hai YANG．On the Formation of Mathematical Model in the Defective Design in Mechanical Products [J]．Proceedings of IEEE 17th International Conference On Industrial Engineering and Engineering Management，IEEE Press，2010: 867-870．

[3]Gui-hai YANG，Wei-dong LIU． The model research of minimizing the concurrent design cycle based on process conflict[J]．Proceedings of the Third International Conference on Management Science and Engineering Management，Bangkok: World Academic Union， 2009: 484 - 488．

[4] V. Hubka．Design for Quality and Design Methodology [J] ．Journal of Engineering Design，1992(3): 5-15．

[5]夷嬿霖．設(shè)計(jì)質(zhì)量控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]．重慶大學(xué)，2005．

[6]邢芳,同淑榮.支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)決策的質(zhì)量信息分類研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2006，28(3)：6-9.

[7]王克勤,同淑榮.產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)分類及知識(shí)供應(yīng)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2008(12)：1655-1658．

[8]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 19000-2008 質(zhì)量管理體系—基礎(chǔ)與術(shù)語[M].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

[9]聞邦椿.產(chǎn)品全功能與全性能的綜合設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

[10]張吉軍. 模糊層次分析法(FAHP)[J].模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué)，2000,14(2):80-88．

[11]蘭繼斌,徐揚(yáng)，霍良安，等. 模糊層次分析法權(quán)重研究[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2006(9):107-112．

(編輯 李秀敏)

An Analysis of Influential Factors on Hardware Product Structure Defects Based on the Process Method

LIU Wei-dong, HU Wei-li, ZHENG Hui-meng, XIAO Cheng-di

(The College of Mechanical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

In order to reduce the structure dftects which caused by insufficient consideration during the design process, this paper establish a relationship model on product structure defects based on the process method, which is applied to analyze the influential factors on each design activity module. On this basis, the fuzzy-AHP was applied to provide a quantitative description on the relationship between the structure defects design and their affective factors. The research result presents great references to develop measurements on prevention and control of hardware structure defects in the future.

structure defect；influential factors；relationship model；process method

1001-2265(2014)07-0034-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.010

2013-10-22；

2013-11-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71161018)

劉衛(wèi)東(1962—)，男，江西新干人，南昌大學(xué)教授，博士，從事質(zhì)量管理與可靠性研究，(E-mail)liuwd@ncu.edu.cn。

TH165+.3;TG65

A