面向產(chǎn)品開發(fā)的FMEA和QFD集成模型研究

強(qiáng)　媛,彭　鵬（南京航空航天大學(xué),南京　211100）

面向產(chǎn)品開發(fā)的FMEA和QFD集成模型研究

強(qiáng)媛,彭鵬
（南京航空航天大學(xué),南京211100）

故障模式及影響分析（FMEA）與質(zhì)量功能展開（QFD）作為兩種常用的質(zhì)量管理工具，都是用來持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量和提高顧客的滿意度的。本文提出了一種基于二元語義的FMEA與QFD集成模型，得到一個(gè)真正既能滿足顧客的需求，又能考慮到產(chǎn)品未來持續(xù)性改善的面向產(chǎn)品開發(fā)的模型。最后通過以航空發(fā)動機(jī)的曲軸連桿機(jī)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)例證明了該模型的有效性。

質(zhì)量功能展開；故障模式及影響分析；風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)；二元語義

1　引言

如何在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中最大限度地滿足客戶需求、提高產(chǎn)品質(zhì)量已成為企業(yè)在全球化競爭中能夠脫穎而出的關(guān)鍵。一些先進(jìn)的質(zhì)量管理方法，如FMEA和QFD等被應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期中，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理和控制的快速反應(yīng)。FMEA使用系統(tǒng)的方法對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造等過程進(jìn)行分析，找出潛在的質(zhì)量問題或失效模式，分析失效模式所能造成影響的嚴(yán)重性[1]。王曉噸，熊偉提出基于依賴型語言有序加權(quán)幾何DLOWG算子的FMEA風(fēng)險(xiǎn)評估方法，運(yùn)用DLOWG算子綜合專家的群體評判意見[2]。

QFD是產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行質(zhì)量管理的一種工具，其實(shí)質(zhì)是用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)將顧客的需求轉(zhuǎn)化為工程特性。劉鴻恩，張列平對QFD理論與方法的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述[3]。隨著QFD方法的不斷完善，其應(yīng)用從最初的汽車制造業(yè)擴(kuò)展到了整個(gè)制造行業(yè)，以及軟件開發(fā)[4]，交通運(yùn)輸[5]和教育[6]等各個(gè)行業(yè)和部門。

2　二元語義信息處理方法

二元語義評價(jià)方法是由西班牙學(xué)者Herrera教授于1997首次提出的[7]。于春梅，樊治平針對解決具有語言評價(jià)信息的多指標(biāo)聚類分析問題，提出了一種基于二元語義信息處理的最大樹聚類方法[8]。米傳民、劉思峰將二元語義評價(jià)和灰色聚類進(jìn)行了集成[9]。鞏在武，劉思峰系統(tǒng)研究了二元語義判斷矩陣的定義與性質(zhì)[10]。張可，劉思峰，朱建軍等利用模糊數(shù)與二元語義之間的轉(zhuǎn)化方法[11]。如今，二元語義算子評價(jià)決策方法已被廣泛應(yīng)用于多目標(biāo)決策以及多因素分析等各個(gè)研究領(lǐng)域[12]。

FMEA和QFD中都需要對語言評價(jià)信息進(jìn)行處理。FMEA的工具風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)RPN，其傳統(tǒng)計(jì)算公式是為風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的嚴(yán)重度，O為風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生頻度，D為風(fēng)險(xiǎn)的可探測度，要用1-10等級來劃分對這三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子的語言評價(jià)信息。在QFD的工具質(zhì)量屋中，也是用一些序列行數(shù)字來反映顧客需求和工程特性之間，以及各工程特性彼此之間的復(fù)雜關(guān)系。二元語義表示模型是基于符號轉(zhuǎn)移的概念，用一個(gè)二元組來表示語言評價(jià)信息的，它可有效避免語言評價(jià)信息集成和運(yùn)算過程中出現(xiàn)的信息損失和扭曲問題。

其中sk表示事先定義的語言評價(jià)信息集S中的第k個(gè)元素，它表示給出或得到的語言評價(jià)信息與初始語言評價(jià)集中最貼近的語言短語。例如一個(gè)由7個(gè)元素（即語言評價(jià)）構(gòu)成的語言評價(jià)集S可定義為：

本文中就是用二元語義中的二元組來處理FMEA中的風(fēng)險(xiǎn)因子值和QFD中的顧客需求信息，以最大限度的防止語言信息的遺漏。

3　基于二元語義的FMEA與QFD集成模型構(gòu)建

全過程質(zhì)量管理中要考慮兩個(gè)方面的問題，首先要使設(shè)計(jì)盡可能滿足上游的市場顧客需求，以此增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭能力，QFD是這方面最重要的方法之一；另外還需要使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)企業(yè)內(nèi)部制造裝配的水平，以此減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)返工的次數(shù)，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，F(xiàn)MEA是這方面廣泛應(yīng)用的方法。因此二者具有可集成性。

3.1 改進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù) RPN

傳統(tǒng)評估RPN的方法中三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重是相同的，未曾考慮不同因素對風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)影響的大小，因此要引入不同因素的權(quán)重大小來改進(jìn)傳方法。運(yùn)用二元語義方法處理過的風(fēng)險(xiǎn)三因子，其中二元語義信息的逆函數(shù)值最大的因子對風(fēng)險(xiǎn)的影響也最大，對三因子進(jìn)行賦權(quán)，表示三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子二元語義信息的逆函數(shù)值大小。在傳統(tǒng)RPN計(jì)算公式的基礎(chǔ)上采用指數(shù)的形式表示權(quán)重就得出了新的RPN公式：

3.2 故障修正指數(shù)

為了消除QFD對各個(gè)功能單元孤立分析以及QFD為了充分考慮顧客需求的變動而無法穩(wěn)定反映零部件工程特性的缺陷，我們要用FMEA分析的結(jié)果去修正QFD中的各零部件工程特性值。故障修正指數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中K表示不考慮進(jìn)行修正的最低值；P值表示修正的強(qiáng)度系數(shù)，可以影響故障修正指數(shù)F的敏感度。RPN轉(zhuǎn)化為故障修正系數(shù)F后，將修正指數(shù)F填入QFD的質(zhì)量屋中，用值乘以其中原有的零部件工程特性的絕對權(quán)重，得到新的重要度排序，可為新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的改進(jìn)提供新的參考數(shù)據(jù)。

3.3 基于二元語義的 FMEA 與 QFD 集成模型

首先對產(chǎn)品進(jìn)行FMEA分析，根據(jù)對類似產(chǎn)品的分析可以列出產(chǎn)品關(guān)鍵的失效模式，以及每個(gè)失效模式相對應(yīng)的可能造成此失效的原因。由專家對這些失效模式及原因進(jìn)行分析，對他們的語言評價(jià)信息進(jìn)行處理后，可以用二元組的形式來從中提取出各失效模式的嚴(yán)重度，各故障原因可能發(fā)生的頻率和可探測性。經(jīng)過二元組的逆函數(shù)運(yùn)算后，根據(jù)公式（5）可以得出各失效原因下的RPN值，根據(jù)公式（6）可以得出故障修正指數(shù)F。

接著對產(chǎn)品進(jìn)行QFD分析，根據(jù)調(diào)查列出顧客對產(chǎn)品的需求，以及產(chǎn)品的各技術(shù)特性。同樣用二元組來表示各顧客需求的重要度；以及各顧客需求與技術(shù)特性之間的關(guān)系矩陣，經(jīng)過二元組的逆函數(shù)運(yùn)算，得出各技術(shù)特性下的絕對權(quán)重，其中。

用故障修正指數(shù)來修正QFD中得出的各技術(shù)特性的絕對權(quán)重，修正后的權(quán)重Fj是由FMEA分析反映到相應(yīng)的QFD中的故障修正指數(shù)。根據(jù)就可以給所有技術(shù)特性排序，從而對設(shè)計(jì)材料進(jìn)行選擇。

4　實(shí)證研究

以航空發(fā)動機(jī)的曲軸連桿機(jī)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計(jì)為例，先對其進(jìn)行FMEA分析。在對各種情況下的風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度、頻度和可探測程度進(jìn)行專家打分時(shí)，用二元語義分析方法化語言信息為二元語義符號再根據(jù)公式（6）得出風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RPN值。由于齒輪減速器是安全要求程度很高的零件，不管RPN多大，都應(yīng)立刻采取措施，所以專家確定計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)修正指數(shù)F時(shí)，取K=0，P=1。FMEA分析結(jié)果如表1所示。

表1　減速器失效FMEA表

然后建立QFD表，通過市場調(diào)查顧客需求包括承載力高（R1），成本低（R2），使用壽命長（R3），安全性能高（R4），結(jié)構(gòu)緊湊（R5）和振動?。≧6）。利用通過式（6）計(jì)算出來的故障修正指數(shù)來修正QFD中的絕對權(quán)重，并將所有候選零件材料進(jìn)行重新排序，并挑選適當(dāng)?shù)脑牧?，以達(dá)到直接修正的整合目的。

表2　減速器失效QFD表

由上表可知，通過反饋修正后各使用材料的絕對權(quán)重發(fā)生了改變，產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)方案的選擇隨之也發(fā)生了變化，如曲軸連桿的主軸使用新材料時(shí)比使用舊材料時(shí)的排序高，因此更能讓顧客滿意。

5　結(jié)論

本文將由FMEA表得出的故障修正指數(shù)用于重新評價(jià)QFD展開中的第一個(gè)階段工程特性展開中，一方面消除了對各個(gè)功能單元失效模式單獨(dú)分析造成的影響，另一方面將顧客的需求轉(zhuǎn)化為了工程特性。接下來要繼續(xù)研究的內(nèi)容是將FMEA嵌入到QFD的剩下的三階段零部件特性展開、制造過程展開和過程控制展開中，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和成本，從全局出發(fā)，有的放矢地提高產(chǎn)品的市場競爭力。

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