基于QFD 技術的風力機葉片加工中心整體概念設計研究

肖 楠， 張馨月

（沈陽工程學院 機械學院， 遼寧 沈陽 110136）

0 引言

隨著社會和科學技術的高速發展， 工業設計的研究對象從單一的小型產品逐步向大型且結構復雜的機電產品邁進。 近些年以來，質量機能展開（QFD）技術、TRIZ 理論被廣泛應用在各個領域。 質量機能展開（QFD）技術是赤尾洋二教授提出的， 這項技術是在產品開發和設計過程中使用， 它使用多階段演繹分析將客戶需求轉換為一系列技術特征。 它是以市場為導向，并基于客戶的需求。這是在開發的早期階段確保產品適用性的系統方法。QFD 的核心內容是使用直觀的矩陣框架表示形式，即House of Quality 方法，以完成客戶需求轉換。 將直觀的客戶和市場需求的轉化機能作為客戶產品設計和解決的方案， 需要首先建立一個質量屋的基本機能矩陣框架結構，隨后輸入客戶的基本信息，從而經過質量機能處理就可以得到質量機能輸出的信息，根據對輸出基本信息的處理來指導客戶進行產品設計。

為解決工程技術參數沖突問題， 由G.S Altshuller 等人總結出來的TRIZ 理論，幾乎都可以在工程設計產品生命周期的每個關鍵階段廣泛使用。 TRIZ 理論對于分析產品失效、 研發產品或產品的更新換代、 保護自主知識產權、擴大市場都有著很重要的作用，也為設計人員分析和解決問題提供了另一種的方法。

本文所研究風力機葉片數控加工中心運動軸多，信號量大， 控制復雜， 加工中心有7 個獨立的運動軸和10個伺服控制的電機。 它采用七軸雙五聯動數控技術，并配有葉片雕刻，銑削加工和復合頭部磨削加工，可以同時實現風機葉片磨削的雕刻和銑削。 本機床采用的結構是機-電一體化結構，這種結構的優點是可靠性更高，布局合理，方便維修與安裝。

綜上訴述，雖然QFD 的設計問題明確，但解決問題的能力是不夠。 TRIZ 為設計師提供了40 條發明原則來解決這個問題。QFD 和TRIZ 的集成創新設計方法主要是利用QFD 理論分析客戶需求， 利用TRIZ 解決方案生成創新解決方案。TRIZ，QFD 和CNC 機床可以互相補充，有機的結合在一起， 改善了風力機葉片加工中心的總體方案設計，使方案的開發過程更加完整，并開發成質量高，成本低，可靠的CNC 機床產品。

1 QFD 技術在風力機葉片加工中心概念設計

1.1 風力機葉片加工中心用戶需求—分析技術特性矩陣

質量屋HOQ 顧名思義需要基本的質量需求作為先行條件，其獲取途徑是利用市場調查。市場調查應使用科學的方式并且尊重客觀的事實，有一定概率性。只有在初期進行市場調查時有足夠準確， 合理的調查數據， 隨后QFD 的跟蹤工作才能順利進行。

在設計風力機葉片加工中心時， 首先需要在用戶的使用要求中獲取必要信息。 然后對用戶所要求的信息進行匯總、分類和篩選處理之后，使用KJ（親和圖）方法將用戶需求分類，總體劃分為三個等級。 其次，詳細的調查是為了確定質量要求表中每一個數據對用戶的重要程度， 然后按照調查結果對各個項目的重要程度進行1 到5的數字尺度的標記。最后，從客戶需求的角度進行重要性評估，并進行修訂以獲得每個質量要求重要性的評估分數。

在數控機床完成之前的設計和準備工作后，根據QFD理論，應該首先建立一個完整的有關數控機床質量的需求和其質量特性的二維質量要求矩陣表，并且精確地分析和計算如何表征數控機床質量的要求與數控機床的質量要求特性之間的相關性。對于一些關鍵的項目，例如機動性，可靠性以及工作功率，這些矩陣表應該更為值得關注。

設yi為質量特性，ri為用戶需求，并且定義R 是質量特性yi與用戶需求ri的一種關系矩陣， 定義Rij為ri與yi的關系系數（其中i=1，2，3，…，I，j=1，2，3，…，J）。 Rij表示通過改善質量特性yi后用戶的需求ri得到滿足的程度，根據用戶需求不同的滿意程度， 使Rij分別被定義為0、1、3、5。 Rij=0 表示改善質量特性yi與滿足用戶需求的程度ri沒有關聯，Rij=5 表示改善質量特性yi與滿足用戶需求的程度ri有很大的關聯。

將改進的質量特性yi的目標值定義為Tj， 基于對競爭對手產品和公司現有產品的質量特征值yj0的分析，并通過考慮公司內部資源來確定Tj。 由此，質量特性Tj的實現難度Pj如下，

式中，yj0是現有產品的質量特性值，yjc是通過不使用TRIZ 技術工具而改進yj而獲得的值。

工程技術特性展開表， 如表1 所示是根據用戶質量需求和已成熟的技術設計出來的。

在這一階段同時進行的還有風力機葉片加工中心的三大功能，第一總體功能，第二子功能和第三輔助功能， 這些功能必須使用概念性的結構化功能結構方法來進行分析處理。 其中概念結構的活動需要運用設計結構矩陣的方式來獲得。 通過定量理論（QM3）對總體功能，子功能和輔助功能進行一系列的定量結構設計與分析，也就是說將風力機葉片加工中心進行QFD 功能開發和概念設計。

為了更好地研究建立關于企業瓶頸設計技術與系統的理論QFD 模型，應該在瓶頸概念設計的早期和現階段不斷完善和深入地研究探索解決瓶頸的關鍵技術，瓶頸的來源是哪些原材料，加工系統瓶頸的方法和處理系統瓶頸的工藝。 通過探究系統相關的理論和技術標準，分析和設計開發系統的原理，最后獲得系統和其功能的QFD 系統模型以及相關技術和應用系統的QFD 模型。

表1 工程技術特性展開表Tab.1 Expansion table of engineering technical characteristics

1.2 風力機葉片加工中心質量規劃

風力機葉片加工中心的質量計劃HOQ 列于表2。 首先，選擇了兩個國內外研發機構作為競爭者，并進行了滿足各種需求的市場競爭力評估，以確定其競爭力，并滿足用戶需求的兩個方面。 用戶對某項需求的滿意度用數字1、2、3、4、5 表示，非常不滿意用數字1 表示，非常滿意用數字5 表示。 更具體地講，用戶需求的重要性的評估，對用戶競爭力的評估，質量計劃以及需求權重的計算等等，都是風力機葉片加工中心質量規劃的幾個重要方面。

根據需求的重要性和競爭評估的分析結果， 可以設置目標質量的評估值和單位的差異度。 對于具有較高重要性的用戶和具有高于國外研究機構標準的國內研究機構，這些可以直接用作該研究單位的差異化策略特征。 其中，水平提高率為目標質量與國內研究機構的比值，表明該研究機構的“目標質量”需要提高的程度。 絕對重要性=重要性判斷×改善率×差異評估。

表2 風力機葉片加工中心的質量規劃Tab.2 Quality planning of wind turbine blade machining center

在表2 中，量化差異評估并總結絕對重要度，表2 是每個項目的百分比（%）是風力機葉片加工中心用戶需求的“質量權重”。

1.3 風力機葉片加工中心質量設計

構建產品規劃階段的技術和成本評估矩陣的目的是為了進行風力機葉片加工中心質量設計其行列數與質量特性矩陣相對應。 利用質量屋的對應關系將市場要求的質量需求重要度轉換成技術特性的質量特性重要度，這是在設計之前需要完成的，然后再進行質量設計，通過矩陣的運算獲得質量特性重要度的變換。 為了設計風力機葉片加工中心的質量，首先，為了確定質量特征的目標值需要進行技術競爭評估。 由于新產品設計需要完整的整體性能，因此工程設計必須協調每個設計元素的工作，并且考慮每個部件的自身性能。 然而徹底改變質量設計，是否會破壞平衡的問題需要創造性的工程以及使用最新的技術和流程去解決。

1.4 建立質量屋

有關風力機葉片加工中心總體概念設計的工作完成之后，合理建立風電葉片加工中心的概念設計質量。 QFD的優點是它可以用于開發新產品的全部過程中，也就是說對后來零件的配置、工藝的設計以及生產的控制也能運用質量機能展開的辦法。QFD 在以下設計過程中也能發揮重要的作用：液壓部分、機械部分、附件布置以及其他系列化的設計。 風力機葉片加工中心概念設計質量屋，見表3。

在設計風力機葉片加工中心中，從表3 可以看出，在技術競爭性評估一欄中本研究單位優先考慮的因素為數字4 的項目，分別是單位功率質量、平均有效壓力、工作安排指標、可靠性等，在表3 中，通過對比質量特征重要度總和可以發現風力機葉片加工中心的概念設計中工藝性指標的選擇是最重要的。

表3 風力機葉片加工中心總體概念設計矩陣Tab.3 General concept design matrix of wind turbine blade machining center

1.5 QFD 在風力機葉片加工中心的零部件設計中的應用

利用這種建立和分析相關零件配置工程質量特性屋的技術手段，可以有效地尋找到一些建立和實現工程零部件特性要求的困難和技術不足，再次進行特性屋相關的零部件基本特征的分析和方案設計。因此能夠有效地保證建立和實現零件配置質量特性（包括產品基本特征或必要的工程措施）的相關零部件基本特征和要求，具體見表4，也是相關零件配置工程質量特性屋的最終輸出技術目標。

表4 風力機葉片加工中心部分零件配置質量屋Tab.4 House of quality for parts of Wind Turbine Blade machining center

零件配置質量屋矩陣與產品規劃矩陣性相比簡單很多。 零件配置質量屋矩陣僅僅包括了質量特性、 關系矩陣、 關鍵零件特征及關鍵零件特征目標值的幾個基本的矩陣組成部分。零件配置質量屋矩陣和產品規劃質量屋的開發過程從大體上來說是沒有差異的。 值得我們注意的是，需要根據產品設計方案才能確定選取關鍵部位零件特征。 由此可見，應該選擇能夠滿足顧客需求的最優方案作為第一要素。

2 結論

通過QFD（質量功能展開）技術，風力機葉片加工中心在該設計中實現了以下幾個優點：

高質量加工：高精密進給橫向進給采用雙閉環數控系統。 橫向定位精度：±0.015mm ；工作臺采用雙渦輪、蝸桿齒側消隙。 定位精度：≤20′。

高速磨削：采用高速電主軸技術。 提高表面質量和光澤度。

高效加工：加工效率提高30%～50%：雙工作頭同步切削；橫梁雙電機同步驅動技術； x 軸滑鞍液壓驅動與絲杠定位相結合；

高可靠性：加工中心大部分采用機床集團成熟技術，設計無故障連續運行時間500h，可維修條件下無故障時間100000h。

由于在風力機葉片加工中心設計階段考慮了制造問題，產品設計大大減少了工程設計的變化，縮短了產品開發周期。

由于制造問題是在風力機葉片加工中心的設計階段考慮的，產品和工藝的設計互相交錯同時進行，極大的減少了工程設計的改動，縮短了產品開發周期；QFD 更加強調在產品概念設計的早期進行有效規劃， 因此可以大大降低產品的啟動成本； 對市場上同類的競爭產品進行評價，這樣有助于發現其他同類產品的優缺點，更好地為風力機葉片加工中心的設計和決策服務。