基于QFD、TRIZ、DOE 的產品設計方法及其工程應用

羅潤

（中航西飛，陜西 西安710089）

1 引言

穩健設計（robust design）是一種以顧客需求為牽引，以產品設計為重點，提高產品質量和可靠性，降低成本并縮短研制周期的設計技術方法，能使所設計的性能對于制造過程的波動以及對使用過程、工作環境（包括維護、運輸和儲存）的變化不敏感，而且盡管零部件的性能會漂移或老化，系統仍能在其壽命周期期間以可接受的狀態繼續工作。

穩健設計是在日本田口三次設計以及試驗設計、質量功能展開等方法基礎上進一步發展完善的一套新的優化設計方法，它具有開放性的特點，并未限定具體方法，只給出了穩健設計所要達到的目標。任何方法，只要能滿足穩健設計的要求，都可以成為穩健設計方法體系中的一個組成部分。

當前穩健設計技術方法包括質量功能展開（QFD）、系統設計、方差分析與回歸分析、試驗設計、靜態特性參數設計、靜態特性容差設計、動態特性參數設計、FMEA 和FTA分析、可靠性度量和評估、參數設計與容差設計以及QC 七工具等技術方法。

2 QFD、TRIZ、DOE 產品設計方法

在產品設計過程中，可以將QFD、TRIZ、DOE 方法結合起來，首先，用QFD 方法分析產品的設計目標，其次，用TRIZ 的原理和理論解決設計過程中的矛盾和沖突，最后，用DOE 方法得到產品最優參數組合。

2.1 QFD 方法

質量功能展開（Quality Function Deployment，QFD）是把顧客（用戶、使用方）對產品的需求進行多層次的演繹分析，轉化為產品的設計要求、零部件特性、工藝要求、生產要求的質量工程工具，用來指導產品設計和質量保證。QFD起源于日本，由赤尾洋二和水野滋兩位教授首先提出，目的是設計、生產充分滿足顧客需求的產品和服務。隨后，該技術在美國得到進一步發展，并在世界范圍內得到廣泛應用。

2.2 TRIZ 方法

TRIZ 是“發明問題解決理論”俄文單詞的首字母縮寫，中文譯名為萃思、萃智，利用它可以解決技術問題，產生創新性解決方案。

TRIZ 理論的典型步驟分為三步：①問題識別。重點是對產品進行全面分析并且識別出關鍵問題。②問題解決。重點是將識別階段識別出來的關鍵問題轉化為TRIZ的40個發明理論、39 個通用技術參數中的問題模型，然后運用TRIZ沖突矩陣表找到解決方案，再將其轉化為具體的解決方案（創意）。③概念驗證。重點是權衡技術實施的難易程度、制造成本、上市時間需求及投資成本的限制等因素，篩選出最佳解決方案，以優化寶貴的資源和時間。

2.3 DOE 方法

試驗設計是數學中數理統計的一個分支，專門研究如何選用試驗樣品的數量，減少試驗次數和找出最優結果的方法。試驗設計的方法很多，如均勻設計、正交設計、因子設計、部分因子設計、響應曲面設計、回歸正交設計、正交均勻設計、拉丁方設計、正交拉丁方設計、區組試驗設計、分批正交設計、套設計或分級設計、信噪比設計等。在隨機試驗法中最常用的是正交試驗設計（簡稱正交設計），它主要利用現成的規格化的表格——正交表來科學地挑選試驗條件，合理地安排試驗方案和分析試驗結果。利用正交表安排試驗，可以從眾多的試驗條件中，選出代表性較強的少數幾個試驗，獲得最好的或較好的試驗條件或生產工藝。

3 應用實例（某型機油箱容量測量）

飛機燃油箱是一種大型容器，其質量基本在幾十噸左右。一般地，航空用煤油密度為0.78 g/cm3，可以通過測量燃油箱質量，計算后獲得油箱體積。由于質量太大，測量不易，所以，某企業擬生產一種測量大型容器容積的裝置。該裝置的工作原理如圖1 所示。

圖1 容器容積測量裝置工作原理示意圖

在傳動機構的驅動下，激光測距頭可以以支撐立桿為軸水平方向旋轉，也可以沿支撐立桿上下移動。

測距頭自容器底部開始測量，先旋轉一周測得立桿軸向中央點到容器水平斷層內壁各點間的距離，從而測出該斷層的面積，然后測距頭向上移動一定高度，再掃描一周，測出該曾斷層面積；依此，逐層掃描，直至容器內高H。每兩個斷層之間的邊緣以數學公式輔以經驗公式修正，計算出兩個斷層之間的體積。依次類推，計算出全部斷層之間的體積，即容器的體積。

針對上述產品，首先利用QFD 方法確定關鍵技術要素。用戶的需求很明顯，即短時間內，獲得較為準確的油箱容積值，而且設備應易于操作。而測量設備設計的主要參數包括機構復雜度、測距頭精度和擬合計算的準確率三項。基于這種考慮對此展開一級質量屋分析，如圖2 所示。

圖2 QFD 一級質量屋分析圖

經過簡單的計算，機構復雜度的重要度為31，測距頭精度的重要度為69，擬合計算準確率的重要度為43。因此，可以將測距頭精度確定為更需要關注的工程技術措施。而影響測距頭精度的主要因素為水平轉動速度和上下移動速度。由于測量設備存在精密機械傳動機構，測距頭水平轉動速度和上下移動速度都不能太快，通常測量一個斷層需要5 min，另外，為保證邊緣部分測量誤差不會過大，斷層之間的間距h也不能太大，一般為10 cm。這樣，要測量一個4 m 高的容器至少需要200 min。

現在的問題是，在保證測量精度的前提下，如何提高測量速度？如果將斷層之間的間距由10 cm 提高到20 cm，以期將測量速度提高一倍。但是，因為斷層之間的間距變大，斷層之間邊緣部分的擬合也將變得復雜，導致計算精度降低，造成測量精度下降。

如果用TRIZ 的眼光來看待該問題，這其實是一個典型的技術沖突：如果提高斷層間距（步長），會提高測量速度，但會降低測量精度；如果要提高測量精度，就必須減小斷層步長。因此，可以嘗試采用技術沖突解決原理來解決該問題。最為簡單的方法就是對照要解決的問題遍歷40 個發明原理，以期從中得到啟發。同時，還可以使用沖突矩陣，更加準確地定位解決方法。

第一步，描述技術問題。為此，嘗試回答下面三個問題：

問：問題是什么？

答：測量時間太長。

問：現在有什么解決方案？

答：提高步長，從而提高了速度。

問：這個解決方案有什么問題？

答：致使測量精度變差。

第二步，用工程參數描述技術沖突。再次描述問題：要提高測量速度，可以提高步長，但造成測量速度下降。參考39 個工程技術參數，可以形成該問題的技術沖突描述：要改善的工程參數為參數9（速度），造成惡化的工程參數為參數28（測量精度），即工程參數9 與工程參數28 沖突。

第三步，查找沖突矩陣。查表獲得可以參考的發明原理代號分別為28、32、1 和24。

第四步，查看4 條發明原理的解釋。

發明原理28：機械系統替代。其解釋為用視覺、聽覺、嗅覺系統代替機械系統；使用與物體相互作用的電場、磁場及電磁場；用動態場替代靜態場，用確定場替代隨機場；將場和鐵磁粒子組合使用。

發明原理32：改變顏色。其解釋為改變物體或環境的顏色；改變一個物體的透明度，或改變某一過程的可視性；采用有顏色的添加物，使不易被觀察到的物體或過程被觀察到；如果已添加了顏色添加物，則用發光軌跡線追蹤物質。

發明原理1：分割。其解釋為將一個物體分成相互獨立的部分，使物體分成容易組裝及拆卸的部分，增加物體各部分的相互獨立程度。

發明原理24：借助中介物。其解釋為使用中介物傳遞或完成所需動作，使一個物體與另一個容易去除的物體暫時結合。

第五步，逐一分析查到的發明原理，以期得到啟示。

根據發明原理28（機械系統替代），可以想出其他幾種方案來提高測量速度，如采用攝影、X 射線、氣體振動波等原理來代替現用方法。但這些方法現對于現在討論的技術系統是全新的方法，可能受成本、工期或企業現有技術能力、工裝工具等的制約，不能在短時間內以低成本實現。因而暫時不考慮。

根據發明原理32（改變顏色），沒有什么好的方法，放棄此條原理。

根據發明原理1（分割）獲得啟發，形成以下2 個方案：

方案1：水平分割。將現有的一個激光測距頭水平方向“分割”成N個測距頭，并沿水平面等角度安放，各測距頭可以同時繞立桿水平旋轉。這樣，以前轉頭需要旋轉360°才能完成一個斷層測量，現在每個轉頭只需旋轉360°/N即可，從而N倍提高測量速度。

方案2：垂直分割。將支撐立桿“分割”成N等份，每一個等份安裝一個測距頭，各測距頭可以沿支撐立桿同步上下移動和水平轉動。這樣，也可以N倍提高測量速度。

上述兩種解決方案中，多個激光測距頭要以時間“分割”方式（分時方式）工作，以免相互干擾。為降低成本，多個測距頭可以使用同一套激光發射和測量電路，且僅使用一只接受傳感器，這樣，設備僅僅是增加了N個激光發射管，系統的復雜程度未大幅提升。

此外，根據發明原理24（借助中介物），獲得啟發，形成方案3。

方案3：排出空氣。將巨大塑料袋排空，放入被測量容器內，向塑料袋內充入空氣，用氣流表測量被測容器內因塑料袋的膨脹被“擠出”的空氣量。

上述這3 種方案就是利用TRIZ 方法完成的，TRIZ 方法可以給人較為廣闊的視野和思路，更加有效率。當然，用TRIZ 方法獲得的方案需要進行試驗驗證才能最終確定。

下面采用正交試驗（即DOE 方法）找出方案1、方案2和方案3 較為合理的方案參數。假定方案1 和方案2 試驗涉及的試驗因素為技術復雜度、測距頭數量和所需經費，且這3 個試驗因素的位級都取2 位，即技術復雜度等級為1 級和2 級，采用的測距頭為2 個和3 個，所需經費等級為1 級和2 級。

查如表1 所示的正交表，3 個因素2 個位級需做4 次試驗。按正交表安排的計劃進行試驗，測定試驗結果并進行分析，可得到方案1 的最佳參數。同理，可以得出方案2 的最佳參數。同理，將方案3 的試驗因素分為塑料袋質量、氣流表精度、所需經費3 種，受技術條件水平的制約，這3 種因素的位級都取2 位，按照表1 所示正交表安排試驗，測定試驗結果并進行分析，可得出方案3 的最佳參數。

表1 正交表

按得出的最優參數組合生產出方案1、方案2 和方案3的樣件，并投放市場，用戶試用后，收集用戶意見，并對3種方案進行評估，可得出最優設計方案。

4 結論

本文分析了QFD、TRIZ 和DOE 方法的優缺點及其應用范圍，提出了綜合應用QFD、TRIZ、DOE 方法這一系統的、全局性輔助產品創新設計的方法。QFD 將顧客需求分析轉化為各階段參數特性，貫穿產品設計始末；TRIZ 作為解決各種沖突的工具，應用由始至終；DOE 輔助試驗設計，提供參數優化組合。最后以某型機燃油箱容積的測量為例簡單介紹了該方法的應用過程，具有一定的工程指導意義。