基于六西格玛质量的产品设计研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 1.67MB 59 页 15积分

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中文摘要

六西格玛质量有两方面的含义：其一，最终产品或服务的关键质量特性必须

满足顾客要求；其二，要避免缺陷，使其质量达到六西格玛水平。而缺陷的产生

通常分为两种情况，一是不能准确理解或把握顾客需求而造成的概念设计方面的

缺陷，二是由于制造过程中的环境变化，材料性能波动等引起的质量特性的不稳

定。

依据六西格玛质量两方面的含义，本文通过质量功能展开将顾客的需求转换

为可以量化的关键质量特性，并对关键质量特性进行改善，使最终得到的关键质

量特性可以高度满足顾客要求，旨在减少或消除第一类缺陷；然后利用容差设计

优化设计变量和目标值，减少外界不稳定因素对产品质量特性的影响，进而减少

或消除第二类缺陷。

文章通过对质量损失函数和成本控制模型的分析，综合考虑质量功能展开阶

段的质量成本，产品制造成本和质量损失，改进常用的质量-成本模型，建立非线

性优化模型。将质量功能展开阶段的成本加在原模型中，将设计变量的标准差作

为决策变量，以总成本为目标函数，通过减小设计变量的标准差作为约束条件，

建立了新的质量-成本模型。同时，为了比较设计预测到的结果的质量水平，对常

用的质量特性指标作了改进，提出一个新的质量特性评价指标，可以更全面的反

映产品的质量信息。

最后通过两个实例分析，用改进后的质量-成本模型对其进行求解，分别用西

格玛水平、质量损失改善，和新的质量特性评价指标对得到的结果进行判断，与

原始设计相比，初步得到预期的效果，发现最终结果的质量水平高于原始设计的

质量水平，而质量成本有所减少。

关键词：六西格玛稳健设计质量成本关键质量特性

ABSTRACT

There are two meanings of six sigma quality. The first of which is the

critical-to-quality (CTQ) of the product or service must meet the customer’s

requirements and the second is that the products must reduce the weaknesses to ensure

the six sigma quality level. And the possible weaknesses in design entities can be

categorized generally in two kinds, firstly the system conceptual weakness without

understanding or grasping the customers’ requirements and secondly the instability of

the CTQs due to the noise factors such as environmental changes or the volatilities of

the material function etc.

According to the meanings of six sigma quality, this dissertation focuses on

reducing or eliminating the first kind of weakness by quality function deployment

which convert the customers’ requirements to quantifiable CTQs. Meanwhile, it also

contributes to reducing or eliminating the second kind of weakness through optimizing

the variance of the design variables and the objectives to decrease the influences of the

unstable factors on the CTQs of the products.

By analyzing the quality loss function and cost control model, taking the

considerations of the cost through quality function deployment, the manufacturing cost

and the quality loss, a non-linear optimization model was improved in this paper. The

cost of the quality function deployment was added to the new model. In this

mathematical model, the decision variables were the standard deviation, the objective

was the total cost and the constraint condition was reducing the standard deviation. At

the same time, aiming to compare the quality results for the design tolerance, a new

quality characters index was presented for reflecting the quality level of the product

more comprehensively on the basic of the usual indexes.

Eventually, two examples were analyzed with the improved quality-cost model, the

solutions were measured from the aspects of the sigma level, the quality loss and the

new quality character evaluation index and compared with the existing design

respectively, and the final results presented more quality level and less quality costs

while satisfy the expectation.

Key words: six sigma, robust design, quality cost, critical-to-quality

第一章绪论

§1.1 课题来源

现代质量管理的发展使得人们逐渐将产品或者服务的质量追溯到整个流程

的上游阶段，如设计开发阶段，因此这个过程的质量控制显得尤为重要。设计过

程的质量控制核心是在低成本下设计出高质量的产品或工艺，这里的高质量指的

是关键质量特性波动比较小，也就是稳健性。利用当今质量工程的发展及其延伸

出来的一些现代设计理论对产品进行优化设计可以提高其质量水平，降低成本，

从而更好地满足顾客的需求。而设计理论和方法的进步也可以带动产品的更新换

代，提高企业的竞争力。

设计是运用概念的活动，当环境或条件成熟时，把已知的实体或者概念组成

结合体，从而产生新的有价值的实体，是一种富于创造力的活动[1]。但是，如果

只专注于设计本身的严格性和结构化，忽略顾客对产品或服务的要求，这样的设

计可能会面临一定风险，其产品可能最终不被市场接受。因此，在产品或者服务

设计过程中既要关注设计学又要关注顾客需求和市场要求，这样才能带来高质量

的产品，提高顾客满意度，这也是研究基于六西格玛质量的产品设计的原因。

六西格玛质量包含两方面的含义，首先质量特性必须满足顾客要求；其次，

产品要避免可能产生的缺陷，达到六西格玛水平。而要使产品质量特性满足顾客

需求，必须正确定义质量，用量化的语言来描述产品的质量特性，充分考虑到利

益和成本两个方面，然后将其转化为技术语言。在这方面可以应用一些先进的映

射方法，如 QFD，公理化设计来完成。

质量一般可以分为产品的固有质量和技术质量，前者是指用户所能感受到，

见到的，触到的，或者听到的体现产品好坏的一些质量特征，后者是指产品在优

良的设计和制造质量达到理想功能的稳健性[2，58]。设计质量可以决定产品的固有

质量,通常从产品研制的时间序列来看，产品设计，工艺设计，生产控制等不同

阶段对产品质量的影响是不同的。影响最大的是产品设计，其次是工艺设计，再

次是生产设计控制。一旦产品图纸和设计规范形成后，固有质量便基本形成；其

后的工艺设计是为了保证设计要求的实现，生产控制则是为了使得质量特性达到

技术规范的要求，几乎没有进一步提高产品固有质量的可能。因此必须在设计阶

段采用主动的设计方法，把关键客户要求融入到产品开发流程中去，并优化这些

流程使得达到预期的效果，因此需要一套严格可行的规划方法，在设计阶段有效

地控制产品缺陷发生率，减少质量特性的波动，同时通过一定的传输功能可以在

基于六西格玛质量的产品设计研究

设计阶段预测其最终结果，为后面的制造、营销等环节提供一定的理论指导。

§1.2 课题研究的意义

§1.2.1 理论意义

基于六西格玛质量的产品设计是一种为质量而进行的设计过程，通过质量工

程方法和一些先进的统计方法提高产品的稳健性和可靠性，使产品或者服务达到

市场需要的西格玛水平。其研究内容将六西格玛与稳健衡量标准有效地结合在一

起，降低外界因素对产品的影响，提高其稳健性，改变传统的设计思路与方法.

运用一些数量统计和进化算法不断优化计算过程,建立工程特性和经济特性方面

的平衡方程，在保证结果精度的基础上提高产品质量水平，降低质量成本，有效

的减少甚至消除整个产品生命周期中可能产生的缺陷，并预测最终结果，可以为

之后的流程提供渊源指导，可见，设计阶段的设计理论及其方法集成的研究对整

个流程的优化具有其理论意义。

§1.2.1 现实意义

当前企业面临着严峻的商业挑战，客户要求企业提供优质高质量的产品，市

场要求降低成本提高企业利润。而六西格玛质量指导的产品流程可以有效地确认

产品的关键特性和流程关键点，通过减少产品变异来提高产品的稳健性，提高产

品的质量水平和顾客满意度，从而提高企业的整体形象和产品形象，世界上很多

一流的企业已经开始将六西格玛管理理念应用到其产品开发过程中去，将质量的

观点在最开始就设计到产品中去，取得了一定的效益。本文从降低质量成本着眼，

提高产品的品质，降低产品质量特性的变异，提出可行的稳健设计分析流程，使

其更好的指导流程优化，具有重要的现实意义。

§1.3 国内外研究现状

六西格玛质量管理是由摩托罗拉公司于上个世纪 80 年代引入的，由通用电

器发扬光大。六西格玛设计来源于系统工程，在美国国防部与美国航空航天局的

倡导下，由顾客需求来推动整个流程，因此出现了大量的先进技术来发展用户的

要求，用量化或者统计的方法实现主动优化的模式。

Subir Chowdhury（舒伯·乔贺瑞）在其新书《Design for Six Sigma》中提出

六西格玛设计流程 IDDOV 的概念[1]，认为六西格玛设计从开发或者设计过程着

手，从一开始就把流程做好，接下来自然就会有条不紊，有系统地防止错误出现。

第一章绪论

他提出“很多公司在设计上仅花费 5%的预算,但是其设计成本为其总成本的 70%-

因为 80%的质量问题产生在设计阶段”。自从六西格玛设计提出以来，很多专家

学者和企业高层对其投入了一定精力研究，一流企业高层已经通过大量的现场实

践证实改善六西格玛设计流程可以带来客观的效益。

近年来，六西格玛设计在工程领域和管理领域都得了发展。在工程方面，1986

年Taguchi（田口）提出的稳健设计方法及其引申出来的系列优化质量管理理论

集成应用在六西格玛设计中，取得了很好的效果[2]。他创建的质量工程学强调产

品的质量和成本的平衡，并将产品质量的控制推进到设计阶段。这些方法及理论

在日本的一些企业发展后又在南美和欧洲得到了广泛应用。稳健设计的主要思想

一直在不断发展,使得生产的产品以最小的变异获取了较高的质量,并逐渐达到

六西格玛水平。近期,有关优化设计的研究也得到了重视,并从各个方面来研究,

取得了一定成果。 2000 年，Dorf 提出了时域控制模型[3] 。Srinivasan 与Wood,

Zhang 与Huq,Vasseur 等在上个世纪 90 年代初期提出的容差多面体理论,漂移理

论,虚拟边界理论等均将过程差异与设计联系起来了[4,5,6].Belegundu 提出的最小

灵敏度法可以方便快速的表明需要调节的变量的范围和方向[7].Suh 的公理化设

计提出功能到结构域的映射，在满足产品关键质量特性方面做出了贡献[8] 。

Altshuller 提出的 TRIZ 理论对工程设计做出了重大贡献[9].在管理领域，六西格

玛思想更是得到了深刻的发展，很多著名的质量大师如 Deming，

Juran 提出的质

量管理思想都有效地控制产品质量，提高顾客满意度。Forest 撰文指出在六西格

玛实施中所需要的一些方法不仅可以应用在制造领域，还可以应用到其他所有的

流程[9]。2002 年，Douglas 提出要优化产品或者服务过程需要更多的六西格玛方

法[10]。尽管六西格玛方法也有其不尽如人意的地方，有时候耗费很大，周期较长，

但是，其总的财务利益要比 TQM 或者 ISO9000 好的多。

同时，为了有效地应用六西格玛设计，很多专家提出了基于六西格玛设计

而与其他现代的优秀设计理论集成的模型，例如 1998 年，Terninko J 的QFD，

TRIZ 和稳健设计集成模型研究，可以很好地将顾客需求，关键质量特性和产品

开发过程的创新联系起来并在此过程中有效地控制产品变异[11]。

2005 年，

Douglas

将公理化设计引入到六西格玛设计工具中，创造了优质的模型[12]。另外，在一些

高精密度高准确性的行业里，例如美国航空航天局将六西格玛设计与精益思想结

合起来，取得了很好的效果。目前的研究主要集中在构建设计过程框架和各种设

计理论的集成方面.

欧美国家和日本在优化设计以取得优质质量的同时，我国企业界和质量管理

部门也非常重视通过优化设计来进行流程改善。上海于 1980 年邀请田口博士来

上海讲学，兵器工业部也于 1985 年还是每年邀请田口博士到全国各地推广其稳

基于六西格玛质量的产品设计研究

健思想。随着六西格玛思想对质量控制的变革，国内有些企业和相关研究部门也

开始以客户需求推动将质量控制追溯到设计阶段，利用六西格玛的基本原则，也

就是减少产品变异获取卓越质量指导产品的整个生命周期的管理。朱兰质量管理

学院也提出了六西格玛设计的思想，建议将源头设计与过程改善结合起来。郑称

德等人也就现代一些优秀的设计理论以及以获取优质产品为目的的集成模型进

行了相关研究，并取得了一系列研究成果[13]。

1998 年，邵家俊又向国内引进 TRIZ

技术，1999 开始，出版了一系列有关 DFSS 的书籍。陈立周在稳健设计方面多

出了很大贡献,利用折中规划原理进行多目标稳健设计,后来又研究了物理规划

方法在稳健设计中的应用,提出解决稳健设计的三个主要步骤,引入工程约束[14].

李泳鲜等人将三次设计与模糊数学相结合,提出了模糊设计方法,采用了信噪比

的模糊评判方法,解决了显著性检验中的跨水平问题,节省了计算量[15].朱学军,

王安麟等研究了基于灵敏度分析的机械稳健设计问题,把非稳态成法函数与遗传

算法相结合,探讨了求解多目标稳健设计有效解的优化方法[16].马忠义等研究了

如何确定多个质量指标整体波动的度量问题[17].何桢等人在精益六西格玛设计以

及管理方面也做了很多工作,他们通过产品设计优化各种方法的比较,发现概率

法是多响应设计中较好的方法,而六西格玛设计必然与概率有着联系.提出改进

满意度函数的方法来解决质量工程中的响应试验设计优化问题[18,19,20].李玉强等

人也对六西格玛概率设计方法进行了工程方面的研究,构造双响应面模型改进寻

优过程,并将六西格玛的概念与蒙特卡罗模拟技术相结合,构造了基于产品质量

工程的六西格玛概率优化设计方法[21]。

§1.4 存在的问题及改进

§1.4.1 目前研究存在的问题

目前的质量工程研究对优化设计流程，如田口玄一提出的三次设计法；消除

设计过程中的各种缺陷，如时域控制模型，容差多面体理论；关注顾客需求，如

质量功能展开，公理化设计等都在这方面做出了很大的贡献；降低质量成本，如

田口提出的质量损失函数以及由此延伸出来的很多理论将工程设计和经济管理

联系到一起，提出很多先进的设计方法和设计理论，可以有效的将市场和设计联

系起来，从而将质量主动设计到产品中去。但经过大量资料的查证和不少实践情

况，发现在质量提升和成本平衡方面仍有很大的改善空间。

根据 Suh 提出的设计公理可以看出[8]，常规产品或者服务的设计过程一般包

含三个阶段（图 1.1）：

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摘要：

I中文摘要六西格玛质量有两方面的含义：其一，最终产品或服务的关键质量特性必须满足顾客要求；其二，要避免缺陷，使其质量达到六西格玛水平。而缺陷的产生通常分为两种情况，一是不能准确理解或把握顾客需求而造成的概念设计方面的缺陷，二是由于制造过程中的环境变化，材料性能波动等引起的质量特性的不稳定。依据六西格玛质量两方面的含义，本文通过质量功能展开将顾客的需求转换为可以量化的关键质量特性，并对关键质量特性进行改善，使最终得到的关键质量特性可以高度满足顾客要求，旨在减少或消除第一类缺陷；然后利用容差设计优化设计变量和目标值，减少外界不稳定因素对产品质量特性的影响，进而减少或消除第二类缺陷。文章通过对质量损...

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