质量设计的主要方面

第二节　质量设计的主要方面

一、面向产品的质量设计与综合评价

设计的质量是先天性的。它对产品的技术水平、质量水平、成本水平和效益水平都有很大的影响。如果质量设计不好，质量功能不足或质量功能过剩，就谈不上质量效益问题。就机电产品而言，其寿命周期成本（包括制造成本和使用成本）在产品设计过程中就大体上确定了。从某种意义上说，产品设计质量的好坏直接关系产品市场竞争力的高低。一项优秀的产品设计，应该是技术、经济和艺术的有机结合。作为产品的用户，最为关心的问题主要是产品的质量、功能和产品的寿命周期成本。产品设计的核心，往往不是技术问题，而是经济问题。产品设计时，采用不同的技术方案或运用不同的设计方法都只是手段，而其最终目的，一是创造良好的社会效益；二是提高企业的经济效益。因此，立足于市场经济，更新传统的“技术标准型”质量设计观念，将质量成本效益观念贯穿于产品质量设计的全过程是非常必要的。

产品质量设计综合评价就是综合应用各种先进技术，在产品并行设计过程中，对影响产品设计质量的各个方面进行全方位、多阶段、多层次的全面评价。

产品质量设计综合评价体系可以分为五个方面：

1．技术性评价。从技术的角度来评价产品设计质量，主要包括产品方案评价、产品结构评价、产品性能评价和产品可制造性评价等。产品可制造性评价又可分为可加工性评价、可装配性评价、加工工艺评价等。

2．经济性评价。从经济的角度来评价产品设计质量，主要包括产品成本评价和生成率评价等，产品成本主要包括产品设计成本、加工成本、装配成本、维护成本、人力资本成本等。

3．生态环境评价。从产品设计制造对生态环境影响的角度来评价产品设计质量，主要包括制造产品过程中的噪声污染评价、水质污染评价和废物污染评价等。

4．市场／用户评价。从市场和用户的角度来评价产品设计质量，主要包括市场需求评价、用户需求、购买力和心理评价以及用户对所设计产品的反映（通过虚拟产品模型，即数字化产品模型将设计的产品展示给用户，用户会对此有所反映）评价。

5．效益／风险评价。从效益和风险的角度来评价产品设计质量，主要包括效益的大小与持续的时间评价和风险的大小、可能性、造成的后果评价。这方面的评价是根据上述四个方面的评价进行综合而作出的全面评价，这方面的评价是决定产品是否投入生产并投放市场的最终因素。

产品质量设计综合评价系统的主要功能包括：

1．实现评价规划。包括评价任务的规划与分解、评价指标的规划与分配、评价时间的规划、评价方法的选择与调用。

2．实现评价任务的求解，主要是产品设计质量评价指标的计算。

3．实现综合分析与评价，将各种评价子任务的求解结果进行综合分析与评价。在协同决策的控制下，通过平衡各项评价子任务的指标，甚至牺牲个别子任务的评价指标，来取得产品和过程设计的全局最优化。

4．将上述各项内容组织在一起，建立产品设计质量的综合评价模型SEM。SEM包括产品设计质量评价的各项子任务、各项子任务的评价指标、各项子任务的求解结果以及综合评价结果。

二、面向制造的质量设计（DFM：Design for Manufacturing）

采用DFM方法的主要目的是为了实现“设计为了制造”的意图。DFM是在产品的设计阶段就尽早地考虑与产品制造有关的约束（如可制造性）、全面评价产品和工艺设计，同时提供改进设计的反馈信息，在设计过程中完成可制造性检测，以使产品的结构合理、制造简单、装配性好，并实现全局优化，从而缩短产品的开发周期。因此，DFM方法的根本在于产品设计和工艺规划集成在一个共同的活动中。

DFM方法包括几个根本的、必不可少的工作，即在制造系统各个组成部分之间保持沟通联系和在产品实现的各个阶段能够保持设计调整和完善的柔性。DFM方法的目标是达到同一产品的概念，这一概念应便于装配和制造，并集成工艺设计和产品设计，确保产品尽可能好地达到质量功能设计要求。

到目前为止已经有许多不同的DFM提法，每一种提法有着各自不同的特点，并随着时代发展而得到不断的完善。①定期经验法主要包括公理法、DFM规则法、工艺驱动设计法、可制造性指标法等方法。②定量评估法主要包括定量评估法、价值工程法、田口法、FMEA等方法。③人工智能与先进的DFM方法主要包括神经网络法、计算机辅助设计DFM、成组技术法等方法。由于用它们建造的系统基于知识库，因此更具有智能型，所得到的结果与实际也更加吻合，所以它们是当今DFM研究的主流。

三、面向装配的质量设计（DFA：Design for Assembly）

DFA实施的主要目的是根据产品结构图和装配顺序实施对装配结构的分析、评价，对于设计提出改进建议，减少不必要的零件，优化零件结构，使其在保证功能／质量的前提下便于加工、便于装配，减少加工和装配的时间，为提高产品设计成本，提高产品的质量和可靠性，缩短产品的设计成本打下基础。

在DFA中，实用的装配顺序制定方法依赖装配人员手工和计算机辅助设计相结合采用图表分析，提高工作效率和准确性。但传统的图表分析型DFA虽然对改进产品的可装配性有显著作用，但其可视化程度较差。为弥补这一不足，产生出了一种装配仿真系统ASMLS（Assembly SiMuLation System），可在产品设计阶段生动直观地进行预装配，验证和改进产品的装配工艺。对于尚处在设计阶段的产品来说，可装配性好坏最直观的效果，莫过于在计算机上仿真产品的实际装配过程。利用计算机图形学和仿真技术实现这一虚拟的装配过程，就是产品的装配仿真。它能以可视化方式展示并改进产品的可装配性，从装配这一重要侧面反映产品的并行设计哲理。因此，装配仿真可以视作DFA研究的重要手段，以弥补传统的图表分析型DFA方法的不足，DFA的内涵也可借此得到丰富和发展。

装配仿真的研究进展，大体上可以分作两个层次：①装配过程的可视化手段和干涉检查工具。直观展示产品装配过程中零部件的运动形态和空间位置关系，并提供运动过程中的干涉检查和报警。②基于VR（虚拟现实）技术构造虚拟的产品装配环境。操作人员有身临其境的感觉，并能通过视觉、听觉和触觉来感知产品的装配过程和效果。

蒋新松研究员等领导的国家“863”高科技攻关项目——并行工程，结合国外并行工程研究与实施的成功经验，针对某产品研制定型和生产进展的主要瓶颈，建立了支持群组工作（teamwork）的集成框架。在设计阶段广泛地应用DFx支持技术，及早地考虑下游工作的可实现性，减少制造系统向上游设计的反馈，在关键环节设定信息预发布，尽早启动下游工作，有效地缩短产品开发周期，降低开发成本，提高产品质量。他们提出Boothroyd和Dewhurst等的面向装配的设计方法，是通过对大量装配过程的观察和根据操作人员的经验，得出的基于装配难易度的分析方法，可以从装配和制造的角度提供系统化再设计的自动建议机制。

面向装配设计的集成框架以并行设计的流程来组织产品设计，框架内的各模块在产品数据管理模块的统一管理和协调下，在详细设计的过程中，充分考虑并解决其他有关功能实现、制造工艺、制造成本等设计—制造中的细节问题，即设计的集成性。集成框架最大的优点是：将传统设计方法中设计—制造—再设计的大循环分解为设计环节中的若干个小循环，在每一个小循环内进行设计—检验—再设计的设计周期，完成该设计分析模块的功能，达到该设计分析模块的要求；同时，在集成框架的协调下，各模块间相互结合，形成一个规模较大的设计循环。在这个循环内，各模块通过相互评价，协调设计结果间的冲突，弥补单个模块设计结果中的错误和不足，使最终的设计结果能够满足各设计模块的共同要求，并充分考虑到设计—制造环节中面向装配的问题，大大提高设计的一次成功率，缩短设计—制造的周期，降低产品的综合成本。

四、面向成本的质量设计（DFC：Design for Cost）

面向成本的质量设计综合应用产品特征建模技术、制造工艺过程规划、装配工艺过程规划、DFAM理论与方法、价值工程分析方法、产品数据管理等技术与方法，以中国制造业的实际需要为背景，建立集成化的面向成本的设计方法，并开发了相应的原型系统。面向成本的设计方法的出发点是在产品设计阶段为设计者提供支持工具，使得设计者能够综合考虑产品生命周期中的加工制造、装配、检测、维护等多种成本因素；通过对产品技术经济性评价，设计者根据成本原因，及时进行设计修改，从而达到降低产品成本的目的。

随着数字化产品建模、成组技术、产品数据管理、CAD／CAPP／CAM、CAAPP（Computer Aided Assembly Process Planning）等相关技术的日趋成熟，在统一的数字化产品模型的支持下，在设计阶段综合考虑产品生命周期中的材料、加工、装配、维护等各种成本因素，建立可评价产品成本的集成设计系统（Design to Cost，DTC）已成为可能。