QFD、TRIZ、田口方法與汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)
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20世紀(jì)80年代以后，許多跨國公司逐步認(rèn)識到產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量創(chuàng)新在產(chǎn)品全生命周期中的重要地位，把許多新技術(shù)，新理論和新方法，如：質(zhì)量功能展開(quality function deployment)，解決創(chuàng)造問題的理論(theory of inventive problem Solving)和田口方法(Taguchi method)，相繼應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)／設(shè)計(jì)階段，合理有效地利用它們實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的管理，從而使企業(yè)不斷開發(fā)和生產(chǎn)出滿足顧客呼聲，價(jià)格低、質(zhì)量好和有創(chuàng)新的產(chǎn)品。美國供應(yīng)商協(xié)會(huì)(ASI)已經(jīng)把這三種方法的結(jié)合稱之為
六西格瑪設(shè)計(jì)(Design for Six Sigma，DFSS)，并介紹給世界500強(qiáng)企業(yè)，使他們在應(yīng)用中開闊了視野，并把三種方法用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新中，取得了豐碩的成果，亦成為他們贏得競爭優(yōu)勢的核心技術(shù)之一。
美國供應(yīng)商協(xié)會(huì)(ASI)行政副主席蘇比·喬杜里先生曾提出，企業(yè)僅通過采用DMAIC來實(shí)現(xiàn)六西格瑪，所能取得的成果是有限的。如果一個(gè)組織希望自己的效率能更上一層樓，它就必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段采取六西格瑪設(shè)計(jì)方法。
在六西格瑪設(shè)計(jì)中，如何將顧客呼聲轉(zhuǎn)化為可客觀衡量的工程指標(biāo)是一個(gè)穩(wěn)健(Robustness)設(shè)計(jì)所必須具備的重要特征。在目前的設(shè)計(jì)理論中，質(zhì)量功能展開可以解決做什么(to do what)的問題，發(fā)明問題解決理論(TRIZ)可以解決怎么做(How to do)的問題，田口方法可以解決怎么做到最優(yōu)(Optimal result)的問題。如果將三者有機(jī)結(jié)合，將成為六西格瑪設(shè)計(jì)強(qiáng)有力的支持工具。
一、背景介紹
(一)六西格瑪設(shè)計(jì)(DFSS)
六西格瑪設(shè)計(jì)就是按照合理的流程，運(yùn)用科學(xué)的方法準(zhǔn)確地理解和把握顧客呼聲，對新產(chǎn)品／新技術(shù)／新流程進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品／技術(shù)／流程在低成本的情況下，對造成變化的因素(制造環(huán)境或用戶環(huán)境)的敏感度最小化，從而實(shí)現(xiàn)六西格瑪質(zhì)量水平。六西格瑪設(shè)計(jì)在提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的同時(shí)，會(huì)降低成本及縮短開發(fā)周期，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
(二)質(zhì)量功能展開(QFD)
質(zhì)量功能展開作為一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法于20世紀(jì)70年代誕生之后。豐田汽車公司成功地運(yùn)用該方法于汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，取得了巨大成功，并迅速占領(lǐng)國際市場。美國為爭回被日本占領(lǐng)的市場，于1984年開始使用QFD方法進(jìn)行質(zhì)量分析，不僅縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高了用戶滿意程度，降低了成本，還為克服美國企業(yè)嚴(yán)重的部門本位化、復(fù)雜化的痼疾做出了貢獻(xiàn)。
關(guān)于QFD的定義有三種不同的模式，有綜合QFD模式、ASI的四階段模式，GOAL／QPC矩陣模式。其中，以ASI的四階段模式應(yīng)用最為廣泛。ASI的創(chuàng)始人Sulliven認(rèn)為：“QFD作為一個(gè)總體概念，它提供了一種方法，通過這種方法，可以在產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的每個(gè)階段把顧客呼聲轉(zhuǎn)變?yōu)檫m當(dāng)?shù)墓こ讨笜?biāo)。”
QFD是通過質(zhì)量屋(Hou se of Quality，HOQ)來有效規(guī)劃產(chǎn)品設(shè)計(jì)的，采用階段模式分解，建立客戶呼聲和工程指標(biāo)之間的關(guān)系，支持設(shè)計(jì)及制造的全過程。HOQ僅僅反映了顧客呼聲與工程指標(biāo)之間的關(guān)系，為了進(jìn)一步把顧客呼聲展開到產(chǎn)品或生產(chǎn)開發(fā)的全過程中，QFD還應(yīng)包括其他矩陣，如設(shè)計(jì)規(guī)劃、制造過程規(guī)劃、生產(chǎn)規(guī)劃矩陣等(圖1)，即John R．Hauser和Don Clausing提出的QFD四階段過程。該過程把產(chǎn)品開發(fā)過程中的顧客呼聲、產(chǎn)品及零件設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)及制造聯(lián)系在一起，反映了產(chǎn)品從開發(fā)、設(shè)計(jì)到制造的全過程。
QFD包含兩個(gè)要素：質(zhì)量展開(quality deployment)和功能展開(function deployment)。質(zhì)量展開即把顧客呼聲融入到設(shè)計(jì)過程中去，保證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與顧客呼聲相一致。功能展開是通過成立跨功能小組——QFD小組，把不同職能部門結(jié)合到從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造的各個(gè)階段中，促進(jìn)小組成員的溝通。
(三)發(fā)明問題解決理論(TRIZ)
TRIZ是前蘇聯(lián)Genrich Altshuller為代表的一批研究人員，經(jīng)過50年時(shí)間總結(jié)歸納出的解決創(chuàng)造問題的理論，它幾乎可以被用在產(chǎn)品各個(gè)生命周期的各個(gè)階段。它與開發(fā)高質(zhì)量產(chǎn)品、獲得高效益、擴(kuò)大市場、創(chuàng)新產(chǎn)品、分析產(chǎn)品失效、保護(hù)自主知識產(chǎn)權(quán)以及研發(fā)下一代產(chǎn)品等都有十分密切的聯(lián)系。
TRIZ主要包括：矛盾矩陣(Contradiction Matrix)；分離原理，創(chuàng)新等級，技術(shù)系統(tǒng)演化階段，物、場分析與76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，理想法則與理想化的最后結(jié)果(Ideal Final Result)，系統(tǒng)中的資源分析，科學(xué)與技術(shù)的效應(yīng)(Effects)，發(fā)明問題解決算法(ARIZ)。
在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，矛盾矩陣，分離原理和物一場分析是經(jīng)常用到的方法，它們?yōu)楣こ處熖峁┝肆硪环N分析，解決問題的思路。
(四)田口方法
田口方法(Taguchi method)主要包括線內(nèi)質(zhì)量控制和線外質(zhì)量控制。線內(nèi)(online)質(zhì)量控制主要研究生產(chǎn)現(xiàn)場中有關(guān)質(zhì)量控制的技術(shù)，包括工序的診斷與調(diào)節(jié)、預(yù)防維修方式的設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的檢驗(yàn)與處理等內(nèi)容。線外(offline)質(zhì)量控制主要研究在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)階段使產(chǎn)品質(zhì)量好、成本低、功能穩(wěn)定可靠的質(zhì)量控制方法。田口博士把產(chǎn)品設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)三個(gè)階段，也稱為三次設(shè)計(jì)。
三次設(shè)計(jì)的核心是參數(shù)設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)計(jì)的目的是通過選擇設(shè)計(jì)參數(shù)、確定實(shí)驗(yàn)方案，以信噪比(S／N ratio)為分析指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)減小目標(biāo)值的變異，即減小噪音因子對目標(biāo)值的影響，增強(qiáng)產(chǎn)品的穩(wěn)健性，保證研發(fā)產(chǎn)品具有先行性、通用性和再現(xiàn)性。
二、六西格瑪設(shè)計(jì)——QFD、TRIZ和田口方法的結(jié)合
在產(chǎn)品研發(fā)過程中，沒有QFD就會(huì)失去設(shè)計(jì)的方向和目標(biāo)，即脫離了顧客和市場。但是，從QFD中找不到瓶頸工程和最優(yōu)化方案。瓶頸工程可以透過TRIZ所產(chǎn)生的各種解決矛盾，沖突的設(shè)計(jì)方案加以克服，而且更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新。雖然TRIZ能提供創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方案，但是在具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)選擇等方面存在著不足，田口方法恰好能彌補(bǔ)TRIZ的不足。通過田口方法的應(yīng)用，可以得到穩(wěn)健的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)組合。同時(shí)，通過TRIZ的應(yīng)用，還可以彌補(bǔ)田口方法不能消除矛盾／沖突的缺陷。因此，QFD，TRIZ和田口方法的結(jié)合，對達(dá)到六西格瑪設(shè)計(jì)要求具有重要的意義和指導(dǎo)作用。
下面以汽車安全氣囊優(yōu)化為例，闡述QFD、TRIZ和田口方法的綜合應(yīng)用。
(一)QFD和TRIZ結(jié)合
在六西格瑪設(shè)計(jì)過程中，需要將客戶呼聲轉(zhuǎn)換為工程師可以理解和操作的工程指標(biāo)。工程指標(biāo)之間是相互關(guān)聯(lián)的，某一工程指標(biāo)的變化可能影響到其它工程指標(biāo)的變化。這種變化有三種，分為正相關(guān)(工程指標(biāo)對，向相同方向變化)、不相關(guān)和負(fù)相關(guān)(工程指標(biāo)對，向相反方向變化)。而對于負(fù)相關(guān)而言，是指當(dāng)試圖提高系統(tǒng)的某個(gè)工程指標(biāo)時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)另一個(gè)工程指標(biāo)的惡化，它恰巧對應(yīng)TRIZ理論中技術(shù)矛盾的定義。不難看出，工程指標(biāo)之間的負(fù)相關(guān)，其本質(zhì)就是存在產(chǎn)品內(nèi)的技術(shù)矛盾，可直接用TRIZ技術(shù)矛盾解決原理來解決。
QFD可以用于確定設(shè)計(jì)沖突。在本例中，汽車發(fā)生碰撞，碰撞傳感器接收信號，氣體發(fā)生器開始充氣。充氣速度越快，氣囊越早保護(hù)乘客不至于撞到方向盤、擋風(fēng)玻璃和前座椅上。但是，如果氣囊充氣太快，又會(huì)使氣囊過于堅(jiān)硬，類似剛體，因而傷及乘客。這里，氣囊充氣速度和氣囊堅(jiān)硬度之間就是負(fù)相關(guān)，轉(zhuǎn)換為TRIZ的技術(shù)矛盾對就是運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間和有害方的影響(圖2)。由TRIZ的矛盾矩陣可以得到解決問題的思路：
(21)減少有害作用時(shí)間；
(39)惰性環(huán)境；
(16)未達(dá)到或超過的作用；
(22)變害為利。
工程師根據(jù)創(chuàng)新原理和所要解決問題的特定條件，進(jìn)一步具體細(xì)化，最后提出解決問題的具體方法：利用減少有害作用時(shí)間，調(diào)整氣囊膨脹速度和氣囊堅(jiān)硬度，當(dāng)氣囊完全膨脹后，才會(huì)出現(xiàn)乘客與之碰撞的可能，于是在氣囊側(cè)面開孔眼，這樣就達(dá)到在乘客和氣囊相互作用過程中自行調(diào)整氣囊堅(jiān)硬度的目的，減輕對乘客的傷害。
TRIZ主要是解決設(shè)計(jì)中如何做的問題(How)，對設(shè)計(jì)中做什么的問題未能給出合適的工具。大量的工程實(shí)例表明，TRIZ的出發(fā)點(diǎn)是借助于經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的矛盾，矛盾發(fā)現(xiàn)的過程也是通過對問題的定性描述來完成的。QFD恰恰能解決做什么的問題。所以，將兩者有機(jī)地結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，將更有助于產(chǎn)品創(chuàng)新。
(二)QFD與田口方法的結(jié)合
田口方法中，與設(shè)計(jì)緊密相關(guān)的是線外質(zhì)量控制，而三次設(shè)計(jì)又是主體。三次設(shè)計(jì)思想幾乎涵蓋了產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)階段，與質(zhì)量功能展開在設(shè)計(jì)過程中的功能有許多相似和交互的地方。不斷變化的顧客呼聲使得那些當(dāng)初根據(jù)顧客期望設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在投入市場不久可能就被顧客所淘汰。因此，如何保證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不受顧客呼聲變化的影響成為工程師必須面對的問題。田口的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)設(shè)計(jì)能夠幫助解決這個(gè)難題。田口方法的目標(biāo)就是設(shè)計(jì)出對噪音因子不敏感的產(chǎn)品，如果將變化的顧客呼聲作為噪音因子，則設(shè)計(jì)出的工程指標(biāo)目標(biāo)值就可以做到對這種噪音不敏感，從而保證了設(shè)計(jì)工作的有效性。一方面，田口的參數(shù)設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于質(zhì)量屋的相關(guān)分析，另一方面，田口方法的著眼點(diǎn)在工程設(shè)計(jì)，對顧客的要求考慮很少，而QFD是這一缺點(diǎn)的有力彌補(bǔ)措施。
在氣囊案例中，我們已經(jīng)確定解決問題的方法了，具體怎么做呢?氣體發(fā)生器充氣壓力是多少，泄氣孔的個(gè)數(shù)和位置，氣袋的材料，氣袋折疊方式等參數(shù)如何設(shè)計(jì)，這些都可以用田口方法找到它們的最優(yōu)組合(圖3)。列出工程師可更改的設(shè)計(jì)參數(shù)及變化水平，氣袋系統(tǒng)可能遇到的噪音因子及變化水平。對設(shè)計(jì)參數(shù)采用正交列表安排試驗(yàn)，對噪音因子采用組合策略。然后計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)不同水平的各種組合在噪音因子影響下的信噪比和輸出平均值，繪出信噪比和平均值的點(diǎn)圖，找出設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)化組合。
在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)過程中，可以把QFD中的工程指標(biāo)之間的相互關(guān)系與TRIZ的矛盾矩陣聯(lián)系起來，解決工程指標(biāo)之間的矛盾，得到滿足顧客呼聲的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。然后，利用田口方法對創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得參數(shù)最優(yōu)組合，從而使開發(fā)出的產(chǎn)品滿足顧客要求、體現(xiàn)創(chuàng)新且物美價(jià)廉。將QFD、TRIZ和田口方法融為一體(圖4)，用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量控制，充分體現(xiàn)了質(zhì)量控制中的源流管理思想、創(chuàng)新思想和以顧客為中心的思想，達(dá)到六西格瑪設(shè)計(jì)的目的。
三、結(jié)論
在21世紀(jì)，無論是汽車行業(yè)，還是其他行業(yè)，企業(yè)要滿足顧客呼聲、開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品，擁有足夠的市場份額、獲取更多的利潤，保持競爭優(yōu)勢，就必須學(xué)習(xí)和掌握先進(jìn)的技術(shù)、理論和方法并應(yīng)用于產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段，尤其是產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)階段，因?yàn)橹辽?0％的產(chǎn)品質(zhì)量是在這個(gè)階段決定的。
QFD、TRIZ和田口方法組成了六西格瑪設(shè)計(jì)的重要部分，是一個(gè)強(qiáng)大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量控制工具，因此，企業(yè)、研發(fā)人員、工程師和管理人員等需要學(xué)習(xí)、了解和掌握這一工具，并應(yīng)用于實(shí)際工作中。
六西格瑪設(shè)計(jì)的實(shí)施還應(yīng)與企業(yè)文化相適應(yīng)，應(yīng)該在遵循基本方法的基礎(chǔ)上，對應(yīng)用過程做適當(dāng)?shù)母淖儯赃m應(yīng)本國、本企業(yè)文化。六西格瑪設(shè)計(jì)的實(shí)施不僅僅局限于某幾個(gè)項(xiàng)目，而應(yīng)努力做到把它的思想和效果由一個(gè)成功的項(xiàng)目擴(kuò)散到整個(gè)組織中去，成為企業(yè)工作方式的一部分。