六西格玛设计-DFSS
   
    一、 前言
　　设计开发阶段的质量管理，如今日益受到人们的重视，质量管理向源头即设计开发阶段延伸，是社会生产力发展的需要，也是质量管理发展的必然趋势。
　　当前，社会生产力发展的特点是高技术产业的兴起和经济的全球化。
  随着我国产品出口量的不断增加，世界各地都可以看到中国制造的产品，在国际经济的发展中发挥着日益重要的作用。但是必须看到，我国目前的出口产品主要是附加值低的劳动力密集型产品。加入WTO后，我国企业直面世界优秀企业的挑战，要自立于世界民族之林，必须创造世界一流的优质产品。
  这就要求我们必须从产品质量形成的源头开始，强化设计质量管理。
　　根据ISO 9000：2000系列标准的要求，在设计阶段开展的质量管理工作，主要有设计和开发的策划、设计输入和设计输出的评审、设计资料的管理、图样文件管理制度、标准化管理、研制试验质量控制、采用FMEA进行风险分析等。
  这些都是基础的不可缺少的方法，但是还不够深入。由于产品的特殊性，长期以来，国防工业在产品研发阶段采取了比ISO 9000标准更严格的质量管理措施，例如严格的技术状态管理、研制阶段供应商质量保证(SQA)、计算机软件的质量管理、系统工程以及可靠性工程等。
  然而，这些方法对于创造世界一流的高附加值的优质产品仍然不够，必须贯彻实施更先进的适用于设计阶段的质量管理技术。本文重点介绍当前最先进的，创造最有竞争力优质产品质量的设计方法六西格玛设计(Design for Six Sigma?缩写为DFSS)。
  
　　二、六西格玛设计的产生和发展
　　六西格玛改进(DMAIC方法)，已在世界范围内获得了广泛的应用和巨大的成就。所谓六西格玛改进就是保持设计方案不变，对现有流程进行改进，使流程趋于“完美”。然而，通过DMAIC流程对产品质量的改进是有限度的，即便发挥DMAIC方法的最大潜力，产品的质量也不会超过设计的固有质量。
  据文献报道和国内已开展多年的实践，当改进使流程水平达到约四点八西格玛水平时，就再难以突破，这就是我们常说的所谓“五西格玛墙”。为了超越“五西格玛墙”，实现真正意义上的六西格玛质量，必须从源头开始，开展六西格玛设计DFSS。
　　从技术角度看，实际上六西格玛设计的思想及其核心技术自上世纪70年代就已开始发展了，只不过当时没有叫做六西格玛设计，而是叫做质量工程和健壮设计。
  质量是什么？是满足顾客需求的程度。顾客希望得到价廉物美的产品，要求供货及时。过去，质量工作者最大的困惑是没有办法解决产品质量、成本、进度三者之间的矛盾，而DFSS的目标恰恰是要同步实现提高质量、降低成本和缩短进度。为了实现价廉物美、供货及时和适销对路，必须深入分析顾客需求，将顾客需求逐层分解为设计、工艺和生产要求，在不提高零部件精度和元器件质量等级的前提下寻找参数的优化匹配，减少产品的质量波动，实现健壮设计。
  日本人在经济起飞时期所开发的质量功能展开、参数设计、容差设计、新QC七工具等技术，实际上就是最早出现的DFSS技术，并在当年日本汽车、家电进军美国和西欧市场的历程中，发挥了举足轻重的作用。上世纪80年代中期，美国人通过深入考查发现了日本人的这些“诀窍”，对此进行了研究并结合美国的优势技术如实验设计、系统工程、可靠性工程、面向制造和装配的设计等，进行集成并系统地提出了健壮设计的理论和方法，形成了比较完整的DFSS核心技术。
  
　　近年来，在美、英等先进工业国家，DFSS已成为质量管理新的发展方向。与六西格玛改进相类似，DFSS也包括流程、技术和管理等几个方面。DFSS的流程目前尚未统一，有DMADV流程，即定义、测量、分析、设计和验证；DMEDI流程，即定义、测量、研究、设计和实现；IDDOV流程，即识别、定义、研发、优化和验证等。
  DFSS技术工具方面，详见本文第4节。DFSS的部署和管理，包括管理承诺、项目团队、黑带绿带的组织结构、有效沟通、教育培训、绩效考核、文化建设等方面，可以借鉴六西格玛改进DMAIC的部署和管理，结合设计阶段的特点加以贯彻实施。关于国外DFSS的主要文献，见?1－3。
  
　　我国在健壮设计技术的研究和应用方面，也已走过了20多年的历程。上世纪70年代末，航空工业开展了推广应用实验设计技术的活动；80－90年代，国防工业和机械工业推广应用参数设计和容差设计技术，取得了几百项应用成果；1990年，笔者结束了在美国3年的研修回国，向国内引进了健壮设计的总体框架和质量功能展开技术，至今已推广应用了15年，完成了30余项案例研究；1998年，笔者又向国内引进了TRIZ技术。
  1999年，我国已出版包括DFSS主要技术的《设计质量工程》一书?4；2002年，我国出版了笔者主编的包括几乎所有DFSS技术的《健壮设计手册》一书?5，该书在技术内容的深度和广度方面，与2003年出版的当前DFSS领域的代表作，美国Kai Yang教授的《Design for Six Sigma》一书?1很接近，各有千秋。
  自2002年以来，我们在DFSS的程序和管理方面，也进行了大量的研究和实践。2004年7月，我国出版了马林主编的《六西格玛管理》?6一书，笔者撰写了该书的第10章，对DFSS作了系统、完整的阐述。
　　三、六西格玛设计的流程
　　我们经过分析比较，在IDDOV流程的基础上结合长期的设计经验和中国的国情进行补充、改造和完善，形成了如表1所示的详尽的六西格玛设计流程。
  请注意，我们IDDOV流程的第三阶段是设计(Design)而不是研发(Develop)。
　　六西格玛设计IDDOV流程是一整套不同于常规设计的方法，它以顾客需求为导向，以质量功能展开(QFD)为纽带，深入分析和展开顾客需求，综合应用系统设计(包括TRIZ)、实验设计、参数设计、容差设计以及面向X的设计、FMEA等设计分析技术，从而大跨度地提高产品的固有质量，更好地满足顾客的需求。
  六西格玛设计还体现了激发创新能力、加快创新速度、预防为主等思想理念。
　　四、六西格玛设计的主要工具
　　我们把DFSS的主要技术工具，整合为需求分析、系统设计、稳定性优化设计、面向X的设计、适用的可靠性工程和设计验证等六大部分，见图2中的实线方框及流程。
  图中的虚线框，表示DFSS的相关技术。DFSS技术与IDDOV五个阶段的对应关系，也见图2所示。需要强调的是，IDDOV五个阶段有先后的次序，但不是串行关系；在实施中必须贯彻并行工程，在产品研发的初期就要面向市场和顾客，考虑和着手解决产品全寿命周期中可能遇到的所有问题；每个阶段都要面向后续阶段开展研发；在不同的阶段之间需要有一定的重叠，验证阶段应当是对研发全过程的分阶段的验证。
  贯彻并行工程，有利于缩短周期、提高质量、降低成本，实现质量、成本、进度的三位一体化。
　　(一)质量功能展开(QFD)
　　QFD是开展DFSS必须应用的最重要的方法之一。为了保证设计目标值与顾客的要求完全一致，质量特性的规格限为顾客所接受，在DFSS的第一步识别(I)阶段就要采用QFD方法分析和确定顾客的需求(设计目标值)，并初步确定质量特性的规格限。
  在定义(D)阶段，需要应用QFD技术将顾客的需求科学地转化为产品和过程的设计要求，并确定关键质量特性CTQ、关键过程特性CTP和瓶颈技术。在产品设计(D)和优化(O)阶段，QFD也可以发挥其辅助的作用。
　　(二)系统设计
　　系统设计?System Design，在DFSS中有着十分重要的作用。
  在顾客需求明确以后，如何确定技术含量高、适应性强、结果简明、效费比高的产品总体设计方案，将从根本上决定产品的质量和未来的市场表现，也将直接影响企业经营的成败。
　　近年来，在质量学界的不懈努力下，人们对系统设计的过程及其一般规律有了深入的理解，提出了一些新的方法，主要有西欧流派的理论、公理性设计原则、解决创造性问题的理论(TRIZ)，以及自顶向下的设计方法等。
  笔者从产品方案总体设计的实际需求出发，首次提出了自顶向下的设计为主线，结合应用TRIZ和公理性设计原则完整的可操作的系统设计方法。系统设计适用于定义(D)和设计(D)阶段。
　　(三)稳定性优化设计
　　稳定性优化设计，包括实验设计、参数设计、容差设计和数字仿真等方法。
  
　　参数设计?Parameter Design是在系统设计之后进行的。参数设计的基本思想，是通过选择系统中所有参数?包括原材料、零件、元件等的最佳水平组合，尽量减少外部、内部和产品间三种干扰的影响，使所设计的产品质量特性波动小，稳定性好。
  另外，在参数设计阶段，一般选用能满足使用环境条件的最低质量等级的元件和性价比高的加工精度来进行设计，使产品的质量和成本两方面均得到改善。参数设计主要适用于优化(O)阶段。
　　容差设计?Tolerance Design在完成系统设计和参数设计，确定了可控因素的最佳水平组合后进行。
  此时，各元件的质量等级较低，参数波动范围较宽。容差设计的基本思想如下：根据各参数的波动对产品质量特性贡献?影响的大小，从经济性角度考虑有无必要对影响较大的参数给予较小的容差?例如用较高质量等级的元件替代较低质量等级的元件。这样做，一方面可以进一步减少质量特性的波动，提高产品的稳定性，减少质量损失；另一方面，由于提高了元件的质量等级，也会使产品的成本有所提高。
  因此，要权衡两者的利弊得失，采取最佳决策。容差设计主要适用于优化(O)阶段。
　　(四)面向X的设计(DFX)
　　顾客对于产品全寿命周期内的特性，例如可靠性、寿命、使用维护、保修期、备件耗材的保障、不污染环境、全寿命周期的费用等，均有明示的或隐含的要求。
  产品质量特性的实现和成本的形成，也受到结构设计方案以外的许多因素，如工艺、制造、装配、检验、使用维护、保障服务、研制周期、成本控制等的影响和制约。因此，为了在产品全寿命周期内增强顾客满意，必须针对有关的各种要素X，进行面向X族的设计(DFX)。
  所谓DFX，本质上就是面向产品全寿命周期的设计。DFX技术主要适用于定义(D)、设计(D)和优化(O)阶段。
　　(五)适用的可靠性工程技术
　　产品性能长期稳定可靠，使用方便安全，即便出现故障也能迅速、方便地维修，这是顾客的需求。笔者精心选择了一组适用的可靠性工程技术，主要包括可靠性指标分配、预计，可靠性维修性设计准则、FMEA和FTA分析，风险分析，全寿命周期费用分析，故障报告、分析和纠正措施系统(FRACAS)等，并将其集成到DFSS的工具箱中。
  
　　(六)DFSS验证技术
　　主要包括设计评审、小子样SPC、仿真试验、双V试验、可靠性试验、寿命试验、鉴定试验、DFSS记分卡等。应用设计验证技术在DFSS的D、D、O三个阶段进行设计效果的验证，以确保产品的研制质量达到预期的目标。
  
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