羅潤

（中航西飛，陜西 西安710089）

1 引言

穩(wěn)健設(shè)計（robust design）是一種以顧客需求為牽引，以產(chǎn)品設(shè)計為重點，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，降低成本并縮短研制周期的設(shè)計技術(shù)方法，能使所設(shè)計的性能對于制造過程的波動以及對使用過程、工作環(huán)境（包括維護(hù)、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(tǒng)仍能在其壽命周期期間以可接受的狀態(tài)繼續(xù)工作。

穩(wěn)健設(shè)計是在日本田口三次設(shè)計以及試驗設(shè)計、質(zhì)量功能展開等方法基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展完善的一套新的優(yōu)化設(shè)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(wěn)健設(shè)計所要達(dá)到的目標(biāo)。任何方法，只要能滿足穩(wěn)健設(shè)計的要求，都可以成為穩(wěn)健設(shè)計方法體系中的一個組成部分。

當(dāng)前穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)方法包括質(zhì)量功能展開（QFD）、系統(tǒng)設(shè)計、方差分析與回歸分析、試驗設(shè)計、靜態(tài)特性參數(shù)設(shè)計、靜態(tài)特性容差設(shè)計、動態(tài)特性參數(shù)設(shè)計、FMEA 和FTA分析、可靠性度量和評估、參數(shù)設(shè)計與容差設(shè)計以及QC 七工具等技術(shù)方法。

2 QFD、TRIZ、DOE 產(chǎn)品設(shè)計方法

在產(chǎn)品設(shè)計過程中，可以將QFD、TRIZ、DOE 方法結(jié)合起來，首先，用QFD 方法分析產(chǎn)品的設(shè)計目標(biāo)，其次，用TRIZ 的原理和理論解決設(shè)計過程中的矛盾和沖突，最后，用DOE 方法得到產(chǎn)品最優(yōu)參數(shù)組合。

2.1 QFD 方法

質(zhì)量功能展開（Quality Function Deployment，QFD）是把顧客（用戶、使用方）對產(chǎn)品的需求進(jìn)行多層次的演繹分析，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的設(shè)計要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求的質(zhì)量工程工具，用來指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計和質(zhì)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(shè)計、生產(chǎn)充分滿足顧客需求的產(chǎn)品和服務(wù)。隨后，該技術(shù)在美國得到進(jìn)一步發(fā)展，并在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

2.2 TRIZ 方法

TRIZ 是“發(fā)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(shù)問題，產(chǎn)生創(chuàng)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(chǎn)品進(jìn)行全面分析并且識別出關(guān)鍵問題。②問題解決。重點是將識別階段識別出來的關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)化為TRIZ的40個發(fā)明理論、39 個通用技術(shù)參數(shù)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(zhuǎn)化為具體的解決方案（創(chuàng)意）。③概念驗證。重點是權(quán)衡技術(shù)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(yōu)化寶貴的資源和時間。

2.3 DOE 方法

試驗設(shè)計是數(shù)學(xué)中數(shù)理統(tǒng)計的一個分支，專門研究如何選用試驗樣品的數(shù)量，減少試驗次數(shù)和找出最優(yōu)結(jié)果的方法。試驗設(shè)計的方法很多，如均勻設(shè)計、正交設(shè)計、因子設(shè)計、部分因子設(shè)計、響應(yīng)曲面設(shè)計、回歸正交設(shè)計、正交均勻設(shè)計、拉丁方設(shè)計、正交拉丁方設(shè)計、區(qū)組試驗設(shè)計、分批正交設(shè)計、套設(shè)計或分級設(shè)計、信噪比設(shè)計等。在隨機(jī)試驗法中最常用的是正交試驗設(shè)計（簡稱正交設(shè)計），它主要利用現(xiàn)成的規(guī)格化的表格——正交表來科學(xué)地挑選試驗條件，合理地安排試驗方案和分析試驗結(jié)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(qiáng)的少數(shù)幾個試驗，獲得最好的或較好的試驗條件或生產(chǎn)工藝。

3 應(yīng)用實例（某型機(jī)油箱容量測量）

飛機(jī)燃油箱是一種大型容器，其質(zhì)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(zhì)量，計算后獲得油箱體積。由于質(zhì)量太大，測量不易，所以，某企業(yè)擬生產(chǎn)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(jī)構(gòu)的驅(qū)動下，激光測距頭可以以支撐立桿為軸水平方向旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)一周測得立桿軸向中央點到容器水平斷層內(nèi)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(nèi)高H。每兩個斷層之間的邊緣以數(shù)學(xué)公式輔以經(jīng)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(chǎn)品，首先利用QFD 方法確定關(guān)鍵技術(shù)要素。用戶的需求很明顯，即短時間內(nèi)，獲得較為準(zhǔn)確的油箱容積值，而且設(shè)備應(yīng)易于操作。而測量設(shè)備設(shè)計的主要參數(shù)包括機(jī)構(gòu)復(fù)雜度、測距頭精度和擬合計算的準(zhǔn)確率三項。基于這種考慮對此展開一級質(zhì)量屋分析，如圖2 所示。

圖2 QFD 一級質(zhì)量屋分析圖

經(jīng)過簡單的計算，機(jī)構(gòu)復(fù)雜度的重要度為31，測距頭精度的重要度為69，擬合計算準(zhǔn)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(guān)注的工程技術(shù)措施。而影響測距頭精度的主要因素為水平轉(zhuǎn)動速度和上下移動速度。由于測量設(shè)備存在精密機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，測距頭水平轉(zhuǎn)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(xiàn)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(fù)雜，導(dǎo)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(shù)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(shù)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(fā)明原理，以期從中得到啟發(fā)。同時，還可以使用沖突矩陣，更加準(zhǔn)確地定位解決方法。

第一步，描述技術(shù)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(xiàn)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(shù)描述技術(shù)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(shù)參數(shù)，可以形成該問題的技術(shù)沖突描述：要改善的工程參數(shù)為參數(shù)9（速度），造成惡化的工程參數(shù)為參數(shù)28（測量精度），即工程參數(shù)9 與工程參數(shù)28 沖突。

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

第四步，查看4 條發(fā)明原理的解釋。

發(fā)明原理28：機(jī)械系統(tǒng)替代。其解釋為用視覺、聽覺、嗅覺系統(tǒng)代替機(jī)械系統(tǒng)；使用與物體相互作用的電場、磁場及電磁場；用動態(tài)場替代靜態(tài)場，用確定場替代隨機(jī)場；將場和鐵磁粒子組合使用。

發(fā)明原理32：改變顏色。其解釋為改變物體或環(huán)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(fā)光軌跡線追蹤物質(zhì)。

發(fā)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(fā)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(jié)合。

第五步，逐一分析查到的發(fā)明原理，以期得到啟示。

根據(jù)發(fā)明原理28（機(jī)械系統(tǒng)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(xiàn)用方法。但這些方法現(xiàn)對于現(xiàn)在討論的技術(shù)系統(tǒng)是全新的方法，可能受成本、工期或企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)能力、工裝工具等的制約，不能在短時間內(nèi)以低成本實現(xiàn)。因而暫時不考慮。

根據(jù)發(fā)明原理32（改變顏色），沒有什么好的方法，放棄此條原理。

根據(jù)發(fā)明原理1（分割）獲得啟發(fā)，形成以下2 個方案：

方案1：水平分割。將現(xiàn)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(zhuǎn)。這樣，以前轉(zhuǎn)頭需要旋轉(zhuǎn)360°才能完成一個斷層測量，現(xiàn)在每個轉(zhuǎn)頭只需旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)射和測量電路，且僅使用一只接受傳感器，這樣，設(shè)備僅僅是增加了N個激光發(fā)射管，系統(tǒng)的復(fù)雜程度未大幅提升。

此外，根據(jù)發(fā)明原理24（借助中介物），獲得啟發(fā)，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(nèi)，向塑料袋內(nèi)充入空氣，用氣流表測量被測容器內(nèi)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(dāng)然，用TRIZ 方法獲得的方案需要進(jìn)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(shù)。假定方案1 和方案2 試驗涉及的試驗因素為技術(shù)復(fù)雜度、測距頭數(shù)量和所需經(jīng)費，且這3 個試驗因素的位級都取2 位，即技術(shù)復(fù)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(jīng)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(jìn)行試驗，測定試驗結(jié)果并進(jìn)行分析，可得到方案1 的最佳參數(shù)。同理，可以得出方案2 的最佳參數(shù)。同理，將方案3 的試驗因素分為塑料袋質(zhì)量、氣流表精度、所需經(jīng)費3 種，受技術(shù)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(jié)果并進(jìn)行分析，可得出方案3 的最佳參數(shù)。

表1 正交表

按得出的最優(yōu)參數(shù)組合生產(chǎn)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(jìn)行評估，可得出最優(yōu)設(shè)計方案。

4 結(jié)論

本文分析了QFD、TRIZ 和DOE 方法的優(yōu)缺點及其應(yīng)用范圍，提出了綜合應(yīng)用QFD、TRIZ、DOE 方法這一系統(tǒng)的、全局性輔助產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的方法。QFD 將顧客需求分析轉(zhuǎn)化為各階段參數(shù)特性，貫穿產(chǎn)品設(shè)計始末；TRIZ 作為解決各種沖突的工具，應(yīng)用由始至終；DOE 輔助試驗設(shè)計，提供參數(shù)優(yōu)化組合。最后以某型機(jī)燃油箱容積的測量為例簡單介紹了該方法的應(yīng)用過程，具有一定的工程指導(dǎo)意義。