QFD與正交試驗混合方法在大批量定制中的應(yīng)用研究

吳新麗 李仁旺 張思榮 徐 興,3 羅 昊

1.浙江理工大學(xué),杭州,310018 2.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,杭州,310008 3.浙江科技學(xué)院,杭州,310023

QFD與正交試驗混合方法在大批量定制中的應(yīng)用研究

吳新麗1李仁旺1張思榮2徐 興1,3羅 昊1

1.浙江理工大學(xué),杭州,310018 2.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,杭州,310008 3.浙江科技學(xué)院,杭州,310023

提出了一種將QFD與正交試驗設(shè)計相結(jié)合的新型混合方法,并將該方法用于大批量定制的產(chǎn)品設(shè)計過程,目的是將大批量定制產(chǎn)品的顧客個性化需求更準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)。首先將系列產(chǎn)品根據(jù)設(shè)計進(jìn)程劃分出定制零部件族,從中選取受顧客需求影響較大的敏感零部件進(jìn)行QFD分析設(shè)計,然后利用正交試驗設(shè)計中的信噪比分析確定QFD中的關(guān)聯(lián)關(guān)系,得到與某項顧客需求所對應(yīng)的工程技術(shù)特性的參數(shù)組合,使得設(shè)計的產(chǎn)品具有令顧客滿意的穩(wěn)健性能。最后以某客車公司的車門開發(fā)設(shè)計為實例進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

大批量定制;質(zhì)量功能配置;正交試驗設(shè)計;質(zhì)量屋

0 引言

大批量定制是一種面向21世紀(jì)的新型生產(chǎn)模式,它以顧客個性化的需求為前提與大批量生產(chǎn)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合,這就要求企業(yè),必須以比同行更快的交貨期、更低的成本、更好的質(zhì)量和更完善的服務(wù)去響應(yīng)用戶的需求,滿足顧客的個性化需求[1]。質(zhì)量功能配置(quality function dep loym ent,QFD)是在產(chǎn)品設(shè)計過程中,從顧客的需求出發(fā),采用一定的規(guī)范化方式將顧客的需求特性轉(zhuǎn)化為一系列工程技術(shù)特性的方法。質(zhì)量屋工具強(qiáng)調(diào)將顧客需求明確轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)、工藝、制造、裝配等過程中的各項信息[2]。

面向大批量定制產(chǎn)品設(shè)計的一個重要特征是:產(chǎn)品的設(shè)計針對系列產(chǎn)品,即在同一時間段,設(shè)計的產(chǎn)品零部件數(shù)量龐大,顧客的需求極其多樣化,但設(shè)計時間卻有限,鑒于設(shè)計工作量及設(shè)計人員與顧客溝通的機(jī)會不充足等,有可能會與顧客的真正需求有所區(qū)別,為使產(chǎn)品設(shè)計對顧客需求具有更高的適應(yīng)性,即能更好地將顧客需求融入到產(chǎn)品的設(shè)計過程中,本文提出一種QFD與正交試驗設(shè)計相結(jié)合的新型混合方法。首先通過大批量產(chǎn)品的設(shè)計進(jìn)程區(qū)分出定制零部件族,然后將由市場調(diào)查等方式獲得的顧客需求進(jìn)行歸一化處理,通過工程技術(shù)的映射關(guān)系選出受顧客需求影響較大的敏感零部件作為研究對象,運用QFD分析,建立敏感零部件的質(zhì)量屋設(shè)計系統(tǒng),結(jié)合正交試驗設(shè)計方法中的信噪比分析確定質(zhì)量屋中顧客需求與工程技術(shù)特性的相關(guān)關(guān)系,使獲得的設(shè)計參數(shù)組合具有令顧客滿意的穩(wěn)健性能。

1 面向大批量定制的產(chǎn)品設(shè)計

1.1 設(shè)計過程的體系結(jié)構(gòu)

面向大批量定制的設(shè)計技術(shù)是實現(xiàn)大批量定制的核心和源頭[3]。產(chǎn)品開發(fā)可以描述為一組功能需求轉(zhuǎn)化為一個具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的過程。根據(jù)大批量定制產(chǎn)品的特點,首先建立大批量定制設(shè)計過程的體系結(jié)構(gòu),如圖1所示,將設(shè)計過程按時間維劃分成三個進(jìn)程§-1、§-2、§-3,時間維描述的是從客戶提出訂單到產(chǎn)品交付給客戶的時間歷程。參見文獻(xiàn)[3],在每個設(shè)計進(jìn)程中,分別從定制和通用兩個角度不斷地將訂單產(chǎn)品進(jìn)行功能分解與集成,最終分解成定制零部件的設(shè)計和通用零部件的選擇。本文將針對定制零部件進(jìn)行QFD分析和正交試驗設(shè)計,以期在滿足顧客需求的同時縮短產(chǎn)品設(shè)計周期和降低成本。

圖1 大批量定制的產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)程

1.2 提取敏感零部件過程

為使產(chǎn)品的設(shè)計平臺對顧客的需求具有更快的響應(yīng)速度,在定制零部件族建立起來后,應(yīng)通過顧客需求的重要度來確定此類零部件受顧客需求的影響大小,敏感零部件即為受顧客需求影響較大的定制零部件。

敏感零部件的選取是實現(xiàn)大批量定制QFD設(shè)計的關(guān)鍵,從客戶的角度看,敏感零部件的模塊化設(shè)計能夠使客戶實現(xiàn)自己的特定需求;從企業(yè)的角度看,使用這些規(guī)劃好的、或已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、或易于變型的零部件進(jìn)行組裝,就更容易實現(xiàn)成本的降低和速度的提高。

1.2.1 顧客需求的規(guī)范過程

運用層次分析法(AHP)和模糊集理論[4]將一組顧客需求綜合起來進(jìn)行歸一化處理,對每項顧客需求進(jìn)行量化描述,如用G表示客戶訂單的M項顧客需求(如強(qiáng)度g1、剛度g2、材料要求g3等),則有

式中,ki為顧客需求的重要度,即獲得每項顧客需求的重要度。

1.2.2 敏感零部件的確定

通過如圖1所示的大批量定制產(chǎn)品的設(shè)計進(jìn)程,能夠獲得定制零部件族。在分析階段采用面向定制零部件的方法,即根據(jù)用戶需求與工程指標(biāo)和定制零部件族的對應(yīng)關(guān)系,搭建出產(chǎn)品定制零部件族的結(jié)構(gòu)關(guān)系,然后通過工程指標(biāo)等構(gòu)建定制零部件族與顧客需求之間的映射關(guān)系網(wǎng)絡(luò)[5],如圖2所示。

圖2 定制部件族與顧客需求間的映射關(guān)系示意圖

將每項顧客需求通過工程指標(biāo)映射到各個定制的零部件,從而獲得每個定制零部件所對應(yīng)的顧客需求項,如圖2所示,通過每項顧客需求的重要度獲得各個定制零部件在設(shè)計階段受客戶定制影響的影響系數(shù):

對于f cust＞50%的零部件,確定其為本文的研究對象,此類零部件受顧客的需求影響較大,有些甚至是要重新設(shè)計的零部件。針對這些敏感部件運用QFD方法進(jìn)行分析和設(shè)計,從而能將一個產(chǎn)品的大質(zhì)量屋分解成若干個小的質(zhì)量屋,在更好地滿足顧客個性化需求的同時,提高QFD的運用效率。

2 QFD與正交試驗方法的應(yīng)用

2.1 QFD分析

QFD的過程是由產(chǎn)品規(guī)劃、零件展開、工藝計劃和生產(chǎn)計劃4個階段組成的。在這個過程中,顧客要求被逐步展開為設(shè)計要求、零件特性、制造作業(yè)和生產(chǎn)要求[6]。在此過程中,QFD采用質(zhì)量屋這種直觀的矩陣展開框架。針對展開的第一階段——產(chǎn)品規(guī)劃階段,在質(zhì)量屋中,顧客需求首先應(yīng)被轉(zhuǎn)化為工程技術(shù)特性(“如何”)。這其中最關(guān)鍵的就是關(guān)聯(lián)分析,即確定顧客需求與工程技術(shù)特性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

傳統(tǒng)的確定關(guān)聯(lián)關(guān)系的方法是由專家或工程設(shè)計人員根據(jù)經(jīng)驗確定顧客需求和工程特性的關(guān)聯(lián)程度,然后采用1、3、5、7、9等數(shù)值序列確定其強(qiáng)弱相關(guān)等關(guān)聯(lián)關(guān)系,這樣的數(shù)據(jù)獲取存在著很大的主觀性和誤差[7-8]。本文針對大批量定制系列產(chǎn)品的特殊性和復(fù)雜性,在傳統(tǒng)的QFD分析時,對敏感零部件結(jié)合正交試驗設(shè)計方法,將所獲得的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪比分析,以更準(zhǔn)確地確定敏感零部件某項工程技術(shù)特性的最穩(wěn)健的參數(shù)組合。

2.2 正交試驗方法的運用

質(zhì)量屋中相關(guān)分析的目的是通過對設(shè)計要求之間相關(guān)關(guān)系的衡量,進(jìn)而根據(jù)顧客需求確定設(shè)計要求的目標(biāo)值。因此,在質(zhì)量屋中可將每個工程特性作為因素,各項顧客需求作為試驗指標(biāo),每項工程特性可作為一次正交試驗設(shè)計。質(zhì)量屋中顧客需求與工程特性關(guān)系的確定可看作是一個多因素多指標(biāo)問題,采用正交試驗設(shè)計的信噪比分析方法確定最穩(wěn)健的參數(shù)組合。

(1)設(shè)與顧客需求CR1相關(guān)的工程特性共m項,即正交表安排m個因素的試驗,試驗總次數(shù)為n,各工程特性水平數(shù)可以相同,也可以不同,試驗結(jié)果即為各工程特性組合對顧客需求的滿意情況[9]。表1為 L9(34)正交表[10]。

表1 正交表L9(34)

(2)設(shè)由試驗設(shè)計測得y的望目特性數(shù)據(jù)為y1,y2,…,yn,根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的知識,平均值μ和方差σ2的無偏估計分別為[2]

平均值μ2的無偏估計為

實際計算時,將取常用對數(shù)后再乘以10,并化為分貝單位:

(3)由η求(穩(wěn)健性)參數(shù)組合,取η越大,則輸出特性越穩(wěn)定,所以此時選擇的參數(shù)組合質(zhì)量波動小,在能最大地滿足顧客需求的同時抵抗各種干擾的能力最強(qiáng)。

對于關(guān)系矩陣圖中的某一項工程技術(shù)特性可能與多項顧客需求有關(guān)的情況,此時就需要設(shè)計師們根據(jù)質(zhì)量屋中的屋頂矩陣中各工程技術(shù)特性項目之間的相關(guān)性來做平衡。

3 實例分析

本文引用中國青年汽車公司的6120系列車型的開發(fā)設(shè)計實例來進(jìn)行應(yīng)用研究。汽車屬于大批量定制中典型的按訂單設(shè)計生產(chǎn)的產(chǎn)品,對每份訂單都需根據(jù)顧客的不同需求進(jìn)行重新設(shè)計。通過市場調(diào)研和深入訪問,已獲得一批訂單的各項顧客需求特性及其重要度,通過映射關(guān)系已掌握顧客對6120系列車型中車門這一部件的定制影響系數(shù) f cust=60%,此系列客車均采用外擺門,對顧客需求特性進(jìn)行分解,分成五項具體需求特性,其每項的重要性如表2所示,確定車門的門泵機(jī)構(gòu)為敏感零部件。

表2 顧客需求表分解表

(1)由設(shè)計工程師確定與上述車門容易開啟、關(guān)閉這一顧客需求特性相關(guān)的工程技術(shù)特性,為外擺門泵的相關(guān)參數(shù):工作氣壓、負(fù)載能力、連接管徑、舉升高度。在正交試驗設(shè)計中,工作氣壓、負(fù)載能力、連接管徑、舉升高度即為4個因素,分別用A、B、C、D表示。而后確定各個因素的水平,4個因素水平都設(shè)高、中、低三個水平,分別用1、2、3表示,如表 3 所示。

表3 因子水平表

(2)用L9(34)的正交表安排試驗。試驗結(jié)果為車門開啟、關(guān)閉時門泵的推力大小,此力越小門就越容易開關(guān),由式(1)計算出每組試驗的平均值,結(jié)果表可由軟件SPSS自動生成,如表4所示。

表4 試驗結(jié)果表

(3)計算上述9次試驗的信噪比(S/N):以第一次試驗的數(shù)據(jù)為例,運用式(3)～式(6)進(jìn)行如下處理:

依此類推,分別計算出其他組數(shù)據(jù)并填入表5。

表5 S/N表

表5數(shù)據(jù)顯示,第7組試驗信噪比最大,其平均值為1.65kN,屬于中等水平,對于本次試驗而言,該組參數(shù)的穩(wěn)健性能是最好的。對于顧客需求——車門易于開關(guān)這一項,可確定質(zhì)量屋中的設(shè)計參數(shù)組合為:工作氣壓0.8MPa;負(fù)載能力1000N;連接管 徑 φ8mm ×φ10mm;舉升高度15mm。

4 結(jié)束語

本文針對大批量定制產(chǎn)品的特殊性,采用了一種新型的QFD與正交試驗設(shè)計相結(jié)合的方法來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計,在滿足了大批量定制產(chǎn)品顧客需求的同時,解決了傳統(tǒng)產(chǎn)品在設(shè)計階段數(shù)據(jù)難以獲得的問題,通過顧客需求的重要度進(jìn)行定制零部件族的敏感劃分之后,運用正交試驗與QFD相結(jié)合的方法對敏感零部件進(jìn)行設(shè)計,獲得了各個定制零部件設(shè)計階段能令顧客滿意的最穩(wěn)健的參數(shù)組合。

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Research on App lication of a Hybrid M ethod of QFD and Orthogonal Experim entalM ethod in Mass Custom ization

Wu Xinli1Li Renw ang1Zhang Sirong2Xu Xing1,3Luo Hao1
1.Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou,310018
2.China Tobacco Zhejiang Industrial Co.,Ltd.,Hangzhou,310008
3.Zhejiang University of Science and Technology,H angzhou,310023

A new hyb ridmethod of QFD and orthogonal experim ental design for the design p rocess ofmass customization p roduct was p roposed herein,the purpose was to change the customers'individual needs into design parameters accurately.First,the custom ization parts division wasmade according to the design p rocess,selecting the sensitive partsw hich w ere affected by customers greatly,using the QFD method to analysis and design,then using the signal and noise analysis among the orthogonal design method to determ ine the associated relationship during the QFD analysis,the engineering technology param eter group w as obtained,w hich corresponded w ith the customer requirem ents.Finally,the designed p roductsw ith customer satisfaction and robust performancew erem ade.And one bus com pany's door design was taken as an examp le to explain in detail.

m ass custom ization;quality function dep loyment(QFD);orthogonalexperimental design;house of quality(HOQ)

F279.23

1004—132X(2011)05—0576—04

2010—05—11

浙江省杰出青年團(tuán)隊項目(R6080403);浙江省自然科學(xué)基金重點資助項目(Z6090572);教育部人文社會科學(xué)研究項目(06JD630006);國家自然科學(xué)基金資助項目(50976107,50675208,50805133);浙江省自然科學(xué)基金資助項目(Y6090718);浙江省科技計劃資助項目(2010C31052)

(編輯 袁興玲)

吳新麗,女,1987年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院碩士研究生。主要研究方向為企業(yè)信息化。李仁旺,男,1971年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。張思榮,男,1970年生。浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司杭州制造部主任。徐 興,男,1979年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院博士研究生,浙江科技學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院講師。羅 昊,女,1985年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院碩士研究生。