健壯設(shè)計(jì)在專用設(shè)備研發(fā)中的應(yīng)用

楊樹(shù)文，海燕

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

隨著技術(shù)產(chǎn)業(yè)的興起、社會(huì)生產(chǎn)力的提高和消費(fèi)的多樣化，促使市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已由價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)為主轉(zhuǎn)向全面質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)，即產(chǎn)品種類、性能、價(jià)格、貨期、可靠性、售后服務(wù)等。而傳統(tǒng)的質(zhì)量概念基本是指產(chǎn)品性能是否符合技術(shù)規(guī)范，采用簡(jiǎn)單的“門柱法”[1]，即符合性質(zhì)量控制。這種方法的不足是質(zhì)量控制立足于制造，而不是立足于設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的時(shí)機(jī)晚、代價(jià)高。這種方法在工業(yè)發(fā)展的初期，產(chǎn)品技術(shù)含量低和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等情況下，符合性質(zhì)量控制還能夠起到把關(guān)作用，但是對(duì)于產(chǎn)品技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，就需要適用性的觀點(diǎn)。健壯設(shè)計(jì)則隨著技術(shù)的發(fā)展很好地適應(yīng)了這種質(zhì)量需求。

1 健壯設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

健壯設(shè)計(jì)是20世紀(jì)80年代以來(lái)由工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家推出的開(kāi)發(fā)高質(zhì)量、高可靠性、短周期、低成本產(chǎn)品的先進(jìn)設(shè)計(jì)思想和相應(yīng)的方法體系，對(duì)于提高產(chǎn)品研制質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。“健壯設(shè)計(jì)是這樣一種設(shè)計(jì)方法，它使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能對(duì)于制造過(guò)程的波動(dòng)或其工作環(huán)境的變化是不敏感的，而且盡管零部件會(huì)漂移或者老化，系統(tǒng)仍然能夠在其壽命期間以可接受的水平繼續(xù)工作”[1]。

健壯設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是以客戶需求為導(dǎo)向來(lái)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，需求是決策依據(jù)；強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)方案和生產(chǎn)制造減少質(zhì)量波動(dòng)，使產(chǎn)品盡可能接近目標(biāo)；通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品整體質(zhì)量水平；通過(guò)開(kāi)發(fā)適銷對(duì)路的產(chǎn)品贏得市場(chǎng)，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。健壯設(shè)計(jì)的基本原理是通過(guò)深入開(kāi)展需求分析，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)；通過(guò)總體方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新提高產(chǎn)品的整體技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；通過(guò)穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)提高產(chǎn)品的抗干擾能力，減少產(chǎn)品的質(zhì)量波動(dòng)。其目的是提高產(chǎn)品的健壯性和生命力，以便在產(chǎn)品的全壽命周期內(nèi)充分地滿足顧客的需求。

健壯設(shè)計(jì)是在參數(shù)化、質(zhì)量功能展開(kāi)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)方法，它以充分地和穩(wěn)定地滿足顧客的需要為宗旨，在常規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)工程的基本原理，將質(zhì)量功能展開(kāi)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、方差分析、參數(shù)設(shè)計(jì)與容差設(shè)計(jì)、故障模式與影響分析、故障樹(shù)分析、仿真技術(shù)、工藝的穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造階段的監(jiān)控、反饋和調(diào)整等方法有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，形成一種先進(jìn)的方法體系[1]。

電子專用設(shè)備，比如切片機(jī)、劃片機(jī)、光刻機(jī)、鍵合機(jī)和減薄機(jī)等，都具有特定的使用功能、操作方法和使用環(huán)境，因此研發(fā)時(shí)目標(biāo)對(duì)象針對(duì)性較強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜，通常為正向設(shè)計(jì)。在研發(fā)中一般是通過(guò)詳細(xì)的了解用戶需求，把使用功能和工藝映射為具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且需要試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)和故障分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本、提高可靠性，最終形成產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品，而健壯設(shè)計(jì)的工具和方法很好的適用了這種需求。

質(zhì)量功能展開(kāi)（QFD）是方案設(shè)計(jì)階段十分重要的一種方法，能夠在技術(shù)上確定優(yōu)化的方案；試驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠?qū)﹃P(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析和驗(yàn)證，提高產(chǎn)品質(zhì)量，解決系統(tǒng)故障。這些對(duì)于研發(fā)產(chǎn)品有很好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，本文將對(duì)健壯設(shè)計(jì)的這兩項(xiàng)主要技術(shù)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，通過(guò)具體的案例進(jìn)一步說(shuō)明這些方法的使用和優(yōu)勢(shì)。

2 健壯設(shè)計(jì)的主要技術(shù)方法

2.1 質(zhì)量功能展開(kāi)（QFD）

QFD的基本原理就是用“質(zhì)量屋”的形式，量化分析顧客需求與工程措施之間的關(guān)系，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理后找出關(guān)鍵措施，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員抓住關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出滿足顧客需要的產(chǎn)品[2]。

QFD的主要步驟大致為：

（1）質(zhì)量屋的建立：質(zhì)量屋也稱質(zhì)量表，是一種形象直觀的二元矩陣展開(kāi)圖表，如圖1所示。

（2）顧客需求分析與工程措施的確定：顧客或市場(chǎng)的需求往往比較籠統(tǒng)、定性化，有些意見(jiàn)比較片面。另外，隨著時(shí)間的推移、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展、消費(fèi)環(huán)境的變化，市場(chǎng)需求也是不斷變化的。應(yīng)當(dāng)盡可能完整、及時(shí)地收集第一手市場(chǎng)信息。在此基礎(chǔ)上，對(duì)這些原始信息進(jìn)行整理、加工和提煉，形成系統(tǒng)的、有層次的、有條理的、有前瞻性的顧客需求。這些是設(shè)定產(chǎn)品質(zhì)量目標(biāo)的基礎(chǔ)。

（3）關(guān)鍵措施或瓶頸技術(shù)的確定：首先要確定顧客需求與工程措施之間的關(guān)系度rij（關(guān)系矩陣），加權(quán)后工程措施的重要度以顧客需求的重要度作為加權(quán)系數(shù)，分別計(jì)算每項(xiàng)工程措施與全部顧客需求的加權(quán)關(guān)系度之和并進(jìn)行比較，加權(quán)關(guān)系度之和大的那些工程措施就是關(guān)鍵措施。

圖1 質(zhì)量屋的結(jié)構(gòu)

（4）市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)能力分析：市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力指數(shù)：，M值越大越好；技術(shù)能力指數(shù),T值越大越好；綜合能力指數(shù)是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力指數(shù)與技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)能力指數(shù)的乘積，即C=MT，C值越大越好。我們將現(xiàn)有技術(shù)很難解決的技術(shù)關(guān)鍵稱為“瓶頸技術(shù)”，在質(zhì)量功能展開(kāi)的過(guò)程中必須找出瓶頸，并攻克瓶頸技術(shù)。

（5）工程措施之間交互作用評(píng)估:通常用下列符號(hào)表示工程措施之間的交互作用或相關(guān)度：○為正相關(guān)，◎?yàn)閺?qiáng)正相關(guān)，×為負(fù)相關(guān)，#為強(qiáng)負(fù)相關(guān)，空白表示該交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的兩項(xiàng)工程措施間不存在交互作用[3]。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思想是制定適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方案，以便于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析；試驗(yàn)方案安排合理，能夠使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有合適的數(shù)學(xué)模型，以便減輕隨機(jī)誤差的影響，從而提高試驗(yàn)的精度和可靠度。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循重復(fù)性原則、隨機(jī)化原則和局部控制原則。通過(guò)合理的科學(xué)試驗(yàn)，可以減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短周期，節(jié)省人力物力；能夠在諸多的因素中分清主次，找出主因；能夠得到各個(gè)因素之間的交互作用，得到最優(yōu)的組合；更為重要的是通過(guò)方差分析，可以分析出試驗(yàn)誤差影響的大小，提高試驗(yàn)的精度。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本類型有析因設(shè)計(jì)、區(qū)組設(shè)計(jì)、回歸設(shè)計(jì)和均勻設(shè)計(jì)等，而數(shù)據(jù)處理時(shí)方差分析起到了重要的作用。

方差分析是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用的數(shù)據(jù)處理方法之一，通過(guò)方差分析能夠找出數(shù)據(jù)間的“變差”，對(duì)變差的度量是波動(dòng)平方和，方差分析就是從總波動(dòng)平方和中分解出可以追溯到指定來(lái)源的部分波動(dòng)平方和[1]。通過(guò)數(shù)據(jù)分析能夠找到多因素影響的主要因素，促進(jìn)設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化工藝。

3 設(shè)計(jì)案例

劃片機(jī)是集成電路后封裝關(guān)鍵設(shè)備之一，其工作原理是采用超薄金剛石刀片作為切割刃具，空氣靜壓電主軸帶動(dòng)刀片高速旋轉(zhuǎn)對(duì)集成電路基片進(jìn)行高精度切槽分割。

案例一：應(yīng)用QFD方法建立設(shè)備模型

XX用戶需求：

（1）設(shè)備具有自動(dòng)上料功能；

（2）自動(dòng)通過(guò)圖像識(shí)別系統(tǒng)完成工件對(duì)齊工作并準(zhǔn)確找到劃切位置；

（3）配置非接觸測(cè)高，在劃片過(guò)程中能自動(dòng)測(cè)高，刀片破損檢測(cè)及斷水保護(hù)功能；

（4）采用50 mm(2英寸)金屬刀片切割；

（5）中文操作界面,觸摸屏控制操作；

（6）劃片槽寬度 CPK≥2。

由此建立質(zhì)量屋，如圖2所示。

對(duì)于其中的單元，還可以建立下一級(jí)的質(zhì)量屋，逐級(jí)展開(kāi)，詳細(xì)的分析和描述，直到映射為具體的工程措施。比如其中的X軸工作臺(tái)，可以建立二級(jí)質(zhì)量屋，如圖3所示[3]。通過(guò)建立質(zhì)量屋，既明確了關(guān)鍵技術(shù)，又能夠參數(shù)化，可以形成具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖2 整機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量屋

圖3 X 工作臺(tái)質(zhì)量屋

圖4 X軸工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

案例二：應(yīng)用重復(fù)試驗(yàn)和方差分析的方法分析材料劃切崩邊（圖5）的影響因素。

圖5 崩邊圖示（δ為理論值，ε為實(shí)際值）

對(duì)于劃切加工，影響因素有主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、冷卻液和刀具；為了能進(jìn)一步明確這些因素的影響情況，采用正交試驗(yàn)，對(duì)4個(gè)影響因素量化分析。表1為因素水平表，考慮交互作用A×B、A×D，用L8(27)表，設(shè)計(jì)表頭見(jiàn)表2，每號(hào)試驗(yàn)重復(fù)4次，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算波動(dòng)平方和（S），進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(F)。

表3為實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表，表4為方差分析表。通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，能夠量化描述影響因素。其中A、A×B為高度顯著因素，B、C為顯著因素。另外，試驗(yàn)設(shè)計(jì)還能夠確定最優(yōu)的工藝組合，本例中A2B1C2D1為最優(yōu)生產(chǎn)條件。

表1 因素水平表

表2 表頭設(shè)計(jì)表

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表

表4 方差分析表

4 結(jié)束語(yǔ)

健壯設(shè)計(jì)的技術(shù)方法在工程應(yīng)用中具有積極的作用；對(duì)于設(shè)備研發(fā)，重要的是需求分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證，即如何把用戶需求轉(zhuǎn)化為實(shí)際的工程模型，如何建立試驗(yàn)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析。本文結(jié)合設(shè)計(jì)案例，對(duì)QFD和試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方差分析進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。除此之外，健壯設(shè)計(jì)還有諸如系統(tǒng)設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)、靜態(tài)/動(dòng)態(tài)特性參數(shù)設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)分析等技術(shù)方法，能夠針對(duì)不同的問(wèn)題提供有效的解決方法和工具。

健壯設(shè)計(jì)對(duì)于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少質(zhì)量波動(dòng)和降低成本都具有很好的作用；健壯設(shè)計(jì)的技術(shù)方法和工具較多，不但能夠進(jìn)行定性的描述，而且借用數(shù)學(xué)方法對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)處理后，能夠定量對(duì)問(wèn)題進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述。因此，健壯設(shè)計(jì)對(duì)于技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品的全面質(zhì)量的提高具有非常重要的作用。

[1] 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所.健壯設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所內(nèi)部資料，2-9，129-132.

[2] 馬林.六西格瑪管理[M].北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社.470-471.

[3] 佀海燕.QFD在切割機(jī)工作臺(tái)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2011.39(11)：19-21.