产品设计质量保证理论与方法

   
本书着重介绍了产品设计质量保证的理论与方法，总结了作者近年来在产品设计质量保证基础理论研究、技术与方法研发、应用研究与实践的成果。本书的主要内容包括：产品设计质量保证的基本概念；基于质量特性的产品设计质量控制与保证；产品研发过程中的设计更改影响传播与风险分析；产品设计质量评估方法；基于失效知识的机械产品概念设计方案评估方法等。

   
本书适合于从事产品质量保证和产品设计方法学领域的研究人员、产品研发的工程技术人员，亦可作为高等院校相关专业的参考书。

前言
第1章 产品与产品质量
    1.1 产品与产品生命周期
    1.2 现代产品质量观
        1.2.1 质量观的变迁
        1.2.2 产品质量的内涵
    1.3 产品质量的形成
    1.4 本章小结
    参考文献
第2章 产品设计与产品设计质量
    2.1 概述
    2.2 产品设计需求
    2.3 产品设计的一般过程
    2.4 现代产品设计方法
        2.4.1 并行设计
        2.4.2 保质设计
        2.4.3 公理化设计
        2.4.4 健壮性设计
        2.4.5 TRIZ方法
    2.5 产品设计质量及其形成过程
        2.5.1 设计质量的定义
        2.5.2 设计质量形成过程
    2.6 现代产品设计面临的挑战
    2.7 本章小结
    参考文献
第3章 产品设计质量控制与保证
    3.1 概述
        3.1.1 基本概念
        3.1.2 作用
        3.1.3 特点
        3.1.4 目标
        3.1.5 研究现状
    3.2 质量标准与产品设计质量保证
    3.3 设计质量控制策略
    3.4 设计质量控制与保证过程模型
    3.5 设计质量控制与保证支持工具与方法
    3.6 设计质量信息管理
    3.7 设计质量控制与保证系统
        3.7.1 系统总体方案
        3.7.2 系统功能模型
        3.7.3 系统体系结构
    3.8 本章小结
    参考文献
第4章 基于质量特性的产品设计质量控制与保证
    4.1 质量特性
        4.1.1 质量特性及其分类
        4.1.2 质量特性的表达
    4.2 质量特性的映射与配置
        4.2.1 质量特性处理单元
        4.2.2 质量特性处理中的约束分析
        4.2.3 质量特性处理方法
    4.3 质量特性映射与配置方法
        4.3.1 常用质量控制方法
        4.3.2
基于质量工具的质量特性处理过程模型
    4.4 用户需求与质量特性间的映射
        4.4.1
用户需求向质量特性映射的过程模型
        4.4.2 基于质量特性的组合质量屋
        4.4.3
基于组合质量屋的用户需求与产品级质量特性映射
        4.4.4 应用示例
    4.5 本章小结
    参考文献
第5章 产品研发过程中设计更改影响传播与风险分析
    5.1 设计更改
        5.1.1 概述
        5.1.2 设计更改管理
        5.1.3 设计更改的影响与风险管理
    5.2 设计更改影响传播与风险分析
        5.2.1
基于关联模型的设计更改影响分析
        5.2.2
基于组件特性关联模型的设计更改影响分析
    5.3 组件特性关联模型及其构建
        5.3.1 组件特性关联矩阵
        5.3.2
组件特性关联模型的层次架构
        5.3.3 组件特性关联模型的构建
        5.3.4
组件特性关联模型的扩展视图
    5.4 设计更改影响传播机理与形态
        5.4.1
组件特性的更改波动及其传播
        5.4.2 更改影响传播的形态
        5.4.3
组件特性更改影响传播的可能性分析
        5.4.4
组件更改影响传播的可能性分析
    5.5 设计更改影响传播路径搜索
        5.5.1
组件层面的更改影响传播路径搜索
        5.5.2
组件特性层面的更改影响传播路径搜索
    5.6 更改影响传播路径分析与更改方案优化
        5.6.1 相关概念与定义
        5.6.2 更改扩散及其主因
        5.6.3
更改影响传播路径分析与优化
        5.6.4 更改影响的消解
    5.7 设计更改风险评估
        5.7.1 更改风险评价指标
        5.7.2 组件层面的更改风险分析
        5.7.3
组件特性层面的更改风险分析
        5.7.4
基于风险评估的更改方案优选
    5.8 设计更改影响传播与风险分析实例
        5.8.1 案例对象
        5.8.2 组件定义与识别
        5.8.3 链接对象定义与识别
        5.8.4
构建组件特性关联模型及其扩展视图
        5.8.5 更改影响传播与风险分析
    5.9 本章小结
    参考文献
第6章 产品设计质量评估方法
    6.1 概述
        6.1.1 产品设计质量评估的作用
        6.1.2
产品设计质量评估过程的特点
    6.2 产品设计质量评估模型
        6.2.1 过程模型
        6.2.2 组织模型
        6.2.3 体系模型
    6.3 评估体系模型
        6.3.1 评估体系模型构建
        6.3.2 评估体系模型配置
    6.4 评估求解方法
        6.4.1
基于满意度的模糊综合评估方法
        6.4.2 群组综合评估方法
    6.5 基于实例推理技术在设计评估中的应用
        6.5.1 CBR原理
        6.5.2 CBR技术应用
    6.6 本章小结
    参考文献
第7章 基于失效知识的机械产品概念设计方案评估
    7.1 概述
    7.2 失效知识建模
        7.2.1 产品FCFMR2知识
        7.2.2
产品FCFMR2知识获取与表达
        7.2.3 产品FCFMR2知识模型
    7.3 失效风险值计算
        7.3.1 产品功能的失效风险计算
        7.3.2 产品组件的失效风险计算
    7.4 概念设计方案失效风险评估
        7.4.1 关键支持功能识别
        7.4.2 基本结构组件优选
        7.4.3
产品设计方案的失效风险评估
    7.5 应用示例
        7.5.1 应用对象
        7.5.2
基于失效知识的主传动及差速器设计方案评估过程
        7.5.3 知识模型与知识库的构建
        7.5.4 关键支持功能识别
        7.5.5 基本结构优选
        7.5.6
设计方案的失效风险评估与优选
    7.6 本章小结
    参考文献
术语缩写

第1章　产品与产品质量
1.1　产品与产品生命周期
产品是人类通过有意识的劳动所创造的承载特定功能的物品。产品与人类社
会息息相关，并通过其承载的功能来满足人类的各种需求。
一般来说，产品的出现是因人类生存、生活、生产的需求而驱动的，现在被人们
定义为“市场需求”；从市场需求出发，经过人类的智力劳动，基于对产品的设想形
成规划，然后按照规划完成产品的开发设计与制造；产品进入市场之后，即进入产
品的销售和使用阶段；当产品被市场淘汰，即进入产品报废和销毁阶段。上述过程
周而复始，形成了产品的生命循环，即称为“产品生命周期”。
产品生命周期的主要活动如下［1］。
1.需求分析
需求分析位于产品生命周期的前端，是产品开发的基础。在激烈的市场竞
争中，“以用户为中心，以市场为导向”是企业得以生存的核心理念。客观地获取需
求，科学地分析市场，将市场需求贯穿于产品设计全过程，才能使所设计的产品满
足市场需求并具有竞争力。
市场需求可分为显性需求和隐性需求。显性需求体现市场对产品实物形态和
相关技术指标的各种要求，包括结构、重量、体积、功能、质量、品种、规格、造型、色
彩等；而隐性需求则指对产品的心理期望和隐含特性，包括新颖、美观、舒适、便利、
服务等。设计人员应通过需求分析，抓住本质，集中力量解决主要需求，保证产品
开发设计成功。
市场需求的获取主要是通过市场调查、用户访问、产品跟踪等途径。在新产品
开发中，可以采用调查问卷、面谈、访问等多种方式获取需求；对于改进产品，企业
开发人员应通过跟踪以往同类产品的市场变化，获取对产品的进一步需求。
2.产品规划
产品规划是根据市场需求分析的结果和产品市场定位的预测，在概念上完成
产品特性的确定和配置，并在产品功能、应用材料、制造工艺、检测与试验手段、质
量和成本目标等方面对产品进行定义。产品规划除了确定产品外，还包括产品开
发周期与投放市场的时机、市场定位与销售策略等与产品相关的经营与经济目标。
3.产品设计
设计是在产品规划、已有知识和经验的基础上，为实现产品的功能与性能目
标，创造性地完成产品整体构思、系统布局、结构分解与整合等，并寻求获得
优解。
设计按任务类型分为创新性设计、适应性设计及变异性设计。
设计过程作为产品形成过程的一个重要组成部分，经过不同的设计阶段，将抽
象的产品规划目标转换成为完整的产品模型，该模型承载了产品的功能、性能、几
何、物理、可靠性、质量、经济、社会等方方面面的特性。
产品的设计是一个人类思维高级活动的过程，产品的特性是在多维空间定义
和求解的，不可能简单地借助于一个形式化的公式或公理直接获得解，因而，
对于设计过程或一个产品的设计进行评估就更加困难。一般来说，产品的质量、社
会和经济价值基本是在设计阶段就形成了，对设计过程进行优化与控制具有深远
的意义。
4.工艺规划
工艺规划是将产品设计转换成产品加工和装配的具体过程，基于设计过程生
成的产品、部件和零件的描述信息，形成加工、检测、装配、试验过程的技术路线和
工艺计划，并生成技术文件。
工艺规划包括制定工艺路线和设计工序。工艺路线主要描述毛坯选择、加工
方法、加工路线、工装选择等。工序设计确定每个工序和组成工序的工步的顺序、
装夹方案、刀具、夹具及切削参数。另外，还要确定工时、辅助条件，在需要安排数
控加工时，数控程序的编制是工艺规划的重要内容。
5.生产计划
生产计划基于工艺规划，有效地安排生产过程，高效地使用设备，合理地利用
资源，科学地控制成本，实现产品设计和工艺规划。
6.产品制造
产品制造一般可划分为毛坯制备、零部件制造和产品装配三个阶段。基于产
品的设计和工艺规划，依据生产计划，实现从原材料到零部件、成品产出，即将产品
设计物化的过程。
7.产品销售
以上所有过程的目的是将满足用户和市场需求的产品尽快投放市场。成功的
销售才能够使产品到达需求者和顾客手中。
8.产品使用
产品使用表明产品进入提供其功能或使用的生命阶段，这一阶段以产品报废
为结束。一个产品的使用价值主要以能否提供可靠的产品性能来衡量。
9.技术服务
产品使用过程中，产品提供商将提供技术支持和服务，以保障产品的正常
使用。
10.产品报废
报废是产品生命周期中的后阶段。由于能源及原材料日益紧缺，环境问题
越来越突出，因此，可拆卸及回收再利用问题已成为公众关注的核心问题。虽然该
问题是在产品生命周期结束时才体现，但产品的可拆卸性和可回收再利用性则是
由产品开发阶段决定的。
1.2　现代产品质量观
质量观是对质量的理解，是质量管理的思想基础。正确的质量观是确保产品
质量、提高企业市场竞争能力的前提。在相当长的一段时间，人们认为产品质量是
衡量产品是否达到设计要求，描述产品的特征是否符合设计规范。以机械产品为
例，这些特征指产品的几何形状、尺寸公差、表面粗糙度等。所谓产品质量保证就
是保证这些特征在规定的范围内，无数的企业按照这种质量观念设计、制造、检验
并销售产品，也使相当多的企业面临产品“质量达标、市场滞销”的尴尬局面。20
世纪60年代以来，对于产品质量的理解更加深刻，质量观发生了根本的变化。
1.2.1　质量观的变迁
从世界范围来看，制造企业经历了由产品导向、制造导向、销售导向，发展到今
天的竞争导向阶段。在制造业发展的不同阶段，质量观念也随之发生变化。人们
对质量的理解向着更深化、更透彻和更全面的方向发展。
在产品导向阶段，人们普遍把质量理解为产品技术特征符合规定要求（设计要
求）的程度，被称为质量的“符合性”定义。根据这样的定义，产品技术特征只要在
规定的设计要求范围内就是合格，质量就好；合格率越高，质量就越好。显然，这种
定义完全从企业的角度出发，市场和顾客被排斥在质量定义之外。
20世纪60年代，美国质量管理专家朱兰（JuranJM）提出“质量是满足顾客需
求的程度”的观点，被称为质量的“适用性”定义。质量的适用性定义考虑到顾客的
需求，对质量的理解超出了企业的范畴，比符合性定义有了很大进步。
质量观念的发展体现在ISO9000质量管理体系国际标准对质量的定义中。
ISO8402：1986将质量定义为：“产品或服务满足规定或潜在需要的特征和特性的
总和”。在ISO8402：1994中，又作了一些修改，质量被定义为“反映实体满足明确
和隐含需求的能力的特性总和”。这两个定义没有实质区别，并没有指明“明确和
隐含的需求”的主体。ISO9000：2000的质量定义又有了进一步的改动，质量被定
义为“一组固有特性满足要求的程度”［2］。这一质量定义中的要求，是指“明示的、
通常隐含的或必须履行的需求和期望”。为了满足顾客或其他方的需求，就要使产
品、过程或体系具有一定的特性。将“特性”作为产品、过程或体系所特有的性质，
反映了其满足“要求”的能力。
朱兰用螺旋式上升的曲线表示了产品质量产生、形成和实现的过程，也表示了
产品适用性不断提高的过程。通常称该曲线为“朱兰螺旋曲线”。
在朱兰螺旋曲线所描述的产品质量产生、形成和实现的螺旋式上升过程中，包括了
一系列循序进行的工作或活动，即市场研究、设计开发、制定工艺、采购、生产、检
验、销售及售后服务等环节。这些环节一环扣一环，相互制约、相互依存、相互促
进、不断循环、周而复始。每经过一次循环，就意味着产品适用性的一次提高。不
断循环，产品质量也就不断提高［3］。
与朱兰的质量螺旋相类似的另一种提法是“质量环”，它是由瑞
典的质量管理学家桑德霍姆（SandholmL）提出的。质量环是指“从获取顾客和市
场对产品的需求到评定这些需求是否得到满足的各阶段中，影响质量的相互作用
的活动的概念模式”。也就是说，它是指从了解和掌握用户对产品质量要求和期望
开始，到质量实现的产品全生命周期，将影响质量的各项活动划分为若干环节的一
种理论模式。
1.2.2　产品质量的内涵
依据现代质量观，产品质量是由适用性和符合性两个层次构成的。适用性是
指满足顾客需要的程度；符合性是指符合标准要求的程度。两者的关系是：适用性
决定了符合性，符合性使适用性得以实现，符合性只有在适用性前提下才有价值。
企业提供的产品，不能满足顾客需要或顾客不适用，就会没有或失去市场，也就无
“质量”可言。同时，企业为实现产品的适用性，还需通过确定并执行某些技术规范
来生产出符合技术规范的产品，实现质量的符合性。从适用性和符合性两个角度
理解质量，才是正确的，既具有科学性，又具有可操作性。
同时，将产品视为一个系统，产品质量不是表现在某一个局部范围或某几个指
标上，而是表现在一系列相互影响、相互制约的特性上。因此近年来人们日渐注重
对产品质量进行多维评价。
一般来说，产品的质量可以用以下8个方面的特征来定义。
1.功能与性能
功能是指产品或服务必须做的事情，是承载其价值的主要指标之一。性能则
是指产品具有的适合用户要求的物理、化学或技术性质与效用，如强度、刚度、纯
度、功率、转速等。产品的功能与性能有着密切的联系，性能与功能组成一个完整
的整体；只有功能要求，而没有性能来保证是无法完成既定工作任务的，即功能要
通过良好的性能才能得以实现和予以保证。
2.可靠性
产品的可靠性是指产品在规定的使用条件下，在规定的时间内，完成规定功能
的能力［4］。产品的可靠性是与规定的条件分不开的。所谓“规定条件”，包括气候
因素（温度、湿度、气压）、机械负载（振动、加速度）、使用因素（供电电压、润滑状况）
等。产品的可靠性与规定的时间密切相关，因为随着时间的增长，产品的可靠性是
下降的。因此，在不同的规定时间内，产品的可靠性是不同的。产品的可靠性还与
规定的功能有密切关系。所谓“规定功能”就是产品应具备的技术指标。只有明确
了产品规定的功能，才能对产品是否发生故障有确切的判断。
3.维护性
产品的维护性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方
法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力。可靠性与维修性决定了产品的可
用性。可用性是指产品在任一时刻，当需要和开始执行任务时，处于可工作、可使
用状态的程度。可用性之所以重要，并被列为评价产品质量的基本特性，是因为它