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基于QFD与TRIZ技术工具的产品概念设计方法

来源:http://www.whsmjhlphs.com 责任编辑:www.k8.com 更新日期:2018-10-30 18:18

  基于QFD与TRIZ 技术工具的产品概念设 计方法 第1O 卷第12 2004年12 计算机集成制造系统ComputerIntegratedManufacturingSystems Vol_1ONo.12 Dec.2004 文章编号:1006—5911(2004)12—1588—06 基于QFD 与TRIZ 技术工具的产品概念设计方法 华中生,汪炜 (中国科学技术大学商学院,安徽合肥230026) 摘要:为消除产品概念设计过程中可能产生的二层问题的负面影响,提出了一种基 于质量功能配置与创造 性解决问题理论的三种技术工具综合的产品概念设计方法.该方法通过质量功能 配置的质量屋分析确定需要改 善的零部件;在对零部件进行负相关分析的基础上,应用创造性解决问题理论技术 工具提出解决一对质量特性负 相关的方案;然后通过多次循环的质量功能配置分析与创造性解决问题理论技术 工具应用,预测可能产生的二层 问题并降低其负面影响,进而形成有效的产品概念设计方案.通过在某全自动洗衣 机研发过程中的实际应用,验 证了该方法的有效性和实用性. 关键词:创造性解决问题理论;质量功能配置;矛盾矩阵;概念设计 中图分类号:TH12 文献标识码:A 引言在日益激烈的市场竞争环境下,新产品开发已 成为企业求得生存与发展的重要手段.在新产品开 发过程中,一方面,从顾客的需求出发形成产品概念 来进行产品设计;另一方面,在概念设计过程中可能 会出现技术问题而产生矛盾.通过创造性解决问题 理论(TheoryofInventiveProblemSolving,TRIZ) 和质量功能配置(QualityFunctionDeployment, QFD)的结合,能够很好地完成产品的概念设计,实 现产品创新].QFD 是产品设计过程中产品概念 形成的有效工具,通过质量屋分析,将顾客需求反映 到新产品设计中,并从顾客满意的角度,分析现行产 品的优,劣势,从而形成产品概念l2].然而QFD 不针对技术创新,它是从顾客满意的角度识别出产品需要改进的质量特性以及质量特性间的矛盾,但 不能清楚地描述为了解决这些技术矛盾而要采取哪 些技术措施进行技术创新.TRIZ 是关于系统创新 的科学,它通过定义机械设计中的两类矛盾(物理矛 盾和技术矛盾),并通过矛盾矩阵(contradictionma— trix)和创新原则(inventiveprinciples)创造性地解 决这两种矛盾,而不是通过传统意义上的技术折衷 (trade—off)来实现技术创新]. 文献[1]研究了QFD 和TRIZ 相结合的新产品 开发过程,即通过质量屋分析,将顾客需求反映到质 量特性的改善中来,并体现到零部件设计中去;结合 质量特性和零部件的质量屋分析,确定出需要技术 创新的零部件;TRIZ 的技术工具将对需要进行技 术创新的零部件进行分析,解决零部件设计过程中 的矛盾并形成相应的解决方案.文献[2]研究了 QFD,功能分析(FunctionalAnalysis,FA)及TRIZ 在产品概念设计中的应用,并给出了具体的研究实 例.文献E4]提出了基于QFD,FA 和TRIZ 的概念 设计过程的集成模型,分析了如何从设计需求分析 到设计方案提出等一系列过程,并给出了各阶段解 决具体问题的方法和工具. 在产品的概念设计阶段,TRIZ 的三种技术工 具分别给出了解决各种技术问题的方案.简单使用 收稿日期:2003 一l1 一l1;修订日期:2004 一l1 一o3. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(70172041);安徽省自然科学基金资助项目 (03042308). 作者简介:华中生(1965 一),男,安徽潜山人,中国科学技术大学商学院教授,博士生 导师,博士,主要从事供应链管理,生产管理等方面的研究. E— 第12 期华中生等:基于QFD 与TRIZ 技术工具的产品概念设计方法1589 这些工具不能彻底地实现产品创新,还可能产生一 些负面效应和二层问题.本文综合使用TRIZ 种技术工具,从三种技术工具解决问题的原理以及消除二层问题负面影响的角度考虑对零部件性能的 改善,并形成产品概念设计流程. lTRIZ 三种技术工具解决问题机理 1.1 矛盾矩阵 TRIZ 的矛盾分析方法,主要运用矛盾矩阵来 解决新产品开发过程中的技术矛盾和物理矛盾_5]. 在新产品开发过程中,基于TRIZ 和QFD 的结合, 首先通过QFD 的质量屋矩阵分析确定需要改善的 零部件,再通过改善零部件性能来减少质量特性间 的负相关问题. 为了解决质量特性间的负相关问题,将负相关 的两个质量特性分别抽象为矛盾矩阵中改善的技术 特性和恶化的技术特性,共39 个技术特性],对照 矛盾矩阵给出解决技术矛盾的原理(最多4 单独分析或综合分析这些原理应用案例的基础上,为解决技术特性负相关,提出改善零部件的建议,并 形成新产品设计方案.IdeationInternational 公司 的InnovationWorkBench 丁M软件都可以用来进行 质量特性负相关分析. 1.2 效应知识库 效应知识库是从大量的专利分析中得出的许多 抽象的功能模块和效应(effects).这些效应都是为 了实现某种特定功能的技术方法.如采用数学,化 学,生物及电子学等领域中的原理,解决机械设计中 的创新问题;通过效应知识库中的相关定律,解决工 艺设计中的问题.效应知识库也可用来使零部件实 现其应该实现的功能.当明确了待改善的零部件, 但并不能准确找到问题的症结时,可以用效应知识 库对零部件性能进行改善. 用效应知识库来改善零部件时,首先确定待改 善零部件在产品中所具有的功能,然后在效应知识 库中找出相应的功能模块,在此功能模块中,找出与 待改善的零部件功能最接近的功能.这样,知识库 就给出了实现功能的效应,相应的软件还会给出效 应改善零部件性能的案例,如TRIZExplorer 件可以用来进行分析.1.3 物质一场分析 物质一场(substance--field)分析将功能分解为 两种物质和一种场.产品是功能的实现,一种解决 方案可以认为是改变物质间的相互作用,使之朝着 期望的方向演变_7].其分析模型如图1 所示. 物质S 可以是被控粒子,, 材料和物体或过程,物质s 控制S的工具或物体,场F 用于S-qSz之间相互作用的s 一物质:F 一场1, 能量,如机械能,液压能和电磁IN1 物质一 场模型 能等.能量F 作用于工具S:, 使s:变换为S(如图1). 依据该模型,TRIZ 的创立者Altshuller 提出了 76 种标准解,分为以下5 类l_8]:几乎不改变现有 的系统来改善系统:13 种标准解;改变现有系统 来改善系统:23 种标准解;系统传递:6 种标准解; 检查与测量:17 种标准解;简化与改善策略:17 种标准解. 当解决特定的问题时,应将标准解变为解决具 体问题的特定解,以形成解决方案. 2QFD 与TRIZ 相结合的改善零部件性能 的传统方法 在结合QFD 与TRIZ 进行新产品开发的过程 中,首先通过分析顾客需求,再通过QFD 的质量屋 分析,将顾客需求转化为产品质量特性,进而结合零 部件分析矩阵,将满足顾客需求的质量特性转化为 对某零部件的改善与创新口].笔者在综合文献[1] 和文献[2]的基础上,总结出QFD 与TRIZ 相结合 的改善零部件性能的传统方法,如图2 所示. lll矛盾分析法II 效应II 物质一场分析lll 形成产品概念2QF1)TRIZ 相结合的改香零部件性能的传统万法 中,该方法直接应用三种技术工具,分别从三个不同角度独立地对零部件进行分析,提出对零 部件性能的改善意见,并形成相应的解决方案[】];然 后再根据各方案的产品测试的结果与理想解IFR (idealfinalresult)的比较,结合相应专家的经验确 定解决方案,最终形成产品概念l_2]. 计算机集成制造系统第1O 基于QFD与TRIZ 三种技术工具综合的 产品概念设计过程 3.1 结合QFD 与TRIZ 工具改善零部件性能的 传统方法的缺陷 根据第2 章的分析,在结合QFD 与TRIZ 技术 工具对零部件进行分析时,主要从三方面对零部件 的性能加以改善,即:解决质量特性间的负相关关 系;充分实现零部件应实现的功能;使原材料之 间的相互作用朝期望的方向演变. 然而,该方法只是简单地应用三种技术工具对 零部件性能进行改善,并没有分析各种技术工具对 零部件性能改善后的相互影响,也没有预测对零部 件性能进行改善后可能会出现的二层问题或亚问 题],即每一种技术工具在对零部件性能进行改善 的同时,也可能会产生一些恶化作用.二层问题以 及可能产生的负面影响如下: (1)从解决产品质量特性负相关的角度改善零 部件,很难保证零部件最基本的功能得到实现,使整 个产品达不到改善的期望功能,并可能使其他的质 量特性负相关问题恶化. (2)效应分析和物质一场分析在改善了零部件 基本功能的同时,也可能使产品质量特性的负相关 关系恶化. (3)改善后的零部件系统,并没有对父系统和子 系统产生的效应和影响做详细的研究和分析. 3.2 基于QFD 与TRIZ 三种技术工具综合的 产品概念设计方法 正是由于上述缺陷,产品的概念设计过程应该 系统地应用TRIZ 技术工具对零部件性能进行改 善,分析每种技术工具作用于零部件后可能产生的 二层问题,并通过综合运用TRIZ 三种技术工具从 机理上改善这些二层问题带来的负面影响,以实现 系统创新,保证完善的技术设计,工艺过程和生产过 基于TRIZ三种技术工具综合的产品概念设计 过程如图3 所示,分为以下5 个步骤: 步骤1 定义顾客需求.顾客需求是新产品开 发的推动力.最初的顾客需求是市场和销售部门通 过对顾客的调查或顾客反馈的意见而收集的.这是 反映对新产品要求的凌乱的,琐碎的信息,可通过关 系表(affinitydiagram)对收集到的信息进行分类整 理以形成顾客需求l_1]. 40 原理76 定义顾客需求质量屋分析 =二二= 待改善零部件 矛盾分析法l—厂是否产生, 墨二二][二二物质一场分析 基于QFD与TRIZ~种技术工具综合 的产品概念设计流程图 对于同一产品可能有不同的需求,这些需求的 重要性也不同;可通过层次分析法(AnalyticHier— archyProcess,AHP)来确定各个需求的权重以区 分各需求的重要性.记顾客需求为r!=(i J),由重要程度d计算出以百分数计的权重W (r,).顾客需求通过QFD 的质量屋分析包含到产 品概念中. 步骤2 质量屋矩阵分析确定出待改善的零部 件.在定义了顾客需求之后,通过质量屋分析,将顾 客需求转化为新产品的质量要求参数和目标值后, 再转换为设计和制造信息].质量屋分析主要通过 两个矩阵分析来确定出待改善的零部件. (1)顾客需求——质量特性矩阵分析 在该矩阵分析中,通过确定顾客需求与质量特 性的关系系数,将顾客需求转化为产品各质量特性 参数.在此基础上确定各质量特性的权重,并通过 分析竞争对手产品和本公司产品,确定各质量特性 的实现难度和目标值;最后,分析各质量特性之间存 在的负相关或正相关关系. 1)基本的符号定义和公式 记质量特性为Y(一1,…,J);定义与Y 关系系数为R表示改善质量特性Y,,顾客需求 得到满足的程度.按照其满足程度的不同,分别定 义R,为0,1,3,5.R 第12期华中生等:基于QFD 与TRIZ 技术工具的产品概念设计方法 为顾客需求与质量特性关系矩阵,R—ER,](i 一1,2,…,J),(一1,2,…,J). 定义质量特性y 的权重为(y),计算公式 如下: W(Yi)一(W,(ri)尺)/(W()R).(1) 定义质量特性y,改善后的目标值为T,.T,通 过对竞争对手产品和本公司现有产品质量特性值 y,.分析的基础上,考虑企业内部资源状况来确定. 由此得到质量特性y,的实现难度P,如下: 式中,y.为现有产品质量特性(y)的值;y为不通 过TRIZ 技术工具,而通过当前技术改善y,所达到 2)定义质量特性间的正相关和负相关当改善质量特性y,使y 接近于T 的同时,使 另一质量特性y 远离T(k),则质量特性y 就是负相关关系.用质量屋屋顶上的符号一表示.反之,当改善y,的同时,使y 也接近于T, 则质量特性,与y 就是正相关关系. (2)质量特性——零部件矩阵分析 零部件矩阵分析主要是确定影响产品质量特性 目标值实现的零部件.应结合功能树分析,将零部 件按照其实现的功能角度分层,然后再确定质量特 性和零部件间的关系系数,通过计算各零部件的权 重确定出需要进行技术创新的零部件.权重越大, 该零部件对实现各质量特性目标值的影响越大,就 越需要改善. 1)定义质量特性——零部件矩阵 记零部件为m(S 一1,2,…,S),定义y,与m 的关系系数为L 表示改善零部件m 对质量特性 Y,的改善程度.按照其改善程度的不同,定义0 L,1.L 表示改善m对改善Y,贡献最大; 表示改善m对改善Y,无关.定义L 为质量 特性与零部件关系矩阵, 一1,2,…,S).2)确定待改善的零部件 在确定了质量特性与零部件关系矩阵后,计算 各零部件的权重W(),如式(3): w(m)一w(yj)pjLj.(3)W()越大,表示该零部件的改善对改善产品质 量特性越重要,就越需要对该零部件进行改善. 步骤3 质量特性间的负相关分析及矛盾分 析.在确定了待改善的零部件后,为了应用TRIZ 三种技术工具对零部件进行分析,首先应进行负相 关分析,确定出质量特性间可能存在的负相关,然后 用TR1Z 矛盾分析法对零部件进行分析,即考虑该 零部件的改善对减小质量特性负相关的影响.从质 量特性——零部件矩阵分析的结果看,每一个零部 件对各质量特性都可能存在影响,因此,拟选择与该 零部件关系系数最大的那一对负相关的质量特性来 考虑对零部件性能的改善. 改善的过程是通过矛盾分析法,将负相关的质 量特性抽象为TRIZ 矛盾矩阵中改善的技术特性和 恶化的技术特性,矛盾矩阵就给出解决质量特性负 相关而对零部件性能进行改善的几条原理(最多4 条).分析这些原理及其应用案例,可形成零部件创 新的具体方案. 步骤4 对零部件功能的改善.若负相关分析 得出的结果是,该零部件对存在负相关的质量特性 影响很小或不存在,则直接用效应分析.按照效应 分析改善零部件性能的机理,先确定待改善零部件 在产品中的功能,然后在效应知识库中找出相应的 功能模块,以及与待改善的零部件功能最接近的功 能.按照知识库给出的实现功能的效应和相应的案 例来对零部件性能进行改善,该步骤也可以通过 TRIZExplorer 软件进行分析. 基于步骤3 的矛盾矩阵分析和效应分析,可能 会弱化零部件的功能,即零部件不能完成应该实现 的功能,由此造成整个产品的期望功能难以实现. 在此过程中要通过与产品开发相关的工程师来测算 改善后的产品质量特性值Y.定义产品的期望功 能指数(EF)如下: EF一(y J--1其中,EF0,表示产品达到了期望功能,各零部件 没有产生功能弱化;EF%0,表示产品各零部件未达 到其应该实现的功能,即功能弱化.若产生功能弱 化,则用物质一场分析对零部件进行改善. 物质一场分析将零部件实现的功能分解为两种 物质之间的场来分析功能恶化的原因,决定采用相 应的标准解的类型,如是否改变现有的系统,是否要 系统转递,是否要进行系统简化等.通过分析相应 计算机集成制造系统第10 的标准解应用的案例和所要解决的具体问题,制定出具体的解决方案. 步骤5 产品概念的形成.在进行了功能分析 并形成方案后,需要重新计算质量屋矩阵.测算改 善后的产品质量特性值;测算改善后的零部件在改 善一对质量特性负相关的同时,是否会使其他的质 量特性负相关恶化.假定存在对负相关的质量特 性,在改善一对负相关的质量特性后,分别计算其他 对负相关的质量特性的恶化指数(D),定义一对负相关的质量特性.y,和.y 的恶化指数DI,如 对负相关的恶化指数的最小值.若DI0,则不产生负相关恶化;若DI0,则产 生负相关恶化,重新返回步骤3 进行负相关分析并 进入下一轮循环,直到在改善功能的同时不产生其 他的负相关恶化为止,即EF0 且DI0.由于 在每一次循环的过程中,通过矛盾分析法使一对负 相关的质量特性得到改善,并通过效应分析使总体 的质量特性值也得到提高,可以实现EF0 且DI 的结果.实际上存在以下情况,即实现DI0所进行的多次改善以及产品测试所需的成本太大, 考虑到设计可行性和经济效益,设定阈值a(a 的确 定与成本有关),当IDIIa,近似认为无负相关恶 化.在改善功能的同时又不产生负相关恶化,即可 形成产品概念.产品概念的形成如下: (1)评价概念标准的满意程度分析改善后的 方案对产品质量特性的改善,评价改善后的产品对 顾客的满意程度,并按照理想解(IFR)来评价新产 品概念. (2)确定产品概念评价产品概念在考虑方案 技术创新值时,还要综合分析方案的成本,企业内部 技术上的可能性和各种资源的约束,预测方案潜在 失败的可能性来确定改善方案,形成新产品概念. (3)制定零部件设计生产标准将形成的产品 概念从产品工艺角度对零部件加以分析,以形成零 部件的设计规格和相应的质量标准,从而进入生产 制造阶段. 研究实例Yamashinal 应用创新的产品开发技术对全自 动洗衣机的新产品开发也进行了研究.在此案例 中,论述了基于QFD 与TRIZ 三种技术工具的产品 概念设计方法. 4.1 定义顾客需求 通过关系表,将顾客的需求整理为完全清洗,减 小清洗噪音,完全漂洗,不损害衣物和减少洗衣时 间,并确定顾客需求的权重(如图4). 硎一零部件权重()外在设计部件0.20.04 洗衣鼓部件1.00.60.60.81.01.53 驱动装置0.8ll0.60.61.3l 控制器0.60.20.20.60.20.76 防震动部件0.2l0.40.46 洗噪音洗衣漂洗衣物顾客顾客 质农水平时间质量损害需求需求 质/dB/min/%率/%重要权重 特量度() 顾客需求,性/% 完全清洗5l5550.3l 减小清洗噪音35ll40.25 完全漂洗3l5l30.19 不损害衣物3ll3520.13 减少洗衣时间55l20.13 质量特性权)0.3l0.0.120.260.19 质量特性当前值,08550331.11.8 当前达到的水平8847301151.7 目标值r9245291.181.6 实现难度P2.331.671.331.602.00 菜全自动洗衣机概念设计过叶]质量屋分析4.2 确定出待改善的零部件 结合顾客需求,进行质量特性矩阵与质量特 性——零部件矩阵的分析,如图4 的下半部分和上 半部分.按照式(3)计算各零部件权重W(m). 洗衣鼓的权重为1.53,确定出待改善的零部件为洗 4.3解决质量特性的负相关问题 如图4 所示,待改善的零部件为洗衣鼓部件,而 与洗衣鼓关系最大的负相关的质量特性是洗衣质 量和衣物损害率,因此应从改善洗衣质量和 衣物损害率负相关的角度来改善零部件.分别将 洗衣质量和衣物损害率抽象为待改善的技术特 性速度和恶化的技术特性阻碍目标实现的有害 因素,在矛盾矩阵中分别得到分离原理,用机械系 统代替原理,改变物体的物理(或化学)状态和反馈 原理. 在该案例中,选择机械振动原理来分析,即使用 超声波振动来清洗衣物.于是,考虑用超声波来改 第12 期华中生等:基于QFD 与TRIZ 技术工具的产品概念设计方法 善洗衣鼓以解决负相关问题. 4.4 洗衣鼓功能分析和改善 通过功能测算,计算出EF=一0.780,产生 了功能弱化,即对洗衣鼓的改善虽然解决了洗衣质 量和衣物损害率的负相关问题,但洗衣鼓最基本 的功能产生了恶化,不能充分旋转衣物.通过物 质场分析,洗衣鼓看作加强鼓的运作(一种物 质)使衣服(第二种物质)旋转(物质问的作用). 结合第一类标准解,对原系统做微小的改变但不改 变现有系统.通过对标准解在系统中增添永久的 或临时的添加物,但不改变现有系统进行分析,从 改变洗衣鼓物质材料和加入新的物质的角度,形成 相应的解决方案,则得到如下两种改善方案来改善 洗衣鼓:在洗衣鼓和衣服之间加入新的物质;在 洗衣鼓中加入新的材料. 通过标准解中的应用案例分析和相关专利分 析,得出的解决方案是,在洗衣过程中,向洗衣机注 入微气泡来增强洗衣鼓和衣物间场的作用. 4.5 选择实施方案 通过产品测试和新的质量屋分析,改善后的质 量特性值分别为9O,48,4O,1.2,2.按照式(4)和式 (5)进行计算,得出EF 一1.11,DI=0.87,表明各 质量特性均达到目标值,并且负相关也无恶化.考 虑技术可能性,成本和市场因素,最终选择用超声波 来改善洗衣机.如图5 所示,改善后的洗衣鼓内鼓 震动所产生的超声波产生的微气泡,能深入到纤维 内部以增加清洗能力l9].通过这种方案改善的洗衣 机,能减少5O 的清洗剂并能增加5O 的清洗能 力,同时使衣物的寿命增加两倍. 改善前的内鼓结构b改善后的内鼓结构图 结束语基于QFD 与TRIZ 三种技术工具综合的概念 设计过程,是在研究新产品开发过程中综合运用 QFD 和TRIZ 技术工具改善零部件可能产生的功 能弱化,负相关关系恶化等二层问题的基础上,考虑 TRIZ 三种技术工具的集成,从机理上改善二层问 题所产生的负面效应,形成零部件改善方案,并在此 基础上形成新产品概念.该概念设计方法彻底消除 了传统方法的缺陷,改善了设计过程,缩短了设计周 期,同时TRIZ 技术工具的集成和相关软件的应用 使概念设计过程更系统化,实现了设计创新.本文 只研究了新产品开发中的产品概念形成过程.至于 新产品实现过程,零部件矩阵配置以及产品工艺过 程的设计,都可以考虑用TRIZ 的技术工具来改善 和创新,但这是下一步的研究lT 参考文献:『1【ovationproduct developmentprocessbyintegratingQFDandTRIZ[J].Inter— nationalJournalofProductionResearch,2002,40(5):1O31— 1050. 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Keywords:case—basedreasoning;costevaluation;billofmaterial Received20Nov.2003;accepted14Apr.2004. Foundationitem:ProjectsupportedbytheNationalPhilosophyandSocialScienceProgram, China(No.03BJY047) (上接第1593 MethodofproductconceptualdesignbyintegratingQFDandTRIZtechnicaltoolsHUAZhongsheng,WANGWei (Sch.ofBusiness,Univ.ofSTofChina,Hefei230026,China) Abstract:Toeliminatenegativeeffectscausedbyderivativeproblemsinthecourseofproduct conceptual design,anewmethodofproductconceptualdesignbasedonQualityFunctionDeployment( QFD)and threetechnicaltoolsofTRIZ(Theoryofinventiveproblemsolving)wasproposed.Thepropo sedmethod firstlyspecifiedthekeypartswhichwereneededtobeimprovedthroughHouseofQuality(Ho Q)analy— sis,animprovementbyapplyingTRIZtechnicaltoolsandnegative--correlationanalysiswer ethensugges— tedtothepart,whichmightimprovesomeproductfunctionswhileimpairothers(thisisso calledade—rivativeproblemofanimprovement).Thesekindsofderivativeproblemswerethenforecaste dandtheir negativeeffectscouldbereducedbyrepetitiveapplicationsofQFDandTRIZtechnicaltools, andthecon— ceptualdesignprocesswasbornwithanefficientresult.Anapplicationcaseoffullyautomatic washing machineillustratedavailabilityandefficiencyofthemethod. Keywords:theoryofinventiveproblemsolving;qualityfunctiondeployment;contradiction matrix;con— ceptualdesign Received11Nov.2003:accepted03Nov.2004. Foundationitem:ProjectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundation,China(No. 70172041)andNaturalScienceFoundationofAnhui Province,China(No.03042308).

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