支持面向質(zhì)量設(shè)計(jì)的制造信息結(jié)構(gòu)模型

李 靖，同淑榮，馬春暉

LI Jing, TONG Shu-rong, MA Chun-hui

（西北工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，西安 710072）

0 引言

面向質(zhì)量的設(shè)計(jì)是指在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)一定的準(zhǔn)則和方法將各種需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的質(zhì)量特性[1]。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，需要產(chǎn)品生命周期知識(shí)特別是與質(zhì)量有關(guān)的知識(shí)的支持[2,3]。制造信息是產(chǎn)品生命周期知識(shí)的重要組成部分，包括產(chǎn)品性能、材料、制造過(guò)程、可加工性、可裝配性、可維護(hù)性等[4～6]。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，制造信息若能及時(shí)、準(zhǔn)確地反饋給設(shè)計(jì)人員，會(huì)提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

為設(shè)計(jì)人員提供支持面向質(zhì)量設(shè)計(jì)的制造信息，需要研究制造信息與面向質(zhì)量設(shè)計(jì)全過(guò)程的關(guān)系，并由此建立支持面向質(zhì)量設(shè)計(jì)的制造信息結(jié)構(gòu)，為最終開(kāi)發(fā)支持面向質(zhì)量設(shè)計(jì)的制造信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。

1 面向質(zhì)量設(shè)計(jì)過(guò)程分析

1.1 面向質(zhì)量設(shè)計(jì)工具

面向質(zhì)量設(shè)計(jì)的一個(gè)重要工具就是質(zhì)量功能展開(kāi)(Quality Function Deployment,簡(jiǎn)稱QFD)，它將產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程質(zhì)量綜合在一起，把顧客的需求展開(kāi)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，包括產(chǎn)品規(guī)劃、零部件配置、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)規(guī)劃四個(gè)階段。在展開(kāi)過(guò)程中，上一層的輸出就是下一層的輸入，從而確保設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在質(zhì)量上滿足用戶的需求。

1.2 設(shè)計(jì)各階段任務(wù)

根據(jù)每個(gè)設(shè)計(jì)階段需要輸入及輸出的內(nèi)容，可確定各階段的主要任務(wù)。每個(gè)階段所要完成的任務(wù)不同，所需要的制造信息也不同。不同設(shè)計(jì)階段的任務(wù)可用圖1來(lái)表示。

圖1 DFQ各階段任務(wù)

2 面向質(zhì)量設(shè)計(jì)對(duì)制造信息的需求分析

2.1 支持設(shè)計(jì)的制造信息分類

結(jié)合面向質(zhì)量設(shè)計(jì)各階段所要完成的任務(wù)及所需要輸出的內(nèi)容，在不同階段，需要考慮不同的制造信息。比如，在產(chǎn)品規(guī)劃階段，要確定產(chǎn)品是否選用新材料，這時(shí)需要考慮新材料的可獲得性及成本等因素。在工藝規(guī)劃階段，要編制零件工藝卡片，這時(shí)需要了解車間設(shè)備的加工能力等因素。

為了清晰地表示產(chǎn)品設(shè)計(jì)各階段對(duì)不同制造信息的需求并方便收集制造信息，首先對(duì)制造信息進(jìn)行分類。按照產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，將制造信息分為以下幾類：

1）生產(chǎn)準(zhǔn)備信息。包括材料庫(kù)存率，新材料的可獲得性，設(shè)備使用現(xiàn)狀，成本和產(chǎn)量相關(guān)性。其中，成本和產(chǎn)量相關(guān)性是指在生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品或零件可以制造出來(lái)，但批量生產(chǎn)時(shí)，受到設(shè)備穩(wěn)定性或工裝要求等限制，可能會(huì)使成本大幅度提高。

2）生產(chǎn)過(guò)程信息。這主要是指產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素，包括設(shè)備的加工能力，材料的性能及供應(yīng)現(xiàn)狀，工作人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)，零件的工藝流程方法，對(duì)質(zhì)量特征值的檢測(cè)方法，生產(chǎn)所處的環(huán)境。

設(shè)備的加工能力：設(shè)備可加工的零件，所能達(dá)到的精度和粗糙度，設(shè)備運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。

圖2 DFQ與制造信息關(guān)系

工作人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)：包括設(shè)計(jì)人員，工藝人員，制造人員的業(yè)務(wù)熟練水平，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的責(zé)任意識(shí)，以及學(xué)歷、年齡、控制自身情緒不穩(wěn)定性的能力等

材料的性能及供應(yīng)現(xiàn)狀：材料的供應(yīng)狀態(tài)，規(guī)格，品種，材料的物理性能、力學(xué)性能及化學(xué)性能，材料的工藝性及加工處理方法。

零件的工藝方法：零件的工藝方法，上下工序的銜接，每道工序的具體加工方法。

對(duì)質(zhì)量特征值的檢測(cè)方法：產(chǎn)品或半成品的測(cè)量指標(biāo)，采用的測(cè)量工具，測(cè)量方法，測(cè)量的判定標(biāo)準(zhǔn)。

生產(chǎn)所處的環(huán)境：生產(chǎn)車間所處的環(huán)境質(zhì)量狀況，如溫度，濕度，塵埃等與產(chǎn)品質(zhì)量直接相關(guān)的因素。

3）檢驗(yàn)信息。檢驗(yàn)部門對(duì)各個(gè)工序的產(chǎn)品或半成品進(jìn)行檢驗(yàn)，記錄相關(guān)的質(zhì)量特征值，嚴(yán)禁不合格產(chǎn)品進(jìn)入下道工序，同時(shí)分析產(chǎn)品缺陷的產(chǎn)生原因，對(duì)產(chǎn)品實(shí)行質(zhì)量控制。

4）裝配信息：零件緊固方法和裝配路徑，零件之間的配合間隙和配合區(qū)段長(zhǎng)度，零件的夾持表面。

生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的制造信息一般通過(guò)文檔來(lái)記錄，通過(guò)對(duì)制造信息分類，可以根據(jù)各類信息的不同來(lái)源由相關(guān)人員錄入到制造信息系統(tǒng)中，從而規(guī)范地記錄制造信息，為設(shè)計(jì)者提供參考。

2.2 設(shè)計(jì)各階段對(duì)制造信息的需求

根據(jù)第二節(jié)對(duì)面向質(zhì)量設(shè)計(jì)各階段設(shè)計(jì)任務(wù)的描述，詳細(xì)分析設(shè)計(jì)與制造信息的需求關(guān)系。比如在產(chǎn)品規(guī)劃階段，確定是否采用新材料時(shí)要考慮現(xiàn)有設(shè)備能夠加工的材料種類；零部件配置階段估算產(chǎn)品性能時(shí)則需要考慮所用材料的力學(xué)性能、化學(xué)性能等。面向質(zhì)量設(shè)計(jì)與制造信息的關(guān)系具體如圖2所示。

設(shè)計(jì)對(duì)制造信息的需求貫穿在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程之中。隨著設(shè)計(jì)階段的不斷深入，對(duì)制造信息的考慮越來(lái)越多，越來(lái)越具體。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的不同階段，又需要共享很多制造信息。

圖3 支持面向質(zhì)量設(shè)計(jì)的制造信息結(jié)構(gòu)模型

3 制造信息結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

在對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行描述的基礎(chǔ)上，分析了產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)制造信息的需求。在此基礎(chǔ)上，建立支持面向質(zhì)量設(shè)計(jì)的制造信息結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)等，通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘來(lái)生成設(shè)計(jì)者所需要的制造信息。知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、以往不同產(chǎn)品與合格率之間的關(guān)系、生產(chǎn)裝配知識(shí)等能夠直接為設(shè)計(jì)者提供決策支持的知識(shí)。模型庫(kù)中存儲(chǔ)各種分析方法，對(duì)設(shè)計(jì)者的問(wèn)題進(jìn)行推理，分析，對(duì)設(shè)計(jì)者的方案進(jìn)行優(yōu)化，最終為設(shè)計(jì)者提出可行性建議。模型庫(kù)是系統(tǒng)的核心的部分，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者很少依靠數(shù)據(jù)直接進(jìn)行決策，通常都要經(jīng)過(guò)模型庫(kù)的分析才能支持自己的設(shè)計(jì)決策。數(shù)據(jù)庫(kù)，知識(shí)庫(kù)，模型庫(kù)既可以單獨(dú)為設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)支持，也可以互相提供支持信息。

支持面向質(zhì)量設(shè)計(jì)的制造信息功能結(jié)構(gòu)模型建立后，以此為基礎(chǔ)可開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)支持面向質(zhì)量產(chǎn)品設(shè)計(jì)的制造信息系統(tǒng)。將制造信息按照不同類別錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)錄入信息進(jìn)行處理、存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)更新，使設(shè)計(jì)人員能夠查詢與自己所負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)階段相關(guān)的制造信息，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 結(jié)論

采用QFD分析面向質(zhì)量的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)各階段所需完成的任務(wù)。對(duì)制造信息按照產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程分類，便于信息采集與處理。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)分析設(shè)計(jì)對(duì)制造信息的需求，建立面向質(zhì)量的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造信息的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，建立支持面向質(zhì)量設(shè)計(jì)的制造信息結(jié)構(gòu)模型。模型面向用戶進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，使具有不同任務(wù)的設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)決策時(shí)能夠考慮制造約束，設(shè)計(jì)與制造之間信息共享，為開(kāi)發(fā)支持面向質(zhì)量設(shè)計(jì)的制造信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。

[1]李暉. DFQ質(zhì)量保證設(shè)計(jì)的應(yīng)用方法[J].應(yīng)用科學(xué),2008,(2):91-92.

[2]劉闖,王俊彪.面向工藝領(lǐng)域的制造知識(shí)系統(tǒng)化建模方法研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2009,8(15):1500-1506.

[3]王琦峰,戴姜瑜.面向制造過(guò)程的知識(shí)管理運(yùn)行模式與應(yīng)用策略研究[J].情報(bào)雜志,2009,(1):115-118.

[4]RAMANAKV,RAOPVM.Data and knowledge modeling for design-process planning integration of sheet metal components[J].Journal of Intelligent Manufacturing,2004,(15):607-623.

[5]Badke S P,Gehrlicher A.Patterns of decisions in design:leaps,loops,cycles,Sequences and Meta-process[A].In International Conference on Engineering Design(ICED 03)[C].Stockholm,August 19-21,2003.

[6]劉明周,任蘭,張銘鑫.產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計(jì)過(guò)程中制造質(zhì)量數(shù)據(jù)管理方法研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2005,11(2):280-283.