基于关键质量特性产品设计质量控制

基于关键质量特性的产品设计质量控制方法1
何益海唐晓青
北京航空航天大学机械工程及自动化学院质量工程实验室, （100083）
E-mail（heyihai@）
摘要：针对国内外产品设计质量系统化控制方法研究的不足，提出了基于关键质量特性的产品设计质量控制方法。

首先依据产品构成三层论和公理化设计原理，明确了产品设计阶段要求满足顾客需求和适应企业生产能力的系统化质量控制需求；然后分析了产品质量特性的多维性特点，提出了产品关键质量特性概念，建立起以识别、分解和映射为主线的产品关键质量特性演化过程模型，明确了产品设计质量控制对象与主线；接着基于产品关键质量特性演化模型建立起产品设计质量控制过程模型，通过质量控制台以质量计划形式提供控制对象与方法，明确了产品设计质量系统化控制方法与过程；最后，提出了设计质量控制过程模型的软件实现框架和集成工具方法配置，开发了产品设计质量控制平台QQ-Dplatform，并通过系统初步的应用验证了方法的正确性。

关键词：产品设计；质量控制；关键质量特性；质量特性演化模型；质量控制过程模型
1. 引言
产品设计质量决定了产品的固有质量，是产品全生命周期质量控制的“瓶颈”[1]，随着并行设计、保质设计[2]和六西格玛设计[3]等产品设计与质量控制新理论方法实践研究的不断深入，如何系统地有效的对产品设计质量进行控制，实现质量驱动的产品设计，保证产品质量，已经成为企业面对的具体问题和研究热点。

近年来，随着国内外针对产品明确任务、初步设计和详细设计等阶段的质量控制与保证技术及方法等[1] -[8]研究的不断深入，对贯穿产品设计全过程的系统化的微观层面质量控制对象与质量控制方法提出了迫切需求。

为此，本文提出了一种新的基于关键质量特性的产品设计质量控制方法，并讨论了该控制方法的软件实现。

2. 产品设计质量系统化控制需求
产品（Product）是提供一定效用的物化商品和非物化服务的总和，可以将其抽象表示为具有核心层（Core level）、有形层（Tangible level）和延伸层（Augmented level）的三层结构[9] [10]。

核心层是指产品的功能、效用、消费利益等关键因素，是面向顾客需求的，这些因素在产品设计阶段决定的；有形层是指产品的式样、最终质量、品牌、包装、价格、布局特征等切实有形因素，这些因素是面向企业生产能力的，决定于设计阶段，在制造与生产阶段形成；延伸层是指伴随产品销售的咨询服务、送货服务、安装、售后服务等相关因素，它
1本课题得到高等学校博士点基金资助项目（20020006014）资助。

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们是有形产品的延伸。

因为产品核心层因素的属性决定着有形层和延伸层中的因素，所以产品设计阶段需要保证产品核心层中的关键因素，同时优化和平衡有形层和延伸层中相关因素的约束，产品核心层因素是设计阶段控制的重点[10]。

根据公理化设计原理，产品设计阶段即实现依次从顾客域、功能域、物理域到过程域的“之（zigzagging）”字映射[3] [11]，来完成顾客需求向产品功能、结构、零件特征和制造工艺的转化，其中功能域是关键，它联系着面向市场的顾客域和面向企业生产能力的物理域及过程域。

然而，目前对产品设计质量的控制大多集中在顾客域和物理域及过程域，顾客域主要关注如何根据顾客需求，定义清楚产品；物理域关注结构的可制造性等性能需求；过程域关注制造过程控制参数及控制方法。

各域之间的质量控制还处于离散、不均衡和不完善的状态，形成了产品质量水平的“瓶颈”。

为了进一步提高产品设计质量水平，减少工程更改次数和产品质量问题，需要在产品设计阶段对产品质量进行系统化的控制，保证产品核心层、有形层和延伸层的质量因素完备有效的转化与映射。

3. 关键质量特性
3.1产品质量特性的多维性
产品质量特性是产品固有的特性[12]，是产品质量的载体，是区分产品个体间质量的性质、性能与特点。

在产品全生命周期中，由于评价要求的广泛性和动态性，存在基于卓越、基于产品属性、基于满足用户需求、基于符合制造和基于价值等不同角度的产品质量定义[13]，为了清楚地描述产品质量并便于控制，产品质量特性的表征、表达与描述将成为关键。

对于产品质量的一般性描述应从：功能、性能、可靠性、符合性、耐用性、可维护性、美感性、认同性等多方面[12] [13]，可见在人们的认识中产品质量特性是具有多维性特征的。

在产品设计过程中，设计者从市场和顾客获取产品质量需求，依次将其分解和转化成为产品各个阶段的工程规范和要求，针对不同阶段的需求，动态地配置产品质量特性维度，明确控制因素，在产品设计、开发与制造过程中加以控制和保证。

产品质量特性在设计阶段的演化起始于用户需求，逐步依次经过工程层、功能层、性能层、结构层和约束层的分解、提炼、演化与精华，保证产品多维性质量特性在演化过程中完备、有效地映射与传递，是设计阶段质量保证的主要内容。

3.2 产品关键质量特性
产品关键质量特性（Product Key Quality Characteristics，PKQCs）是决定和影响产品质量的关键少数质量特性，起源于顾客需求，在需求分析、方案设计、结构设计与详细设计阶段不断传递与细化。

关键质量特性是决定和控制产品质量的基本信息单位，是产品质量的遗传物质，是产品设计质量控制过程关注的主要对象。

它们能够极大地影响产品的顾客满意度、安全性、相关规定符合性、一致性、功能实现性、性能约束满足性等，它们需要额外的控制手段来减少潜在的质量问题。

其概念模型如图1。

为了对产品关键质量特性信息进行有效的组织和管理，为此，本文提出支持产品生命周期的产品关键质量特性基本单元结构模型：CSM_KQCs（Cell Structure Model of Key Quality
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Characteristics ）。

CSM_KQCs= }{C F i
E i A i ,CSM_KQCs ,CSM_KQCs SM_KQCs ，其结构如图 1所示。

其中，A CSM_KQCs 表示KQCs 的基本标识属性信息（Attribute ），包括名称、编码、重要
度、类型和其它描述信息；E CSM_KQCs 表示KQCs 的环境条件（Environment ），包括KQCs
与其它KQCs 之间的关联关系（父、子、兄弟和约束）、所处产品生命周期阶段、相关产品信息；F CSM_KQCs 表示KQCs 的特征信息（Feature ），包括表征KQCs 属性的所有特征的集合，包括：特征编号、特征名称、特征类型、特征描述、特征之间的关系和控制方法等信息。

特征是该关键质量特性在某阶段最终不可再分解的质量要素集合，按其是否可控分为两类：即可控特征和一般特征。

图 1 产品关键质量特性基本单元结构
3.3 产品关键质量特性演化模型
为了支持产品生命周期质量状态空间的持续递阶转换，必须提供相关操作来完成产品关键质量特性的演化，便于质量特性能够在产品中适时表达出来。

为此，本文提出关键质量特性演化过程，如图 2所示。

图 2 产品关键质量特性演化过程
从上图中可以看出，关键质量特性对产品质量状态空间进行表征，首先从顾客需求中识别出产品关键质量特性集合。

识别操作主要包括：初始化识别对象集合、确定决策规则和运算输出结果集等活动；然后通过分解机制，分解出相关分级特征集。

分解操作主要包括：确
定关键质量特性、逐级分解、确定特征集选择策略和输出分级特征集等活动；此外，为了实现产品生命周期质量控制的延续性，关键质量特性可以通过映射机制，向相邻阶段传递。

映射操作主要包括：确定初始模板集合、确定它们之间的约束关系、寻找新的特性集合、确定新的特性集合之间的约束关系、建立模板集合与新特性集合之间的映射关系和计算输出新的产品关键质量特性子集合等活动。

随着演化过程不断演进，产品关键质量特性描述清晰度越来越高、描述信息粒度越来越细、量化程度越来越高，其中，在产品设计阶段变化最大。

4. 基于关键质量特性的产品设计质量控制模型
基于产品关键质量演化过程所生成的分级特征结果，根据质量主动预防控制思想，提出如图3所示的基于关键质量特性的产品设计质量控制过程模型。

控制台产品设计质量控制过程
关键质量特性层
图 3 基于关键质量特性的产品设计质量控制模型
如图中所示，基于关键质量特性的产品设计质量控制过程体现了从上至下贯穿产品设计全过程的主动预防思想；它通过控制台向产品设计过程提供设计质量控制对象和相应的方法，实现了与现有产品设计过程无缝集成；产品设计质量阶段性验证结果通过反馈通道可以随时反馈给控制台，控制台可以根据实际情况动态配置控制方案。

①关键质量特性层。

该部分提供明确的控制对象，它们是关键质量特性演化过程产生的结果，是实现设计质量系统化控制的关键；
②控制台。

该部分主要完成在得到产品关键质量特性的分级特征的基础上，根据具体设计阶段质量控制的需要，为分级特征动态配置相应控制方法，形成产品设计质量控制计划。

该部分是基于关键质量特性的产品设计质量控制过程软件实现的关键和与产品设计过程集
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成的纽带；
③产品设计质量控制过程。

该部分是基于关键质量特性的产品设计质量控制过程实现的主体，实现质量特性信息向产品参数的翻译与传递。

在产品具体设计阶段，按照产品设计质量控制计划方案描述中规定的分级特征和控制方法进行具体综合集成，并对阶段性结果进行评估，讲结果反馈给控制台。

5. 软件设计与实现
为了满足基于关键质量特性的产品设计质量控制模型软件实现需要，对产品设计质量进行系统化的控制和管理，建立如图4所示的产品设计质量保证平台框架。

该框架由质量建模子系统、质量控制子系统和质量数据管理子系统等3个模块构成：质量建模子系统支持产品关键质量特性的演化，建立起产品质量模型；质量控制子系统根据产品质量模型，在质量控制台的支持下，形成特定阶段质量控制计划，实现质量的综合集成，并对控制结果进行评估反馈；质量数据管理子系统对质量建模数据、质量控制结果和其他相关质量信息进行组织与管理，并实现与PDM系统的信息集成。

各模块支持工具和方法配置如下：质量建模子模块包括KANO模型、矩阵图、设计结构矩阵（DSM）、质量屋、网络图和Matlab等现代数学计算软件等，用来分析顾客需求等设计信息，识别关键质量特性集合，并支持其分解和映射操作；质量控制子模块包括：关键质量特性控制台、质量控制计划、质量评估、田口方法、FMEA、稳健设计、FTA、DFM/DFA/DFT和优化工具等，用来建立质量控制计划、质量综合集成和评估反馈；质量数据管理子模块包括项目管理、组织管理、知识管理、文档管理、数据流动管理、更改管理、权限管理、版本管理、文档传递和集成接口等，实现对产品设计阶段质量数据的有序组织和管理。

图 4 产品设计质量保证平台框架
基于该软件框架开发了现代产品设计质量控制与数据管理系统QQ-Dplatform（Platform for Design Quality Assurance），该系统成功地应用到某大型研究院某型号产品的研制开发过程中。

满足了该型号产品设计开发过程中基于关键质量特性的产品质量建模、质量系统控制和质量数据管理等质量保证与管理活动的需要，实现了与PDM系统和生产质量控制系统的数据集成，大大减少了工程更改和设计质量问题的数量，明显改善了产品设计质量水平。

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6. 结论
实现产品设计质量的系统化控制，是提高产品质量水平的关键。

本文基于产品关键质量特性构建了一套产品设计质量系统化控制方法，并构建软件系统框架，开发出软件原型，系统进行了初步应用。

为产品设计阶段质量系统化控制提供了有效的途径和解决方案。

参考文献
[1] Dr. Gavin Finn, Design quality-A prerequisite to integration of design and manufacturing, Prescient
Technologies. Presentations Given at the Design/Manufacturing Integration Workshop:Standardsand Implementation Issues. 9 and 10, November 1998
[2] Booker, J. D. (2003) Industrial Practice in Design for Quality, International Journal of Quality and Reliability
Management, 20, (3), pp 288-303.
[3] Larry R. Smith, Ford North American Truck, Six Sigma and the Evolution of Quality in Product Development.
Six Sigma Forum Magazine, 1(1): November 2001
[4] 秦现生，并行工程环境下的质量保证与产品设计，机械科学与技术，1998，17(1):167-169
[5] 袁清珂等，产品设计质量综合评价理论与体系的研究，中国机械工程，1998，9(10):8-10
[6] 商建东，基于全生命周期的质量驱动产品开发关键技术及应用研究，西安交通大学博士学位论文，2000
[7] 王美清. 唐晓青.产品设计中的用户需求与产品质量特征映射方法研究,机械工程学报,2004年05期
[8] 王美清，唐晓青. 产品设计质量控制方法研究及系统开发，制造业自动化，2003年09期：15-18
[9] 林功实，产品管理，东北财经大学出版社，2001
[10] M ourup M. A New Design for Quality paradigm. Journal of Engineering Design,1992,3(1)：63-80
N amP.Suh,Designing-in of Quality Through Axiomatic Design.IEEE TRANSACTIONS ON [11]
RELIABILITY,VOL.44.2.1995 JUNE 256-264
[12] R.Dan Reid, Characteristic Management[J], Quality Progress, 36(11), Nov 2003,71-73
[13] G arvin, David A. What Does 'Product Quality' Really Mean? Sloan Management Review (fall 1984)
[14] J ames Allen Smith, Frank Whitehall. In search of quality: It’s really dependability we’re after, Machine
Design, 1997,69(17): 41-48
Quality Control based on Key Quality Characteristics in
Product Design
HE Yi-hai TANG Xiao-qing
Quality Engineering Laboratory, School of Mechanical Engineering and Automation，
BeiHang University (BUAA)，Beijing 100083
Abstract
Product quality is determined in the design process, manufacturing enterprises are finding it increasingly important to address the quality of product design processes. To solve the problems of systematical control of product design quality, a quality control method of product design was presented based on the key quality characteristics. Firstly, according to theory of three levels of the total product and axiomatic design principles, quality systematical control requirements of product design such as meeting customer demand and adaptation to production capacity of enterprise were analyzed. Secondly, the concept of product key quality characteristics was put forward based on the analyzing multidimensional framework of product quality characteristics, and then the evolution process model of product key quality characteristics was created, which including identification, decomposition and mapping activities, thus the control object and backbone were clarified. Thirdly, a design quality control process model was created based on this evolution model, it provides objects and methods in the form of quality plan for product design quality control via control console, therefore, systematical control method and process of design quality were clarified. Finally, upon this control model, a software framework and integrated tools and methods configure model were put
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forward, a platform for design quality control software called QQ-Dplatform was developed. And the preliminary application verified the feasible and practical of studying method.
Keywords: Design Quality；Proactive Control；Key Quality Characteristics；Quality Characteristics Evolution Model；Control Model of Design Quality
作者简介：何益海（1976-），男（汉族），湖南常德人，北京航空航天大学博士研究生，主要从事产品设计质量工程、企业信息化等方面的研究。

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