DFSS及公差设计与分析(2013-6)
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T1 T2
DOE & Regression Cost & Reliability Analysis Process Capability Flowup Multi Objective Optimization
4. Validation
7: Determine Tolerances
Monte Carlo Analysis Statistical Tolerancing / Allocation Reliability Assessment Life, ALT, Reliability Growth
对应的良率：
99.73%
99.9993%
Байду номын сангаас
99.9999998%
质量首先是设计出来的，80%的产品质量是在早期设计阶段决定的，因此一套应用于新产品和流程设计的6σ方法论(DFSS)应运而生。
4
一、6σ的概念
• DFSS ——六西格玛设计(Design For Six Sigma)的英文缩写. DFSS面向产品的全生 命周期，从项目的开始阶段，按照合理的流程、运用科学的方法准确理解客户 需求，并把关键的客户需求融入产品设计过程中，从而确保产品的开发速度以 及在低成本下实现6σ质量水平。
Part Part Part 1 2 3
Xasm? ±Tasm?
• 知道Part1、 Part2 、 Part3的公差，如何确认组装之后的总公差？ • 知道Part1、 Part2 、 Part3、 Part4的公差，如何设定Gap, 并且得 知不出现干涉的概率达到预设的σ水平？ • 反之，如果给定Gap, 如何合理的给各Part分配公差？
14
二、公差分析的方法（RSS）
定义：对各零件公差的平方求和，再开方。假设各零件的公差都 符合正太分布，那么，累积公差也会是正太分布。 RSS的特征：
•累积公差的计算： •尺寸链为线性的
T asm
(T i)
n
2
•各尺寸为正态分布
•更适用于尺寸的数量≥4 •允许不良率存在，故，比Worst-Case更能符合实际
Product Scorecard Trade-off Matrix / Pugh Concept P-Diagram & Risk Matrix / FMEA
2. Definition
4: Identify Potential Risks
Science / Engineering Equations Analysis Tools (FEM, Tests etc.)
“DFSS” Vs “早期的6σ方法 ”
DFSS适用于任何行业、任何产品或流程的设计。利用DFSS，产品的设计、生产以及投放市场具有更强的可靠性和更高的性价比。
5
PROlaunch NPD
1. Concept
DFSS: A Process + Methods & Tools
Activities
1: Gather Voice of Customer (VoC)
Part Part Part 1 2 3
Part 4
最大 Gap =设计的Gap + Tasm=0.5+0.7=1.2
优化设计，有3个方案—— 1.加大“设计的Gap”0.2mm，但代价是——接受最大的Gap达到1.4mm.例如： 2.减小组装后的公差累计“Tasm”0.2mm，但代价是——需要提高单个或多个Part的精度要求，导致cost的上升。 3.同时调整“设计的Gap”和“Tasm”，使各考虑点达到平衡。
DFSS及公差设计与分析
概要
一、DFSS 的概念及其与PRO-launch的关系 二、公差分析及优化设计 三、常用的公差分析表格介绍和应用
2
Example: 如何设定你的起床时间？
要求: 1.不会迟到，或者迟到次数不多于4次/月；
2.不能太早或是太晚到达公司，最好能够8：20刷上班卡，留10分钟吃早餐。
Design Score Cards
P-diagram DFMEA/FTA Measurement System Analysis Design of Experiments Phase 3 DESIGN & DEVELOPMENT Monte Carlo Simulation Statistical Tolerancing Control Plan Robust Design Verification/Validation Plan with Test procedures
Gap
Part Part Part 1 2 3
Part 4
注意，这里的 Tasm= T1+T2+T3+T4，Tasm是否还有不同的计算方法？
11
二、公差分析的方法
根据 Tasm不同的计算方法，公差分析分为： 1.Worst-Case Method(最大最小极限法). 2.Statistical Method(统计分析法)
1.关键特性的制程能力分析
1.验证产品的可靠度
对于机构工程师来说，phase 3的 优化设计及公差设计分析乃是DFSS 的核心。
二、为何要公差设计
Part 1(X1) Part 2(X2) Part 3(X3)
设计值 3 4 5 最小值 2.9 3.9 4.8 最大值 3.1 4.1 5.2 公差(T) 0.1 0.1 0.2
二、公差设计概述
公差设计可以分为两类： •公差分析(Tolerance Analysis ,又称正计算) ,即已知各Part的尺寸 和公差,分析装配后的总体公差；
•公差分配(Tolerance Allocation ,又称反计算) ,即已知装配尺寸和 公差,求解并分配各Part的公差。
由于公差分配是公差分析的反计算，故，此次培训只讲解公差分析。
a. Root Sum Squared (RSS)(方和根法)
b. Monte Carlo Analysis（蒙特卡罗）
12
二、公差分析的方法(Worst-Case)
定义：又称最大最小值法、极限法、最差分析法。即使每个零件都 处于极限值，组装也不会出现干涉。 W-C的特征：
•累积公差的计算：Tasm=∑(Ti), 即，对所有公差的求和。 •尺寸链为线性的，如：Gap =X4-X1-X2-X3-X1 •更适用于尺寸的数量≤3
8: Test & Validate Design
5. Launch
9: Launch Robust Product aligned with VoC
Audit / FRACAS
6
一、DFSS 与PRO-launch的关系
Pro-launch Phase DFSS Phase QFD Phase 0~1 CONCEPT Concept Trade-Off & Selection DFSS工具 目的 1.将客户的需求展开成工程语言及规格 2.判断出哪些是关键的客户需求 1.方案的选择方法
9
二、公差分析的步骤
1. 明确要解决的问题点.
2. 创建2D模型，并在2D中标明尺寸链
3. 建立尺寸链的关系式（方程式） 4. 给各尺寸赋予初始的Tolerance（初始设计） 5. 选择合适的Tolerance Analysis Method进行分析 6. 根据Tolerance Analysis优化设计.
现有的数据:
• 洗漱+穿戴：10.0±2.0mins
•
• • •
走到公车站台：5.0±1.0mins
等车：5.0±5.0mins 坐车：15.0±5.0mins 下车走到公司刷卡：3.0±1.0mins
平均时间(mins) 最快(mins) 最慢(mins) 10 8 12 洗漱+穿戴 5 4 6 走到公车站台 5 0 10 等车 15 10 20 坐车 3 2 4 下车走到公司刷卡 total 38 24 52
分析—— 1.如果提早52mins起床，则永远不会迟到；但有时也会到达公司太早。 2.如果24mins~52mins之间任取一个值，那么，如何保证迟到次数不多于4次/月？ 3.如果任取的这个中间值，无法保证迟到次数不多于4次/月，你该选择哪个环节做改善对结 果影响最大？ 4.如果有N个中间值，都满足迟到次数不多于4次/月，你如何选择？
1.以现有的制程能力，预估有几成的把握满足客户的规格
1.分析设计方案的输入因子/干扰因子/期望结果/偏差结果 1.失效模式分析，找出潜在的风险 1.分析测量系统，确保测量数据的真实、准确
Phase 2
DEFINITION
1.找出系统的关系式 2.找出系统的主要影响因子 3.确认影响因子的分布规律
1.采用Monte Carlo优化设计 1.公差的优化设计及分析 1.建立制程的控制计划
•零件即使处在最极端的情况下，整个组装设计也OK。即，良率达到100%。
Worst-case保证了零件的完全装配和互换性。但正因为如此，对零件的精度要求会很高，导致带来高的加工成本。
13
二、公差分析的方法(Worst-Case)
T asm Ti 0.1 0.1 0.2 0.4
3. Design & Development
5: Find Critical Parameters and quantify their impact on CTQs via transfer functions 6: Optimize Robust Design Maximize performance Minimize sensitivity to variation
i
所以， 组装后的尺寸： ∑(Xi) ±Tasm =12±0.4
Part Part Part 1 2 3
设计的Gap =X4-X1-X2-X3=0.5
T asm Ti 0.1 0.1 0.2 0.3 0.7
i
如何设定Gap？
最小 Gap =设计的Gap – Tasm=0.5-0.7= -0.2 (干涉！)
Typical Methods and Tools
Value Cycle Quality Function Deployment
2: Establish Critical to Quality Characteristics (CTQs) 3: Create/Select Design Concepts
Phase 4
VERIFY
Capability Analysis/Robustness assessment of CTQs
Reliability Analysis of Life Test Data Reliability Analysis of Accelerated Life Test Data
DFSS可以回答并解决以上的第2、3、4项！
3
一、6σ的概念
6σ方法体系是由摩托罗拉公司于1987年首创，作为满足客户需求的关键经营
战略，经过十多年的发展，逐渐被众多一流公司采用。
6σ方法体系分为 DMAIC 和 DFSS 两种。 • 早期的6σ 方法——DMAIC(D定义、M测量、A分析、I改善、C控制)用于对企业现 有的流程进行梳理和改善, 但实践表明：一旦流程的能力达到了4σ ~ 4.5σ的时 候，就很难再取得突破，只有通过对流程或产品的重新设计才能达到更高的能 力。
设计值 3 4 5 12.5 最小值 2.9 3.9 4.8 12.2 最大值 3.1 4.1 5.2 12.8 公差(T) 0.1 0.1 0.2 0.3
如何设定Gap？
Part 1(X1) Part 2(X2) Part 3(X3) Part 4(X4)
Part Part Part 1 2 3
Part 4
10
二、公差分析方法理论
情形一：如右图，如何计算组装后的尺寸及公差？
∑(Xi) ±Tasm，其中，Xi----各个Part的设计值； Tasm----所有Part的叠加累积公差
Part Part Part 1 2 3
情形二：如右图，如何确认组装不会有干涉？ 最小 Gap =最小的X4 - 最大的（X1+X2+X3） =(X4-T4)-((X1+T1)+(X2+T2)+(X3+T3)) =(X4-X1-X2-X3)-(T1+T2+T3+T4) =设计的Gap – Tasm 同理， 最大 Gap =最大的X4 - 最小的（X1+X2+X3） =设计的Gap + Tasm 总公式是：实际的Gap=设计的Gap ± Tasm
DOE & Regression Cost & Reliability Analysis Process Capability Flowup Multi Objective Optimization
4. Validation
7: Determine Tolerances
Monte Carlo Analysis Statistical Tolerancing / Allocation Reliability Assessment Life, ALT, Reliability Growth
对应的良率：
99.73%
99.9993%
Байду номын сангаас
99.9999998%
质量首先是设计出来的，80%的产品质量是在早期设计阶段决定的，因此一套应用于新产品和流程设计的6σ方法论(DFSS)应运而生。
4
一、6σ的概念
• DFSS ——六西格玛设计(Design For Six Sigma)的英文缩写. DFSS面向产品的全生 命周期，从项目的开始阶段，按照合理的流程、运用科学的方法准确理解客户 需求，并把关键的客户需求融入产品设计过程中，从而确保产品的开发速度以 及在低成本下实现6σ质量水平。
Part Part Part 1 2 3
Xasm? ±Tasm?
• 知道Part1、 Part2 、 Part3的公差，如何确认组装之后的总公差？ • 知道Part1、 Part2 、 Part3、 Part4的公差，如何设定Gap, 并且得 知不出现干涉的概率达到预设的σ水平？ • 反之，如果给定Gap, 如何合理的给各Part分配公差？
14
二、公差分析的方法（RSS）
定义：对各零件公差的平方求和，再开方。假设各零件的公差都 符合正太分布，那么，累积公差也会是正太分布。 RSS的特征：
•累积公差的计算： •尺寸链为线性的
T asm
(T i)
n
2
•各尺寸为正态分布
•更适用于尺寸的数量≥4 •允许不良率存在，故，比Worst-Case更能符合实际
Product Scorecard Trade-off Matrix / Pugh Concept P-Diagram & Risk Matrix / FMEA
2. Definition
4: Identify Potential Risks
Science / Engineering Equations Analysis Tools (FEM, Tests etc.)
“DFSS” Vs “早期的6σ方法 ”
DFSS适用于任何行业、任何产品或流程的设计。利用DFSS，产品的设计、生产以及投放市场具有更强的可靠性和更高的性价比。
5
PROlaunch NPD
1. Concept
DFSS: A Process + Methods & Tools
Activities
1: Gather Voice of Customer (VoC)
Part Part Part 1 2 3
Part 4
最大 Gap =设计的Gap + Tasm=0.5+0.7=1.2
优化设计，有3个方案—— 1.加大“设计的Gap”0.2mm，但代价是——接受最大的Gap达到1.4mm.例如： 2.减小组装后的公差累计“Tasm”0.2mm，但代价是——需要提高单个或多个Part的精度要求，导致cost的上升。 3.同时调整“设计的Gap”和“Tasm”，使各考虑点达到平衡。
DFSS及公差设计与分析
概要
一、DFSS 的概念及其与PRO-launch的关系 二、公差分析及优化设计 三、常用的公差分析表格介绍和应用
2
Example: 如何设定你的起床时间？
要求: 1.不会迟到，或者迟到次数不多于4次/月；
2.不能太早或是太晚到达公司，最好能够8：20刷上班卡，留10分钟吃早餐。
Design Score Cards
P-diagram DFMEA/FTA Measurement System Analysis Design of Experiments Phase 3 DESIGN & DEVELOPMENT Monte Carlo Simulation Statistical Tolerancing Control Plan Robust Design Verification/Validation Plan with Test procedures
Gap
Part Part Part 1 2 3
Part 4
注意，这里的 Tasm= T1+T2+T3+T4，Tasm是否还有不同的计算方法？
11
二、公差分析的方法
根据 Tasm不同的计算方法，公差分析分为： 1.Worst-Case Method(最大最小极限法). 2.Statistical Method(统计分析法)
1.关键特性的制程能力分析
1.验证产品的可靠度
对于机构工程师来说，phase 3的 优化设计及公差设计分析乃是DFSS 的核心。
二、为何要公差设计
Part 1(X1) Part 2(X2) Part 3(X3)
设计值 3 4 5 最小值 2.9 3.9 4.8 最大值 3.1 4.1 5.2 公差(T) 0.1 0.1 0.2
二、公差设计概述
公差设计可以分为两类： •公差分析(Tolerance Analysis ,又称正计算) ,即已知各Part的尺寸 和公差,分析装配后的总体公差；
•公差分配(Tolerance Allocation ,又称反计算) ,即已知装配尺寸和 公差,求解并分配各Part的公差。
由于公差分配是公差分析的反计算，故，此次培训只讲解公差分析。
a. Root Sum Squared (RSS)(方和根法)
b. Monte Carlo Analysis（蒙特卡罗）
12
二、公差分析的方法(Worst-Case)
定义：又称最大最小值法、极限法、最差分析法。即使每个零件都 处于极限值，组装也不会出现干涉。 W-C的特征：
•累积公差的计算：Tasm=∑(Ti), 即，对所有公差的求和。 •尺寸链为线性的，如：Gap =X4-X1-X2-X3-X1 •更适用于尺寸的数量≤3
8: Test & Validate Design
5. Launch
9: Launch Robust Product aligned with VoC
Audit / FRACAS
6
一、DFSS 与PRO-launch的关系
Pro-launch Phase DFSS Phase QFD Phase 0~1 CONCEPT Concept Trade-Off & Selection DFSS工具 目的 1.将客户的需求展开成工程语言及规格 2.判断出哪些是关键的客户需求 1.方案的选择方法
9
二、公差分析的步骤
1. 明确要解决的问题点.
2. 创建2D模型，并在2D中标明尺寸链
3. 建立尺寸链的关系式（方程式） 4. 给各尺寸赋予初始的Tolerance（初始设计） 5. 选择合适的Tolerance Analysis Method进行分析 6. 根据Tolerance Analysis优化设计.
现有的数据:
• 洗漱+穿戴：10.0±2.0mins
•
• • •
走到公车站台：5.0±1.0mins
等车：5.0±5.0mins 坐车：15.0±5.0mins 下车走到公司刷卡：3.0±1.0mins
平均时间(mins) 最快(mins) 最慢(mins) 10 8 12 洗漱+穿戴 5 4 6 走到公车站台 5 0 10 等车 15 10 20 坐车 3 2 4 下车走到公司刷卡 total 38 24 52
分析—— 1.如果提早52mins起床，则永远不会迟到；但有时也会到达公司太早。 2.如果24mins~52mins之间任取一个值，那么，如何保证迟到次数不多于4次/月？ 3.如果任取的这个中间值，无法保证迟到次数不多于4次/月，你该选择哪个环节做改善对结 果影响最大？ 4.如果有N个中间值，都满足迟到次数不多于4次/月，你如何选择？
1.以现有的制程能力，预估有几成的把握满足客户的规格
1.分析设计方案的输入因子/干扰因子/期望结果/偏差结果 1.失效模式分析，找出潜在的风险 1.分析测量系统，确保测量数据的真实、准确
Phase 2
DEFINITION
1.找出系统的关系式 2.找出系统的主要影响因子 3.确认影响因子的分布规律
1.采用Monte Carlo优化设计 1.公差的优化设计及分析 1.建立制程的控制计划
•零件即使处在最极端的情况下，整个组装设计也OK。即，良率达到100%。
Worst-case保证了零件的完全装配和互换性。但正因为如此，对零件的精度要求会很高，导致带来高的加工成本。
13
二、公差分析的方法(Worst-Case)
T asm Ti 0.1 0.1 0.2 0.4
3. Design & Development
5: Find Critical Parameters and quantify their impact on CTQs via transfer functions 6: Optimize Robust Design Maximize performance Minimize sensitivity to variation
i
所以， 组装后的尺寸： ∑(Xi) ±Tasm =12±0.4
Part Part Part 1 2 3
设计的Gap =X4-X1-X2-X3=0.5
T asm Ti 0.1 0.1 0.2 0.3 0.7
i
如何设定Gap？
最小 Gap =设计的Gap – Tasm=0.5-0.7= -0.2 (干涉！)
Typical Methods and Tools
Value Cycle Quality Function Deployment
2: Establish Critical to Quality Characteristics (CTQs) 3: Create/Select Design Concepts
Phase 4
VERIFY
Capability Analysis/Robustness assessment of CTQs
Reliability Analysis of Life Test Data Reliability Analysis of Accelerated Life Test Data
DFSS可以回答并解决以上的第2、3、4项！
3
一、6σ的概念
6σ方法体系是由摩托罗拉公司于1987年首创，作为满足客户需求的关键经营
战略，经过十多年的发展，逐渐被众多一流公司采用。
6σ方法体系分为 DMAIC 和 DFSS 两种。 • 早期的6σ 方法——DMAIC(D定义、M测量、A分析、I改善、C控制)用于对企业现 有的流程进行梳理和改善, 但实践表明：一旦流程的能力达到了4σ ~ 4.5σ的时 候，就很难再取得突破，只有通过对流程或产品的重新设计才能达到更高的能 力。
设计值 3 4 5 12.5 最小值 2.9 3.9 4.8 12.2 最大值 3.1 4.1 5.2 12.8 公差(T) 0.1 0.1 0.2 0.3
如何设定Gap？
Part 1(X1) Part 2(X2) Part 3(X3) Part 4(X4)
Part Part Part 1 2 3
Part 4
10
二、公差分析方法理论
情形一：如右图，如何计算组装后的尺寸及公差？
∑(Xi) ±Tasm，其中，Xi----各个Part的设计值； Tasm----所有Part的叠加累积公差
Part Part Part 1 2 3
情形二：如右图，如何确认组装不会有干涉？ 最小 Gap =最小的X4 - 最大的（X1+X2+X3） =(X4-T4)-((X1+T1)+(X2+T2)+(X3+T3)) =(X4-X1-X2-X3)-(T1+T2+T3+T4) =设计的Gap – Tasm 同理， 最大 Gap =最大的X4 - 最小的（X1+X2+X3） =设计的Gap + Tasm 总公式是：实际的Gap=设计的Gap ± Tasm