五环法

提高产品设计开发速度和质量的有效方法

——“五环法

随着科学技术的不断发展，产品生产机械化、自动化水平的提高，人操作干预相对减少，产品制造过程的质量保证能力大大提高，产品质量的形成过程逐渐移向其源头一一设计开发过程。日本曾作过统计，产品在使用过程中暴露出的问题(包括顾客反馈意见、投拆以及索赔等)约70％是属于设计开发中存在的问题，笔者所在的公司也统计了产品质量波动的原因，约65％的情况属于设计开发中存在的问题或缺陷。新产品诞生后先天不足的情况，在很多制造企业里都不同程度也存在着，这给后续的生产和使用过程带来相当大的麻烦，也造成产品内、外部质量的损失，增加了质量保证成本。

“五环法”能从根本上很好地解决这个问题，它既能加快设计开发的速度，又能提高设计开发质量，并且还能降低产品的单台材料成本。“五环法”是笔者综合当今世界上一些经济发达国家的企业在产品设计领域里的先进理念和科学方法提出的。笔者在公司亲自对设计开发和工艺人员进行了培训，并得到了设计开发人员的认可，取得了满意的效果。

“五环法”以设计开发新理念为指导，其由“DOE正交试验设计”、“田口三次设计”、“可靠性设计”、“设计评审”和“同步小组的设立实施同步行动”这五个有着密切内在联系、缺—不可的环节构成，如图1所示。

下面就“五环法”每一环节的主要内容和“五环法”实施的步骤作简要的说明。

一、设计开发新理念

1．以顾客为导向

设计者只有通过市场调研和顾客访谈，较充分地掌握顾客的需求和期望，做好产品定位，才能设计开发出顾客喜欢的产品，所设计的产品也才具有较强的生命力。

2．加快新产品设计开发速度

在当今日趋激烈的市场竞争环境中，产品更新换代加快，企业间的竞争由原来的“大鱼吃小鱼”变为“快鱼吃慢鱼”，它迫使企业加快产品创新速度，如果还像以往一样，设计开发一个新产品用1～2年的时间，产品量产投放市场时，不是市场已被竞争对手的同类产品占满，就是该类产品已经处在更新换代的边缘了。

3．专业技术设计和统计技术相结合

中国及大多数第三世界国家所生产的产品，普遍存在产品质量差、物料消耗高和经济效益低等问题。其原因主要是产品的设计质量不高，设计主要靠专业技术完成。而发达国家的产品设计除应用专业技术进行设计外，还应用统计技术进行参数优化设计，既保证了产品质量，又大幅度降低了产品的成本，赢得更高的经济效益。我国的产品设计者应该树立起这一新理

念，走专业技术和统计技术相结合的设计路子。

4．产品功能设计同产品功能可靠性设计同步进行

随着科学技术的进步，产品技术含量越来越高，产品的技术密集度越来越大，产品的体积和重量越来越小，在功能设计的同时，如果不同步进行产品的可靠性设计，等木已成舟，在制造过程和使用过程中再发现产品质量不稳定或可靠性差的问题，想解决问题将是非常困难的事，而且解决这些问题的花费十分高昂。在设计开发过程中用1元钱可以解决的问题，在生产检验、使用、改型(重新设计)等阶段解决问题所需的花费均以10培的比例增加，如图2所示。

图2 在产品开发不同阶段解决问题所需的花费

5．在设计开发中树立“三新”的观念

以往设计开发新产品，作为技术领导常常对项目负责人或设计者要求采用新技术和新材料，现在还应加上“新方法”，即运用“DOE正交试验设计”，“田口三次设计”、FMEA故障影响与分析和FTA故障树分析等新方法。

二、DOE正交试验设计

单因素优化的黄金分割法和DOE正交试验设计法，都是非常有用的设计方法，它们既可在设计开发过程中进行参数优化设计，又可降低产品的单台材料成本，还可以在生产制造过程中对工艺参数进行优化设计。运用DOE正交试验设计是挖掘产品潜在质量问题的好方法，它既可以节省大量设计时间，找到最佳方案和最佳参数，又可以提高产品设计的速度和质量。

三、田口三次设计——系统设计、参数设计、容差设计

日本人二战后以质量兴国，田口三次设计起到了极其重要的作用。

1．系统设计

在产品开发的过程中，产品存在的形式不仅仅有本身的结构系统性，而且往往又存在于某一个系统中。以我公司设计、开发和生产的火灾自动报警控制器为例，控制器由多个单元构成自身的整机结构系统，同时控制器又要被安装在由若干个区域控制器、探测器、显示器

和控制模块组成的二总线自动报警控制系统之中，有时还将该系统纳入到楼宇自动化的大系统之中，作为楼宇自动化系统的一个组成部分。在这种情况下，系统的考虑问题、系统设计方案的优化和系统可靠性的分析(FMEA)将是设计者必须关注的重要问题。以往的设计者只考虑自己分工设计的那部分，对产品整机系统和产品所处的大系统接口关系考虑较少。系统设计水平不高的产品，一旦产品进入系统运行，就会暴露出整机内部系统的各种问题，同时还有同外部大系统匹配或接口通信的问题，解决起来十分困难。因此，系统设计的好坏和水平的高低，对产品质量影响极大。系统设计运用QFD功能展开法，分配系统的基本功能、二级功能和三级功能，确定与分配系统的各项特性指标，并根据任务书的要求，确定系统方案，最后通过方案论证，选出最佳系统方案。

系统设计的核心问题是将顾客的要求和期望，通过映射和质量功能展开转化为产品功能、特性参数以及整机结构和零部件。系统设计的主要方法有：“西方流派的理论”方法、“公理性设计原则”方法和“创造性问题理论”方法。

2．参数设计

上文在DOE正交试验设计中已经谈到了一些参数设计的问题。在单因素的影响下，运用黄金分割法进行参数值的优化，最后确定出最佳参数值。在多因素的影响下，运用DOE 正交试验设计法，优化出最佳的参数组合方案。在多因素影响下，各参数的变化范围已知时，通过对DOE各位级值的计算和方差分析，获得最佳参数组合方案，参数的组合优化可以降低产品单台材料成本。运用黄金分割法、DOE正交试验法能节省大量的试验时间，用最少的试验次数和最少的代价，获得满意的试验结果，并优选出最佳的方案和参数。

3．容差设计

通过参数优化设计选出系统诸参数中心值之后，可进一步考虑各参数误差的允许范围。对影响系统稳定性的重要元件要严格控制其误差，对作为次要因素的元件则可放宽公差要求。选定元件的误差等级后，要作一次确认计算，对产品的稳定性作可靠性评价。关键器件容差范围的给定要进行控制试验，容差设计同可靠性设计保持统一。

四、可靠性设计

由于产品本身技术含量发生了历史性的变化，产品趋向高科技，技术含量更高，结构高度密集，顾客不易识别其质量特性的满足程度，因此要求产品具有较高的稳定可靠性。另外，在国际贸易商业谈判中，也对产品的可靠性提出了更高的要求。作为产品设计者，必须十分重视产品的可靠性设计，保证产品功能设计和可靠性设计同步进行。否则产品一旦量产和投放市场，将在使用过程中暴露出产品质量波动大，稳定可靠性差，返工、返修量大的问题。这一方面增大了产品质量内、外部损失，同时也会牵扯了设计者相当大的精力去解决善后问题。

可靠性设计通常有以下几种方式：(1)简化设计；(2)降额设计；(3)热设计：(4)电磁兼容设计：(5)耐环境设计，(6)冗余设计；(7)FMEA故障模式与影响分析FTA故障树分析等。

五、设计评审

设计评审最初由美国人提出和应用，后来纳入ISO9000质量标准中，设计评审属于站在设计者之外的第三方评审，是发现设计过程中的不足或设计缺陷的一种好方法。但是，国内许多ISO9000认证，设计评审往往走形式，起不到对设计质量把关的作用。在“五环法”中对设计评审的内容和深度有了新的要求，主要体现在：(1)产品充分满足顾客要求；(2)可靠性设计方面；(3)运用田口三次设计方面的内容评审；(4)运用DOE正交试验优化参数，降低产品单台材料成本方面的评审等。这种评审同ISO9000要求的设计输入评审、设计输出评审、设计验证和设计确认并不矛盾，而且更具有实效性，真正把好了产品设计质量关。