面向產品開發的FMEA和QFD集成模型研究

強　媛,彭　鵬（南京航空航天大學,南京　211100）

面向產品開發的FMEA和QFD集成模型研究

強媛,彭鵬
（南京航空航天大學,南京211100）

故障模式及影響分析（FMEA）與質量功能展開（QFD）作為兩種常用的質量管理工具，都是用來持續改進產品的質量和提高顧客的滿意度的。本文提出了一種基于二元語義的FMEA與QFD集成模型，得到一個真正既能滿足顧客的需求，又能考慮到產品未來持續性改善的面向產品開發的模型。最后通過以航空發動機的曲軸連桿機構的開發設計實例證明了該模型的有效性。

質量功能展開；故障模式及影響分析；風險評價指數；二元語義

1　引言

如何在產品設計開發過程中最大限度地滿足客戶需求、提高產品質量已成為企業在全球化競爭中能夠脫穎而出的關鍵。一些先進的質量管理方法，如FMEA和QFD等被應用于產品生命周期中，實現質量管理和控制的快速反應。FMEA使用系統的方法對產品設計、開發、制造等過程進行分析，找出潛在的質量問題或失效模式，分析失效模式所能造成影響的嚴重性[1]。王曉噸，熊偉提出基于依賴型語言有序加權幾何DLOWG算子的FMEA風險評估方法，運用DLOWG算子綜合專家的群體評判意見[2]。

QFD是產品設計階段進行質量管理的一種工具，其實質是用系統工程的觀點將顧客的需求轉化為工程特性。劉鴻恩，張列平對QFD理論與方法的研究進展進行了綜述[3]。隨著QFD方法的不斷完善，其應用從最初的汽車制造業擴展到了整個制造行業，以及軟件開發[4]，交通運輸[5]和教育[6]等各個行業和部門。

2　二元語義信息處理方法

二元語義評價方法是由西班牙學者Herrera教授于1997首次提出的[7]。于春梅，樊治平針對解決具有語言評價信息的多指標聚類分析問題，提出了一種基于二元語義信息處理的最大樹聚類方法[8]。米傳民、劉思峰將二元語義評價和灰色聚類進行了集成[9]。鞏在武，劉思峰系統研究了二元語義判斷矩陣的定義與性質[10]。張可，劉思峰，朱建軍等利用模糊數與二元語義之間的轉化方法[11]。如今，二元語義算子評價決策方法已被廣泛應用于多目標決策以及多因素分析等各個研究領域[12]。

FMEA和QFD中都需要對語言評價信息進行處理。FMEA的工具風險評價指數RPN，其傳統計算公式是為風險發生的嚴重度，O為風險的發生頻度，D為風險的可探測度，要用1-10等級來劃分對這三個風險因子的語言評價信息。在QFD的工具質量屋中，也是用一些序列行數字來反映顧客需求和工程特性之間，以及各工程特性彼此之間的復雜關系。二元語義表示模型是基于符號轉移的概念，用一個二元組來表示語言評價信息的，它可有效避免語言評價信息集成和運算過程中出現的信息損失和扭曲問題。

其中sk表示事先定義的語言評價信息集S中的第k個元素，它表示給出或得到的語言評價信息與初始語言評價集中最貼近的語言短語。例如一個由7個元素（即語言評價）構成的語言評價集S可定義為：

本文中就是用二元語義中的二元組來處理FMEA中的風險因子值和QFD中的顧客需求信息，以最大限度的防止語言信息的遺漏。

3　基于二元語義的FMEA與QFD集成模型構建

全過程質量管理中要考慮兩個方面的問題，首先要使設計盡可能滿足上游的市場顧客需求，以此增強產品的競爭能力，QFD是這方面最重要的方法之一；另外還需要使產品的設計能夠適應企業內部制造裝配的水平，以此減少產品設計返工的次數，縮短新產品的研發周期，FMEA是這方面廣泛應用的方法。因此二者具有可集成性。

3.1 改進的風險指數 RPN

傳統評估RPN的方法中三個風險指標的權重是相同的，未曾考慮不同因素對風險指數影響的大小，因此要引入不同因素的權重大小來改進傳方法。運用二元語義方法處理過的風險三因子，其中二元語義信息的逆函數值最大的因子對風險的影響也最大，對三因子進行賦權，表示三個風險因子二元語義信息的逆函數值大小。在傳統RPN計算公式的基礎上采用指數的形式表示權重就得出了新的RPN公式：

3.2 故障修正指數

為了消除QFD對各個功能單元孤立分析以及QFD為了充分考慮顧客需求的變動而無法穩定反映零部件工程特性的缺陷，我們要用FMEA分析的結果去修正QFD中的各零部件工程特性值。故障修正指數的計算公式如下：

式中K表示不考慮進行修正的最低值；P值表示修正的強度系數，可以影響故障修正指數F的敏感度。RPN轉化為故障修正系數F后，將修正指數F填入QFD的質量屋中，用值乘以其中原有的零部件工程特性的絕對權重，得到新的重要度排序，可為新產品開發設計環節的改進提供新的參考數據。

3.3 基于二元語義的 FMEA 與 QFD 集成模型

首先對產品進行FMEA分析，根據對類似產品的分析可以列出產品關鍵的失效模式，以及每個失效模式相對應的可能造成此失效的原因。由專家對這些失效模式及原因進行分析，對他們的語言評價信息進行處理后，可以用二元組的形式來從中提取出各失效模式的嚴重度，各故障原因可能發生的頻率和可探測性。經過二元組的逆函數運算后，根據公式（5）可以得出各失效原因下的RPN值，根據公式（6）可以得出故障修正指數F。

接著對產品進行QFD分析，根據調查列出顧客對產品的需求，以及產品的各技術特性。同樣用二元組來表示各顧客需求的重要度；以及各顧客需求與技術特性之間的關系矩陣，經過二元組的逆函數運算，得出各技術特性下的絕對權重，其中。

用故障修正指數來修正QFD中得出的各技術特性的絕對權重，修正后的權重Fj是由FMEA分析反映到相應的QFD中的故障修正指數。根據就可以給所有技術特性排序，從而對設計材料進行選擇。

4　實證研究

以航空發動機的曲軸連桿機構的開發設計為例，先對其進行FMEA分析。在對各種情況下的風險嚴重度、頻度和可探測程度進行專家打分時，用二元語義分析方法化語言信息為二元語義符號再根據公式（6）得出風險指數RPN值。由于齒輪減速器是安全要求程度很高的零件，不管RPN多大，都應立刻采取措施，所以專家確定計算風險修正指數F時，取K=0，P=1。FMEA分析結果如表1所示。

表1　減速器失效FMEA表

然后建立QFD表，通過市場調查顧客需求包括承載力高（R1），成本低（R2），使用壽命長（R3），安全性能高（R4），結構緊湊（R5）和振動小（R6）。利用通過式（6）計算出來的故障修正指數來修正QFD中的絕對權重，并將所有候選零件材料進行重新排序，并挑選適當的元件材料，以達到直接修正的整合目的。

表2　減速器失效QFD表

由上表可知，通過反饋修正后各使用材料的絕對權重發生了改變，產品設計技術方案的選擇隨之也發生了變化，如曲軸連桿的主軸使用新材料時比使用舊材料時的排序高，因此更能讓顧客滿意。

5　結論

本文將由FMEA表得出的故障修正指數用于重新評價QFD展開中的第一個階段工程特性展開中，一方面消除了對各個功能單元失效模式單獨分析造成的影響，另一方面將顧客的需求轉化為了工程特性。接下來要繼續研究的內容是將FMEA嵌入到QFD的剩下的三階段零部件特性展開、制造過程展開和過程控制展開中，進一步提高產品的設計質量，同時降低產品的設計周期和成本，從全局出發，有的放矢地提高產品的市場競爭力。

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國家自然科學基金項目（71071077）；江蘇省研究生培養創新工程（SJLX_0145）中央高校基本科研業務費專項資金資助。