基于繼電器溫升分析的六西格瑪設計流程構建與實施

鄧連姬

（廈門宏發汽車電子有限公司產品開發部，福建 廈門 361021）

六西格瑪設計 （Design for Six Sigma，簡稱DFSS）是對產品和流程本身進行計劃或重新設計，從而把問題消滅在設計階段，以便從源頭預防后面各環節中可能出現的錯誤。溫升是繼電器工作時的一個重要指標，過高的溫升將導致繼電器工作時燒毀，因此本文將常用的設計工具和方法融合到六西格瑪設計中，對繼電器溫升進行分析研究，提高繼電器產品品質的同時，構建出適合繼電器研發的六西格瑪設計流程。

1 繼電器DFSS流程介紹

根據繼電器產品種類多、體積小、開發周期長等特點，我司將常用的設計工具和方法融合到六西格瑪設計流程中，明確各階段主要工作內容、實施步驟以及各輸入／輸出間的邏輯關系，最終構建出適合繼電器產品研發的六西格瑪設計流程 （圖1）。該流程包括5個階段：識別 （Identify）、定義 （Define）、設計 （Develop）、優化 （Optimize） 和驗證（Verify），每個階段都是從顧客的需求出發，并形成一個循環。

2 繼電器溫升分析的DFSS實施流程

2.1 識別階段

圖1 六西格瑪設計流程

公司成立跨部門六西格瑪設計項目小組，運用KANO模型、成對比較法及SIPOC等方法進行分析評價 （表1），從不同的角度識別出顧客需求和項目的輸入／輸出過程，明確產品開發目標，即：基于我司現有生產裝備條件和工藝水平，開發出工作溫升低的繼電器以滿足顧客需求。

2.2 定義階段

1）通過質量功能展開QFD將顧客的需求轉化為產品的功能要求，如圖2所示溫升對產品的高可靠性能影響很大。

2）根據已明確的產品開發目標，將繼電器溫升作為產品的關鍵質量特性CTQ。評審小組經多方分析比較，選定降低產品溫升的概念設計方案，溫升設計目標值≤180℃。

表1 SIPOC模型

圖2 質量功能展開圖

2.3 設計階段

1）細化概念設計方案，將顧客要求 （即溫升≤180℃）逐層展開為產品設計參數，見表2。

表2 產品設計參數表

2）對產品零部件進行詳細設計，完成樣件的結構設計（繼電器三維模型見圖3），完成零件圖、裝配圖、零件材料清單等技術文件。

3）運用防錯技術和功能結構框圖等開展潛在失效模式及影響分析，識別高風險要素并采取改進措施；運用ANSYS仿真分析軟件對產品溫升進行模擬和預測 （表3），以確定是否滿足設定目標的要求，從而決定是否進行優化設計。

根據理論上的仿真分析結果可知，初始設計方案下的繼電器在工作時 （10 A下測量），線圈溫度、動簧引出腳溫度及靜簧引出腳溫度都超過目標值 （≤180℃），應對此參數進行優化。

2.4 優化階段

1）運用DOE試驗設計方法（圖4），找出影響產品溫升功能的顯著性因子及其交互作用，即尋找可以控制的設計因素。

2）根據表3識別出的影響產品溫升的設計參數作為因子進行全因子試驗設計，將收集到的DOE試驗數據導入Minitab軟件中，進行顯著性效果分析，得出試驗結論：接觸電阻 （A）、觸點負載電流 （B）、線圈電阻 （C）、環境溫度 （D）都是影響線圈溫升 （Y）的主要因素，接觸電阻與觸點負載電流 （AB）、線圈電阻與環境溫度 （CD）存在交互作用，其中可控因素為接觸電阻和線圈電阻。同時，產品功能要求與設計參數之間存在的數學模型可用回歸方程表達為：Y=105.831-0.683358A+0.0093B-0.298099C+0.717506D+0.719058AB+0.000680217CD。

圖3 繼電器三維模型圖

表3 繼電器仿真分析結果

圖4 DOE試驗設計流程圖

3）在此基礎上進行容差設計，合理分配各參數的公差。最終確定優化設計參數值：接觸電阻≤2 mΩ （10 A下測量），線圈電阻為155（1±8%）mΩ。

4）對優化后的方案進行設計評審，主要的不確定因素和風險不存在或降低到可以接受的程度后，進行樣件試制和試驗驗證。

2.5 驗證階段

為了確認優化后的產品性能是否滿足顧客要求、達到期望的品質水平，我們按照顧客要求設定了試驗條件 （環境溫度125℃，線圈電壓13.5 V，觸點電流20 A）和要求，并完成了DV （Design Validation）試驗，試驗結果見表4。

表4 產品試驗結果

由表4可見，線圈溫度、動簧引出腳溫度及靜簧引出腳溫度≤180℃，優化后的新產品性能穩定，完全滿足顧客要求，可轉入下一階段進行控制。

3 DFSS實施過程注意事項

3.1 實施DFSS的基礎

企業應具備一定的管理基礎和良好的內部管理溝通體系，并在企業文件、服務理念、技術改進、工作流程優化等方面具有一整套循序漸進的導入計劃。同時，DFSS項目要得到企業高層管理者的高度關注與支持，為團隊成員提供一定的專業培訓，配置適當的應用軟件，如：統計分析軟件 （包括DOE、田口設計和品質工具等數據分析工具）、仿真模擬軟件及項目管理軟件等，才能提高DFSS項目成功率。

3.2 DFSS項目的選擇

項目的選擇對項目的成功具有重要的影響。因此要選擇有代表性的項目，既不能選擇容易實現的造成輕視六西格瑪，也不能選擇很難實現的使大家失去信心，還要考慮在現有基礎上計算經濟效益和對其進行計算控制的可操作性。

3.3 DFSS流程構建和工具的使用

在構建DFSS流程時，要始終堅持以顧客需求為驅動，將持續改進顧客滿意和企業經營目標緊密地聯系起來，結合企業產品研發特點，最終構建出適合企業自身的DFSS流程。在進行DFSS項目時，相關的全體人員都必須遵循DFSS流程，但是各階段使用的工具和方法不受限，可根據項目性質和實際情況進行選擇。當各階段的工作結束時，項目組長應對各階段工作的執行情況進行總結，并報告給公司領導，以獲得其支持或承諾后，方可進入下一階段。

除此之外，企業在實施DFSS時還有很多更細節的問題需要注意，且不同的企業在實施DFSS時遇到的問題也不盡相同，必須結合各企業自身的特點進行解決。

4 結束語

本文將常用的設計工具和方法融合到六西格瑪設計中，完成對繼電器溫升分析研究，構建出適合繼電器產品研發的六西格瑪設計流程，降低了新產品開發成本，提高了產品品質水平，堅定了我們使用DFSS的信心，為今后開展同類產品的六西格瑪設計提供思路和借鑒。