罗润

（中航西飞，陕西 西安710089）

1 引言

稳健设计（robust design）是一种以顾客需求为牵引，以产品设计为重点，提高产品质量和可靠性，降低成本并缩短研制周期的设计技术方法，能使所设计的性能对于制造过程的波动以及对使用过程、工作环境（包括维护、运输和储存）的变化不敏感，而且尽管零部件的性能会漂移或老化，系统仍能在其寿命周期期间以可接受的状态继续工作。

稳健设计是在日本田口三次设计以及试验设计、质量功能展开等方法基础上进一步发展完善的一套新的优化设计方法，它具有开放性的特点，并未限定具体方法，只给出了稳健设计所要达到的目标。任何方法，只要能满足稳健设计的要求，都可以成为稳健设计方法体系中的一个组成部分。

当前稳健设计技术方法包括质量功能展开（QFD）、系统设计、方差分析与回归分析、试验设计、静态特性参数设计、静态特性容差设计、动态特性参数设计、FMEA 和FTA分析、可靠性度量和评估、参数设计与容差设计以及QC 七工具等技术方法。

2 QFD、TRIZ、DOE 产品设计方法

在产品设计过程中，可以将QFD、TRIZ、DOE 方法结合起来，首先，用QFD 方法分析产品的设计目标，其次，用TRIZ 的原理和理论解决设计过程中的矛盾和冲突，最后，用DOE 方法得到产品最优参数组合。

2.1 QFD 方法

质量功能展开（Quality Function Deployment，QFD）是把顾客（用户、使用方）对产品的需求进行多层次的演绎分析，转化为产品的设计要求、零部件特性、工艺要求、生产要求的质量工程工具，用来指导产品设计和质量保证。QFD起源于日本，由赤尾洋二和水野滋两位教授首先提出，目的是设计、生产充分满足顾客需求的产品和服务。随后，该技术在美国得到进一步发展，并在世界范围内得到广泛应用。

2.2 TRIZ 方法

TRIZ 是“发明问题解决理论”俄文单词的首字母缩写，中文译名为萃思、萃智，利用它可以解决技术问题，产生创新性解决方案。

TRIZ 理论的典型步骤分为三步：①问题识别。重点是对产品进行全面分析并且识别出关键问题。②问题解决。重点是将识别阶段识别出来的关键问题转化为TRIZ的40个发明理论、39 个通用技术参数中的问题模型，然后运用TRIZ冲突矩阵表找到解决方案，再将其转化为具体的解决方案（创意）。③概念验证。重点是权衡技术实施的难易程度、制造成本、上市时间需求及投资成本的限制等因素，筛选出最佳解决方案，以优化宝贵的资源和时间。

2.3 DOE 方法

试验设计是数学中数理统计的一个分支，专门研究如何选用试验样品的数量，减少试验次数和找出最优结果的方法。试验设计的方法很多，如均匀设计、正交设计、因子设计、部分因子设计、响应曲面设计、回归正交设计、正交均匀设计、拉丁方设计、正交拉丁方设计、区组试验设计、分批正交设计、套设计或分级设计、信噪比设计等。在随机试验法中最常用的是正交试验设计（简称正交设计），它主要利用现成的规格化的表格——正交表来科学地挑选试验条件，合理地安排试验方案和分析试验结果。利用正交表安排试验，可以从众多的试验条件中，选出代表性较强的少数几个试验，获得最好的或较好的试验条件或生产工艺。

3 应用实例（某型机油箱容量测量）

飞机燃油箱是一种大型容器，其质量基本在几十吨左右。一般地，航空用煤油密度为0.78 g/cm3，可以通过测量燃油箱质量，计算后获得油箱体积。由于质量太大，测量不易，所以，某企业拟生产一种测量大型容器容积的装置。该装置的工作原理如图1 所示。

图1 容器容积测量装置工作原理示意图

在传动机构的驱动下，激光测距头可以以支撑立杆为轴水平方向旋转，也可以沿支撑立杆上下移动。

测距头自容器底部开始测量，先旋转一周测得立杆轴向中央点到容器水平断层内壁各点间的距离，从而测出该断层的面积，然后测距头向上移动一定高度，再扫描一周，测出该曾断层面积；依此，逐层扫描，直至容器内高H。每两个断层之间的边缘以数学公式辅以经验公式修正，计算出两个断层之间的体积。依次类推，计算出全部断层之间的体积，即容器的体积。

针对上述产品，首先利用QFD 方法确定关键技术要素。用户的需求很明显，即短时间内，获得较为准确的油箱容积值，而且设备应易于操作。而测量设备设计的主要参数包括机构复杂度、测距头精度和拟合计算的准确率三项。基于这种考虑对此展开一级质量屋分析，如图2 所示。

图2 QFD 一级质量屋分析图

经过简单的计算，机构复杂度的重要度为31，测距头精度的重要度为69，拟合计算准确率的重要度为43。因此，可以将测距头精度确定为更需要关注的工程技术措施。而影响测距头精度的主要因素为水平转动速度和上下移动速度。由于测量设备存在精密机械传动机构，测距头水平转动速度和上下移动速度都不能太快，通常测量一个断层需要5 min，另外，为保证边缘部分测量误差不会过大，断层之间的间距h也不能太大，一般为10 cm。这样，要测量一个4 m 高的容器至少需要200 min。

现在的问题是，在保证测量精度的前提下，如何提高测量速度？如果将断层之间的间距由10 cm 提高到20 cm，以期将测量速度提高一倍。但是，因为断层之间的间距变大，断层之间边缘部分的拟合也将变得复杂，导致计算精度降低，造成测量精度下降。

如果用TRIZ 的眼光来看待该问题，这其实是一个典型的技术冲突：如果提高断层间距（步长），会提高测量速度，但会降低测量精度；如果要提高测量精度，就必须减小断层步长。因此，可以尝试采用技术冲突解决原理来解决该问题。最为简单的方法就是对照要解决的问题遍历40 个发明原理，以期从中得到启发。同时，还可以使用冲突矩阵，更加准确地定位解决方法。

第一步，描述技术问题。为此，尝试回答下面三个问题：

问：问题是什么？

答：测量时间太长。

问：现在有什么解决方案？

答：提高步长，从而提高了速度。

问：这个解决方案有什么问题？

答：致使测量精度变差。

第二步，用工程参数描述技术冲突。再次描述问题：要提高测量速度，可以提高步长，但造成测量速度下降。参考39 个工程技术参数，可以形成该问题的技术冲突描述：要改善的工程参数为参数9（速度），造成恶化的工程参数为参数28（测量精度），即工程参数9 与工程参数28 冲突。

第三步，查找冲突矩阵。查表获得可以参考的发明原理代号分别为28、32、1 和24。

第四步，查看4 条发明原理的解释。

发明原理28：机械系统替代。其解释为用视觉、听觉、嗅觉系统代替机械系统；使用与物体相互作用的电场、磁场及电磁场；用动态场替代静态场，用确定场替代随机场；将场和铁磁粒子组合使用。

发明原理32：改变颜色。其解释为改变物体或环境的颜色；改变一个物体的透明度，或改变某一过程的可视性；采用有颜色的添加物，使不易被观察到的物体或过程被观察到；如果已添加了颜色添加物，则用发光轨迹线追踪物质。

发明原理1：分割。其解释为将一个物体分成相互独立的部分，使物体分成容易组装及拆卸的部分，增加物体各部分的相互独立程度。

发明原理24：借助中介物。其解释为使用中介物传递或完成所需动作，使一个物体与另一个容易去除的物体暂时结合。

第五步，逐一分析查到的发明原理，以期得到启示。

根据发明原理28（机械系统替代），可以想出其他几种方案来提高测量速度，如采用摄影、X 射线、气体振动波等原理来代替现用方法。但这些方法现对于现在讨论的技术系统是全新的方法，可能受成本、工期或企业现有技术能力、工装工具等的制约，不能在短时间内以低成本实现。因而暂时不考虑。

根据发明原理32（改变颜色），没有什么好的方法，放弃此条原理。

根据发明原理1（分割）获得启发，形成以下2 个方案：

方案1：水平分割。将现有的一个激光测距头水平方向“分割”成N个测距头，并沿水平面等角度安放，各测距头可以同时绕立杆水平旋转。这样，以前转头需要旋转360°才能完成一个断层测量，现在每个转头只需旋转360°/N即可，从而N倍提高测量速度。

方案2：垂直分割。将支撑立杆“分割”成N等份，每一个等份安装一个测距头，各测距头可以沿支撑立杆同步上下移动和水平转动。这样，也可以N倍提高测量速度。

上述两种解决方案中，多个激光测距头要以时间“分割”方式（分时方式）工作，以免相互干扰。为降低成本，多个测距头可以使用同一套激光发射和测量电路，且仅使用一只接受传感器，这样，设备仅仅是增加了N个激光发射管，系统的复杂程度未大幅提升。

此外，根据发明原理24（借助中介物），获得启发，形成方案3。

方案3：排出空气。将巨大塑料袋排空，放入被测量容器内，向塑料袋内充入空气，用气流表测量被测容器内因塑料袋的膨胀被“挤出”的空气量。

上述这3 种方案就是利用TRIZ 方法完成的，TRIZ 方法可以给人较为广阔的视野和思路，更加有效率。当然，用TRIZ 方法获得的方案需要进行试验验证才能最终确定。

下面采用正交试验（即DOE 方法）找出方案1、方案2和方案3 较为合理的方案参数。假定方案1 和方案2 试验涉及的试验因素为技术复杂度、测距头数量和所需经费，且这3 个试验因素的位级都取2 位，即技术复杂度等级为1 级和2 级，采用的测距头为2 个和3 个，所需经费等级为1 级和2 级。

查如表1 所示的正交表，3 个因素2 个位级需做4 次试验。按正交表安排的计划进行试验，测定试验结果并进行分析，可得到方案1 的最佳参数。同理，可以得出方案2 的最佳参数。同理，将方案3 的试验因素分为塑料袋质量、气流表精度、所需经费3 种，受技术条件水平的制约，这3 种因素的位级都取2 位，按照表1 所示正交表安排试验，测定试验结果并进行分析，可得出方案3 的最佳参数。

表1 正交表

按得出的最优参数组合生产出方案1、方案2 和方案3的样件，并投放市场，用户试用后，收集用户意见，并对3种方案进行评估，可得出最优设计方案。

4 结论

本文分析了QFD、TRIZ 和DOE 方法的优缺点及其应用范围，提出了综合应用QFD、TRIZ、DOE 方法这一系统的、全局性辅助产品创新设计的方法。QFD 将顾客需求分析转化为各阶段参数特性，贯穿产品设计始末；TRIZ 作为解决各种冲突的工具，应用由始至终；DOE 辅助试验设计，提供参数优化组合。最后以某型机燃油箱容积的测量为例简单介绍了该方法的应用过程，具有一定的工程指导意义。