肖 楠， 張馨月

（沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110136）

0 引言

隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展， 工業(yè)設(shè)計(jì)的研究對(duì)象從單一的小型產(chǎn)品逐步向大型且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品邁進(jìn)。 近些年以來(lái)，質(zhì)量機(jī)能展開(kāi)（QFD）技術(shù)、TRIZ 理論被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。 質(zhì)量機(jī)能展開(kāi)（QFD）技術(shù)是赤尾洋二教授提出的， 這項(xiàng)技術(shù)是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程中使用， 它使用多階段演繹分析將客戶需求轉(zhuǎn)換為一系列技術(shù)特征。 它是以市場(chǎng)為導(dǎo)向，并基于客戶的需求。這是在開(kāi)發(fā)的早期階段確保產(chǎn)品適用性的系統(tǒng)方法。QFD 的核心內(nèi)容是使用直觀的矩陣框架表示形式，即House of Quality 方法，以完成客戶需求轉(zhuǎn)換。 將直觀的客戶和市場(chǎng)需求的轉(zhuǎn)化機(jī)能作為客戶產(chǎn)品設(shè)計(jì)和解決的方案， 需要首先建立一個(gè)質(zhì)量屋的基本機(jī)能矩陣框架結(jié)構(gòu)，隨后輸入客戶的基本信息，從而經(jīng)過(guò)質(zhì)量機(jī)能處理就可以得到質(zhì)量機(jī)能輸出的信息，根據(jù)對(duì)輸出基本信息的處理來(lái)指導(dǎo)客戶進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

為解決工程技術(shù)參數(shù)沖突問(wèn)題， 由G.S Altshuller 等人總結(jié)出來(lái)的TRIZ 理論，幾乎都可以在工程設(shè)計(jì)產(chǎn)品生命周期的每個(gè)關(guān)鍵階段廣泛使用。 TRIZ 理論對(duì)于分析產(chǎn)品失效、 研發(fā)產(chǎn)品或產(chǎn)品的更新?lián)Q代、 保護(hù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、擴(kuò)大市場(chǎng)都有著很重要的作用，也為設(shè)計(jì)人員分析和解決問(wèn)題提供了另一種的方法。

本文所研究風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)控加工中心運(yùn)動(dòng)軸多，信號(hào)量大， 控制復(fù)雜， 加工中心有7 個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)軸和10個(gè)伺服控制的電機(jī)。 它采用七軸雙五聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)，并配有葉片雕刻，銑削加工和復(fù)合頭部磨削加工，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片磨削的雕刻和銑削。 本機(jī)床采用的結(jié)構(gòu)是機(jī)-電一體化結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可靠性更高，布局合理，方便維修與安裝。

綜上訴述，雖然QFD 的設(shè)計(jì)問(wèn)題明確，但解決問(wèn)題的能力是不夠。 TRIZ 為設(shè)計(jì)師提供了40 條發(fā)明原則來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。QFD 和TRIZ 的集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法主要是利用QFD 理論分析客戶需求， 利用TRIZ 解決方案生成創(chuàng)新解決方案。TRIZ，QFD 和CNC 機(jī)床可以互相補(bǔ)充，有機(jī)的結(jié)合在一起， 改善了風(fēng)力機(jī)葉片加工中心的總體方案設(shè)計(jì)，使方案的開(kāi)發(fā)過(guò)程更加完整，并開(kāi)發(fā)成質(zhì)量高，成本低，可靠的CNC 機(jī)床產(chǎn)品。

1 QFD 技術(shù)在風(fēng)力機(jī)葉片加工中心概念設(shè)計(jì)

1.1 風(fēng)力機(jī)葉片加工中心用戶需求—分析技術(shù)特性矩陣

質(zhì)量屋HOQ 顧名思義需要基本的質(zhì)量需求作為先行條件，其獲取途徑是利用市場(chǎng)調(diào)查。市場(chǎng)調(diào)查應(yīng)使用科學(xué)的方式并且尊重客觀的事實(shí)，有一定概率性。只有在初期進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查時(shí)有足夠準(zhǔn)確， 合理的調(diào)查數(shù)據(jù)， 隨后QFD 的跟蹤工作才能順利進(jìn)行。

在設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片加工中心時(shí)， 首先需要在用戶的使用要求中獲取必要信息。 然后對(duì)用戶所要求的信息進(jìn)行匯總、分類和篩選處理之后，使用KJ（親和圖）方法將用戶需求分類，總體劃分為三個(gè)等級(jí)。 其次，詳細(xì)的調(diào)查是為了確定質(zhì)量要求表中每一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)用戶的重要程度， 然后按照調(diào)查結(jié)果對(duì)各個(gè)項(xiàng)目的重要程度進(jìn)行1 到5的數(shù)字尺度的標(biāo)記。最后，從客戶需求的角度進(jìn)行重要性評(píng)估，并進(jìn)行修訂以獲得每個(gè)質(zhì)量要求重要性的評(píng)估分?jǐn)?shù)。

在數(shù)控機(jī)床完成之前的設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備工作后，根據(jù)QFD理論，應(yīng)該首先建立一個(gè)完整的有關(guān)數(shù)控機(jī)床質(zhì)量的需求和其質(zhì)量特性的二維質(zhì)量要求矩陣表，并且精確地分析和計(jì)算如何表征數(shù)控機(jī)床質(zhì)量的要求與數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量要求特性之間的相關(guān)性。對(duì)于一些關(guān)鍵的項(xiàng)目，例如機(jī)動(dòng)性，可靠性以及工作功率，這些矩陣表應(yīng)該更為值得關(guān)注。

設(shè)yi為質(zhì)量特性，ri為用戶需求，并且定義R 是質(zhì)量特性yi與用戶需求ri的一種關(guān)系矩陣， 定義Rij為ri與yi的關(guān)系系數(shù)（其中i=1，2，3，…，I，j=1，2，3，…，J）。 Rij表示通過(guò)改善質(zhì)量特性yi后用戶的需求ri得到滿足的程度，根據(jù)用戶需求不同的滿意程度， 使Rij分別被定義為0、1、3、5。 Rij=0 表示改善質(zhì)量特性yi與滿足用戶需求的程度ri沒(méi)有關(guān)聯(lián)，Rij=5 表示改善質(zhì)量特性yi與滿足用戶需求的程度ri有很大的關(guān)聯(lián)。

將改進(jìn)的質(zhì)量特性yi的目標(biāo)值定義為Tj， 基于對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品和公司現(xiàn)有產(chǎn)品的質(zhì)量特征值yj0的分析，并通過(guò)考慮公司內(nèi)部資源來(lái)確定Tj。 由此，質(zhì)量特性Tj的實(shí)現(xiàn)難度Pj如下，

式中，yj0是現(xiàn)有產(chǎn)品的質(zhì)量特性值，yjc是通過(guò)不使用TRIZ 技術(shù)工具而改進(jìn)yj而獲得的值。

工程技術(shù)特性展開(kāi)表， 如表1 所示是根據(jù)用戶質(zhì)量需求和已成熟的技術(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)的。

在這一階段同時(shí)進(jìn)行的還有風(fēng)力機(jī)葉片加工中心的三大功能，第一總體功能，第二子功能和第三輔助功能， 這些功能必須使用概念性的結(jié)構(gòu)化功能結(jié)構(gòu)方法來(lái)進(jìn)行分析處理。 其中概念結(jié)構(gòu)的活動(dòng)需要運(yùn)用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣的方式來(lái)獲得。 通過(guò)定量理論（QM3）對(duì)總體功能，子功能和輔助功能進(jìn)行一系列的定量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，也就是說(shuō)將風(fēng)力機(jī)葉片加工中心進(jìn)行QFD 功能開(kāi)發(fā)和概念設(shè)計(jì)。

為了更好地研究建立關(guān)于企業(yè)瓶頸設(shè)計(jì)技術(shù)與系統(tǒng)的理論QFD 模型，應(yīng)該在瓶頸概念設(shè)計(jì)的早期和現(xiàn)階段不斷完善和深入地研究探索解決瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)，瓶頸的來(lái)源是哪些原材料，加工系統(tǒng)瓶頸的方法和處理系統(tǒng)瓶頸的工藝。 通過(guò)探究系統(tǒng)相關(guān)的理論和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分析和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的原理，最后獲得系統(tǒng)和其功能的QFD 系統(tǒng)模型以及相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)的QFD 模型。

表1 工程技術(shù)特性展開(kāi)表Tab.1 Expansion table of engineering technical characteristics

1.2 風(fēng)力機(jī)葉片加工中心質(zhì)量規(guī)劃

風(fēng)力機(jī)葉片加工中心的質(zhì)量計(jì)劃HOQ 列于表2。 首先，選擇了兩個(gè)國(guó)內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)作為競(jìng)爭(zhēng)者，并進(jìn)行了滿足各種需求的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)估，以確定其競(jìng)爭(zhēng)力，并滿足用戶需求的兩個(gè)方面。 用戶對(duì)某項(xiàng)需求的滿意度用數(shù)字1、2、3、4、5 表示，非常不滿意用數(shù)字1 表示，非常滿意用數(shù)字5 表示。 更具體地講，用戶需求的重要性的評(píng)估，對(duì)用戶競(jìng)爭(zhēng)力的評(píng)估，質(zhì)量計(jì)劃以及需求權(quán)重的計(jì)算等等，都是風(fēng)力機(jī)葉片加工中心質(zhì)量規(guī)劃的幾個(gè)重要方面。

根據(jù)需求的重要性和競(jìng)爭(zhēng)評(píng)估的分析結(jié)果， 可以設(shè)置目標(biāo)質(zhì)量的評(píng)估值和單位的差異度。 對(duì)于具有較高重要性的用戶和具有高于國(guó)外研究機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)，這些可以直接用作該研究單位的差異化策略特征。 其中，水平提高率為目標(biāo)質(zhì)量與國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)的比值，表明該研究機(jī)構(gòu)的“目標(biāo)質(zhì)量”需要提高的程度。 絕對(duì)重要性=重要性判斷×改善率×差異評(píng)估。

表2 風(fēng)力機(jī)葉片加工中心的質(zhì)量規(guī)劃Tab.2 Quality planning of wind turbine blade machining center

在表2 中，量化差異評(píng)估并總結(jié)絕對(duì)重要度，表2 是每個(gè)項(xiàng)目的百分比（%）是風(fēng)力機(jī)葉片加工中心用戶需求的“質(zhì)量權(quán)重”。

1.3 風(fēng)力機(jī)葉片加工中心質(zhì)量設(shè)計(jì)

構(gòu)建產(chǎn)品規(guī)劃階段的技術(shù)和成本評(píng)估矩陣的目的是為了進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片加工中心質(zhì)量設(shè)計(jì)其行列數(shù)與質(zhì)量特性矩陣相對(duì)應(yīng)。 利用質(zhì)量屋的對(duì)應(yīng)關(guān)系將市場(chǎng)要求的質(zhì)量需求重要度轉(zhuǎn)換成技術(shù)特性的質(zhì)量特性重要度，這是在設(shè)計(jì)之前需要完成的，然后再進(jìn)行質(zhì)量設(shè)計(jì)，通過(guò)矩陣的運(yùn)算獲得質(zhì)量特性重要度的變換。 為了設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片加工中心的質(zhì)量，首先，為了確定質(zhì)量特征的目標(biāo)值需要進(jìn)行技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)評(píng)估。 由于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要完整的整體性能，因此工程設(shè)計(jì)必須協(xié)調(diào)每個(gè)設(shè)計(jì)元素的工作，并且考慮每個(gè)部件的自身性能。 然而徹底改變質(zhì)量設(shè)計(jì)，是否會(huì)破壞平衡的問(wèn)題需要?jiǎng)?chuàng)造性的工程以及使用最新的技術(shù)和流程去解決。

1.4 建立質(zhì)量屋

有關(guān)風(fēng)力機(jī)葉片加工中心總體概念設(shè)計(jì)的工作完成之后，合理建立風(fēng)電葉片加工中心的概念設(shè)計(jì)質(zhì)量。 QFD的優(yōu)點(diǎn)是它可以用于開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的全部過(guò)程中，也就是說(shuō)對(duì)后來(lái)零件的配置、工藝的設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)的控制也能運(yùn)用質(zhì)量機(jī)能展開(kāi)的辦法。QFD 在以下設(shè)計(jì)過(guò)程中也能發(fā)揮重要的作用：液壓部分、機(jī)械部分、附件布置以及其他系列化的設(shè)計(jì)。 風(fēng)力機(jī)葉片加工中心概念設(shè)計(jì)質(zhì)量屋，見(jiàn)表3。

在設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片加工中心中，從表3 可以看出，在技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)性評(píng)估一欄中本研究單位優(yōu)先考慮的因素為數(shù)字4 的項(xiàng)目，分別是單位功率質(zhì)量、平均有效壓力、工作安排指標(biāo)、可靠性等，在表3 中，通過(guò)對(duì)比質(zhì)量特征重要度總和可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉片加工中心的概念設(shè)計(jì)中工藝性指標(biāo)的選擇是最重要的。

表3 風(fēng)力機(jī)葉片加工中心總體概念設(shè)計(jì)矩陣Tab.3 General concept design matrix of wind turbine blade machining center

1.5 QFD 在風(fēng)力機(jī)葉片加工中心的零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

利用這種建立和分析相關(guān)零件配置工程質(zhì)量特性屋的技術(shù)手段，可以有效地尋找到一些建立和實(shí)現(xiàn)工程零部件特性要求的困難和技術(shù)不足，再次進(jìn)行特性屋相關(guān)的零部件基本特征的分析和方案設(shè)計(jì)。因此能夠有效地保證建立和實(shí)現(xiàn)零件配置質(zhì)量特性（包括產(chǎn)品基本特征或必要的工程措施）的相關(guān)零部件基本特征和要求，具體見(jiàn)表4，也是相關(guān)零件配置工程質(zhì)量特性屋的最終輸出技術(shù)目標(biāo)。

表4 風(fēng)力機(jī)葉片加工中心部分零件配置質(zhì)量屋Tab.4 House of quality for parts of Wind Turbine Blade machining center

零件配置質(zhì)量屋矩陣與產(chǎn)品規(guī)劃矩陣性相比簡(jiǎn)單很多。 零件配置質(zhì)量屋矩陣僅僅包括了質(zhì)量特性、 關(guān)系矩陣、 關(guān)鍵零件特征及關(guān)鍵零件特征目標(biāo)值的幾個(gè)基本的矩陣組成部分。零件配置質(zhì)量屋矩陣和產(chǎn)品規(guī)劃質(zhì)量屋的開(kāi)發(fā)過(guò)程從大體上來(lái)說(shuō)是沒(méi)有差異的。 值得我們注意的是，需要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案才能確定選取關(guān)鍵部位零件特征。 由此可見(jiàn)，應(yīng)該選擇能夠滿足顧客需求的最優(yōu)方案作為第一要素。

2 結(jié)論

通過(guò)QFD（質(zhì)量功能展開(kāi)）技術(shù)，風(fēng)力機(jī)葉片加工中心在該設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

高質(zhì)量加工：高精密進(jìn)給橫向進(jìn)給采用雙閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 橫向定位精度：±0.015mm ；工作臺(tái)采用雙渦輪、蝸桿齒側(cè)消隙。 定位精度：≤20′。

高速磨削：采用高速電主軸技術(shù)。 提高表面質(zhì)量和光澤度。

高效加工：加工效率提高30%～50%：雙工作頭同步切削；橫梁雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)； x 軸滑鞍液壓驅(qū)動(dòng)與絲杠定位相結(jié)合；

高可靠性：加工中心大部分采用機(jī)床集團(tuán)成熟技術(shù)，設(shè)計(jì)無(wú)故障連續(xù)運(yùn)行時(shí)間500h，可維修條件下無(wú)故障時(shí)間100000h。

由于在風(fēng)力機(jī)葉片加工中心設(shè)計(jì)階段考慮了制造問(wèn)題，產(chǎn)品設(shè)計(jì)大大減少了工程設(shè)計(jì)的變化，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

由于制造問(wèn)題是在風(fēng)力機(jī)葉片加工中心的設(shè)計(jì)階段考慮的，產(chǎn)品和工藝的設(shè)計(jì)互相交錯(cuò)同時(shí)進(jìn)行，極大的減少了工程設(shè)計(jì)的改動(dòng)，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期；QFD 更加強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的早期進(jìn)行有效規(guī)劃， 因此可以大大降低產(chǎn)品的啟動(dòng)成本； 對(duì)市場(chǎng)上同類的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)，這樣有助于發(fā)現(xiàn)其他同類產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)，更好地為風(fēng)力機(jī)葉片加工中心的設(shè)計(jì)和決策服務(wù)。