什么是容差设计(Tolerance_Design)

六西格玛培训中容差设计对全寿命周期成本的影响分析

此重点讨论容差对全寿命周期成本各个组成部分的影响，主要以分析汽车的产品为例，以此来认识容差与LCC的影响的一般规律，其它产品也可以采用类似的方法来分析。通过对影响分析表明，从全寿命周期角度来考虑容差设计方案是非常重要的思想，为下一节提出产品全寿命周期六本格玛解决方案做铺垫。

1.容差对设计成本的影响

汽车的设计成本主要是由设计的周期决定的， 一辆轿车的开发，从市场论证到能够投入批量生产的时间越短，它的设计成本就越低。而研发时间与采取的设计方法有关。传统的容差设计方法以串行设计居多，主要集中在产品详细阶段来进行容差设计，这就可能因为设备加工能力约束或后期装配成功率不高而导致设计的更改次数增加，设计效率不高，从而导致设计周期变长而影响成本。

另外，如果容差设计缺乏并行和协同的方式，还可能对产品的上市时间及竞争力产生影响。面对市场求变的特性，企业只有更快，更省地开发更新，更好的产品，才能够取得竞争的相关主动权，从世界的范围看，许多大的汽车公司在技术开发上不惜投入重金的同时，也开始注重部门彼此合作和共同开发，压缩单个新产品的开发费用，提高产品的竞争能力。历史也多次证明，许多原本具有较好的市场前景的产品，由于缺乏有效地开发进度控制而导致最终的失败。因此，新产品的协同并行设计和全寿命周期全局优化已成为设计项目管理的一项重要工作， 容差设计在产品全寿命周期完会打通就有很强的现实意义。

2.容差对制造成本的影响

汽车最重要的成本是整车制造成本，这部分占汽车成本的50%~60%，占汽车价格的40%~50%，整车的制造成本包括了零部件的制造购买成本 ，汽车公司的生产管理成本和固定资产摊薄成本。容差设计方案对制造成本影响是多方面的，特别强调在以下方面对汽车制造成本产生显著的影响。

A.过于严格的容差可能引起成本增加

容差设计因缺乏科学的优化的方法与流程，工程师更大可能是凭经验进行设计，设计人员往往都有保险稳妥心理，结果造成设计的容差比实际需求偏严而增加制造成本。

B.容差方案松紧不平衡的影响

容差设计若主要的在详细阶段设计，则会因为早期概念方案的选择因缺乏考虑容差总体量级及设备加工能力等的预评估而未达到最优，比如为了实现同样的功能， 而不同设计师可能会设计出零部件个数，容差等级等差异很大，结果容差设计不是偏紧就是偏松，这就可能大增加产品的制造成本。

C.容差对销售成本的影响

汽车的销售成本主要包括仓库成本和市场推广成本。仓库成本又有物流保管成本。对同样的零部件，其容差方案的宽严则会对产品的合格率，报废率，交货周期等都有一定的影响，进而就会传递到仓库与物流保管成本，最后对销售成本产生一定的变动效应。

D.容差对维修成本的影响

汽车的维修成本主要取决于汽车的性能和质量，可靠性，维修性等。容差设计的好坏对零部件发生故障的概率，严重程度，安全性，维修性等都有一定的影响，对某些存在潜在失效模式的关键件若采取了一般的容差与成本平衡策略，或许能节省一定的制造费用，但可能会引起维修成本的显著上升，最终造成汽车的全寿命周期成本（LCC）的上升，这也是本书提出要从LCC角度而不仅仅是制造成本角度来开展容差设计　的根本原因。

E.容差对使用成本的影响

汽车的使用成本包括油料费，高速公路通行费，过桥费，停车费等零散费用。容差相关的费用主要是汽车所需要的燃油费，燃油性能参数的容差规格是否恰到好处往往会对汽车的燃油量产生重要影响。若工程师没有经过精密的容差优化设计，很难把握好容差规格的最佳尺度，结果就会因为容差偏严或偏松而产生使用成本增加或性能不足的问题。

F.容差对汽车回收报废成本的影响

容差设计很重要的是考虑就是面向拆卸的设计（Design for Disassambly,DFD）。该设计方法就是不但要考虑生产，使用阶段的制造成本和功能实现，而且还要考虑到产品寿命到期时便于拆卸，再制造或回收。比如孔与轴的过盈配合若因公差等级设计不恰当，则可能造成拆卸超消费更多工时，损坏更多可二次利用零部件的概念。

G.通过容差设计对产品全寿命周期成本的前期控制

传统的容差设计大多数局限在生产制造的过程，某种程度上是通过制造成本作为容差决策的依据，很少注意到成本还会发生在后期使用维护，维修更换中， 导致无法真正实现有效的LCC分析和控制。从全寿命周期成本的角度对容差设计进行全局考量，在容差设计的早期就进行预评估和渐进迭代分析，关注容差选择方案对LCC的影响，从而实现洗车成本的早期全过程控制，这是本书提出全寿命周期成本容差设计的重要目的所在。

同时，容差设计需面向六西格玛的设计流程和品质要求，这就要求高质量低成本同时实现，从而提升企业持续竞争力。通过定性分析容差对产品全寿命周期成本的各组成部分的影响，有利于在容差设计时充分考虑产品LCC构成类别和特征，针对不同的LCC类型产品采取不同的容差设计原则和策略，从而实现更加灵活的容差设计方法。

六西格玛设计培训中常常应用到容差

1.容差的概念

在工业生产中，通常把产品或零部件的参数（或质量特性值）的容许变化范围成为容差。在机械、电子等不同行业，产品的研发、设计、制造等环节都会涉及容差。从工程角度看，容差是实际参数值的允许变动量，这里的参数既包括机械加工中的几何参数，也包括物理、化学、电学等学科的参数。由于在生产过程中不能做到完全精确，就需要规定指标允许有一定的容许范围，这就是容差。

如手表走时的误差、产品测试过程中的向量推个、设备状态参数允许变化的范围、棉纱单位面积的瑕疵点数等。

对于机械制造来说，容差通常称为公差，指允许几乎形状和尺寸的变动量，如尺寸公差、形状公差、位置公差等。

机械产品容差的目的是为了确定产品的几何参数，使其变动量在一定的范围之内，以便达到互换或配合的要求。从统计角度看，可以认为，某一指标的容许变化范围成为容差；

从设计质量角度看，容差是一种允许极限，是从经济角度考虑允许质量特性值的波动范围，它是贯穿于产品设计、制造、装配、使用与维护等整个寿命周期的重要技术信息。

2.容差在产品设计中的作用

容差有什么作用呢？对某一产品来说，若容差过松，往往生产成本较低，但产品质量与可靠性、装配性能、维修性、保障性、测试性、安全性等可能难以达到设计要求；若容差过紧，虽然质量能得到要求，但制造需要更高的要求和成本。因此，容差在质量与成本之间扮演者重要角色，在设计和制造环节之间起着不可缺少的桥梁作用，它不仅影响产品的质量与可靠性、产品功能的实现、工艺方法的选择，而且对产品的生产制造成本、使用维护成本及全寿命周期成本等产生显著影响。

21世纪的制造企业面临这全球性以知识为基础的竞争，企业必须解决缩短生产时间T、提高性能质量Q、降低制造成本C、提供优质服务S以及保持清洁环境E等问题，应保证T、Q、C、S与E的和谐统一。

一方面，产品的质量是由顾客提出的，质量工作应源于顾客需求，终结于顾客满意，制造商必须将顾客的声音（voc）贯穿于整个供应链的所有行动之中。

产品的形成过程实际上就是产品质量的形成过程，影响质量的因素贯穿于产品的整个寿命周期，包括开发研制、采购、生产、检测和测试、安装于运行、技术服务和维护等几个方面，仅对制造过程进行控制是不能保证产品质量的。

另一方面，在质量保证的过程中又要平衡相关成本。

但企业往往在质量和成本之间难以协调统一。从各个行业工程实践经验来看，设计决定了产品的固有质量和产品80%的成本。

因此，许多新的设计理念和制造模式，如六西格玛设计（DFSS）、虚拟制造、网络制造、敏捷制造、并行工程等应运而生，需要人们去探讨和研究这些新设计理念和制造模式所涉及的理念和技术问题。质量企业的立足之本，成本是生产之道，缩减成本、提高质量是现代企业管理中经常提及的目标，而容差设计的课题就是解决质量与成本之间的平衡问题。

既然容差的作用非同小可，那么，如何设计容差的问题就显得很重要了。容差设计是通过研究容差范围与产品质量、成本之间的关系，对质量和成本进行综合平衡的科学方法。工程实践与理论均表明，容差设计的好坏很大程度上决定了产品最终质量与全寿命周期成本，从而决定企业获利的情况。

因此，容差设计问题仍然是理论界应当而且十分关注的问题。

需要强调的是，IDDOV五个阶段有先后的次序，但不是串行关系在实施中必须贯彻并行工程，在产品研发的初期就要面向市场和顾客，考虑和着手解决产品全寿命周期中可能遇到的所有问题每个阶段都要面向后续阶段开展研发在不同的阶段之间需要有一定的重叠，验证阶段应当是对研发全过程的分阶段的验证。贯彻并行工程有利于缩短周期、提高质量、降低成本，实现质量、成本、进度的三位一体。

六西格玛设计的主要技术工具简介如下:

1、质量功能展开

质量功能展开是开展六西格玛设计必须应用的最重要的方法之一。为了保证设计目标值与顾客的要求完全一致，质量特性的规格限满足顾客的需求，在六西格玛设计的第一步识别(I)阶段就要采用QFD方法分析和确定顾客的需求(设计目标值)，并初步确定质量特性的规格限。在界定(D)阶段，需要应用QFD技术将顾客的需求科学地转化为设计要求，并确定关键质量特性CTQ和瓶颈技术。在产品设计(D)和优化设计(O)阶段，QFD也可以发挥辅助的作用。

2、系统设计

系统设计(system design)在六西格玛设计中有着十分重要的作用。在顾客需求明确以后，如何有针对性地开发出技术含量高、生命力强、适销对路的产品，从根本上决定了产品的质量，也将直接影响企业的成败。

近年来，在质量学界的不懈努力下，人们对系统设计的过程及其一般规律有了深入的理解，提出了一些新的方法，主要有西欧流派的理论、公理性设计原则、解决创造性问题的理论(TRIZ)以及自顶向下的设计方法等。系统设计适用于界定(D)和设计(D)阶段。

3、参数设计

参数设计(parameter design)在系统设计之后进行。参数设计的基本思想是通过选择系统中所有参数(包括原材料、零件、元件等)的最佳水平组合，尽量减少外部、内部和产品间三种干扰的影响，使所设计的产品质量特性波动小、稳定性好。另外，在参数设计阶段，一般选用能满足使用环境条件的最低质量等级的元件和性价比高的加工精度来进行设计，使产品的质量和成本两方面均得到改善。参数设计主要适用于优化设计(O)阶段。

4、容差设计

容差设计(tolerance design)在完成系统设计和由参数设计确定了可控因素的最佳水平组合后进行，此时各元件的质量等级较低，参数波动范围较宽。

容差设计的基本思想如下:根据各参数的波动对产品质量特性贡献(影响)的大小，从经济性角度考虑有无必要对影响大的参数给予较小的容差(例如用较高质量等级的元件替代较低质量等级的元件)。这样做，一方面可以进一步减少质量特性的波动，提高产品的稳定性，减少质量损失另一方面，由于提高了元件的质量等级，使产品的成本有所提高。因此，容差设计阶段既要考虑进一步减少在参数设计后产品仍存在的质量损失，又要考虑缩小一些元件的容差将会增加成本，要权衡两者的利弊得失，采取最佳决策。容差设计主要适用于优化设计(O)阶段。

5、FMEA分析

通过FMEA分析，找出影响产品质量和可靠性的各种潜在的质量问题和故障模式及其危害度和原因(包括设计缺陷、工艺问题、环境因素、老化、磨损和加工误差等)，经采取设计和工艺的纠正措施，提高产品的质量和抗各种干扰的能力。FMEA分析主要适用于界定(D)和设计(D)阶段。

6、面向X的设计(DFX)

顾客对于产品全寿命周期内的特性，例如可靠性、寿命、使用维护、保修期、备件耗材的保障、不污染环境、全寿命周期的费用等均有明示的或隐含的要求。产品质量特性的实现和成本的形成也受到结构设计方案以外的许多因素如工艺、制造、装配，检验、使用维护、保障服务、研制周期、成本控制等的影响和制约。因此，为了在产品全寿命周期内增强顾客满意，必须针对有关的各种要素X，进行面向X族的设计(DFX)，所谓DFX，本质上就是面向产品全寿命周期的设计。DFX技术主要适用于界定(D)、设计(D)和优化(O)阶段。

7、设计验证技术

主要包括设计评审、小子样SPC、仿真试验、双V试验、可靠性试验、寿命试验、鉴定试验、DFSS计分卡等。应用设计验证技术在IDDOV的界定(D)、设计(D)和优化(O)三个阶段对设计输出是否符合设计输入的要求进行验证。在设计验证(V)阶段，对样机制造的过程能力和样机的功能、性能和可靠性等进行全面的验证，以确保产品的研制质量达到预期的目标、满足顾客的要求。

重点介绍几种：

1、质量功能展开

质量功能展开是实施六西格玛设计必须应用的最重要的方法之一。为了保证设计目标值与顾客的要求完全一致，质量特性的规格满足顾客的需求，在六西格玛设计的首要阶段就要采用QFD方法分析和确定顾客的需求（设计目标值），并初步确定质量特性的规格限。在定义产品的时候，就需要应用QFD技术将顾客的需求科学地转化为设计要求，并确定关键质量特性CTQ和瓶颈技术。在产品研发后期也可以发挥辅助作用。

2、TRIZ方法

大量发明面临的基本问题和矛盾（在TRIZ中称之为系统冲突和物理矛盾）是相同的，只是技术领域不同而已。隐含其中的系统冲突数量是有限的，典型的系统冲突只有1250种。解决这些冲突所需的典型技术则更少，只有40种。这说明同样的技术发明原则和解决方案可以一次次地被重新使用。将这些有关的知识进行提炼和重新组织，就可以指导后来者的创新和开发。TRIZ体系正是基于这一思路开发的，打破了我们思考问题的心理惰性和知识面的制约，避免了创新过程中的盲目性和局限性，指出了解决问题的方向和途径。

3、高级试验设计

在产品研发阶段，往往会在试验设计DOE时遇到更复杂的情况。例如，预测模型中的参数为非线性结构，用一般的线性建模方法无法胜任，或者即使构建成功也会带来不可避免的较大误差；在只存在系统偏差、不存在随机误差的确定性流程中进行试验，如何将有限的资源转换为更有效的试验方案，充分揭示因子在规定范围内的行为特征显得尤为突出；工程问题千变万化，怎样根据实际情况对因子的类型、水平等进行设定，不再有传统设计方案无法考虑到的情况，同时能够平衡模型精度和资源预算之间的矛盾，快速地找到经济可行的试验方案……所有这些问题都需要借助更高级的试验设计的理论和方法（如非线性设计、空间填充设计和定制设计等）来解决。

4、模拟

模拟也称仿真，是建立系统或决策问题的数学模型或者逻辑模型，并以该模型进行试验，以获得对系统行为的认识或者帮助解决决策问题的过程。常用的仿真方法也称为蒙特卡罗方法，上世纪八十年代起电子计算机的应用使它得以广泛应用。采用模拟方法的优点主要有两点：

①分析人员无需建立或实际完成拟议中的系统或决策就能够评价模型，或者在不干扰现有系统的情况下对模型进行试验；

②一般比许多其他分析方法更容易理解。

5、容差设计

容差设计一般在确定了可控因素的最佳水平组合后进行，此时各元件的质量等级较低，参数波动范围较宽。容差设计的基本思想是：根据各参数的波动对产品质量特性贡献(影响)的大小，从经济性角度考虑有无必要对影响大的参数给予较小的容差(如用较高质量等级的元件替代较低质量等级的元件)。这样做，一方面可以进一步减少质量特性的波动，提高产品的稳定性，减少质量损失；另一方面，由于提高了元件的质量等级，使产品的成本有所提高。因此，容差设计阶段既要考虑进一步减少在参数设计后产品仍存在的质量损失，又要考虑缩小一些元件的容差将会增加成本，要权衡两者的利弊得失，采取最佳决策。

6、设计失效模式与影响分析

DFMEA适合于产品设计阶段的失效模式与影响分析，找出影响产品质量和可靠性的各种潜在的质量问题和故障模式及其危害度和原因（包括设计缺陷、工艺问题、环境因素、老化、磨损和加工误差等），经采取设计、工艺和操作等层面的纠正措施，提高产品的质量和抗各种干扰的能力。

7、面向X的设计

顾客对于产品全寿命周期内的特性，如可靠性、寿命、使用维护、保修期、备件耗材的保障、不污染环境、全寿命周期的费用等均有明示的或隐含的要求。产品质量特性的实现和成本的形成也受到结构设计方案以外的许多因素如工艺、制造、装配、检验、使用维护、保障服务、研制周期、成本控制等的影响和制约。因此，为了在产品全寿命周期内增强顾客满意，必须针对有关的各种要素X，进行面向X族的设计（DFX）。所谓DFX，本质上就是面向产品全寿命周期的设计。