六西格玛设计在新品开发中的应用研究（之一）
——六西格玛设计模型
○ 赵晓云 王志陵
1 引言
设计开发是企业技术创新的关键，设计开发的质量决定了产品的固有质量。产品（服务）质量的70%～80%是由设计阶段决定的1。图1为德国工程师协会(VDI)的一项研究报告，得出了产品开发过程中有关活动的成本分布。该研究表明，尽管产品设计费用只占产品总成本的5%左右，却决定了产品成本的70%左右。由此可见，要有效地降低成本，仅采用六西格玛DMAIC的流程改进方法是不够的，美国供应商协会（ASI）苏比·乔杜里先生曾指出，企业通过实施六西格玛所能取得的成果是有限度的。如果一个组织希望自己的效率能更上一层楼，就必须采取一种名为“六西格玛设计（DFSS）”的方法2。
六西格玛设计不是没完没了地对现在产品或流程进行缝缝补补，而是要从一开始就把产品或流程设计得接近于无懈可击。这是一种典型的以预防为主的解决方式：事先多投入一些，事后就可以节约更多的时间和精力3。
目前新产品的研发在理念和方法上存在的主要问题体现在：更多地从国外引进新产品，缺乏自主创新意识和能力；认为创新来自于灵感，没有规律可循；产品开发流程存在一定程度的缺陷；产品开发缺乏量化工具、方法的支撑等。六西格玛设计在总结了成功设计流程及设计公理的基础上，融入了六西格玛统计分析的量化工具，形成了逻辑严密的设计开发流程，对工程设计人员进行设计活动具有很强的指导性和操作性。
2 六西格玛设计的研究现状
六西格玛设计（DFSS）是一种以六西格玛水平为目标的产品设计及过程设计的系统方法，源于系统工程。DFSS采用统计方法量化系统性能与相关设计参数、过程参数之间的关系，面向产品全生命周期，把顾客需求的关键设计到产品中，从而达到提高产品质量、加快产品开发速度、降低产品生命周期成本的目的。
与六西格玛改进DMAIC模式一支独秀不同，DFSS目前还没有统一的模式，研究者们至今已提出的DFSS模式包括：IDDOV4（即识别、界定、开发、优化、验证）、ICOV5（即识别、刻画、优化、验证）等。这些模式虽表述各异，但内容大同小异，笔者将目前业界内应用较为广泛的几种DFSS模式整理成表1。
3 六西格玛设计基本模型及应用
在钢铁冶金行业、机械行业工程设计领域咨询实践的基础上，上海质量管理科学研究院六西格玛研究所提出了如下六西格玛设计的基本模型（图2），在此基础上可根据实际情况进行适当剪裁。
六西格玛设计模式的出发点是从零开始的设计活动，或者说是原始创新。而我国企业中存在较多的情况是引进消化吸收再创新，重点是完成“本企业化”的工作，找到切合本企业实际的整体设计方案。
以上模型也可运用于“消化吸收再创新”，仍按D、C、O、V的思路实施，根据企业实际情况可对基本模型进行微调。
例如某钢铁公司希望设计出高性能的铁道车辆用钢，背景是母公司有相关设计的经验，但本公司的环境及生产设备又与母公司又有很大的差异，基于此，在基本模式的基础上进行了简化，形成如下六西格玛设计模式。
该项目具体应用如下：
3.1 D 项目界定（Define）
本阶段的主要任务是启动DFSS项目，界定项目范围，包括项目成本分析及可行性分析、顾客的需求分析、产品的功能分析等。在项目之初就应充分收集顾客之声，对顾客需求进行识别和优先级排序。
如对于铁道车辆用钢设计而言，铁道部对各项性能要求、化学成分等都有规定，顾客需求相对比较明确，因此将工作重点放在用Kano模型分析顾客需求的类型，进行重要度的排序，同时结合顾客需求及设计经验，进行设计要点、难点的分析，做到设计时有的放矢。
3.2 C 概念设计（Concept）
运用QFD方法将功能（性能要求）与设计要素（成分）联系起来，确定关键设计要素。
左边纵列为功能，即性能要求，第一行为设计要素，通过相关矩阵打分（0，1，3，5分制，分数越高表示相关度越高，+为正相关，-为负相关）。以本项目为例，图4中，如C和屈服强度的相关度为+5，表示C含量越高，屈服强度越高，且两者相关度很高。最后一行为各成分重要性评价的总分，得分高者为关键设计要素。屋顶显示的是各成分之间的交互作用，在冶炼过程中会形成化合物，需要统筹考虑。可以发现，C影响多个功能需求，并且相关度有正有负，也就是说它与各项性能之间存在耦合。还有一种解决途径是运用TRIZ方法（源于前苏联著名发明家G.S.Altshuller领导的研究机构建立的TRIZ理论体系，Theory of Inventive Problem Solving），创造性地进行解耦，消除矛盾，但是难度较高，本项目中没有实施。
将关键设计要素与过程要素联系起来，可以通过过程因素分析实施，确定关键过程要素，为工艺制定做好准备。
3.3 O 优化设计（Optimize）
根据引进的原始设计方案，该项目结合企业实际情况进行粗调，产生初步设计方案。进行试生产后，发现伸长率指标不甚理想，实际过程能力Cpk仅为0.65。初步设计方案需要优化，但具体调整哪些成分，调整到什么水平呢？
通过MCA蒙特卡洛模拟寻找改进方向。作MCA模拟，首先需要传递函数。利用原始设计方案输出方案的数据，拟合传递函数，建立成分含量与性能指标之间的函数关系，即具体描述成份含量是如何作用于性能指标的。这样拟合出来的传递函数显示的是母公司的情况，双方的生产现场不同，是否符合本企业的实际状况呢？我们通过试生产的数据进行验证，结果证明传递函数能够反映本企业的情况。
通过MCA模拟，发现强度指标过于富余，伸长率明显不足。结合敏感度分析，将部分成分的目标值进行了优化与调整，并将优化后的设计应用MCA进行模拟仿真。
通过仿真数据分析可知，某些合金元素对抗拉强度有正相关性，但对延伸率有负相关性，通过减少这些合金元素达到减少强度，提高延伸率的作用，结果综合性能显著提升，同时还降低了产品成本。
3.4 V 设计验证（Verify）
项目的前一阶段是模拟验证，即通过传递函数来进行拟合计算，这为设计调整提供了便利，同时也缩短了设计开发周期，但最后还是要通过实际生产来进行设计验证。该项目中针对顾客需求，进行诸如耐腐蚀性能、晶粒度级别、钢板各向性能、焊接性能等多方面的验证。
批量生产后，强度性能指标依然非常充足，伸长率的过程能力从0.65提高到1.21。
优化设计方案确认后，在ERP、程序文件、工艺文件中进行流程标准化和工艺固化。
4 结束语
六西格玛设计是提高设计创新能力及产品设计质量的有效途径，设计创新能力也是企业和国家竞争力的根本要素，在我国企业逐步走向国际舞台参与世界竞争的今天，六西格玛设计将会有非常广阔的应用前景。
参考文献：
[1]M. Myrup Andreasen. The actuality of 'Design for quality'. Journal of Engineering Design, Vol.3, No.1, 1992
[2]乔杜里著. 六西格玛设计[M]. 方海洋、魏青江译. 北京：机械工业出版社，2003
[3]唐晓芬主编. 六西格玛核心教程 黑带读本（修订版）北京：中国标准出版社，2006
[4]Chowdhury Subir. Design for Six Sigma: The Revolutionary Process for Achieving Extraordinary Prifits [M]. FT Prentice Hall, 2002
[5]Kai Yang, Basem EI-Haik. Design for six sigma: A Road Map for Product Development. McGraw-Hill [M], 2003
（作者单位：上海朱兰质量研究院）
摘自《上海质量》2008年第1期
