(转载）基于6西格玛的设计

成功案例

基于6西格玛的设计
通过应用设计和虚拟样机技术，惠而浦优化了采用Calypso™洗涤技术设计的新型洗衣机，取得了显著的成效并及时将其推向市场。该型号洗衣机最初样机的制动器在制动时间上偏差太大，不能满足公司严格的产品要求。这时如果使用传统的制造测试方法，制作测试用的样机就需要很长的时间，再加上测试和评估样机，惠而浦的工程师们估计至少要花费33周的时间才能达到设计要求。

因此,由惠而浦的设计技术经理Victor Vukorpa和首席工程师Brenner Sharp领导的团队采用了截然不同的新方法，他们使用有限元分析（FEA）软件，计算制动器的变形和应力；通过虚拟样机对整个系统的动力学特性进行研究；使用误差分析软件分析产品在制造过程中的误差。结果如何呢？设计新的制动系统仅用了19.5周而非预估的33周，完全符合了惠而浦公司的时间进度要求；而且不仅Calypso按计划投放市场，同时还在Consumer Reports评比中赢得垂直轴洗衣机第一名；惠而浦公司也因此被美国环境保护署评为年度ENERGY STAR®（能源之星）合作伙伴，并获得西尔斯公司（Sears Roebuck&Co.,Inc）颁发的两项创新奖。

创新的驱动
作为世界上主要的家电制造和销售商，惠而浦公司在13个国家建有生产厂，并在170多个国家中销售。惠而浦的知名品牌包括Whirool、KitchenAid，、Roper、Estate、Bauknecht、Ignis、Laden、Inglis、Brastemp和Consul。惠而浦公司也是家电行业的最大零售商西尔斯公司的主要供应商。

Calypso技术是惠而浦不断追求创新和高品质的又一明证。Calypso技术不需要在洗涤桶中安装搅拌装置，而是以一种全新的方式洗涤衣物。Calypso技术采用了“俯垂式” 洗涤方式：通过一个连续喷射洗衣剂及水的喷头，轻柔地搅动衣物已达到洗涤的目的。由于这种洗涤方式可以用更小的力将纤维洗的更干净，因此能更好地在洗涤过程中保护衣物纤维不受损伤。另外，采用Calypso技术的洗衣机与传统洗衣机相比，用水量可平均减少百分之五十，用电量可平均减少百分之六十六，并使高效的垂直轴洗衣机具有最大的洗衣容量。

设计目标的挑战
Calypso洗衣机的制动系统是凸轮驱动的鼓式制动器，马达产生的扭矩阻止受弹簧驱动的凸轮的运动；当洗涤桶开始旋转时，马达产生的扭矩驱使凸轮旋转，并推动制动靴远离制动鼓，刹车释放并使洗涤桶旋转。当切断马达电源时，弹簧驱动凸轮回位，制动靴回位贴住制动鼓洗涤桶停止旋转。

惠而浦传统洗衣机的转速为640 rpm，而新洗衣机的转速是800 rpm。另外，大容量的设计也鼓励消费者一次清洗更多的衣物，因此，新制动系统将是设计这一洗衣机的挑战。UL规范要求洗衣机盖子打开后，洗涤桶必须在七秒内停止旋转。然而制动系统又不能制动太快，否则在扭矩的作用下，洗衣机有可能在地板上移位。惠而浦团队所关心的另一个问题是如何避免制动后洗涤桶持续滑动，原因是当制动凸轮上沾有污物时会抱死，从而妨碍了制动的驱动，粘附于凸轮表面的污点会导致制动靴上的辊子不能沿凸轮表面平滑地移动，从而导致制动马达断电后不能正常制动。

传统方法的缺点
Sharp先生认为，有多个设计变量并且变量之间互相关时，基于物理样机的传统实验设计流程不可能达到计划要求的时间表。这是由于传统的方法要用装配好的零部件来进行一系列的实验设计（DoEs），但是仅制造和装配两代物理样机就需要12周的时间，再加上实验设计则耗时更多。他的对策是利用实验设计和虚拟样机来确定影响制动性能的主要设计因素，并建立制动性能与这些设计因素的函数关系，然后进行数值优化以满足设计的要求。

按照上面的思路，惠而浦的技术团队开始应用QFD（Quality Function Development）法去确定所有可能会影响制动性能的因素，这些因素包括：可控因素、不可控因素或称为干扰，然后他们再应用工程知识及经验去确定一个子集，进行更深入的研究。另外，这个团队也对制动系统进行了有限元分析，以确定制动靴以及制动鼓的刚度对于制动靴表面压力分布的影响。他们的目的是建立零件不同刚度以及制动时间之间的函数关系。而制动系统的动力学分析则是采用MSC.ADAMS数字化功能样机软件进行分析的。另外，这个团队也使用了误差分析软件包（Mechanical Advantage）对制造公差的影响进行了仿真。


虚拟样机开发流程
惠而浦的工程师们首先将他们现有的CAD模型导入MSC.ADAMS中，建立装配的运动约束，施加转速为800rpm的转动，设计马达控制系统的工程师根据惠而浦洗衣机的电气技术要求，用MATLAB建立了控制系统模型，并用它来驱动整个动力学分析模型。接着，他们用MSC.ADAMS来仿真转速从0到800rpm的过程中各零部件的情况，更好地了解了整个设计的运动及受力特性。事实上，通过仿真他们立刻发现凸轮与马达的扭矩是不平衡的，在800rpm的稳态转速下，凸轮上的扭矩比马达用来提供稳态转速的扭矩要大，因此凸轮会慢慢的挤压制动靴，最后刮到制动鼓。这将会让凸轮系统传递很大的冲击载荷，造成凸轮表面的不平整甚至破碎。如果制动靴上面的辊子刚好落在这些不平整的面上，那么制动系统将会失灵。

因此，惠而浦的工程师们针对模型进行了一系列虚拟"监控"的实验设计，并试着找出一组关键的设计变量进行深入的研究。后续的研究表明，为了要降低"凸轮回位效应"，在制动靴与制动鼓接触的特定角度下，凸轮所产生的扭矩应该低于维持固定转速的扭矩。Sharp发现对虚拟原型进行虚拟实验设计才是了解这一实际问题的关键,这些重要特性仅仅依靠对物理样机进行传统实验设计是不可能得到的。

为了找出关键设计参数间的函数关系和制动靴与制动鼓的压力分布，工程师们又进行了一系列的虚拟实验设计。他们将零部件组合在一起进行动力学分析，并对关键参数分别加以分析以便产品设计能够满足6个西格玛的健壮性要求。

设计需求、制造误差及设计风险的整合
首先，利用误差分析软件可以将作用在制动靴与制动鼓上的压力分布转换为等效系统力，由系统静力平衡计算出相关的制动扭矩与时间。与误差分析软件中的实验设计变量一一对应的制动靴的压力分布，则可以通过有限元分析软件算出。这样工程师们就可以综合考虑零部件刚度变形的影响以及图纸技术要求许可的制造公差的影响。最终，惠而浦的技术团队得到了制动时间与扭矩的一组函数关系。

根据各种性能要求，设计的健壮性得以优化，优化结果通过Cpk反映出来。Cpk也称为流程性能指标，是惠而浦评价设计健壮性的指标。Cpk同时反映了分布均值和性能定义（功能需求）的变化，并以相关设计风险的方式直接表明了不同的设计折衷，设计人员可利用它来平衡不同的设计需求。举例来说，当Cpk=1.0时，表示加工集中于名义尺寸并且所有变量的六个标准偏差都位于合理的误差范围内。Cpk≧2.0是我们追求的目标，代表更严格的要求。这时，每一百万个产品中仅会有3.34个组件不符合要求。

然后，工程师们将这些Cpk关系编入Microsoft Excel表格中，利用Excel优化不同的设计要求与限制的折衷。不同要求的Cpk优化有两大好处：它能让整个系统设计获得最佳的健壮性，并且将相关的设计风险降到最低。

设计的最优化包含：

1. 制动衬和制动靴的半径小于制动鼓的半径
2. 用球轴承代替销辊，将辊或销的摩擦降到最低
3. 改用新的弹簧与制动靴以改变弹簧力
4. 重新设计制动凸轮以降低凸轮扭矩

设计的确认
为了确认产品设计的健壮性与性能，工程师们制造了物理样机并进行实验设计来测量设计的各项性能指标。由于有一些变化会对制动性能有影响而又不能仿真，又进行了确认性实验设计以研究每次运行和不同机器间的变化。同时，工程师们也将物理实验设计映射到MSC.ADAMS的虚拟实验设计中。

原因是制作物理样机需要至少六周的时间，虚拟实验设计可在物理实验设计开始之前完成，工程师们可以按虚拟实验设计得出的性能最优点（即中心点）映射物理实验设计的设计空间。MSC.ADAMS分析结果表明制动满足预期的要求，性能也完全符合要求。物理样机的实验也同样证明了虚拟仿真结果的正确性。重新设计后的产品经过测试证明完全符合UL对制动时间的要求，并有很高的健壮性。