基于QFD 技术的风力机叶片加工中心整体概念设计研究

肖 楠， 张馨月

（沈阳工程学院 机械学院， 辽宁 沈阳 110136）

0 引言

随着社会和科学技术的高速发展， 工业设计的研究对象从单一的小型产品逐步向大型且结构复杂的机电产品迈进。 近些年以来，质量机能展开（QFD）技术、TRIZ 理论被广泛应用在各个领域。 质量机能展开（QFD）技术是赤尾洋二教授提出的， 这项技术是在产品开发和设计过程中使用， 它使用多阶段演绎分析将客户需求转换为一系列技术特征。 它是以市场为导向，并基于客户的需求。这是在开发的早期阶段确保产品适用性的系统方法。QFD 的核心内容是使用直观的矩阵框架表示形式，即House of Quality 方法，以完成客户需求转换。 将直观的客户和市场需求的转化机能作为客户产品设计和解决的方案， 需要首先建立一个质量屋的基本机能矩阵框架结构，随后输入客户的基本信息，从而经过质量机能处理就可以得到质量机能输出的信息，根据对输出基本信息的处理来指导客户进行产品设计。

为解决工程技术参数冲突问题， 由G.S Altshuller 等人总结出来的TRIZ 理论，几乎都可以在工程设计产品生命周期的每个关键阶段广泛使用。 TRIZ 理论对于分析产品失效、 研发产品或产品的更新换代、 保护自主知识产权、扩大市场都有着很重要的作用，也为设计人员分析和解决问题提供了另一种的方法。

本文所研究风力机叶片数控加工中心运动轴多，信号量大， 控制复杂， 加工中心有7 个独立的运动轴和10个伺服控制的电机。 它采用七轴双五联动数控技术，并配有叶片雕刻，铣削加工和复合头部磨削加工，可以同时实现风机叶片磨削的雕刻和铣削。 本机床采用的结构是机-电一体化结构，这种结构的优点是可靠性更高，布局合理，方便维修与安装。

综上诉述，虽然QFD 的设计问题明确，但解决问题的能力是不够。 TRIZ 为设计师提供了40 条发明原则来解决这个问题。QFD 和TRIZ 的集成创新设计方法主要是利用QFD 理论分析客户需求， 利用TRIZ 解决方案生成创新解决方案。TRIZ，QFD 和CNC 机床可以互相补充，有机的结合在一起， 改善了风力机叶片加工中心的总体方案设计，使方案的开发过程更加完整，并开发成质量高，成本低，可靠的CNC 机床产品。

1 QFD 技术在风力机叶片加工中心概念设计

1.1 风力机叶片加工中心用户需求—分析技术特性矩阵

质量屋HOQ 顾名思义需要基本的质量需求作为先行条件，其获取途径是利用市场调查。市场调查应使用科学的方式并且尊重客观的事实，有一定概率性。只有在初期进行市场调查时有足够准确， 合理的调查数据， 随后QFD 的跟踪工作才能顺利进行。

在设计风力机叶片加工中心时， 首先需要在用户的使用要求中获取必要信息。 然后对用户所要求的信息进行汇总、分类和筛选处理之后，使用KJ（亲和图）方法将用户需求分类，总体划分为三个等级。 其次，详细的调查是为了确定质量要求表中每一个数据对用户的重要程度， 然后按照调查结果对各个项目的重要程度进行1 到5的数字尺度的标记。最后，从客户需求的角度进行重要性评估，并进行修订以获得每个质量要求重要性的评估分数。

在数控机床完成之前的设计和准备工作后，根据QFD理论，应该首先建立一个完整的有关数控机床质量的需求和其质量特性的二维质量要求矩阵表，并且精确地分析和计算如何表征数控机床质量的要求与数控机床的质量要求特性之间的相关性。对于一些关键的项目，例如机动性，可靠性以及工作功率，这些矩阵表应该更为值得关注。

设yi为质量特性，ri为用户需求，并且定义R 是质量特性yi与用户需求ri的一种关系矩阵， 定义Rij为ri与yi的关系系数（其中i=1，2，3，…，I，j=1，2，3，…，J）。 Rij表示通过改善质量特性yi后用户的需求ri得到满足的程度，根据用户需求不同的满意程度， 使Rij分别被定义为0、1、3、5。 Rij=0 表示改善质量特性yi与满足用户需求的程度ri没有关联，Rij=5 表示改善质量特性yi与满足用户需求的程度ri有很大的关联。

将改进的质量特性yi的目标值定义为Tj， 基于对竞争对手产品和公司现有产品的质量特征值yj0的分析，并通过考虑公司内部资源来确定Tj。 由此，质量特性Tj的实现难度Pj如下，

式中，yj0是现有产品的质量特性值，yjc是通过不使用TRIZ 技术工具而改进yj而获得的值。

工程技术特性展开表， 如表1 所示是根据用户质量需求和已成熟的技术设计出来的。

在这一阶段同时进行的还有风力机叶片加工中心的三大功能，第一总体功能，第二子功能和第三辅助功能， 这些功能必须使用概念性的结构化功能结构方法来进行分析处理。 其中概念结构的活动需要运用设计结构矩阵的方式来获得。 通过定量理论（QM3）对总体功能，子功能和辅助功能进行一系列的定量结构设计与分析，也就是说将风力机叶片加工中心进行QFD 功能开发和概念设计。

为了更好地研究建立关于企业瓶颈设计技术与系统的理论QFD 模型，应该在瓶颈概念设计的早期和现阶段不断完善和深入地研究探索解决瓶颈的关键技术，瓶颈的来源是哪些原材料，加工系统瓶颈的方法和处理系统瓶颈的工艺。 通过探究系统相关的理论和技术标准，分析和设计开发系统的原理，最后获得系统和其功能的QFD 系统模型以及相关技术和应用系统的QFD 模型。

表1 工程技术特性展开表Tab.1 Expansion table of engineering technical characteristics

1.2 风力机叶片加工中心质量规划

风力机叶片加工中心的质量计划HOQ 列于表2。 首先，选择了两个国内外研发机构作为竞争者，并进行了满足各种需求的市场竞争力评估，以确定其竞争力，并满足用户需求的两个方面。 用户对某项需求的满意度用数字1、2、3、4、5 表示，非常不满意用数字1 表示，非常满意用数字5 表示。 更具体地讲，用户需求的重要性的评估，对用户竞争力的评估，质量计划以及需求权重的计算等等，都是风力机叶片加工中心质量规划的几个重要方面。

根据需求的重要性和竞争评估的分析结果， 可以设置目标质量的评估值和单位的差异度。 对于具有较高重要性的用户和具有高于国外研究机构标准的国内研究机构，这些可以直接用作该研究单位的差异化策略特征。 其中，水平提高率为目标质量与国内研究机构的比值，表明该研究机构的“目标质量”需要提高的程度。 绝对重要性=重要性判断×改善率×差异评估。

表2 风力机叶片加工中心的质量规划Tab.2 Quality planning of wind turbine blade machining center

在表2 中，量化差异评估并总结绝对重要度，表2 是每个项目的百分比（%）是风力机叶片加工中心用户需求的“质量权重”。

1.3 风力机叶片加工中心质量设计

构建产品规划阶段的技术和成本评估矩阵的目的是为了进行风力机叶片加工中心质量设计其行列数与质量特性矩阵相对应。 利用质量屋的对应关系将市场要求的质量需求重要度转换成技术特性的质量特性重要度，这是在设计之前需要完成的，然后再进行质量设计，通过矩阵的运算获得质量特性重要度的变换。 为了设计风力机叶片加工中心的质量，首先，为了确定质量特征的目标值需要进行技术竞争评估。 由于新产品设计需要完整的整体性能，因此工程设计必须协调每个设计元素的工作，并且考虑每个部件的自身性能。 然而彻底改变质量设计，是否会破坏平衡的问题需要创造性的工程以及使用最新的技术和流程去解决。

1.4 建立质量屋

有关风力机叶片加工中心总体概念设计的工作完成之后，合理建立风电叶片加工中心的概念设计质量。 QFD的优点是它可以用于开发新产品的全部过程中，也就是说对后来零件的配置、工艺的设计以及生产的控制也能运用质量机能展开的办法。QFD 在以下设计过程中也能发挥重要的作用：液压部分、机械部分、附件布置以及其他系列化的设计。 风力机叶片加工中心概念设计质量屋，见表3。

在设计风力机叶片加工中心中，从表3 可以看出，在技术竞争性评估一栏中本研究单位优先考虑的因素为数字4 的项目，分别是单位功率质量、平均有效压力、工作安排指标、可靠性等，在表3 中，通过对比质量特征重要度总和可以发现风力机叶片加工中心的概念设计中工艺性指标的选择是最重要的。

表3 风力机叶片加工中心总体概念设计矩阵Tab.3 General concept design matrix of wind turbine blade machining center

1.5 QFD 在风力机叶片加工中心的零部件设计中的应用

利用这种建立和分析相关零件配置工程质量特性屋的技术手段，可以有效地寻找到一些建立和实现工程零部件特性要求的困难和技术不足，再次进行特性屋相关的零部件基本特征的分析和方案设计。因此能够有效地保证建立和实现零件配置质量特性（包括产品基本特征或必要的工程措施）的相关零部件基本特征和要求，具体见表4，也是相关零件配置工程质量特性屋的最终输出技术目标。

表4 风力机叶片加工中心部分零件配置质量屋Tab.4 House of quality for parts of Wind Turbine Blade machining center

零件配置质量屋矩阵与产品规划矩阵性相比简单很多。 零件配置质量屋矩阵仅仅包括了质量特性、 关系矩阵、 关键零件特征及关键零件特征目标值的几个基本的矩阵组成部分。零件配置质量屋矩阵和产品规划质量屋的开发过程从大体上来说是没有差异的。 值得我们注意的是，需要根据产品设计方案才能确定选取关键部位零件特征。 由此可见，应该选择能够满足顾客需求的最优方案作为第一要素。

2 结论

通过QFD（质量功能展开）技术，风力机叶片加工中心在该设计中实现了以下几个优点：

高质量加工：高精密进给横向进给采用双闭环数控系统。 横向定位精度：±0.015mm ；工作台采用双涡轮、蜗杆齿侧消隙。 定位精度：≤20′。

高速磨削：采用高速电主轴技术。 提高表面质量和光泽度。

高效加工：加工效率提高30%～50%：双工作头同步切削；横梁双电机同步驱动技术； x 轴滑鞍液压驱动与丝杠定位相结合；

高可靠性：加工中心大部分采用机床集团成熟技术，设计无故障连续运行时间500h，可维修条件下无故障时间100000h。

由于在风力机叶片加工中心设计阶段考虑了制造问题，产品设计大大减少了工程设计的变化，缩短了产品开发周期。

由于制造问题是在风力机叶片加工中心的设计阶段考虑的，产品和工艺的设计互相交错同时进行，极大的减少了工程设计的改动，缩短了产品开发周期；QFD 更加强调在产品概念设计的早期进行有效规划， 因此可以大大降低产品的启动成本； 对市场上同类的竞争产品进行评价，这样有助于发现其他同类产品的优缺点，更好地为风力机叶片加工中心的设计和决策服务。