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关键词：设计 质量 管理 质量管理 手册
三次设计即系统设计、参数设计和容差设计。它是一种优化设计，是线
外质量管理的主要内容。
□系统设计（一次设计）
系统设计即传统的设计。它是依据技术文件进行的。例如：化工生产过
程选择什么样的原材料和工艺路线；生产电机选用何种导线，采用什么加工
工艺等等。系统设计的质量取决于专业技术的高低。但对于某些结构复、多
参数、多特性值的产品，要全面考虑各种参数组合的综合效应，单凭专业技
术往往无法定量地确定经济合理的最佳参数组合。尽管系统设计有这个不
足，有时甚至由于时间限制，不可能对所有系统进行研究，只能根据直觉或
预测，从各个系统中挑选几个重要的系统进行研究。系统设计是整个设计的
基础，它为选择需要考察的因素和待定的水平提供了依据。
□参数设计（二次设计）
在系统设计的基础上，就该决定这些系统中各参数值的最优水平及最佳
组合。但由于系统设计是凭专业知识推定出待考察的因素和水平，无法综合
考虑减小质量波动，降低成本等因素。而参数设计是一种非线性设计，它运
用正交试验、方差分析等方法来研究各种参数组合与输出特性之间的关系，
以便找出特性值波动最小的最佳参数组合。因此，参数设计也称参数组合的
中心值设计。
实践表明，整机质量的好坏，既取决于产品整体的设计，又取决于零部
件的质量。一个系统功能好坏很大程度上取决于系统本身的结构。好的参数
组合不一定是以每件零部件最优为条件的，而是一种不同档次、不同质量水
平的低成本的组合，从而实现低成本高质量的设计要求。
产品设计中的波动情况是复杂的，很多产品的输出特性与因素组合之间
并不是线性关系。例如：某特性值y 与因素组合（或各种零件参数组合）为
X 的产品之间存在着非线性关系。
当因素组合处于X1 时，因素波动为△X1；输出特性为Y1，输出特性的
波动幅度为△Y1。如果通过正交试验找到参数组合X2，输出特性为Y2 当因
素波动△X2 与△X1 相同时，输出特性的波动△Y2＜＜△Y1。可见选择合理
的因素组合可以减小输出功能的波动幅度。但是，此时输出特性值已从Y1 变
为Y2，需采取措施将Y2 减小M 降至Y1。通常是选择一种因素2，使Z 与输
出特性Y 呈线性关系，即Y＝az＋b。只要改变Z，便可将输出特性值从Y2
降到Y1，并使Y2－Y1 ＝M，这样，M 的偏移量就得到了补偿。
例如，有一晶体管稳压电源，输入为交流220V，要求输出目标值为直流
110V，波动范围必须控制在±2V。
决定稳压电路输出特性的主要因素是晶体管的电流放大倍数hFE（其输
出特性呈非线性关系）以及调节电阻R 的大小（电阻的输出呈线性关系）。
通常专业设计人员看到电路输出与目标值发生偏离时，大多是调整晶体
管hFE 的工作点，使输出达到目标值，但又产生了输出电压波动偏大的问题。
例如原稳压电源的晶体管HFE 工作点在A1（A1＝20），对应的输出电压为95V。
这时，设计人员通常是把hFE 从A1 调整到A2 （A2＝4O），使输出电压达到
11OV。但是，晶体管的hFE 总会有一定范围的波动。假定hFE 的波动范围为
±20，当选定A2＝40 为设计中心值时，hFE 就将在20～60（Al～A3）之间波
动，对应的输出目标的波动范围将是95～120V。过去为解决这一问题，都是
进一步严格挑选元件，以减小hFE 的波动范围。这样势必增加制造成本。如
何运用参数设计的原理来优化设计呢？由此可知，当A4＝80 这个工作点时，
对应的输出特性曲线变化的平坦区。现在仍采用hFE 波动为±20 的晶体管，
但工作点选在A4 ＝80 上，此时输出电压波动范围为12O～122V 之间，波动
幅度大大减小。但这时的输出电压为121V，比目标值110V 高出一个M＝11V
的偏差。这个偏差可用线性元件电阻R 来校正，通过改变电阻R 的大小来调
整输出电压；使其达到110V。通过这项设计，我们找到了晶体管hFE 与电阻
的最佳参数组合为A4B4。
在设计开发的过程中，常常是在关系未知的情况下进行参数设计的，而
不是象上例中的关系明确可鉴。这就必须通过试验的办法，并借助于正交试
验、方差分析、信噪比等数理统计的方法，以较少的次数找出符合设计目标
值且稳定性很高的参数组合。
□容差设计（三次设计）
系统要素的中心值决定后，便进入决定这些因素波动范围的容差设计。
由于某些输出特性的波动范围仍然较大，若想进一步控制波动范围，就得考
虑选择较好的原材料、配件，但这样自然会提高成本。因此有必要将产品的
质量和成本进行综合平衡。
容差是从经济角度考虑允许质量特性值的波动范围。容差设计通过研究
容差范围与质量成本之间的关系，对质量和成本进行综合平衡。例如：可以
将那些对产品输出特性影响大而成本低的零部件的容差选得紧一些，而对输
出特性影响小而成本又很高的零部件选得松一些。为此，必须要有一个质量
损失函数来评价质量波动所造成的经济损失。
仍以上述晶体管理稳压电源的设计为例。当输出电压正好等于110V 时，
质量波动最小。随着质量波动的增大，引起的经济损失（包括社会经济损失）
也将增大。例如：质量波动造成零部件返工、报废以及用户由于质量波动也
多付费用等。
假设Y 为输出功能波动情况；L 为质量波动造成的经济损失；L（Y）为
质量管理费用，m 为目标值。由此可见，当y＝m 时，经济损失最小。
围绕目标值m，对L（Y）作泰勒展开可得
L（Y）＝（m＋Y－m）＝L（m）＋
L' （m）
1!
（y－m）＋
L″（m）
2!
（ym）
2＋⋯
由于L（y）在y＝m 时为极小值，因此L（m）＝0，可见泰勒展开式中的
第2 项和第1 项都等于0，L（y）的主要项就是第3 项
L″（m）
2!
（y－m）
2！，其中当m 确定后，
L″（m）
2!
是一个常数，可用比例常数K 来表示。由
此可见，L（y）的大小主要取决于y 与目标值m 的偏差大小来决定。即：
L（y）＝K（y－m）2＝Kб2
式中б——方差。
从上式可得K＝
L(y)
（y -m）2
＝
A
△ σ 2
式中△0———产品使用过程中单侧极限允许差；
A———产品在超出极限允许差时的经济损失。
假设当该稳压电源偏离目标值1OV 时（即△0＝1O 时），造成设备异常，
用户需化400 元进行大修（即用户的经济损失A＝400 ），则
K＝
A
△ σ 2 =
400
100
=4
从而得 L（y）＝4（y－10O）2
以上是用户损失。制造厂由于质量波动不得不采取措施加以调整或返
工，使产品达到目标值，这势必也要增加成本。
假定稳压电源在出厂检查时发现输出电压为105V，偏离量为5V，尽管未
超过10V，如出厂，制造厂应取多大的制造公差比较合适，这也应通过计算L
（y）加以分析。
假定工厂把输出电压从105V 调整到目标值110V 需要增加费用3 元，代
入上式，得
L（y）＝K（y－m）
3＝4（V－110）2
解之，得 y＝110±0.87（v）
这说明当用户使用极限的界限为11O±10V，生产制造为把输出电压从
105V 调整到110V 时，返修费为3 元的情况下，对稳压电源的公差应控制在
110±0.87V 的范围内。当输出电压为105V 时，如果工厂为了节省3 元调整
费用，那么给用户造成的损失将是100 元。
L（105）＝4×（105－100）2＝100（元）
可见，容差设计是在决定了最佳参数组合的中心值后，根据质量损失函
数，在综合平衡用户与制造厂质量费用的情况下，选定合理的公差范围。
以上通过稳压电源的参数设计和容差设计的例子，对三次设计的原理进
行概念性的介绍。实际计算往往要复杂得多，通常要运用正式试验、方差分
析和信噪比对质量特性进行综合评定。
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