田口方法实战训练PPT幻灯片课件

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1、主讲 施荣伟 田口方法实战训练 施荣伟2011 05 三星六西格玛系列培训 1 田口方法与健壮设计 二战之后 日本的田口玄一博士 将试验设计方法应用于改进产品和系统质量 并研究开发出 田口品质工程方法 简称田口方法 从而提升了日本产品品质及日本产业界的研发设计能力 成为日本战后质量管理及设计开发的核心工具 田口方法具有很强的抗干扰能力 因此又称为 稳健参数设计 通过调整可控因子的水平 来降低或弱化噪音对Y的影响 从而提高设计方案的抗干扰能力 1962年田口博士获得戴明个人奖 2 田口的质量哲学 定义 质量是产品出厂后给社会带来的损失 品质不是检验出来的 品质必须设计到产品中去 品质的目标是 最

2、小化与目标值的偏差 且能免于噪音的影响 品质成本应当用与标准值偏移的函数关系来衡量 这就是著名的 质量损失函数模型 3 品质损失函数模型 设质量特性为y 目标值为m 质量损失函为L y 当产品性能恰好为趋近目标时 质量损失最小 产品性能偏离目标值越远 质量损失越大 4 田口关于参数分类 对于一个产品或者制程 我们可以用参数图来表示 如图2 3所示 其中y表示此过程输出的产品或制程的品质特性 响应值 影响y的参数可分为可控因子 噪音因子和信号因子三类 5 可控因子与噪音 可控因子 可控因子是工程师能够控制和调整的因素及过程参数 如反应温度 时间 压力 材料种类 等等 噪音 有许多参数非为设计工程

3、师所能控制的因子 即随机误差 田口称其为噪音 田口博士将噪音归纳为外部噪音 内部噪音和零件间变异三类 噪音 外部噪音 内部噪音 零件间变异 6 噪音分类1 外部噪音 外部噪音由于环境因素与使用条件的变化或变异 如温度 湿度 位置 粉尘 电压 电磁干扰 震动以及操作者人为错误等 7 噪音分类2 内部噪音 内部噪音产品在库存和使用过程中 产品本身的零件 材料会随着时间的推移发生质量变化 例如 绝缘材料的老化零件在使用过程中的磨损 蠕变等 8 噪音分类3 零件间的变异 零件间的变异由于构成产品的材料 零件存在变异 制程中由于操作 设备 工艺参数的变化以及环境因素的变化形成的变异 会造成零件间的变异

4、对于噪音的识别分类 还可以有更多的分类 只要有益于改进 就应该做深入地分析 9 噪音分析的意义 产品性能指标除了受可控因子的影响外 还受到噪音的影响 但传统的试验设计对误差的分析比较笼统 全部归为随机误差 实验误差 但是在稳健设计中 为了达到产品或过程的稳定性 必须仔细的分析这些误差是如何形成的 首先要识别噪音的具体状况 进行仔细的分析并加以描述 进而在设法在试验中反映这些变差 才能通过稳健设计的策略实现 抗干扰 的目的 10 正交表和信噪比是田口方法的重要基础及工具 正交表 建立试验计划的基础信噪比 评价品质优劣的基础 正交表与信噪比 11 正交表 什么是正交表 正交表是一种规格化的表格 也

5、是试验计划 从一般意义讲 只要掌握正交表的运用方法就可达到DOE目的 正交表的表达方式 12 L9 3 正交表 样式 4 13 正交表的正交性质 1 每一列都是自我平衡的 在任意一列中 因子各水平出现次数相同 2 每两列都是平衡的 任两列中 某一水平的试验组出现的频率都是相同的 这两个性质称正交性 导致对试验结果有 均衡分散 整齐可比 的特点 有利于计算回归方程 因此 虽然是局部试验 但仍有可靠的代表性 14 正交表的优势 试验次数少L9 34 的全部组合 81次 3 3 3 3 正交表获得的结论 在整个试验范围都成立 具有良好的再现性 资料分析简单 15 田口乘积表 田口方法建立实验计划也是

6、使用正交表 所不同的是 使用内表 外表 乘积表将可控因子安排在 内表 控制表 将噪音因子安排在 外表 噪音表 同时考虑可控因子及噪音对响应的影响 是田口方法的特点 田口方法的优势 通过调整可控因子的水平 来降低或弱化噪音对Y的影响 从而提高设计方案的抗干扰能力 16 田口正交表样式 实验次数成倍数增加 9 8 72次 噪音表 控制表 试验观察值 17 设置噪音的简化方法 正确识别和确定噪音及其水平 是成功实现稳健设计的基础 综合误差法 选择少数几个点 如3 4个最不利误差法 选定2个端点 正偏 正负 18 田口正交表样式 简化 实验次数 9 2 18次 19 信噪比 S N 田口博士创造性提出

7、了信噪比的概念 以S N比作为分析改善对象和评价方案的核心指标 S N比的特点 综合反映关于响应位置和离散度两个特性的信息 从而达到获得最理想的品质效果 这也正是稳健设计的核心机理 虽然缺少统计理论支持 但实践证明它是最优良的方法 20 在通讯工程里 常以电讯的输出 信号 与 噪音 之比作为品质指标 以此值越大表示通讯品质越好 S N比的原始定义是指信号噪音比 可用以下公式表示 S N 信号 噪音该比值越达 表明品质越好 单位以分贝 db 表示 S N之来源 21 S N理论表达式 设实际测量值y与目标值m之偏差为y1 y2 yn 则有 总误差 ST 平均误差 Sm 误差方差 Ve 信噪比 S

8、 N 10log 3 0 22 S N应用公式 望目 S N 10log y2 s2 3 1 望大 S N 10log 3 2 望小 S N 10log 3 3 S N以10倍的对数来表示 23 田口设计选优准则 田口博士将S N做为实验设计的优选评价标准 S N比极大化 无论特性是什么情形 望小 望大 望目SN值越大则品质越好 24 静态设计与动态设计 信号因子 是指产品使用人设定的参数 是动态特性中输出变量的因素 举例说 一台电扇的转速 是使用人期望风量的信号因子 在一个测量系统中 零件真值是信号因子 其测量值是响应变量 静态设计 在一个系统中 如果没有信号因子或者信号因子表现为一常数值

9、以寻求 点 的最佳设计 便称为静态设计 动态设计 在一个系统中 如果加入了信号因子 以寻求 线 的最佳设计 便称为动态实验设计 本课程只介绍静态设计方法 25 田口方法的类型 田口方法 静态设计 动态设计 望大特性 望小特性 望目特性 加入了信号因子 26 田口设计的基本程序 步骤1 明确改善目标或试验目的 步骤2 选择品质特性 起关键作用的 步骤3 筛选并确定因子及其水平 步骤4 确定试验计划 步骤5 实施试验 收集数据 步骤5 构建田口模型 步骤7 分析数据 确定最优因子组合 步骤8 验证设计 计划 分析 实施 27 田口方法与正交实验的区别 相同 都使用正交表 但田口使用内外表 区别 使

10、用的分析评价标准不同正交实验设计 极差分析法田口实验设计 信噪比分析 28 例1 改善小组计划采取降低PCB过炉泛黄不良率的 改善活动 因子水平表 田口设计展开应用 望小 29 建立试验计划 使用L4 23 正交表 30 信噪比S N手工计算 第一次实验的SN比 SN 10 152 23 5218第二次实验的SN比 SN 10 182 25 1055第三次实验的SN比 SN 10 122 21 5836第四次实验的SN比 SN 10 452 33 0643 直交表与实验数据表 A1信噪音比 23 5218 25 1055 2 24 3137 31 信噪比S N分析 S N比一览表 29 084

11、 22 552 23 64 24 73 25 82 26 6 91 28 00 A1 A2 B1 B2 C1 C2 S N比 32 工程推断 1 主次因子顺序 B速度 C镀银 A炉温度2 最优因子水平组合 A1 B1 C2 33 静态望大设计实例演练 案例2 提高磁鼓电机力矩之改善磁鼓电机是彩色录象机的关键部件 国外同类产品力矩指标规定大于210g cm 为提高电机的输出力矩 需要进行实验 因子水平表 望大问题 34 步骤1 制定试验计划 选择正交表 菜单 Stat DOE Taguchi CreateTaguchiDesign 选择设计类型 是L9 34 默认 b 因子数选3 a 水平数选3

12、 c 确认所选定的设计 35 田口设计 试验计划表 由系统得到正交表 L9 34 36 修改设计 因子水平命名 菜单Stat DOE ModifyDesign 修改因子命名 水平设定 中文因子命名 水平值设置 数字间留空格 为保证课程讲述方便 取默认值 静态田口设计 37 步骤2 执行试验 收集数据 进行实验 将响应值Y输入工作单 提示 试验顺序应按照随机原则执行 38 步骤3 设置SN 构造田口模型 菜单 Stat DOE Taguchi AnalyzeTaguchiDesign 输入y 确定S N比 本例属望大 望大 望目 望小 要点 通过 Option 正确设置S N 望目 优选 39

13、步骤4 数据分析 SN分析 均值分析 效应 效应 等级 等级 对Y的响应值 田口实验设计分析基础 正交实验设计分析基础 40 步骤5 效应图分析 S N 分析 1 显著因素顺序 B A C 2 最优因素组合 充磁量A2 角度B2 匝数C3 S N主效应图 充磁量 角度 匝数 田口方法 根据S N做决策 41 步骤5 效应图分析 均值 均值主效应图 分析 显著因素 B角度 A充磁量 C匝数 2 最优因素组合 充磁量A2 角度B2 匝数C3 充磁量 角度 匝数 两种分析方法的结论一致 但 不会总是一致的 42 步骤6 试验结论 工程推断 1 主次因子顺序 B角度 A充磁量 C匝数2 最优因子水平组

14、合 A2 B2 C3 43 步骤7 预测 菜单 Stat DOE Taguchi PredietTaguchiResults 3 点三角下拉表 设定最优因子水平值 1 点选L T设置 只分析主效应 ABC系统是默认的 最佳水平 A2 B2 C3 2 点选 44 田口设计预测结果 Predictedvalues信噪比均值S NRatioMean47 7985240 778Factorlevelsforpredictions 最优因子水平组合 充磁量角度线圈匝数11001190 步骤8 验证实验 45 田口望目设计实例演习 案例3 提高塑料袋密合强度的稳定性产品工程师要评估影响装货用塑料袋密合强度

15、的因素 有3个可控因素温度 压力 厚度 它们分别有3个水平 另外识别出有2个噪音条件 Noise1和Noise2 Y属于望目特性 规格要求定为18 46 步骤1 制定试验计划 选择正交表 菜单 Stat DOE Taguchi CreateTaguchiDesign 选择设计类型 试验计划是L9 34 2 因子数选3 1 选择3水平的设计 3 确认所选定的设计 47 步骤2 执行试验 收集数据 可控因子 噪音 内表 外表 试验操作每行实验 应分别在两个噪音条件下做2次实验 真实的实验次数是9 2 18次 Y1 Y2 本步骤最关键 望目问题 48 步骤3 设置SN 构造田口模型 菜单 Stat

16、DOE Taguchi AnalyzeTaguchiDesign 1 输入y 2 确定S N比 3 本例属望目 选下边的 要点 通过 Option 正确设置S N计算机默认生成SN及均值分析的数据与效应图 望大 望目 望小 望目 49 步骤4 数据分析 SN分析 均值分析 效应 效应 等级 等级 SN分析主次顺序B C A 均值分析主次顺序A B C 矛盾 取哪种 50 步骤5 效应图分析 SN 信噪比S N主效应图 分析 显著顺序 B C A最佳组合 A1 B2 C2 51 步骤5 效应图分析 均值 均值主效应图 分析主次顺序 A B C 最佳水平 A2 B2 C1 注意 与SN分析不一致 52 步骤6 试验结论 本案SN分析与均值分析的结果是相悖的 这并不影响做决定 更复杂更高级的策略参见 田口两阶段优化程序 田口设计的选优标准是 SN比 故工程推断 1 主次因子顺序 B压力 C厚度 A温度2 最优因子水平组合 A1 B2 C2 53 思考 学习本章节 你怎样理解田口方法的概念 田口乘积表与正表有什么不同 田口方法的建模和分析的基础是什么 选优的基准是什么 在什么情况下必须确定噪音