质量的稳健性优化设计

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1、第七章 产品寿命周期质量分析与控制技术质量的稳健性优化设计（田口方法、三次设计）质量的稳健性设计n 稳健性设计是实现低成本、高质量的有效方 法。n 传统的设计思想认为：只有用质量最好的原 材料（零部件），才能组装成质量最好的整机 ；只有最严格的工艺条件才能制造出质量最好 的产品。总之，材料、元器件质量特性越好， 可行性就越高。n 70年代，世界上技术先进国家已开始以一种 全新的设计概念取代了传统的设计思想。设计 中心思想是采用最低廉的元件组装成品质量最 好，可靠性最高的整机；采用最宽松的工艺条 件加工出质量最好、成本最低、收益最高的产 品。其口号是“用三类元件设计制造出一类整 机”。n n 在

2、国际市场上占有最大份额的日本电气产 品以及美国三大汽车公司等都是在这种设计概 念下取得了最好的技术经济效果，在放宽工艺 要求，降低制造成本的条件下制造出高品质的 产品。n 稳健性设计是日本著名的质量管理专家田 口玄一博士于70年代初创立的质量管理新技术 。这是一种最新颖、科学、有效的稳健性优化 设计方法。该理论和方法不仅受到日本同时也 受到欧美各国应用统计学家、质量管理专家、 工程设计专家和企业人士关注，并在工程实际 中得到了广泛应用。因而人们将这种方法和理 论称之为“田口方法”。n 据资料介绍，日本数百家公司每年应用田 口方法完成10万项左右的实例项目研究，在不 增加成本的情况下，大大提高了

3、产品设计和制 造质量。n 田口的稳健性设计方法被日本人作为日本 产品打入国际市场并畅销不衰的奥妙之一；是 日本经济腾飞的秘诀和成功之道。n 许多大公司的“设计规程”中明确指出设计 人员在设计过程中必须采用田口方法的稳健性 优化设计方法，否则在技术评审中难以通过。n 美国波音公司已采用田口方法成功地进行了 飞机尾翼设计。n 美国航空航天局从94年开始计划用34年时 间推行田口方法，从对高级领导人进行培训、 转变观念入手，并首先在航天飞机燃料储箱设 计中应用。田口方法在美国工业界的广泛的应用n 美国每年完成的案例在5000个以上。美国应 用田口方法节约经费达九百万美元，另外，美 国70%以上的工程

4、技术人员了解田口方法。n 由于世界范围内高技术产业兴起和社会生产 力的迅速发展，国际市场竞争的焦点已开始由 价格的竞争转向质量设计的竞争。设计竞争的 严峻形势迫使每个企业重新考虑其质量经营战 略。n 工业界的质量意识空前提高，开始制定以顾 客需求为中心的质量战略和以质量管理为根本 内容的经营战略，注重加强研制阶段的质量设 计和质量分析。稳健性设计技术不仅可以使企 业以最快的开发速度，最低的开发成本，最稳 健的开发质量满足顾客的现实需求和潜在需求 ，从而获得最好的资本增值效益，同时，也是 跻身世界及公司的必由之路。n 田口博士的三次设计方法是利用产 品的性能指标同有关的各个参数之间函 数关系的计

5、算，优选出好的参数组合， 以使产品的性能指标达到最优化质量成 本和最低化设计要求。这种方法主要用 于可计算性产品的参数设计。n 三次设计通常有：n直接择优指能够根据某一数量化的指标， 直接判别设计条件的优劣，选择优良的设计参 数组合；n稳定性择优指在考虑影响产品性能指标各 因素都有误差波动的情况下，先选取好的条件 和参数组合、使产生的性能指标尽可能稳定在 设计的目标值附近，再规划各零部件或参数的 波动幅度，使之在保证产品质量的情况下能充 分照顾到质量效益。 三 次 设 计n系统设计n 参数设计n 容差设计1、系统设计n 指专业人员根据各个的技术领域的专 门知识，对产品进行整个系统结构的设 计，

6、也就是通常所说的产品质量设计。n 系统设计阶段，需要求出产品的性能 指标与各有关参数之间的函数关系。2、参数设计n 指在全系统设计基础上，决定或选定系 统各参数的最优参数组合。要求不仅应 使产品有良好性能，而且在环境改变或 元器件有所波动劣化的情况，按照这种 参数组合制造出来的产品，在性能上仍 能保持稳定。根据具体情况来决定采用：1、直接择优既利用选优正交表，经过几轮 设计，求得参数的最佳组合。2、稳定性择优既利用选用正交表与误差正 交表安排设计方案和计算，得到第一轮择优设 计的好条件；重复第一轮的步骤，进行第二、 第三轮稳定性择优设计，前一轮的好条件作为 后一轮的初始条件。如此循环若干轮可找

7、到工 程满意的好条件，整数化后即可得稳定性择优 设计的参数组合。参数设计3、容差设计n 参数设计后确定了一组参数组合。但： 1、 是否还能减少参数波动幅度使产品质量特性 更加稳定？ 2、 是否可以适当降低元器件精度等级以降低成 本？这两个问题实质上是确定适当的元器件精度 ，以使产品的使用寿命周期费用最低。稳健设计技术的基本原理n噪声因素波动是产生质量问题的根源，在实际生产的 过程中，往往存在着一些人们无法控制或难以 控制的因素。我们称这些不可控制的因素为噪 声因素或随机因素。正是这些无法穷尽的潜在 变化的相互作用导致了技术功能，产品性能和 工艺过程的波动。同时在设计和制造过程中还存在的一组相对

8、 稳定并可加以控制的因素，如原材料的规格、 技术人员的技能和设计水平、测量设备精度、 相对稳定的环境和温定。这些因素为可控因素 和系统因素。正是这些可控因素才使得产品性能、工艺 过程和技术功能具有一定的稳定性。波动理论n 由于噪声因素是客观存在的和难以控制的， 由此产生波动也是不可避免的。试图完全消除 波动，使产品性能和技术功能的质量特性始终 在设计目标上是永远达不到。因此改进产品性 能，提高质量的奋斗目标是：永无止境地减少 波动，使产品、工艺过程、技术功能对各种噪 声因素不敏感，向着波动为零的目标迈进。n 这就是质量工程的理论支柱波动理论 。n 实现这一理论的方法的就是源头治 理，即利用稳健

9、设计技术寻找可控因素 的一组水平组合，使刻划产品/工艺过程 性能或技术功能的输出质量特性围绕设 计目标时的波动尽可能小。波动理论选择最有效的输出质量特性n 实施稳健设计技术首先要选择最有效的输 出质量特性，尤其是在技术开发阶段，这一要 素的正确选择显得更加重要。只有对有效的输 出质量特性进行测量才能反映产品/工艺性能 或技术功能的基本特征，进而确定输出的基本 功能和理想功能。n实施稳健技术的目的：减少产品性能和技术功 能波动，既减少输出质量特性围绕设计目标值 T的波动，就要给出基本功能波动的度量。n保证基本功能的性能稳健取决于两点：一是输出质量特性本身的波动小；二是该质量特性应尽可能接近设计目

10、标值。性噪比函数S/N能准确地反映这两个特性。选择有效的输出质量特性、可控和噪声因素n如何选择最有效的输出质量特性是进行稳健设 计技术关键的第一步，应该根据产品开发过程 的不同阶段对产品质量影响的重要程度，将产 品质量水平相应的划分：下游质量中游质量上游设质量源头质量。上游质量特性的重要性n 大多数可控因素已在源头、上游和中游阶 段确定，并且难以改变，所以下游质量特性大 多是不可控的噪声因素。虽然这些因素不能直 接作为有效的输出质量特性，但是可能对设计 输出质量特性有重要的影响。n 上游质量特性是产品/工艺设计阶段最重要 的指标，对于改进和提高某种产品的稳健性是 至关重要的，可作为该阶段的有效

11、质量特性。技术开发阶段的源头质量n 技术开发阶段是开发一般的技术，该 技术的稳健性可有效地开发一族产品。 所以源头质量是该阶段最有效的质量特 性。采用该质量特性才能揭示一般技术 的基本功能，进而提高研究开发效率， 使得小规模实验室试验和研究开发仿真 的结果在制造和用户环境中再现。确定基本功能的理想功能n 在选择有效的输出质量特性之后，找 出该质量特性与输出质量特性之间的内 在规律是稳健设计的关键所在。田口定 义了基本功能和反应输入和输出之间的 理想状态。n基本功能： 某种技术和产品的能量转换功能，它反 映的是该技术和产品输入与输出之间的转换关系。 设：Y为输出质量特性；X=(x1, x2，xn

12、)为可控因素；Z=(z1,，z2,zn)为噪声因素；则：输入质量特性 M=(X,Z) 通常基本功能可表示为:Y = f (x1, x2，xn，z1,，z2,zn) = f(M)基本功能的理想功能n理想功能：无论在任何条件下，基本功能都满 足理想关系式：Y =M当基本功能为理想功能时，由于输入和输出 是线性关系，所以具有良好的可调整性。在技 术开发阶段，当开发了稳健的一般技术 Y之后 ，可以通过调整，开发一族稳健的产品。基本功能的理想功能基本功能稳健性的度量S/Nn稳健设计的目的是调整技术或产品输入 的参数水平，最大限度地减少输出的波 动，使得技术功能和产品性能稳健。这 种稳健性主要表现为：n

13、Y围绕设计目标值T的波动尽可能小。n一方面要求无论在任何噪声因素的干扰下Y的 波动都能最大限度地减小。输出质量特性Y的方差2恰好刻划了Y围绕 其期望值E(Y)=的波动。n另一方面要求Y尽可能地接近达到设计目标值T 。将这种调整的效果称为灵敏度2能够较好的刻划Y的平均状况，可将其视 为灵敏度的一种度量。当Y= M 时，2表示调整的灵敏度。基本功能稳健性的度量S/Nn基本功能的稳健性不仅要求2小，而且要 求灵敏度高。用描述这两个指标，即：n当Y=M 时基本功能稳健性的度量S/Nn 为了获得稳定性好的质量，希望质量特征越 接近目标值越好；同时，要求质量特征对噪声 干扰抵抗力越强越好，即要求质量特征试

14、验的 多次观察值的平均值越接近目标值越好，同时 ，偏差变化越小越好。由于信噪比SN函数既 考虑到质量特征的平均水平又考虑到其波动范 围，因此，用SN来评价质量水平是比较合理 的和全面的，信噪比SN越大，说明产品质量 水平越高。n 基本功能稳健性的度量S/Nn 田口曾提出70多种不同的信噪比函数表达式 ，每一种表达式都有其适用的条件和范围，下 面描述三种常用的SN函数。n（1）N型信噪比函数。用于质量特征目标值为 一确定值的情况下的试验结果的分析和优选， 如尺寸、输出电压等质量特征的设计。稳健性的度量信噪比S/Nn式中：nyi_表示观测值，i=1,2,n采样数。稳健性的度量信噪比S/Nn（2）B

15、型信噪比函数。用于质量性能目标值的 越大越好情况下的试验结果的分析和优选，如 强度、寿命等质量特征设计。稳健性的度量信噪比S/Nn（3） S型信噪比函数。用于质量特征目标值 为越小越好情况下的试验结果的分析和优选， 如噪声、有害物质、污染等质量特征设计。稳健性的度量信噪比S/N参数设计中的正交实验技术案例1对瓷砖生产进行试验的案例n某制陶企业需要改进产品质量，运用正 交表进行试验。n试验指标：一百块瓷砖中的不合格品。n试验影响因素有7个，都是与配料有关。 因素的位级有2个。如表1：表1因素位级 位级 1位级 2A: 某添加物的量B: 某添加物的量C: 腊石量D: 腊石种类E: 装入量F: 熟石

16、量G: 长石量A1:=5%B1 :粗（现用）C1 :=43%D1 :现用E1 :1300kgF1 :0%G1 :0%A2 :=1%B2 : 细（新用）C2 :=53%D2 :新用E2 :1200kgF2 :=4%G2 :=5%因素位级表L8 正交表因素搭配及试验数据 L8（27）正交表因素试验号列因素内容添 加 物 量添 加 粒 度腊 石 量腊 石 种 类装 入 量熟 料 量长 诗 量1 2 3 4 5 6 7特性值100块窑中央 的瓷砖不合格品数 （块） 1 2 3 4 5 6 7 81 1 1 1 2 2 2 21 1 2 2 1 1 2 21 1 2 2 2 2 1 11 2 1 2 1 2 1 21 2 1 2 2 1 2 11 2 2 1 1 2 2 11 2 2 1 2 1 1 25 5 5 5