望目特性稳健设计实践概要

《望目特性稳健设计实践概要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《望目特性稳健设计实践概要（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、望目特性稳健设计实践望目特性稳健设计实践DESIRE DESIRE 精益六西格玛设计系列课程精益六西格玛设计系列课程Slide 72学习本阶段课程，你可以掌握学习本阶段课程，你可以掌握 .自己动手完成一个望目特性稳健参数设计自己动手完成一个望目特性稳健参数设计稳健设计的注意事项稳健设计的注意事项如何在如何在Minitab中实现稳健参数设计中实现稳健参数设计稳健设计中的实践操作要点稳健设计中的实践操作要点望目特性稳健设计的流程望目特性稳健设计的流程Slide 73望目特性参数设计路标图望目特性参数设计路标图1. 定义范围/目标2. 选择响应值3. 研究噪声对策4. 建立控制因子和等级 确定控制因

2、子和等级 将它们分配到正交排列5. 准备和进行实验及收集数据7. 进行以下设计的证实测试：a) 优化设计b) 初始设计8. 实施和记录结果重新考虑和调查步骤 1 - 7是否证实？6. 进行数据分析确定最优的设计预案计算每轮正交排列的信噪比和均值完成信噪比及均值响应值表提出以下设计的信噪比预测： a) 优化设计 b) 初始设计Slide 74第一部分：第一部分： 稳健设计实践案例剖析稳健设计实践案例剖析瓷砖制造范例瓷砖制造范例 隧道窑隧道窑 1953 年，一家日本瓷砖制造公司 INAX 从欧洲采购了价值 200 万美元的新隧道窑。该砖窑长 80 米。内部有一辆叠放瓷砖的推车 随着燃烧器烧制瓷砖，

3、在轨道上缓慢移动（36 小时行进 80 米）。 问题在于瓷砖厚度的可变性。 有关瓷砖制造流程优化的稳健设计，其有趣的早期应用出现在 50 年代的日本。从那以后稳健设计方法得到了许多完善。但这个案例可说明用于设计优化的田口方法的一些基本特点。Slide 75问题：问题： 瓷砖不均匀瓷砖不均匀对工厂人员来讲，厚度不均匀的根本原因显然在于热分配不均匀。将不均匀受热视为噪声因子。重新设计砖窑的费用高得惊人（500万美元）。回想一下，有很多不同类型的对策可供我们对付“噪声”，即 忽略、控制忽略、控制/ /消除、补消除、补偿和减少。偿和减少。 超过 25% 的瓷砖都不在尺寸规格之内。内部瓷砖很少能够符合规

4、格。对于需求不断高涨的彩色瓷砖而言，所面临的问题更为严重。Slide 76定义项目范围定义项目范围他们认为，将一吨的工业轧机用于实验显得过于庞大，所以决定选用其 2 公斤产能的小型球磨机。他们这样做的原因是，如果噪声因子策略能够得以正确执行，那么小规模生产的结果同样可以适用于大规模生产。工厂人员决定进行实验，以寻找在砖窑内不受位置影响的瓷砖材料的组成。项目范围摘要：项目范围摘要：使用小型球磨机测试的材料组成原材料原材料粉碎和混合粉碎和混合铸模铸模煅烧煅烧上釉上釉煅烧煅烧 瓷砖制造流程瓷砖制造流程 Slide 77确定响应确定响应y = y = 瓷砖厚度瓷砖厚度 (mm)(mm)USLUSL标称

5、标称LSLLSL内部内部瓷砖瓷砖外部外部瓷砖瓷砖砖窑中砖窑中所处位所处位置置 制造规格为 10.00 0.15 mm； 工厂人员知道这是响应的望目特性望目特性类型；他们认为，瓷砖尺寸的均匀意味着加热深度的均匀；他们必须证实自己的想法。要衡量的输出响应是：y = y = 瓷砖厚度瓷砖厚度 (mm)(mm)10.00 10.00 0.15 mm 0.15 mm制造规格，y = 瓷砖厚度，是：当厚度为 10.00 mm 时，厚度响应的目标值将达到完美的均匀状态。Slide 78确定噪声因子与等级确定噪声因子与等级理想值 y = 10.00 mm 可归纳为 y = m，m 是标称尺寸时没有可变性。推车

6、上的瓷砖位置被视为一个主要的噪声因子。接近热源的外部瓷砖和距其较远的内部瓷砖之间的温度梯度非常大。 P5P1P6P7P4P3P2噪声等级等级等级-1等级等级-2等级等级-3等级等级-4等级等级-5等级等级-6等级等级-7P 瓷砖位置内部 前部内部 尾部外部 右面外部 左面外部 前部外部 顶部内部 中间噪声因子噪声因子Slide 79确定控制因子与等级确定控制因子与等级等级等级-1-1等级等级-2-2等级等级-3-3A A石灰石5%1%B B滑石43%53%63%C C滑石类型新类型- 1当前新类型- 2D D耐火黏土0.0%1.0%3.0%E E粒度细粒度当前粗粒度F F烧制顺序第一第二第三G

7、 G长石7%4%0%H H粘土类型类型- K混合型类型- G控制因子控制因子A2B2C2D2E2F2G2H2 为当前条件。控制因子和等级为精选的瓷砖成分控制因子和等级为精选的瓷砖成分通过脑力风暴讨论，他们从材料组成参数中选择控制因子和等级。 因子 F 是流程顺序控制因子。Slide 80稳健设计规划稳健设计规划内排列外排列y = 瓷砖厚度瓷砖实验的实验选用了L18正交排列，各行指定了 18 项控制因子测试条件；P1 至 P7 指定噪声等级或位置。 Slide 81在在Minitab里完成实验规划里完成实验规划1.打开打开 Minitab 的空白工作表的空白工作表2.选择选择“StatDOETa

8、guchi Create Taguchi Design.”（统计（统计DOETaguchi 创建创建 Taguchi 设计设计.）3.选择选择“Mixed Level Design”（混合等级设计）（混合等级设计） 4.选择因子数为选择因子数为 “8”5.单击单击 Taguchi 对话框中的对话框中的“Designs”（设计）按钮（设计）按钮6.选择选择“L18 2*1 3*7”7.单击设计对话框中的单击设计对话框中的“OK”（确定）（确定）8.单击单击 Taguchi 主对话框中的主对话框中的“OK”（确定）（确定）2567834Slide 82进行实验与数据收集进行实验与数据收集瓷砖材料以

9、 L18 的每个组合配制并在小型砖窑中煅烧（烧制），然后从每 7 个位置中选出一个样品测量厚度（单位 mm）。 Slide 83进行实验数据分析进行实验数据分析一旦从实验中收集到数据，将使用以下程序对数据进行分析：q计算每次实验的信噪和均值计算每次实验的信噪和均值q完成并解释响应值表完成并解释响应值表q执行两步优化执行两步优化q提出预测提出预测 信噪比有用输出有害输出 2y2 Slide 84信噪比的计算方法信噪比的计算方法计算 n 数据，y1 y2 y3 . . yn 为：y1+ y2 + y3 . . . + yny =n=n - 1 Si =1,n )2 (yi- y (y1- )2 y

10、 (y2- )2 y (yn- )2 y +. . .=n - 1S/N = = 10 x log+sn-1 2 n-1 2 y 2Slide 85 L18测试，会在外排列中创建一组数据。例如，从 L18 第 1 轮测试中收 集的一组数据显示如下：第 1 轮测试的信噪比计算 如下图 n-1yynyyniiniin=-=12110.111 0.087()sn=7S N/log).=104131y2n-12s (dB)(由于最终目的是减少噪声引起的可变性，将针对 L18 的每一轮计算信噪比。Slide 86在在Minitab中计算信噪比中计算信噪比1.打开练习文件打开练习文件2.选择选择“Stat

11、DOETaguchi Analyze Taguchi Design” （统计（统计DOETaguchi 分析分析 Taguchi 设计）设计）3.为响应数据选择为响应数据选择“P1-P7”4.单击分析单击分析 Taguchi 对话框中的对话框中的“Graphs” （图（图表）按钮表）按钮5.勾选图表对话框中的勾选图表对话框中的“Signal to Noise ratios”（信噪比）和（信噪比）和 “Means”（均值）（均值）6.单击图表对话框中的单击图表对话框中的“OK”（确定）（确定）23456Slide 878 89 9111112127 710107.7.单击分析对话框中的单击分析对

12、话框中的“AnalysisAnalysis” （分析）按钮（分析）按钮8.8.勾选分析对话框中的勾选分析对话框中的“Signal to Noise ratioSignal to Noise ratio”（信噪比（信噪比 ）、）、 “MeansMeans”（均值）和（均值）和“Standard Standard DeviationsDeviations”（标准差）（标准差）9.9.单击分析对话框中的单击分析对话框中的“OKOK”（确定）（确定） 10.10.单击分析对话框中的单击分析对话框中的“StorageStorage” （存储）按钮（存储）按钮11.11.勾选存储对话框中的勾选存储对话框中

13、的“Signal to Noise ratioSignal to Noise ratio”（信噪比）、（信噪比）、“MeansMeans”（均值）和（均值）和“Standard Standard DeviationsDeviations”（标准差）（标准差）12.12.单击存储对话框中的单击存储对话框中的“OKOK”（确定）按钮（确定）按钮Slide 8813.单击分析对话框中的单击分析对话框中的“Options”（选项）按钮（选项）按钮14.勾选选项对话框中的勾选选项对话框中的“Nominal is best 10*Log(Ybar*2/s*2)”（望（望目特性目特性 10*Log(Ybar

14、*2/s*2)）15.单击选项对话框中的单击选项对话框中的“OK”（确定）按钮（确定）按钮16.单击分析对话框中的单击分析对话框中的“OK”（确定）（确定）14151613Slide 89实验结果的分析实验结果的分析请注意：18 信噪比在 36 db 至 50 db 之间变化 - 有 14 db 的波动；第 10 个组合是最糟糕的；第 6 个组合最佳，其可变性范围小于第 10 个组合的 Slide 90S/N 响应值表显示了控制因子如何影响可变性，如下所示：标准差降低 = 1 - ()（增益/6） 归纳：Slide 91(41.31 + 42.19 + 43.65 +40.36 + 37.74

15、 + 50.03 + 46.34 + 43.21 + 43.13) / 9 = 43.10 DeltaDelta 是给定因子的所有等级的最大不同之处，它代表每个因子的效应强度效应强度。 信噪比响应值表信噪比响应值表望目特性望目特性 (10*Log(Ybar*2/s*2)等级等级 A B C D E F G H1 43.10 40.52 40.45 40.32 44.52 41.11 40.42 39.912 39.50 41.22 40.95 40.88 40.12 41.37 41.48 42.823 42.16 42.50 42.70 39.27 41.42 42.00 41.17Delt

16、a 3.60 1.64 2.05 2.38 5.25 0.31 1.58 2.91排列排列 2 6 5 4 1 8 7 3均值响应值表均值响应值表等级等级 A B C D E F G H1 10.016 9.934 9.988 9.989 9.999 10.074 9.978 10.0322 9.952 10.002 9.995 9.970 10.015 9.972 9.967 10.0203 10.016 9.969 9.994 9.938 9.906 10.007 9.900Delta 0.063 0.083 0.027 0.025 0.077 0.168 0.040 0.131排列排列

17、5 3 7 8 4 1 6 2响应值表是通过计算每个因子等级的响应平均值创建成的。响应值表是通过计算每个因子等级的响应平均值创建成的。A1 A1 的平均信噪比为：的平均信噪比为：Slide 9221444240321321321321321321321ABCDEFGH2110 .1010 .0510 .009 .959 .90321321321321321321321ABCDEFGH (10*Log(Ybar*2/s*2)通过信噪比与均通过信噪比与均值图表辅助分析值图表辅助分析优化方案优化方案信噪比主效应图（数据均值）信噪比主效应图（数据均值）均值主效应图（数据均值）均值主效应图（数据均值）信

18、信噪噪比比的的均均值值均均值值的的均均值值信噪比：望目特性Slide 93课堂练习：解释课堂练习：解释 dB均值的响应值表显示出控制因子如何影响均值，例如：因子 F 和 H 对均值厚度存在相对较强的影响。说明说明目标目标练习解释 dB 值的不同之处回答问题并进行班级讨论A1 的平均信噪比为 43.1 db，A2 的平均信噪比为 39.5 db。使用响应值表中的数据，回答以下方框中的问题。A1 较 A2的优良程度如何？它能在多大程度上降低可变性？E1 较 E2的优良程度如何？它能在多大程度上降低可变性？dBdB%成果成果Slide 94两步优化两步优化瓷砖实验的两步优化瓷砖实验的两步优化第一步是

19、降低可变性（优化信噪比），第二步是将均值调整到目标值。可使用控制因子，如 F（烧制顺序）； 然而，项目小组项目小组通过使用模具中的原材料量来调整厚度。 步骤步骤-1-1：降低可变性：降低可变性- 选择最大信噪比的控制因子等级 步骤步骤-2-2：调整均值：调整均值- 选择可以移动均值的控制因子等级，而不影响 可变性目标目标Slide 95关于两步优化的注意事项：关于两步优化的注意事项：当为了稳健优化进行能量响应 (Energy Response) 的衡量时，使用一个参数调整均值通常会非常简单。如果不清楚如何调整均值，请寻找一个对均值有很大影响但对可变性影响甚微的控制因子。 在瓷砖实验中，因子 F

20、 可将均值调整 0.17 mm，其对可变性的影响非常小。 步骤步骤 1 通过最大化信噪比降低通过最大化信噪比降低可变性可变性A1, B3, C3, D3, E1, F3, G3, H2步骤步骤 2 使用对信噪比没有影响使用对信噪比没有影响的因子调整均值的因子调整均值使用因子使用因子 F 调整均值调整均值Slide 96两步优化课堂练习两步优化课堂练习了解选择优良响应的重要性，您可以使用两步优化回答问题 1 和问题 2，并进行班级讨论1.哪个响应是用于两步优化的最佳范例？ a) y = 故障率 b) y = 泄漏量 c) y = 燃油喷射器的喷射量 d) y = 发动机转速 e) y = 产品总

21、成本 f) y = 瓷砖厚度g) y = 化工产量2.这些属于哪些响应类型？说明说明目标目标成果成果Slide 97提出预测提出预测田口田口 ( (Taguchi) Taguchi) 博士的方法要求经过证实测试以检验实验的有效性和博士的方法要求经过证实测试以检验实验的有效性和实验结论的再现性。实验结论的再现性。 进行证实实验之前，应对优化组合条件下的表现进行预测。通过利用“因子效应的叠加性”提出预测。（因子效应的）叠加性只是从具有强大效应的控制因子得出的增益总和。 没有将微弱的因子效应纳入预测方程式，以避免过高估计。在这个范例中，因子 B、F 和 G 都被排除。方程式排除的因子越多，预测就越保

22、守；排除的因子越少，预测就越大胆。良好叠加性可被定义为“控制因子之间不存在强烈的交互作用。” 关于这个问题，稍后会作详细解释。Slide 98使用叠加性预测使用叠加性预测信噪比信噪比38.0039.0040.0041.0042.0043.0044.0045.00A1A2信噪比信噪比38.0039.0040.0041.0042.0043.0044.0045.00E1E2E3ETdB1322-= .最佳配置下的信噪比预测由此得出：最佳配置下的信噪比预测由此得出：程序程序T-Bar 是 18 信噪比的平均值，或是 18 轮测试的平均值。 T-Bar 在提出预测时作参考数使用。对于每个控制因子，都要计

23、算出因子等级平均值和 T-Bar 之间的差。 然后再将这些差值加到 T-Bar。每个因子的增益都被加到一起。 换言之，只是将增益简单地加到一起。 称之为因子效应的“叠加性”。注：注：在本例中，变量 B 、F 和 G 的影响未 纳入预测方程。()hoptTAT=+-+1() () ()CTDTET-+-+-+331()HT-2=+.41.30 180+.120 140 322+=.dB15250.44 Slide 99$hopt()TAT=+-1() () ()()CTDTETHT+-+-+-+-3312=+.4130 180+=.dB120 140 322 15250.44 ()$h初始TAT

24、=+-2() () ()()CTDTETHT+-+-+-+-2222 .(.)=+ -+4130180(.) (.) (. ).dB-+ -+ -+=035042118152 3907 信噪比预测信噪比预测注：注： 增益为 6 dB 的信噪比相当于标准差减半。 期望可变性降低 11.37 dB， 这相当于变化范围缩小 73%。信噪比信噪比初始设计初始设计39.07优化设计优化设计50.44增益增益11.37标准差降低 = 1 - ()（增益/6） Slide 100Minitab中的预测中的预测基线基线341.继续练习文件继续练习文件 2.选择选择“StatDOETaguchi Predict

25、 Taguchi Results”（统计（统计DOETaguchi 预测预测 Taguchi 结结果果）3.勾选预测勾选预测“Mean”（均值）、（均值）、“Signal to Noise ratio”（信噪比）、（信噪比）、“Standard Deviation”（标准差）（标准差）和和 “Natural log of standard deviation”（标准差的（标准差的自然对数）自然对数）4.单击预测单击预测 Taguchi 对话框中的对话框中的“Terms“（条件）（条件）按钮按钮5.在在“Selected Terms”（已选条件）框内选择（已选条件）框内选择 A、B、C、D、E

26、和和 H6.单击条件对话框中的单击条件对话框中的“OK”（确定）按钮（确定）按钮265Slide 101127.单击预测单击预测 Taguchi 对话框中的对话框中的“Levels” （等级）按（等级）按钮钮8.选择选择“Uncoded units”（未编码单位）（未编码单位） 9.选择选择“Select levels from a list”（从列表选择等级）（从列表选择等级）10.将因子将因子 A 、C、D、E 和和 H 选择为等级选择为等级“2”（初始设置）（初始设置）11.单击等级对话框中的单击等级对话框中的“OK”（确定）（确定）12.单击预测单击预测 Taguchi 对话框中的对话

27、框中的“OK”（确定）（确定）1098117Slide 102Minitab中的预测中的预测最大化信噪比最大化信噪比231.选择选择“StatDOETaguchi Predict Taguchi Results”（统计（统计DOETaguchi 预测预测 Taguchi 结果结果）2.勾选预测勾选预测“Mean”（均值）、（均值）、“Signal to Noise ratio”（信噪比）、（信噪比）、“Standard Deviation”（标准差）（标准差）和和 “Natural log of standard deviation”（标准差的自（标准差的自然对数）然对数）3.单击预测单击预测

28、 Taguchi 对话框中的对话框中的“Levels” （等级）按（等级）按钮钮4.选择选择“Uncoded units”（未编码单位）（未编码单位） 5.选择选择“Select levels from a list”（从清单选择等级）（从清单选择等级）6.选择等级选择等级 A-1、C-3、D-3、E-1 和和 H-27.单击等级对话框中的单击等级对话框中的“OK”（确定）（确定）8.单击预测单击预测 Taguchi 对话框中的对话框中的“OK”（确定）（确定）186475Slide 103Minitab中的预测中的预测结果结果Minitab 还可以为标准差和对数（标准差）建立可加模型。从标准

29、差模型得出的预测通常并不可靠，因为叠加性通常不能应用于不可转换的标准差。 结果：结果： 砖窑数据砖窑数据Taguchi 分析：分析： P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7 与与 A、B、C、D、E、F、G、H 预测值（预测值（初始）初始）信噪比信噪比 均值均值 标准差标准差 对数（标准差对数（标准差) 39.2259 10.0052 0.115405 -2.21285预测值因子等级预测值因子等级A B C D E F G H2 2 2 2 2 2 2 2Taguchi 分析：分析： P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7 与与 A、B、C、D、E、F、G、H 预测值预测值 （最大化的信噪

30、比）（最大化的信噪比）信噪比信噪比 均值均值 标准差标准差 对数（标准差对数（标准差) 52.1244 10.0389 -0.0147300 -3.69481预测值因子等级预测值因子等级A B C D E F G H1 3 3 3 1 3 3 2从初始到最大化信噪比预从初始到最大化信噪比预测增益为测增益为 11.37 dB 11.37 dB 的增益相当于标的增益相当于标准差降低了准差降低了 73%结果：结果： 砖窑数据砖窑数据Taguchi 分析：分析： P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7 与与 A、B、C、D、E、F、G、H 基线预测值基线预测值 信噪比信噪比 均值均值 标准差标准差

31、对数（标准差对数（标准差) 39.0545 10.0159 0.110157 -2.19210预测值因子等级预测值因子等级A C D E H2 2 2 2 2Taguchi 分析：分析： P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7 与与 A、B、C、D、E、F、G、H 最大信噪比预测值最大信噪比预测值 信噪比信噪比 均值均值 标准差标准差 对数（标准差对数（标准差) 50.4416 10.0613 0.0091346 -3.49877预测值因子等级预测值因子等级A C D E H1 3 3 1 2注意：由于叠加性较差，注意：由于叠加性较差，所以标准差的预测值可能所以标准差的预测值可能并不可靠并不

32、可靠Slide 104进行证实测试进行证实测试预测值预测值确认值确认值信噪比信噪比信噪比信噪比初始设计初始设计39.2338.57优化设计优化设计52.1250.37增益增益12.8911.80证实测试在两种组合模式下进行：证实测试在两种组合模式下进行：1.最佳组合最佳组合2.基线组合以查看从基线到最佳信噪比的增益基线组合以查看从基线到最佳信噪比的增益确认得到确认得到 11.80 dB 的增益！的增益！由证实测试得出的结果由证实测试得出的结果确认非常成功！确认非常成功！Slide 105改善的效果改善的效果q该改善项目将整体可变性范围几乎降低至基线的 ，大大降低了废瓷砖造成的成本浪费。q此项改

33、善在大型制造砖窑中得到确认，大部分使用小型球磨机（砖窑用）的稳健材料组成都在大型生产中得到确认。q最昂贵的材料滑石的用量从 53% 减少到 43%。经观测发现，滑石（因子 B）对信噪比没有较强影响，因而可能达到这种额外的成额外的成本降低本降低。Slide 106实施及记录结果实施及记录结果- 隧道窑 - 流程经过检验和确认。 流程控制到位。y = 瓷砖厚度瓷砖厚度 (mm)USL 标称标称LSL内部内部瓷砖瓷砖外部外部瓷砖瓷砖砖窑中所砖窑中所处位置处位置 优化后优化后优化前优化前Slide 107第二部分：实践案例模拟练习第二部分：实践案例模拟练习案例背景案例背景M公司的产品为提升式门的多重离

34、合器系统，该系统由提升式门挺杆、门锁传动装置和一个多功能马达控制的玻璃门释放系统。为了使这个离合器系统正常工作，扭转力必须保持稳定。扭转力必须保持稳定。Slide 108确定响应确定响应离合器系统离合器系统y = y = 扭转力扭转力 控制因素控制因素原料润滑油离合器边缘半径指针半径齿轮高度等噪声因素噪声因素磨损老化温度污染校准等Slide 109确定噪声策略确定噪声策略噪声因子噪声因子TN温度温度老化老化Level-1Level-2低低高高前前后后Slide 110确定控制因子确定控制因子等级等级-1-1等级等级-2-2等级等级-3-3A A表面光洁度低高B B原料S1S2S3C C润滑油干

35、半干油D DC.E.半径0.060.09 0.12E E指针半径0.120.240.36F F齿轮角度354555G G齿轮高度2.02.53.0H H齿轮厚度低中高控制因子控制因子Slide 111稳健设计规划稳健设计规划Slide 112实验数据收集实验数据收集49453822373127241814854339331537332620383836302524201047454037443632253526136403212437332217433914627192040352917343023144539282140362115老化前老化前 低温低温老化前老化前 高温高温老化后老化后 低温低温老化后老化后 高温高温Slide 113信噪比分析信噪比分析Slide 114两步优化两步优化Slide 115预测预测Slide 116证实测试证实测试Slide 117仿真验证仿真验证杨振宇杨振宇 mike youngmike young