田口方法在质量管理中的应用_张力

企业改革与管理2010年第7期

管理ABC

田口方法是由日本著名质量管理专家田口玄一博士于上世纪70年代创造出来的，田口博士本人将其命名为质量工程学。它的特点是将数理统计、工程技术和经济学等结合起来应用于质量管理中，由于其原理和操作都相对简单，在日美等国家的工程技术领域得到广泛关注。田口的所有理论都从他独树一帜的波动质量观出发，通过损失函数将质量特性和成本紧密相连。它是一种低成本、高效益的质量工程方法，它强调产品质量的提高不是通过检验，而是通过设计，并使用先进的试验技术来降低设计试验费用，这也正是田口方法对传统思想的革命性改变。田口因其在质量工程领域的贡献，分别三次被授予戴明奖，此外还获得了W illard

Rockwell 奖、蓝带奖、休哈特奖章，1997年被选为ASQC 的荣誉会员。

一、田口方法的体系

田口玄一博士的质量保证理论自成体系，它的理论基础是田口质量观、质量损失函数等。田口质量观是整个田口方法论的基础。田口玄一把质量定义为：“所谓质量是商品上市后给予社会的损失。但是，由功能本身所产生的损失除外”。田口认为只要质量特性值偏离目标值就会产生质量损失，同时他认为决定产品规格界限的不应是工程师而应是消费者容许的界限。田口博士将质量分为二类：第一类是顾客要的，这包括机能本身、外观、产品种类、等相关议题；第二类是顾客不要的，例如社会损失、失效、缺点、污染、机能变异等。第一类的质量与顾客个人的所得收入与价值观有关。第二类的质量问题正是工程师所要改善的，它对于市场占有率有着重要的影响，并可提升市场的竞争力。田口博士

认为所有第二类型的质量问题都是起因于以下三种杂音因子：(1)环境使用状况；(2)退化与磨损；(3)个别的差异（即制造的不良）。

田口的质量观导致了现代质量损失原理的产生：当产品质量特性等于设计目标值时，质量损失为零，只要产品质量特性偏离设计目标值就会产生质量损失，而且偏离越大产生的质量损失越大。为了定量描述质量损失，田口提出了质量损失函数。通过对损失函数的分析，可以找出那些由于偏离目标值而引起质量损失的主要可控因素，然后通过调整可控因素来实现质量的提高。田口先生第一次提出了稳健性设计思想，从而将不可控因素对系统的影响引入实验设计中，并通过实验设计寻找可控因素的最佳组合，以便降低不可控因素对系统质量波动的影响，这是质量改进思想的一次重大革命。

在质量管理中,田口方法将产品质量控制分为线内质量控制和线外质量控制，线外质量控制就是采用三次设计法对产品进行质量设计，线内质量控制侧重于制造过程中对产品质量进行控制，分为工序诊断与调整、预测与校正、检验与处理。在田口的理论体系中，核心是将质量和经济性紧密地联系在一起，这种联系用质量函数来表示。所以质量损失函数是田口质量理论的一个重要内容。他提出了产品质量与上市后给社会造成的损失联系起来，认为社会损失的大小就直接反映了质量的高低。因此，同为合格品，上市后给社会造成的损失小的产品，它的质量就高。田口玄一认为：产品质量的好坏不能单纯看是否符合公差。公差只是引发决定的判断标准，并不表示产品内在质量的好坏，而内在质量的好坏主要由质量特性偏离设计目标值的大小来

田口方法在质量管理中的应用

●张力

61

DOI:10.13768/https://www.360docs.net/doc/02898659.html,11-3793/f.2010.07.013

管理ABC

决定。它强调理想机能，通过正交实验及信噪比(S/N 比)的应用，既能缩小变异，又能调整中心值的落点，使得各行各业追求统一的品质水准成为可能;同时它强调再现性、先行性与通用性的稳健设计，使得产品品质水准一经改善后，就能在日后的生产里不断重复出现相同的好结果。

系统思考是田口方法的重要特征。系统是为了实现某个功能，由一些要素组成的有机结合体。为了定量系统，在田口方法中，系统由4个部分构成，分别是输出、输入、杂音因子和控制因子。系统的输出是系统功能的表现形式。系统的输入是改变输出的因子，也被称为信号因子。控制因子是能够改变系统的输出，并且工程师可以自由设定的因子。杂音是能够改变系统的输出，是工程师无法控制的因子，也被称为误差因子。这些因子之间的关系用系统图来表示。几乎任何一个人造系统都可以用这个系统图来表示，大的比如说核发电系统，小的如电池。

二、线外质量控制：三次设计法

按照田口的“源流”管理理论，开发设计阶段是保证产品质量的源流，是上游，制造和检验阶段是下游。在质量管理中，“抓好上游管理，下游管理就很容易”，若设计质量水平上不去，生产制造中就很难造出高质量的产品。

于是，就有了田口的三次设计法。内容是：产品开发设计可以分为三个阶段进行，即系统设计、参数设计、容差设计。

1.系统设计。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。但对于某些结构复杂、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。

2.参数设计。在系统设计之后，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。一个系统功能的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。

3.容差设计。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。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。

以上只是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，通常要运用正交试验、方差分析和信噪比对质量特性进行综合评定。

三、田口法的分析工具及质量控制技术

田口法是用正交表安排试验方案，以误差因素模拟造成产品质量波动的各种干扰，以信噪比作为衡量产品质量稳健性的指标，通过对各种试验方案的统计分析，找出抗干扰能力强、调整性好、性能稳定的设计方案。所以信噪比(SN比)和正交实验设计是田口法的核心分析工具。

1.信噪比。信噪比是在通讯和电子工程中，为了对所选择设备的质量特性给予量度使用的概念(输

62

企业改革与管理2010年第7期

管理ABC

入信号强度与噪声强度之比)。田口博士引用它来评价产品或生产工艺的质量，也就是模拟噪声因素对质量特性的影响。在田口法理论中，信噪比最早在20世纪60年代用来评价和改进测量系统，在传统的评价测量系统中要将偏差的原因分成三个方面:重复性、再现性和稳定性，而没有考虑灵敏度和线性度。进入80年代后信噪比从调整性考虑，将其用在动态系统中，这样就可以将灵敏度、线性度和波动结合在一个指标中，工程师就能很容易地进行系统的评估和改进，并且通过技术开发，得到一组产品，从而避免重复的工作，缩短研发周期。信噪比反映了质量的好坏。在动态特性信噪比的研究中，产品功能偏离理想功能越大，信噪比就越小。采用信噪比的优点就是简单有效，不论是波动、线性还是灵敏度改进，信噪比都会增加。一个指数反映出了质量的三个方面。所以工程师不用分别考虑波动、线性和灵敏度，只要努力使信噪比最大就行了。这也是稳健性技术开发效率高的原因。

2.正交实验设计(OA)。试验设计技术最早是由英国学者R.A.Fisher等为了进行多因素的农田试验发展起来的，其基本思想是因为环境条件难于严格控制，随机误差不可忽视，故提出对实验方案必须作合理的安排，使实验数据有合适的数学模型，以减少随机误差的影响，从而提高实验结论的精度和可靠度。二次世界大战后，以田口玄一教授为首的一批研究者把此项技术引入日本。开发了正交表的应用技术和合理分析试验结果，并把它应用于新产品和新工艺的设计，提高和改善产品质量，发展成为产品质量管理的一种重要方法。这一方法的最大优点是，可从许多试验条件中选择出最有代表性的少数几项试验就可以获得可靠的试验结果，从而大大减少了试验成本和周期，且分析计算十分简便。正交试验设计的基本工具是正交表，最常用的是水平数相等的正交表和水平数不相等的正交表。正交实验设计常被用于以最少的实验设计产生最适宜的设计过程的最佳参数，它把质量概念转化成产品设计，能处理影响质量分立等级的因素，并且这种方法能节省时间，直接减少硬件成本。因此常常被应用到工程制品的设计、测试、质量开发和工序开发。正交实验设计可以解决如下问题:科学合理地安排实验，从而减少实验次数，缩短实验周期，提高了经济效益；从众多的影响因素中找出影响输出的主要因素；分析影响因素之间交互作用影响的大小；分析实验误差的影响大小，提高实验精度；找出较优的参数组合，并通过对实验结果的分析、比较，找出达到最优化方案及进一步实验的方向；对最佳方案的输出值进行预测；通过对正交试验结果的直观分析和制作方差表进行方差分析，便可以了解每个因素对试验结果影响的重要程度，并进一步确定出设计参数值的最佳组合。

四、田口方法的应用

田口方法解决质量问题的主要步骤是：（1）分析系统。建立一个系统模型，定义输出、输入、控制因子和杂音（干扰）因子；（2）采取数据。把系统中的各种因子定量化，根据直交表的指示进行实验采取数据；（3）数据解析。计算SN比，做出要因效果图，利用三阶段设计法，找出系统的最优组合；（4）检验结果。通过实际生产来检验结果是否满意；（5）如果满意，实际使用；不满意，放弃这个系统，重新建立系统。

经典实例是：日本INAX公司从欧洲进口了一套烧制瓷砖的隧道窑。可是用它烧制的瓷砖，在色泽和翘曲上都不合格。经过调查知道问题的原因是隧道窑内的温度分布不均匀所造成的。如果改造隧道窑使窑内温度变得均匀的话，就可以提高瓷砖的合格率，但是问题是需要一笔巨大的改造费用。如果不改造设备，就需要增加选别工序，这样不仅增加成本，处理废料的运输费也要增加。当时指导试验的田口玄一博士给出了第三个方法，这就是我们今天所说的田口方法：（1）把瓷砖的生产工艺，包括瓷砖配方在内看成是一个系统。这个系统的输出是瓷砖的合格率。把炉内温度、烧制时间、原材料的配合等等这些可以由工程师自由决定的量做为控制因子，把炉内的温度差做为误差因子。（2）把上述这些因子配置到直交表中，解析瓷砖的合格率和控制因子的关系，得到要因效果图，找出最高合格率的控制因子水准。（3）组合控制因子，就能够找到合格率最高的一个生产工艺。这个问题是1953年由田口玄一博士指导解决的伊奈制陶的实际问题。利用这个方法，不仅使瓷砖的一级品合格率达到了100%，而且节省了改造设备的巨大费用。

责任编辑/张守纪

63

企业改革与管理2010年第7期