稳健参数设计的新方法
稳健性设计Robust Design
六西格玛培训—优化阶段模块稳健性设计Robust DesignPatrick ZhaoI&CIM Deployment Champion稳健性设计•稳健性设计也称田口设计，由Dr. Genichi Tuguchi在70 年代创立。
质量损失•车主在汽车行驶过程中听到发动机有异响，担心出问题，他请假开到4S 店检修。
工作人员安排检查，两个小时后报告显示异响噪音满足标准，无法赔偿。
车主十分不满，几年后换车时，他选择了其他品牌。
传统田口传统质量损失VS 田口质量损失LSL USLTarget LSL USLTargetLoss Loss Loss Loss什么是稳健性？•稳健性定义：产品或过程在周围不可控或未控制因子（噪音因子）不断变化的条件下，持续稳定工作的能力。
（The ability of a product or process to function consistently as the surrounding uncontrollable or uncontrolled factors vary.）在冬天转动遮阳板时很紧，在夏天时很松，产品是否稳健？发泡产品在环境干燥时需要更多原材料，潮湿时需要很少原材料，过程是否稳健？产品不稳健的原因–遮阳板•温度低，使材料变硬，遮阳板难以转动。
过程不稳健的原因–发泡•湿度低时，反应变慢，填充同样模具所用材料更多。
解决策略1.直接减少噪音•控制环境温度？•控制环境湿度？•建造恒温恒湿车间？成本？2.根据噪音制定不同的策略•制定两套工艺参数应对不同环境？•产品在客户端的条件能预测吗？3.稳健性设计•减少噪音因子对产品/过程的影响！•三种策略可能同时需要。
稳健性指标•衡量一个产品/过程是否稳健的指标是信噪比，S/N –Signal to Noise Ratio。
•通过比较两种设计的信噪比差值来确定设计优化的程度。
•信噪比越大，产品/过程越稳健，越不受噪音因子的影响。
论述稳健性产品设计技术
论述稳健性产品设计技术产品设计是决定产品的第一也是最重要的环节。
产品设计带来的质量问题如果不及时处理，会引起连锁反应，其解决需要的时间和费用很高。
在设计过程中考虑得全面、合理、仔细能够有效地降低成本，减少质量问题发生。
通过稳健性设计不仅能够提高质量，还能使产品特性对不可控因素的敏感性降低。
1 稳健性产品设计技术1.1 稳健性设计的基本原理产品的质量在其生命周期内会被各种因素影响，这些影响具有不确定性，会导致产品的质量特性波动。
直接消除干扰因素，虽然可以解决问题但是实现难度过大、成本过高。
可以尽量降低干扰因素，使质量与因素之间关联变弱，对干扰变得不敏感，这就是稳健性设计的原理。
1.2 稳健性设计典型方法稳健性来源于控制理论中的鲁棒性，是指变量对因素发生微小差变的不敏感性。
如何定量地度量设计的稳健性是稳健性设计的基础。
可行稳健性是指产品性能质量在印象因素作用下稳定在所允许的范围内的能力；敏感稳健性是指产品性能质量在噪声因素作用下保持稳定的能力。
稳健性的指标有质量损失函数、信噪比、质量信息熵等。
经过长期研究和应用，稳健性设计的技术取得了很大的进展，出现了多种稳健性设计方法。
马义中通过熵和协方差矩阵的关系，建立多元质量特性的信噪比计算公式来度量产品质量特性的整体波动，为了克服质量特性协方差不能直接反映质量特性的波动关系，利用信息熵概念度量稳健设计中多元质量特性的整体波动。
比较常用的如下：1.2.1 田口方法。
田口方法以正交试验设计为基础，将产品的设计分为系统设计、参数设计和容差设计三个阶段，最后通过正交试验设计确定参数值可以到达的最佳水平组合。
该方法为稳健性设计提供了理论基础，但是必须事先确定方案的大致范围，局限性强，需要进一步研究。
1.2.2 双响应面法。
双响应面法可以将噪声因素和设计变量结合，综合考虑其对产品质量的影响。
适用于噪声因素非正太分布，求解误差小，但是对试验数据敏感，模型拟合较为困难。
1.2.3 随机模型法。
稳健性设计
8
7
6
5
4
3
2
1
S/N
1 2
19.1
20.0
19.6
19.6 19.7 22.6 21.0 25.6 14.7
19.9
16.9 19.4 19.1 18.9 19.4 20.0 18.4 15.4 19.3
9.50 16.2 16.7 17.4 18.6 16.3
15.6
24.0 25.5 25.3 25.9 26.9 25.3
优化分析（容差）
根据此例中的质量性能目标值类型为越大越 好，则选用信噪比函数对各行试验数据（对应 各种因素组合）进行计算分析。表中的 S/N 列 中的数据即为各种情况下的S/N值。 • 通常情况下，根据S/N最大原则可确定参数 优化结果。按照这一原则，A、B、C、D四个 因素的组合为（A2，B2，C3，D1），此时的 S/N为26.908。 •
素）的搭配。设计参数搭配不同，输出性能的波动大
小不同，平均值也不同。
稳健设计理论介绍
系统设计
稳健设计理论是日本著名质量管理专家田口玄一博士于20世纪 70年代创立的一种系统化设计方法，其核心思想是在产品设计 阶段就进行质量控制，试图用最低的制造成本生产出满足顾客要 求的，对社会造成损失最小的产品。 稳健设计由系统设计(system desing)、参数设计(parameter design)和容差设计(tolerance design)三个阶段组成。 稳健设计即三阶段设计，所谓三阶段设计，是建立在试验设计技术基础之上的 一种在新产品开发设计过程中进行三阶段设计的设计方法。它是在产品设计阶 段就进行质量管理，在专业设计的基础上用正式交试验法对零件的参数进行优 选，以求减少各种内、外因素对产品功能稳定性的影响，选择零件最佳组合和 最合理的容差范围，尽量用价格低廉的、低等级的零件来完成优质、廉价、性 能稳定和抗干扰性强的产品的优化设计方法。
稳健设计方法
机研142孙利文2100一、稳健设计方法在产品设计开发中的作川。
稳健设计又称作鲁棒设计。
是关于产品质量和成本的一种工程设计方法。
在产品或工艺系统设计中，正确的应用稳健设计的基本理论和方法可以使产品在制造或使用中，或是在规定寿命内当结构或材料发生老化、变质、工作环境发生微小的变化时，都能保证产品质量的稳足。
通过稳健设计，可以使产品的性能对各种噪声因素的不可预测的变化，拥有很强的抗干扰能力。
产品性能将更加稳定、质量更加可靠。
任何一种产品〃影响其质量的因素有很多〃主要可分为两类:一类是在设计中人们可以控制的因素如设计变量、变量的容差等；另一类是所谓的噪声因素指由生产条件、使用环境及时间等的变化而影响产品质量的因素如载荷、儿何尺寸、工程材料特性的变异以及制造、安装误差等，其基本特点是具有不确定性和随机性，是不可控制的因素。
实际存在的不确定因素的变化有可能导致产品的性能指标有较大的波动，使其功能劣化我至失效，还有一些材料或元器件会随着时间的推移而发生失效等。
对于这些因素有两种处理方法: 一是尽可能消除这些因素这对可控因素是可以做到的，而对噪声因素往往很难实现。
即使能够消除也需要花费很大的代价；二是尽量降低这些因素的影响。
这是相对容易和低代价的方法，也就是使产品性能对这些因素的变化不敏感，为了使所设计的产品在不确定因素的影响下，其性能指标不仅能达到设计要求，而且对各种不确定因素的变化不敏感，就需要用稳健设计方法來实现。
稳健设计就是使产品的性能对在制造期间的变异或使用环境的变异不敏感，并使产品在其寿命周期内不管其参数、结构发生漂移或老化在一定范围内都能持续满意地工作。
二、试验设计在稳健设计中的作用。
试验设计就是运用正交试验法或优化方法确定零部件参数的最佳组合，在系统内、外因素作用下，所产生的质量波动最小，即质量最稳定（健壮）。
试验设计的目的是根据系统设计中所确定的所有参数，通过多因素的优选方法来考察三种干扰（内干扰，外干扰，产品间波动）对系统质量特性的影响，寻求最佳的参数组合，以求得抗干扰性最佳的设计方案，使系统质量特性波动小，稳健性好，并且价格低廉。
现代设计方法之稳健性设计
三个阶段
参数设计
决定系统中各参数的选择，使产品的性能既能达到目标 值，又使它在各种条件下波动小
系统设计
对产品进行整个系统和整个结构的设计 主要由专业技术人员完成
为了定量描述产品质量损失，田口提出了“质量损失函数”的概念，并以信 噪比来衡量设计参数的稳健程度。
质量损失函数
产品功能波动客观存在，有功能波动就会造成社会损失。所 谓质量损失函数是指定量表述产品功能波动与社会损失之间关系 的函数。
当产品特性值y与目标值m不相等时，就认为造成了质量损失。
L(y)=k(y-m)² 其中L（y）为质量损失函数，m—目标值
外噪声
由于环境因素和使用条件的波动或变化，引起质量特性值 的波动。例如，温度、湿度、位置等。
内噪声
由于在储存或使用过程中，随着时间的推移，发生材料变 质、劣化现象而引起质量特性值的波动。例如，电器产品 绝缘材料的老化等。
质量的变异性
那个设计更好？
1
产品的质量特性指标往往会有差异
即使完全相同的生产条件，由于种种
稳健性设计是田口玄一创立的质量工程观中的一个分支， 由田口玄一发展而成，因此通常被人们称之为田口方法(Taguchi Method)。
田口方法是一种低成本、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。
稳健性设计基本认识
传统的设计思想认为：只有质量最好的元器件 （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，成本越高，产品的质量越好，可靠性 越高。
健壮设计
2
10 lg
2
4.灵敏度的估计公式：
信噪比公式中的μ是反映平均特性的指标称为 灵敏度。它的无偏估计量：
s v 2
1
nm e
其分贝计算式：
10
lg
1 n
sm
ve
5.三次设计
即系统设计，参数设计和容差设计的 总称。产品的三段设计：方案设计，技术 设计和施工设计。有一定的交叉
通过三次设计使产品具有健壮性。 ① 系统设计：
田口的质量定义：
所谓质量就是产品上市后给社会造成的损失。 但是，由于产品功能本身所产生的损失除 外。
解释：产品给社会造成的损失越小，其质量 越高。质量与经济性紧密结合起来。
3.质量损失函数（Quality Loss Function）：
公差范围内的波动造成合格品的输出特性波动， 给用户造成损失，为了度量该损失，提出质 量损失函数。
6.内外表设计：
正交表的选择，可控因素—内表（内设计）， 误差因素—外表（外设计）
三、机械系统的稳健设计
1.系统输出特性，SN比和影响因素的确定，
设备类型 输出特性
Yi
SN比
机械产品稳健设计参数表
动力、能量转换机械 输出功率、效率
输出功率2 功率波动2
效率2 效率波动2
运动传递与转换机械 输出运动位移，速度加速度
3.信噪比SN Signal Noise Ratio
田口玄一博士把SN概念引入试验设计，用于系统或产品的开发设计。 ① SN的定义： 设产品的质量特性在诸因素的作用下为一随机变量，它的数学期望为μ方
差为σ2。一般情况下，希望μ值越接近目标值越好，σ2值越小越好。 变异系数： γ= σ/μ表示世纪之可能偏离μ值的程度。
微注塑成型工艺稳健性参数设计的研究
微注塑成型工艺稳健性参数设计的研究摘要：本文主要研究多响应稳健性设计。
首先介绍了微注塑成型的优点及影响微注塑成型过程中的可控因子。
然后，应用动态特性的田口稳健性设计理论，对制造过程输出的质量特性与可控因子和噪声建模分析，后用关联度分析模型改进分析。
最后，估计出模型参数以及信噪比评价指标，找出影响输出响应值的因子。
关键词：稳健性；微注塑；可控因子；信噪比；响应;引言：随着纳米高科技的迅速发展, 精密化和微型化已成为未来产品发展的趋势。
微型机械设备不仅可以达到其功能,还可以大大减少材料的消耗,节省空间和可移动化等。
随微小型设备和产品的发展需求,对微小零件的材料多样性，复杂程度，生产效率，加工精度等方面的要求也越来越严格。
微注塑已成为聚合物加工的热点问题，不断完善微型注塑机和成型工艺，开发新的仿真计算机软件，这些挑战已经成为微注塑加工领域重点研究的方向。
1.微注塑成型工艺微注塑机是微注塑成型的关键。
微注塑成型机主要包括塑化、计量和注塑三部分。
微注塑机按塑化和注塑单元的机构设计分类, 可分为以下三种。
①螺杆式: 微注塑成型机由一组螺杆完成, 构造简单,易于控制。
但是该设备对一次注塑量的控制精度较差,并且增加了材料分解的几率, 较大影响产品成型的稳定性。
②柱塞式:该型微注塑成型机塑化量较小,塑化的质量不高, 材料的混合性能也较差, 不利于生产较高性能零件的制备。
③螺杆柱塞混合式: 微注塑成型机可以完成混料与塑化, 可以完成精密计量与注塑,使微注塑成型的精度和零件的质量有明显提高,但是其结构比较复杂,维护设备比较繁琐。
上述各种不同微注塑成型机适合不同微细结构零件的需求。
因此要根据微细结构零件的成本、质量和尺寸等因素综合考虑选择较合适的微注塑成型机。
微注塑成型的工艺与普通注塑成型相比，具有以下的优点: ①提高了原料利用率。
由于显著缩小流道的尺寸,减小了流道残余原料的损失。
②产品精度高。
缩小的流道和浇口有利于提高制品的精度。
稳健参数设计在松散回潮工序中的应用
稳健参数设计在松散回潮工序中的应用【摘要】为提高卷烟制造过程中松散回潮工序出口烟叶水分的稳定性，分析松散回潮工序各因子及水平对其出口烟叶水分控制的影响，识别出那些因子是位置因子，那些因子是散度因子，那些因子是调节因子，通过稳健参数设计，找出各因子及最佳的水平组合。
结果表明，稳健参数设计通过把响应变量的变差作为研究对象，用改变可控因子的水平组合的办法来减小响应变量的变差，使得松散回潮工序出口烟叶的水分控制操作变得更加方便、快捷、简单，提高了生产过程的稳健性，烟叶水分的稳定性得到进一步提升。
【关键词】稳健参数设计松散回潮工序烟叶水分因子水平组合松散回潮工序是卷烟生产过程中的第一道工序，也是烟片处理过程中的一道重要工序，其主要工艺任务使切后烟片块松散，增加烟片的水分和温度，其加工质量的好坏对提高烟片的耐加工性，改善烟片的感官质量有着重要影响[1]。
目前松散回潮机在回潮烟片的水分控制上一般采用前馈+反馈的控制模式，生产初期根据回潮机入口端的水分检测仪器检测出来料烟片水分，比对出口端烟片水分要求，由控制系统计算出预加的加水量和蒸汽量，待回潮机出口端有已经松散的烟片排出时，由回潮机出口端的在线水分检测仪检测出烟片实际水分，并反馈控制系统，由控制系统对加水量和蒸汽量进行适时调整[2-4]，以确保回潮机出口的烟片水分满足工艺要求，因此此种水分控制模式存在一定的滞后性，加上不同等级的烟片存在不同程度的色差，而目前使用的在线水分检测仪器大多为红外水分检测仪，其测量准确性受烟片色差的影响较大，在线水分检测仪的校准又很难做到兼顾所有等级的烟片，在以上因素的综合作用下，生产过程中回潮机出口烟片的水分必然会出现较大幅度的波动.为此，以柳州卷烟厂wq3系列滚筒式烟片回潮机为例，通过稳健参数设计[5-6]，为提高松散回潮工序水分控制稳定性，提高过程加工质量提供新的视角和方法。
1 响因子选择及水平确定松散回潮机主要由前室、后室、机架、滚筒、主传动、供水管道系统、蒸汽管道系统、压缩空气系统、热风及排风系统、电控系统等主要部件组成.其工作原理（图1）：烟块进入滚筒后在滚筒内的导片和扒钉作用下翻滚向前运动，这一过程使烟快得到一定的机械松散。
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稳健参数设计的新方法
本文案例基于高端六西格玛软件JMP 实现，其最大的特点是分析能力强，六西格玛工具完整，使用简单，便于推广，图形效果尤佳。
在企业的新产品、新流程开发，或是在六西格玛设计项目中，稳健参数
设计(Robust Parameter Design)(也称健壮设计、鲁棒设计等)是工程技术人员越
来越频繁应用的一种高级试验设计方法。
它通过选择可控因子的水平组合来减少一个系统、产品或过程对噪声变化的敏感性，从而达到减少此系统性能波动的目的。
在具体的实践方法中，田口设计(Taguchi Design)和等高线图(Contour
Plot)是大多数企业现阶段运用最为普遍的两种手段，很多常规的问题都可以依
靠它们解决。
但是，任何统计方法都不是完美的，以上两种方法也不例外。
例如，田口设计在选择可控因子的水平时，粗调(在较大范围的量程中筛选出合适的区域段)不错，但细调(在较小范围的量程中精确定位最佳点)不行;等高线图也只善于确定可控因子的允许变化范围，即稳健区域，却无法在此范围中再进一步找到最稳健的工作点。
因此，在一些对产品或过程有高度稳定性要求的行业，如化工、医药和半导体等等，只掌握常规统计分析方法的研发人员在产品质量达到一定水平后就遭遇到技术提升的瓶颈。
由于产品质量长期裹足不前，企业不得不陷入到价格战的沼泽之中。
既然存在这样的问题隐患，在统计分析的层面上有什么更好的对策可以
应对呢?从专业统计分析软件JMP 的近期研究成果和陶氏化学Dow Chemical、
英特尔Intel 等世界知名企业的成功实践来看，在学术界和企业界已经逐步形成
了一系列行之有效的解决方案，让我们用一个实际案例来了解其中的一种稳健参数设计新方法。
顺带提一下，JMP 是全球最顶尖的统计学软件集团SAS 专门。