周期质量分析与控制技术质量的稳健性优化设计

周期质量分析与控制技术质量的稳健 性优化设计
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。
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周期质量分析与控制技术质量的稳健 性优化设计
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。
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基本功能的理想功能
n 基本功能： 某种技术和产品的能量转换功能，它反
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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。
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三次设计
n 系统设计
n 参数设计
n
容差设计
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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，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。
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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 μ2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= β M 时，β2表示调整的灵敏度。
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基本功能稳健性的度量—S/N
n 基本功能的稳健性不仅要求σ2小，而且要
n
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稳健性的度量—信噪比S/N
n 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S／N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。
田口方法在美国工业界的广泛的应用
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3—4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。
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质量特性。
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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。
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 =βM
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β，开发一族稳健的产品。
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基本功能稳健性的度量—S/N
同时在设计和制造过程中还存在的一组相对 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。
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波动理论
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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。
周期质量分析与控制技术质量的稳健 性优化设计
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
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n
在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。
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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 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 Y围绕设计目标值T的波动尽可能小。
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基本功能稳健性的度量—S/N
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σ2恰好刻划了Y围绕 其期望值E(Y)=μ的波动。
周期质量分析与控制技 术质量的稳健性优化设
计
2020/11/7
周期质量分析与控制技术质量的稳健 性优化设计
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。
周期质量分析与控制技术质量的稳健 性优化设计
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”。
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。
周期质量分析与控制技术质量的稳健 性优化设计
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。
周期质量分析与控制技术质量的稳健 性优化设计
求灵敏度高。用η描述这两个指标，即：
n 当Y=βM 时
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基本功能稳健性的度量—S/N
n 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S／N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S／N来评价质量水平是比较合理的和 全面的，信噪比S／N越大，说明产品质量水平 越高。
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。
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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。
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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，
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。