田口方法实战训练

施荣伟2011-05三星六西格玛系列培训田口方法与健壮设计二战之后，日本的田口玄一博士，将试验设计方法应用于改进产品和系统质量，并研究开发出“田口品质工程方法”，简称田口方法。从而提升了日本产品品质及日本产业界的研发设计能力，成为日本战后质量管理及设计开发的核心工具。田口方法具有很强的抗干扰能力，因此又称为“稳健参数设计”——通过调整可控因子的水平,来降低或弱化噪音对Y的影响,从而提高设计方案的抗干扰能力.1962年田口博士获得戴明个人奖。田口的质量哲学定义：“质量是产品出厂后给社会带来的损失”。品质不是检验出来的，品质必须设计到产品中去；品质的目标是：“最小化与目标值的偏差，且能免于噪音的影响”；品质成本应当用与标准值偏移的函数关系来衡量——这就是著名的“质量损失函数模型”。品质损失函数模型设质量特性为y，目标值为m，质量损失函为L（y）：当产品性能恰好为趋近目标时，质量损失最小；产品性能偏离目标值越远，质量损失越大。田口关于参数分类对于一个产品或者制程，我们可以用参数图来表示。如图2-3所示，其中y表示此过程输出的产品或制程的品质特性（响应值）。影响y的参数可分为可控因子、噪音因子和信号因子三类。可控因子与噪音可控因子：可控因子是工程师能够控制和调整的因素及过程参数，如反应温度、时间、压力、材料种类……等等/噪音：有许多参数非为设计工程师所能控制的因子，即随机误差，田口称其为噪音，田口博士将噪音归纳为外部噪音、内部噪音和零件间变异三类。噪音外部噪音内部噪音零件间变异噪音分类1：外部噪音外部噪音由于环境因素与使用条件的变化或变异，如温度、湿度、位置、粉尘、电压、电磁干扰、震动以及操作者人为错误等。噪音分类2：内部噪音内部噪音产品在库存和使用过程中，产品本身的零件、材料会随着时间的推移发生质量变化。例如：绝缘材料的老化零件在使用过程中的磨损、蠕变等……噪音分类3：零件间的变异零件间的变异由于构成产品的材料、零件存在变异，制程中由于操作、设备、工艺参数的变化以及环境因素的变化形成的变异，——会造成零件间的变异。对于噪音的识别分类，还可以有更多的分类，只要有益于改进，就应该做深入地分析！噪音分析的意义产品性能指标除了受可控因子的影响外，还受到噪音的影响。但传统的试验设计对误差的分析比较笼统，全部归为随机误差（实验误差）。但是在稳健设计中，为了达到产品或过程的稳定性，必须仔细的分析这些误差是如何形成的。首先要识别噪音的具体状况，进行仔细的分析并加以描述，进而在设法在试验中反映这些变差，才能通过稳健设计的策略实现“抗干扰”的目的。正交表和信噪比是田口方法的重要基础及工具。正交表——建立试验计划的基础信噪比——评价品质优劣的基础正交表与信噪比正交表什么是正交表？正交表是一种规格化的表格，也是试验计划，从一般意义讲，只要掌握正交表的运用方法就可达到DOE目的。正交表的表达方式：L9（3）正交表(样式)列号实验号ABCD1111121222313334212352231623127313283213933214正交表的正交性质1.每一列都是自我平衡的：在任意一列中，因子各水平出现次数相同；2.每两列都是平衡的：任两列中，某一水平的试验组出现的频率都是相同的。这两个性质称正交性，导致对试验结果有“均衡分散，整齐可比”的特点，有利于计算回归方程。因此，虽然是局部试验，但仍有可靠的代表性。正交表的优势试验次数少L9(34)的全部组合=81次（3*3*3*3）正交表获得的结论,在整个试验范围都成立;具有良好的再现性；资料分析简单.田口乘积表田口方法建立实验计划也是使用正交表,所不同的是,使用内表+外表——乘积表将可控因子安排在——内表(控制表）将噪音因子安排在——外表(噪音表)同时考虑可控因子及噪音对响应的影响,是田口方法的特点.田口方法的优势:通过调整可控因子的水平,来降低或弱化噪音对Y的影响,从而提高设计方案的抗干扰能力.田口正交表样式实验次数成倍数增加:9*8=72次噪音表控制表试验观察值设置噪音的简化方法正确识别和确定噪音及其水平，是成功实现稳健设计的基础。综合误差法：选择少数几个点，如3-4个最不利误差法：选定2个端点——正偏，正负田口正交表样式(简化)实验次数:9*2=18次信噪比(S/N)田口博士创造性提出了信噪比的概念，以S/N比作为分析改善对象和评价方案的核心指标。S/N比的特点：综合反映关于响应位置和离散度两个特性的信息，从而达到获得最理想的品质效果。——这也正是稳健设计的核心机理。虽然缺少统计理论支持，但实践证明它是最优良的方法。在通讯工程里，常以电讯的输出“信号”与“噪音”之比作为品质指标，以此值越大表示通讯品质越好。S/N比的原始定义是指信号噪音比，，可用以下公式表示：S/N=信号/噪音该比值越达，表明品质越好。单位以分贝（db）表示。S/N之来源S/N理论表达式设实际测量值y与目标值m之偏差为y1、y2、…，yn，则有:总误差：ST=平均误差：Sm=误差方差：Ve=信噪比：S/N=10log（3-0）eemVnVS*2iy)(12iyn1nSSmTS/N应用公式望目：S/N=10log（y2/s2）（3-1）望大：S/N=10log（3-2）望小：S/N=-10log（3-3）22)(1yynsi21iyn21iynS/N以10倍的对数来表示田口设计选优准则田口博士将S/N做为实验设计的优选评价标准:S/N比极大化无论特性是什么情形-望小/望大/望目SN值越大则品质越好!静态设计与动态设计信号因子：是指产品使用人设定的参数，是动态特性中输出变量的因素。举例说，一台电扇的转速，是使用人期望风量的信号因子；在一个测量系统中，零件真值是信号因子，其测量值是响应变量。静态设计：在一个系统中，如果没有信号因子或者信号因子表现为一常数值，以寻求“点”的最佳设计，便称为静态设计；动态设计：在一个系统中，如果加入了信号因子，以寻求“线”的最佳设计，便称为动态实验设计。本课程只介绍静态设计方法田口方法的类型，田口方法静态设计动态设计望大特性望小特性望目特性加入了信号因子田口设计的基本程序步骤1：明确改善目标或试验目的；步骤2：选择品质特性（起关键作用的）步骤3：筛选并确定因子及其水平；步骤4：确定试验计划；步骤5：实施试验，收集数据；步骤5：构建田口模型；步骤7：分析数据，确定最优因子组合；步骤8：验证设计。计划分析实施田口方法与正交实验的区别相同：都使用正交表(但田口使用内外表)区别：使用的分析评价标准不同正交实验设计——极差分析法田口实验设计——信噪比分析【例1】改善小组计划采取降低PCB过炉泛黄不良率的ＤＯＥ改善活动。因子水平A炉温B轨道速度C镀银变化122352406062300305因子水平表田口设计展开应用望小建立试验计划使用L4（23）正交表实验编号A炉温B轨道速度C镀银变化1111212232124221信噪比S/N手工计算实验编号A炉温B轨道速度C镀银变化Yi111115212218321212422145第一次实验的SN比：SN=-10㏒152=-23.5218第二次实验的SN比：SN=-10㏒182=-25.1055第三次实验的SN比：SN=-10㏒122=-21.5836第四次实验的SN比：SN=-10㏒452=-33.0643直交表与实验数据表A1信噪音比=（-23.5218-25.1055）/2=-24.3137信噪比S/N分析代号因子名称效应等级MAJ-MIN水准1水准2A炉温33.0103-24.3137-27.3140B轨道速度16.5322-22.5527-29.0849C镀银变化24.9485-28.2931-23.3446S/N比一览表-29.084-22.552-23.64-24.73-25.82-26.6.91-28.00A1A2B1B2C1C2S/N比工程推断：1）主次因子顺序：B速度—C镀银—A炉温度2）最优因子水平组合：A1-B1-C2静态望大设计实例演练【案例2】提高磁鼓电机力矩之改善磁鼓电机是彩色录象机的关键部件，国外同类产品力矩指标规定大于210g.cm。为提高电机的输出力矩，需要进行实验。因子水平表因子水平充磁量A位角度B线圈匝数C12390011001300101112708090望大问题步骤1：制定试验计划（选择正交表）菜单：Stat-DOE-Taguchi-CreateTaguchiDesign.选择设计类型是L9（34），默认b.因子数选3a.水平数选3c.确认所选定的设计田口设计-试验计划表由系统得到正交表：L9（34）修改设计（因子水平命名）菜单Stat-DOE-ModifyDesign.修改因子命名/水平设定中文因子命名水平值设置：数字间留空格！为保证课程讲述方便——取默认值静态田口设计步骤2：执行试验，收集数据•进行实验，将响应值Y输入工作单。提示：试验顺序应按照随机原则执行。步骤3：设置SN，构造田口模型•菜单：Stat-DOE-Taguchi-AnalyzeTaguchiDesign输入y确定S/N比.本例属望大望大望目望小要点：通过『Option』——正确设置S/N望目(优选)步骤4：数据分析SN分析均值分析效应效应等级等级对Y的响应值田口实验设计分析基础正交实验设计分析基础步骤5：效应图分析-S/N分析：（1）显著因素顺序:B—A—C;（2）最优因素组合：充磁量A2-角度B2-匝数C3S/N主效应图充磁量角度匝数田口方法：根据S/N做决策！步骤5：效应图分析-均值均值主效应图分析：显著因素—B角度—A充磁量—C匝数（2）最优因素组合：充磁量A2-角度B2-匝数C3充磁量角度匝数两种分析方法的结论一致——但，不会总是一致的！步骤6：试验结论工程推断：1）主次因子顺序：B角度—A充磁量—C匝数2）最优因子水平组合：A2-B2-C3步骤7：预测菜单：Stat-DOE-Taguchi-PredietTaguchiResults3）点三角下拉表，设定最优因子水平值1）点选LT设置：只分析主效应：ABC系统是默认的最佳水平：A2-B2-C32）点选田口设计预测结果Predictedvalues信噪比均值S/NRatioMean47.7985240.778Factorlevelsforpredictions（最优因子水平组合）充磁量角度线圈匝数11001190步骤8：验证实验。田口望目设计实例演习【案例3】提高塑料袋密合强度的稳定性产品工程师要评估影响装货用塑料袋密合强度的因素。有3个可控因素温度、压力、厚度（它们分别有3个水平），另外识别出有2个噪音条件（Noise1和Noise2）。Y属于望目特性，规格要求定为18。水平温度A压力B厚度C1236075903236401.001.251.50步骤1：制定试验计划（选择正交表）菜单：Stat-DOE-Taguchi-CreateTaguchiDesign.选择设计类型试验计划是L9（34）2.因子数选31.选择3水平的设计3.确认所选定的设计步骤2：执行试验，收集数据可控因子噪音内表外表试验操作每行实验——应分别在两个噪音条件下做2次实验真实的实验次数是9*2=18次！Y1Y2本步骤最关键望目问题步骤3：设置SN，构造田口模型•菜单：Stat-DOE-Taguchi-AnalyzeTaguchiDesign1.输入y2.确定S/N比3.本例属望目《选下边的》要点：通过『Option』——正确设置S/N计算机默认生成SN及均值分析的数据与效应图。望大望目望小望目步骤4：数据分析SN分析均值分析效应效应等级等级SN分析主次顺序B–C-A均值分析主次顺序A–B-C矛盾-取哪种？步骤5：效应图分析-SN信噪比S/N主效应图分析：显著顺序—B-C-A最佳组合—A1-B2-C2步骤5：效应图分析-均值均值主效应图分析主次顺序：A-B-C；最佳水平—