田口方法及Minitab应用

田口DOE及MINITAB应用朱克龙2013年8月18日TaguchiDesignofExperimentsandMinitabApplication田口DOE及MINITAB应用第2页产品全生命周期质量保证技术的特点田口方法的产生背景田口方法的特点、基本概念及其应用田口的产品设计的三个阶段正交试验法的概念和基本方法田口对产品质量引入了新的定义田口方法与传统设计的区别Minitab中的田口设计试验静态田口设计示例插拨电开关机爆音问题参数优化示例小结—Minitab中田口方法的优点主要内容田口DOE及MINITAB应用第3页产品全生命周期质量保证技术的特点田口DOE及MINITAB应用第4页产品全生命周期质量保证技术的特点田口DOE及MINITAB应用第5页DOE对企业的积极影响：雷达图田口DOE及MINITAB应用第6页试验设计定义实验设计是对实验方案进行最优设计，以降低实验误差和生产费用，减少实验工作量，并对实验结果进行科学分析的一种方法。（广义）当需要探寻或验证产品质量或工艺或资源利用是否为最佳状态时，实验设计（DesignofExperiments）是最科学、最经济的方法。（狭义）对试验设计的需求迫切性20世纪90年代前，美国工厂中90％不知道如何解决长期性质量问题公司利用的是工人的体力而不是智慧90％的技术规范和容差是错的不知道对产品/工艺参数进行优化认为缺陷和偏差是不可避免的田口DOE及MINITAB应用第7页试验设计的效果在质量管理中所遇到的，不论是设计新产品，还是改革旧工艺、提高产品质量、减低成本，大都需要做试验。一个好的试验设计方法，既可以减少试验次数，缩短试验时间和避免盲目性，又能迅速得到有效的结果如何安排试验，有一个方法问题不好的试验设计方法，即使做了大量的试验，也未必能达到预期的目的；相同原料更便宜的原料相同制程相同产品相同功能为什么良品率不一样？为什么可以做出低成本高质量的产品？田口DOE及MINITAB应用第8页田口实验设计与田口方法的产生背景田口实验设计田口设计或正交表是一种设计试验的方法，这种设计通常只需要全因子组合的一部分。是一个部分因子矩阵，可确保对任一因子的各个水平进行平衡比较。在田口设计分析中，每个因子可以独立于其他所有因子进行评估。田口方法的产生背景正交设计是田口方法的主要工具，创立于50年代初;它是一种高效益的试验设计与最优化技术。在60年代，日本应用正交设计就已超过百万次。田口玄一博士介绍：“日本人学质量管理，用一半时间学习正交设计”。在日本，据说一个工程师如果不懂这方面知识，只能算半个工程师。二次大战后日本经济高速增长并超过美国的一个决定性(技术)因素是在于推广应用正交设计。其原因是:美国对专业技术(系统设计)投入很多，日本则较少，主要是向美国照搬照学；对通用技术(参数设计和容差设计)美国缺少和落后，日本则大大领先。美国研究日本战后强盛的原因后，认为日本制胜的法宝有两项：QFD(质量机能展开，自顾客要求一直策划到相应的制造管理要求)田口方法(简单易学，沒有复杂的统计原理)田口DOE及MINITAB应用第9页田口方法的特点田口方法是日本质量管理专家田口玄一博士创立的一门崭新的质量管理技术,它立足于工程技术,着眼于经济效益,开辟了质量管理的新天地。与传统的质量管理相比,有以下特色：(1)工程特色用工程的方法来研究产品质量,把产品设计当成工程设计,把产品设计质量的好坏看成是工程设计质量,用产品给社会造成的经济损失来衡量产品的质量。(2)“源流”管理理论“源流”管理的思想把质量管理向前推进了一步。认为开发设计阶段是源流、是上游,制造和检验阶段是下游。质量管理中,“抓好上游管理,下游管理就很容易。”若设计质量水平不高,生产制造中很难造出高质量的产品,即所谓“先天不足,后患无穷”。(3)产品开发的三次设计法产品开发设计(包括生产工艺设计)可以分为三个阶段进行,即系统设计—参数设计—容差设计。田口DOE及MINITAB应用第10页田口方法的基本概念-01设计/产品/制程品质特性（响应值）控制因子（输入变量）噪声因子（不可控因子）信号因子XYUM对于一个设计、产品或者制程，我们可用其参数图来表示。如图所示，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的参数可分为信号因子(M)、控制因子(X)和噪音因子(u)三类。下面将对这三类参数详细探讨。信号因子(M)，是由产品使用人或操作人设定的参数，用以表示产品反应所应有的值。举例来说，一台电扇的转速，即为使用人期望应有风量的信号因子。汽车前轮的操纵的角度，即为使用人期望该车行车转弯半径的信号因子。又例如数字通讯系统中发送的0与1，复印机影印时的原始文件等，也皆为信号因子。设计、产品或制程的图解田口DOE及MINITAB应用第11页正交试验法是研究与处理多因素试验的一种科学方法，它是在实践经验与理论认识的基础上，利用正交表来科学、合理安排和分析众多因素的试验方法。选择三个或两个不同的水平影响因素全面试验次数正交试验次数434910310=59049727=128920世纪40年代，田口玄一博士使用设计好的正交表安排实验2.正交表是按正交性排列好的用于安排多因素实验的表格1.正交试验设计就是使用正交表（OrthogonalArray）来安排实验的方法。3.稳健性参数设计使用田口设计（正交表），使您可以通过很少几次运行便可分析许多因子。田口设计是平衡的，也就是说，试验中不对因子进行或多或少的加权，因此，可以相互独立地对因子进行分析。田口方法的基本概念-02田口DOE及MINITAB应用第12页正交表意味着设计是平衡的，即各个因子水平被赋予相等的权重。田口方法的基本概念-03田口DOE及MINITAB应用第13页田口方法的应用技术开发产品设计制程设计生产管制生产线外品质工程★系统设计★参数设计★允差设计★测量器具的系统校正生产线上品质工程★利用计量值的控制★制程的诊断与调节★反馈系统的设计与管制★预防保养★规格、安全与检查设计田口DOE及MINITAB应用第14页一则发人深省的新闻报道1979年4月17日，日本《朝日新闻》报道：对日本索尼工厂生产的彩色电视机与美国加州索尼工厂生产的彩色电视机进行报导，美国索尼工厂生产线全由日本引进，产品检验、上市都是合格品，而日本产品有0.3%不合格。然而，美国制造的索尼电视机并不受美国人欢迎。因为美国生产的电视机虽然检验严格，然而只是保证了个个产品应通过合格的下限，质量平平；而日本生产的电视机则增加了稳健设计的关键的参数容差设计思想，使产品从色彩、清晰度、抗干扰能力等诸多指标上保证有99.7%的产品是令顾客满意的高质量产品。田口DOE及MINITAB应用第15页田口方法是最常应用在参数设计和允差设计，以使制造出来的产品成本最低、变异最小。一则发人深省的新闻报道田口DOE及MINITAB应用第16页田口对产品质量引入了新的定义损失函数损失函数系数超出容差的质量成本损失A0消费者允许容差(产品容差、功能界限）△0已知某损失A，求允许容差公式△所谓质量就是产品上市后给与社会的损失，但是由于功能本身所产生的损失除外；1、定义中的“社会”系指生产者以外的所有人，即使用者以及其他第三者；2、定义中“给与社会的损失”系包括：●由于产品功能波动所造成的损失●由于产品弊害项目所造成的损失3、定义中“给与社会的损失”，不包括功能本身所产生的损失。关于功能本身给社会以怎样的损失，以及如何减少其损失，这不是质量管理的问题。田口DOE及MINITAB应用第17页质量损失函数示例平均质量损失：K的决定方法：1、根据功能界限△0和相应的损失A0确定k2、根据容差△和相应的损失A确定k例1：某电视机电源电路的直流输出电压Y的目标值m=115V,功能界限△0=25V，丧失功能的损失A0=300元。1、求损失函数中的系数k;2、已知不合格时的损失A=1元，求容差△􀁕；3、若某产品的直流输出电压y=112V,问此产品该不该上市；例2：加工某装配件共20件，其尺寸与目标尺寸的偏差（mm）为0.30.6-0.5-0.2011.20.8-0.60.900.20.81.1-0.5-0.200.30.81.3用户使用的容许范围（相当于功能界限）为△0=3mm,否则将装配不上，此造成的损失为A0=180元，求这批产品的平均质量损失。田口DOE及MINITAB应用第18页技术规格限与目标值田口提出的“质量损失函数”的概念，是评价产品质量的另一个重要方面。田口DOE及MINITAB应用第19页田口方法与传统设计的区别田口DOE及MINITAB应用第20页产品设计的三个阶段田口原一博士被认为是稳健性参数设计的最先提出者，该设计是用于产品或过程设计的工程方法，关注的是使变异性和/或对噪声的敏感度最小化。只要使用得当，田口设计可成为一种高效有力的方法，用于设计能在各种条件下以最优状态一致运行的产品。在稳健性参数设计中，主要目标是在调整（或保持）目标过程的同时，找出使响应变异最小化的因子设置。确定影响变异的因子之后，可以尝试找出将减小变异、使产品对不可控（噪声）因子的变化不敏感或同时达到这两种效果的可控制因子的设置。田口DOE及MINITAB应用第21页参数设计的基本思想产品质量特性y是随机变量，所以损失函数L(y)也是随机的；对随机变量评定的最好方法是用其平均值（数学期望）。损失函数L(y)的均值EL=E[L(y)]称为平均损失E(L)=E(y–m)2=E[(y–Ey)+(Ey–m)]2=E(y–Ey)2+(Ey–m)2=σ2+δ2σ2=E(y–Ey)2，它是y与自己均值的偏差的平方，y的方差；δ2=(Ey–m)2，它是y的均值对目标值的偏差的平方；减少平均损失的两步法1.减少波动，把y的标准差σ降低2.减少偏差，使y的均值向目标值靠拢田口DOE及MINITAB应用第22页参数设计的基本思想：例子解决思路：不是去改变环境（重新设计和建造新窑），而是改变产品生产的某些参数，这些参数的改变可使产品更具抗干扰的能力，从而减少环境温度差异对产品质量的影响。稳健设计不是去控制波动源，而是设法降低波动源的影响；田口DOE及MINITAB应用第23页Minitab中的田口设计试验使用Minitab之前，需要确定最适合您试验的田口设计。在田口设计中，是以所选控制因子水平组合来测量响应的。每个控制因子水平组合称为一个运行，每个度量称为一个观测值。田口设计提供每个试验检验运行的规范。田口设计也称为正交表，是一个部分因子矩阵，可确保对任一因子的各个水平进行平衡比较。在田口设计分析中，每个因子可以独立于其他所有因子进行评估。选择设计时，需要：确定相关控制因子的数量确定每个因子的水平数确定可以执行的运行数确定其他因素（如成本、时间或设施可用性）对设计选择的影响Minitab田口正交表田口DOE及MINITAB应用第24页执行田口设计试验可能包括以下步骤：1开始使用Minitab之前，需要先完成所有预试验计划。例如，需要为内侧阵列选择控制因子，为外侧阵列选择噪声因子。控制因子是可以进行控制以优化过程的因子。噪声因子是可以影响系统性能但在预期的产品使用过程中不受控制的因子。请注意，虽然在过程或产品使用中不能控制噪声因子，但是为了进行试验必须能够控制噪声因子。2使用创建田口设计生成田口设计（正交表）。或者使用自定义田口设计根据工作表中已有的数据创建设计。使用“自定义田口设计”，可以指定哪些列是因子和信号因子。然后，便可以轻松地分析设计并生成图。3创建设计后，可以使用修改设计来重命名因子、更改因子水平、向静态设计中添加信号因子、忽略现有信号因子（将设计作为静态设计处理）以及为现有信号因子添加新水平。4创建设计后，可以使用显示设计来更改Minitab在工作表中表示因子所用的单位（已编码或未编码）。5执行试验并收集响应数据。然后在Minitab工作表中输入数据。请参见收集和输入数据。6使用“分析田口设计”分析试验数据。请参见分析田口设计。