第3章面向质量的设计1三次设计

一、概述二、田口质量理论体系三、三次设计的指导思想和内容四、三次设计和传统设计的比较五、参数设计六、容差设计七、质量功能展开（QFD）第三专题面向质量的设计——三次设计20世纪70年代，日本著名质量管理专家田口玄一博士（Dr.GenichiTaguchi）把数理统计、工程技术和经济学结合起来，并应用于质量管理中，创造了三次设计方法（即田口方法），在电子、化工、钢铁、纺织、汽车等行业取得了巨大的经济效益。1989年，日本天皇授予田口博士蓝绶褒章。一、概述产品质量田口博士对产品质量的定义为“产品上市后给社会带来的损失大小，但由于产品功能本身所产生的损失除外”。产品质量的波动1、正常波动——由随机原因引起的产品质量波动。仅有正常波动的生产过程是处于统计控制状态的，简称为控制状态或稳定状态。2、异常波动——由系统原因引起的产品质量波动。有异常波动的生产过程称为处于非统计控制状态，简称为失控状态或不稳定状态。六方面（5M1E）：人（Man）：操作者的质量意识、技术水平、文化素养、熟练程度、身体素质等；机器（Machine）：设备及工夹具精度、维护状况等；材料（Material）：化学成分、物理性能和外观质量等；方法（Method）：加工工艺、操作规程和作业指导书的正确程度等；测量（Measure）：测量设备、试验手段和测试方法等；环境（Environment）：工作场地的温度、湿度、含尘度、照明、噪声、震动等。3、波动的原因三次设计是一种优化设计方法，与传统的设计方法不同。田口博士认为：新产品或新工艺的设计过程可分为三个阶段进行，即：1.系统设计——提出初始设计方案2.参数设计——探求参数的最佳组合，提高产品性能的稳定性3.容差设计——对关键件给予合适容差（或公差）二、田口质量理论体系田口质量理论体系——三次设计的理论基础1、田口质量观2、质量损失函数3、信噪比4、正交设计试验法1、田口质量观用产品上市后给社会造成的损失来度量质量，把质量与经济性紧密结合，使质量变成了一种可度量的量。核心思想：在产品设计阶段进行质量控制，运用正交设计方法来选择零部件最佳参数组合及最合理的公差范围，用廉价的零部件组装成质优、价廉、性能稳定、抗干扰性强的产品。2、质量损失函数（QualityLossFunction）产品功能波动：——各种干扰因素的存在，使得产品功能的波动是客观存在的。有波动就会造成社会损失。质量损失函数——定量表述产品功能波动与此波动所造成的社会损失之间关系的函数。质量损失函数主要用于容差设计中。其中：L（y）为质量损失函数；m—目标值；K—比例常数；y—产品输出特性；2Lykym=−（）（）3、信噪比——参数设计的稳健性指标信噪比=信号/噪声=Signal/Noise灵敏度S——评定产品质量特性平均水平的指标()22()()10lgmemeeeSVSVdBnVnVµησ−−===)(1emVSnS−=nynTSniim/)(212∑===)(112mnieSynV−=∑4、正交实验设计（略）指导思想：以顾客的要求为设计目标，采用质量功能展开（QFD）、参数设计、容差设计等方法进行优化设计，把问题消除在设计阶段，以最经济的手段获得高质量、高可靠性、稳健的产品。稳健性设计：优化产品设计参数使产品质量波动小、抗干扰性强、信噪比大。三、三次设计的指导思想和内容三次设计的重点是参数设计，也称为稳健设计。（一）系统设计（第一次设计）1、利用专业知识和技术规划产品，研究和开发，设计整个系统的结构和功能；2、建立产品质量特性和各参数的关系，有可计算和不可计算数学模型；3、确定产品技术参数，输出产品总图、零件图，预选材料和元器件。（二）参数设计（第二次设计）1、分析可控因素，误差因素，并选择可控因素最佳水平；2、利用正交实验优化设计参数；3、用最经济的手段确定各参数最优水平组合方案，使系统的质量特性波动最小，对噪声最不敏感。（三）容差设计（第三次设计）1、利用质量损失函数、正交设计、正交多项回归等确定各参数的合理容差；2、质量和经济性相结合，选择既经济又能满足要求的元器件及零配件，对影响大的参数或元件给予较严格的公差，对影响小的参数或元件给予较松的公差；3、追求总成本最小。对客户需求的重视程度不同；设计目标和评价标准不同；着重点不同；工程更改的次数及分布不同；主导思想不同；产生的经济和社会效益不同。四、三次设计和传统设计的比较五、参数设计(一)、基本思想和目的1、基本思想——运用正交试验法或优化方法确定零部件参数的最佳组合，使系统在内、外因素作用下，所产生的质量波动最小，即质量最稳定（健壮）。2、目的——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，并价格低廉。3、参数设计的实质——利用产品输出特性和元件参数之间的非线形效应，通过选择最佳参数值，使输出值对各种干扰不敏感。与参数设计有关的两个主要概念就是质量波动和干扰因素。（二）、质量波动和干扰因素1、质量波动——产品功能这个质量特性y与目标值m之间的差异。2、影响质量的因素分类（1）可控因素（2）标示因素（3）区组因素（4）信号因素（5）误差因素（1）可控因素——以改进产品质量，减少质量波动为目的，在一定范围内可自由选择其最适宜水平的因素。稳定因素——对信噪比有显著影响的因素调整因素——对敏感度影响显著的因素次要因素——对信噪比、敏感度影响不显著因素关键因素——对信噪比、敏感度影响均显著因素如：时间、温度、浓度、材料的种类、切削速度、加工方法等。（2）标示因素（不可控因素）——是指维持环境、使用条件等因素，其水平在技术上可指定，但不能选择和控制。属于标示因素的有：产品的使用条件：转速、电源电压等；环境因素：温度、湿度等；品种、设备、操作人员的差异考虑标示因素的目的：不在于选取其最佳水平，而是研究其与可控因素之间是否存在交互作用，从而确定最佳方案的使用范围。（3）区组因素——是指持有水平，但在技术上不能指定其水平，同时在不同时间、空间还可以影响其它因素的因素。如：进行加工某零件或实验时，由不同操作人员、不同班次、不同的设备、使用不同原料批号等。这些操作人员、班次、设备、原料批号等就是区组因素。考虑区组因素的目的：区组因素的水平一般无再现性，在技术上无实际意义，考察它在于提高检出精度和实验精度。（4）信号因素——是指为了实现某种意志或为达到目标值所要求的结果而选取的因素。如：对汽车的操纵特性来说，所需要的转弯半径可以由方向盘的转角来实现，此转角就是信号因素；对计量仪器的计量特性来说，被测物体的真值就是信号因素；复印系统中,被复制的信息也是信号因素。选取什么因素作为信号因素，要根据专业知识和经验，不能任意指定。其水平应易于改变，且与产品的输出特性值呈线性关系，以便于校正和调整。（5）误差因素——是指除了以上四种因素以外的、对产品的输出特性值有影响的所有因素的总称。内干扰外干扰物品间干扰考虑误差因素的目的：误差因素是客观存在的。考察其的目的是为了减少误差因素对产品输出特性的影响。在误差因素的选取时，应选择主要的误差因素进行分析。①外干扰（外噪声）：是指当产品使用时，由于使用条件和环境条件变化所引起产品输出特性的波动。如温度、电压、操作者等。②内干扰（内噪声）：是指当产品在贮存和使用过程中，随着时间的推移，发生了老化、劣化和磨损等原因影响产品输出特性的波动。如：电阻的阻值在10年后会增加约10％。③物品间干扰（物品间噪声）：是指按同一规格生产出来的产品，由于人、机、料、法、环、测（5M1E）因素的细微变化而引起该批产品输出特性参差不齐。某些因素既是可控因素也是误差因素，如：电阻。误差因素水平的选取：对两水平的实验：m-σ，m+σ对三水平的实验:m-1.22σ，m，m+1.22σ有时，也可先确定中间的水平值，再按等差或等比得到其他两水平值。（三）、质量特性的分类质量特性分为静态质量特性和动态质量特性。（1）静态质量特性具有单一目标值的质量特性,它分为计量和计数两大类。计量特性又可分为望目、望小和望大特性：A）望目特性——存在目标值m，期望质量特性y围绕目标值m波动，且波动越小越好，则y称为望目特性。B）望小特性——期望质量特性y及其波动越小越好，且y不取负值，则y称为望小特性。如;返工率、磨损量、不平行度等；望小特性可以看成是目标值为零的望目特性。C）望大特性——期望输出特性越大越好，波动越小越好，且不取负值的计量特性，y不取负值。如强度、寿命、压延性等。望大特性可以看成是目标值为∞的望目特性。A0L(y)L=ky2y0Δ望小特性的损失函数A0L(y)y0Δ望大特性的损失函数望目特性的损失函数注意：回收率、合格率、效率却不是望大特性。因为他们的最大值是100％。（2）动态质量特性——指的是随条件变化，目标值也变化，为了实现客户变动的意志，通过发出相应信号或改变条件而改变输入值，希望系统的输出特性随着信号和条件变化而变化，而且波动要小的质量特性。如汽车的操纵性。动态特性的例子⑴空调的温度就是该产品的动态特性。有人希望把房间温度调节到20℃，也有人希望调节到25℃。不管人们需要什么温度，空调器都能使温度稳定在人们需要的温度上；⑵汽车速度有时需要快（50公里/小时），有时又需要慢（20公里/小时）。速度是汽车的一个动态特性。司机给一个50公里的信号，汽车的速度就要稳定在50公里上；⑶测量仪器(如电压表、温度计、磅秤等)的测量值也是动态特性。磅秤能称1公斤的物体，也能称5公斤的物体。总之它能在一定的重量范围(0.05～20公斤)内准确计量。（四）、静态特性的信噪比与灵敏度信噪比（S/N比）源于通信领域，是指信号S的功率与噪声N功率之比。在望目特性问题中把指标均值的平方看作信号的功率，噪声的功率就是y的方差,于是望目特性的信噪比的定义为：信噪比可用来度量波动的大小，信噪比愈大，波动愈小。22SNµσ==信号的功率比噪声的功率22()Eyσ=2µ田口博士在参数设计中引入了信噪的概念，认为在产品设计时S/N比越大,该参数水平下的产品功能越稳健,社会损失就越小。灵敏度S作为评价设计质量优劣的另一种指标，是产品质量特性平均水平的指标，反映了功能分布的平均值。（五）、望目特性的参数设计1、参数设计的内容※考虑各种影响因素，选择最佳的参数组合，使产品对各种干扰不敏感※研究各种因素之间的干扰特性，并加以控制2、参数设计的目的根据系统设计中所确定的参数，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，成本低廉。3、参数设计的特点A）以寻求系统的最佳参数组合为目的；B）最佳组合的目标是质量特性波动小、稳健性好；C）运用正交表安排试验方案；D）运用信噪比和灵敏度的统计方法来进行评价；E）利用零部件参数的非线性效应进行优化组合。4、可计算性参数设计主要步骤（1）确定因素及分类，制定因素水平表确定可控因素、标示因素及误差因素（噪声因子及其水平；（2）内表及内设计安排可控因素的正交表称为内表。相应的试验设计称为内设计。根据可控因素的水平选择合适的正交表，安排实验方案；（3）外表和外设计安排误差因素和信号因数的正交表称为外表。相应的试验设计称为外设计。针对内表中的每一个试验方案，再根据误差因素的水平选择合适的正交表，安排实验方案；（4）计算信噪比和灵敏度针对每一个外表计算相应内表试验方案的计算信噪比和灵敏度；（5）内表的统计分析以信噪比最大为目标，进行方差分析，确定各因素的影响显著性，寻找稳定因子。以灵敏度为目标进行方差分析，确定调节因子；（6）确定最佳参数组合直观法：根据信噪比的大小直接进行判断；计算法：选择稳健因子最佳水平组合，计算后，适当调整调节因子进行优化，使接近目标值。参数设计工