稳健优化设计的研究现状及发展趋势

稳健优化设计的研究现状及发展趋势梅卫江石河子大学机电学院实验设计与分析实验设计与分析我国在六十年代就曾对实验设计进行了研究和推广，八十年代又引入了田口方法，取得了一定成效。但实验设计作为一种质量改进的有力武器，还尚未发挥它的全部威力。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。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。实验设计与分析实验设计与分析什么是产品质量（ProductQuality/Qualityofproduct）产品质量特性的含义很广泛，它可以是技术的、经济的、社会的、心理的和生理的。一般来说，常把反映产品使用目的的各种技术经济参数作为质量特性。泛义上的产品质量是指国家的有关法规、质量标准以及合同规定的对产品适用、安全和其它特性的要求。产品质量是指产品适应社会生产和生活消费需要而具备的特性，它是产品使用价值的具体体现。它包括产品内在质量和外观质量两个方面。产品的内在质量是指产品的内在属性，包括性能、寿命、可靠性、安全性、经济性五个方面。产品的外观质量指产品的外部属性，包括产品的光洁度，造型，色泽，包装等，如自行车的造型、色彩、光洁度等。产品的内在质量与外观质量特性比较，内在质量是主要的、基本的，只有在保证内在特性的前提下，外观质量才有意义。实验设计与分析实验设计与分析质量对于不同的产品和用户有着不同的含义，这里是指用户对产品的使用性能(质量指标)达到目标值的水平。实际上，由于各种因素的影响，使得所生产的产品的质量是不稳定的，因而又对各项性能指标规定出所容许的偏差，即用容差来控制产品的质量，只要实际的性能指标值在此容差范围内，就认为该产品的质量是合格的，而且愈接近目标值，质量就愈好。从设计角度看，可将影响产品质量的因素分为可控因素和不可控因素。可控因素是指在设计中可以控制的参数，即设计参数，如几何尺寸、间隙等；不可控因素是指在设计中不易控制的参数，又称噪声参数，如材质、制造精度、工作环境等，一般这类因素具有随机性。因此，现代稳健设计就是通过调整设计变量及控制其容差使可控因素和不可控因素当与设计值发生变差时仍能保证产品质量的一种工程方法。实验设计与分析实验设计与分析换言之，若作出的设计即使在各种因素的干扰下产品质量也是稳定的，或者用廉价的零部件能组装出质量上乘、性能稳定与可靠的产品，则认为该产品的设计是稳健的。图1给出了面向产品质量稳健设计的图解表示。稳健设计的图解表示首先要使质量指标的实际值尽可能达到目标值，其次还要使它的随机“钟形”分布变得“瘦小”些，以保证一批产品的实际质量指标的波动限制在规定的容差内。因而面向产品质量的稳健设计一般须完成如下两步工作：①建立产品的质量指标体系，充分显示出各种因素的变差对产品质量的影响；②获取影响产品质量的可靠信息，寻找对各种因素干扰不灵敏的产品(设计方案)。实验设计与分析实验设计与分析产品质量设计所谓产品质量设计，就是在产品设计中提出质量要求，确定产品的质量水平（或质量等级），选择主要的性能参数，规定多种性能参数经济合理的容差，或制定公差标准和其他技术条件。无论新产品的研制，还是老产品的改进，都要经过质量设计这个过程。产品设计过程的质量管理，关键就是要搞好质量设计。产品质量设计的具体任务主要有以下三项第一，保证产品的功能质量，要求所设计的新产品达到技术上规定的功能目标；第二，保证产品的价值质量，即质量成本，要使产品的生产技术准备费用、制造费用和使用费用最低，使产品在价格上有较强的市场竞争能力；第三，保证产品的图纸（或配方）质量，要能够正确反映设计思想和用以指导生产的技术要求。避免因图纸（或配方）设计不周而造成产品质量低劣和其他各种损失。统计资料表明，产品成本的70%一90%是由设计决定的。而设计工作费用所占成本的比例要比制造费用所占成本的比例少得多，通常只占20%。如果采用科学的设计，则可使产品成本降低25%一40%。因此，为了使产品的技术水平高、工艺性能好，成本低，大力加强产品设计过程的质量管理，建立设计开发全过程的质量保证体系，确保产品的设计质量是非常重要的实验设计与分析实验设计与分析工业企业的基本任务是向市场、用户或消费者提供满足需要的产品，并获得经济效益。从全面质量管理观点来看，产品质量的保证与控制应贯穿于产品开发设计、生产制造、销售服务的全过程。其中，尤以提高产品的设计质量占有十分重要的位置。若设计质量水平不高，生产制造中再怎么控制也很难制造出高质量的产品，即所谓“先天不足，后患无穷”。实验设计与分析实验设计与分析试验设计在生产/制造过程中的位置：生产/制造过程可控制因素不可控制因素实验设计与分析实验设计与分析统计技术在生产/制造过程中的应用是对过程中输入的变量(人,机,料,法,环)进行有目的地优化,使输出的结果更加理想.实验设计是其中较为有效的一种工程工具.通过实验进行优化设计通过实验,控制其不良的影响程度实验设计与分析实验设计与分析传统的可靠性设计、试验验证技术满足不了日益发展的要求。为了获得高质量的产品，已从单纯靠生产过程控制和产品检验(被动的和防御的)保证质量发展到了产品的质量设计(主动的)，从根本上确立产品的优良品质，特别是随着CAD和CAE技术的发展，关于面向质量的设计在一体化产品开发中显示出愈来愈重要的地位。美国国防产品已经开始淡化传统的可靠性做法，从单纯的试验技术变为包括设计、管理、试验等内容的产品质量工程，也称作稳健设计。稳健设计或田口设计（TaguchiDesign）就是适应这种要求的一种新设计方法——质量工程。质量工程包括设计质量工程（双称离线质量工程Off-LineQualityEngineering）和制造质量工程（又称在线On-LineQualityEngineering）。产品缺陷60%,有人说70%.产品质量不是制造或检验出来的，是设计出来的！！？！设计质量工程包括产品设计和工艺设计两个方面，分别从产品功能结构设计和加工工艺设计两个角度保证产品的质量。制造过程质量控制和控制图往往不能弥补由于产品设计或工艺设计的先天不足而导致的产品质量问题产品设计对产品质量的影响是具有决定性作用实验设计与分析实验设计与分析产品质量改进与试验设计：产品质量改进主要是从产品设计和产品生产过程这两方面来进行改进，改进的关键是要找出产品质量差的原因，只要原因找出，问题就不难解决。国内外正规企业的大量经验表明，产品质量问题约有70%以上是出在设计(包括生产工艺设计)阶段。因此，改进产品设计是质量改进的重点。实验设计与分析实验设计与分析实验设计与分析实验设计与分析系统设计：应用科学理论和工程知识对产品功能原型进行设计开发，这阶段完成了产品的配置和功能属性；参数设计：在系统结构确定后进行参数设计。这一阶段以产品性能优化为目标确定产品参数水平及配置，使工程设计对干扰源的敏感性最低；容差设计：在参数确定的基础上，进一步确定这些参数的容差。实验设计与分析实验设计与分析上世纪90年代，设计已成为各发达工业国家关注的热点，把它看作是影响商品竞争力的一个决定性因素。人们总希望用较低的费用设计出高质量的产品，这对技术人员是一种很高的要求，又是一种合理的、应该达到的要求。这种要求既包含工艺性的，又包含经济性的。稳健性设计是实现低成本、高质量的有效方法。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，可靠性就越高。稳健性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”。实验设计与分析实验设计与分析质量管理的重点正在按下述方式不断的转移：即由检验型质量管理→现场型质量管理→设计开发型质量管理。在产品质量管理中重视设计、开发，广泛应用试验设计技术，这是一些国家经济快速发展的重要原因之一。由于质量管理作为提高企业素质、取得经济效益的现代化管理科学技术在国内外大力推行，试验设计也正在工业各行业广泛应用，成为设计、开发质量管理和优化的重要技术手段。实验设计与分析实验设计与分析稳健性(robustness),也叫鲁棒性，是指因素状况发生微小变差对因变量影响的不敏感性。换句话说，产品性能与某个因素有关，因素状态变化时，产品的性能也随之变化。如果因素状态的变化对产品性能的影响不大，我们就说产品性能对该因素的变化是不敏感的，又称是稳健性的，或说产品性能对该因素的变化具有稳健性。质量鲁棒性设计是指从设计质量工程的角度保证产品的质量性能，同时提高产品质量对外界干扰的抵抗力。实验设计与分析实验设计与分析稳健设计包含多方面的内容，使用它可以选择在操作环境中执行得更一致的产品或过程。比如：使产品性能对原材料的改变不灵敏，就能在很多情况下使用价钱便宜的低等级的原材料；使产品对制造上的变差不灵敏，就能减少劳动成本；使产品对使用环境的变化不灵敏，就能改善产品的可靠性，并减少操作成本等等。稳健设计广泛的研究与使用始于第二次世界大战后的日本。最早是由日本田口玄一（G.Taguchi）博士将其应用到工业界而一举成名的。实验设计与分析实验设计与分析上世纪90年代，稳健设计方法作为一种保证产品质量的有效设计方法，已成为各发达工业国家关注的热点，已经在电子、机械等诸多领域得到重视和应用，把它看作是影响商品竞争力的一个决定性因素。为了获得高质量的产品，已从单纯靠生产过程控制和产品检验(被动的和防御的)保证质量发展到了产品的质量设计(主动的)，从根本上确立产品的优良品质，特别是随着CAD和CAE技术的发展，关于面向质量的设计在一体化产品开发中显示出愈来愈重要的地位。实验设计与分析实验设计与分析1988年1月，美国莫托罗拉公司（该公司当年唯一获得由里根总统颁发的第一届美国波多里奇国家质量奖）的质量与生产改善顾问BhoteK.R.发表了题为“试验设计：通向质量的高速公路”。文中认为：“如果质量是带动公司前进的火车头，那么试验设计就是燃料。它能在一、二年内，不是以百分之五十或百分之百，而是成十倍甚至成百倍地提高产品质量。”实验设计与分析实验设计与分析田口方法在美国工业界的广泛的应用八十年代，田口方法进入美国，得到了普遍关注。如今，实验设计技术的应用领域已经突破了传统的工业过程改进和产品设计范畴，广泛地渗透到商业布局、商品陈列、广告设计及产品包装的应用之中。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。实验设计与分析实验设计与分析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。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。美国航空航天局从94年开始用了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。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。实验设计与分析实验设计与分析工程稳健设计的方法目前有关工程稳健设计的方法大体上可分为2类：一类是以经验或半经验设计为基础的方法，称它为传统的稳健设计方法；如Taguchi稳健设计法（田口方法）、响应面法、双响应面法、广义模型法等；另一类是以工程模型为基础的方法，而且与优化技术结合发展成为工程稳健优化设计方法，称现代稳健优化设计方法。主要有容差多面体法、灵