试验设计-上海交通大学

试验设计试验设计苗瑞1、田口方法在产品设计开发中的作用2、试验设计的概念及其作用3、单因素试验设计常用的几种方法4、田口的产品设计的三个阶段5、正交试验法的概念和基本方法；主要内容产品全生命周期质量保证技术的特点产品规划产品设计制造销售使用维护回收QFDDFXFMEADOE田口方法SPC防错装置用户驱动原则全过程原则预防原则反馈思想和闭环控制原则产品全生命周期质量保证技术的特点田口方法的独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。试验设计定义Anyexperimentthathastheflexibilitytomakedesiredchangesintheinputvariableofaprocesstoobservetheoutputresponseisknownasexperimentdesign.Theprimarygoalsofadesignexperimentareto:Determinethevariable(s)andtheirmagnitudethatinfluencestheresponse.determinethelevelsforthesevariables.determinehowtomanipulatethesevariablestocontroltheresponse.试验设计定义试验设计是一门研究如何正确地安排试验和分析结果的科学，目的是以最少或较少的试验次数得到最佳的试验结果。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。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；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。试验设计的由来试验设计是应用统计手法进行解决问题的方法，它在19世纪产生于英国.最早是在农地进行试验。如“最佳肥料”的依据。逐步应用到畜牧业。试验设计（例）一个烤漆工厂，针对喷漆后烤漆所使用的时间及温度各使用一元多次试验法进行试验，以了解哪一种条件下密着性（附着度）最好。先决条件：1、底材要一样；2、油漆要一样；3、溶剂要一样；4、粘度要一样；试验因素：1、烘烤温度；2、烘烤时间；附着度-温度02040608010060708090100110120130140150温度℃附着度结论：温度在130度及140度最理想附着度-时间020406080100102030405060708090附着度时间分结论：时间在40分到60分最理想试验设计（例）在上例中，将时间及温度以外的各条件予以固定，并将温度及时间予二元二次法作试验。时间温度40分50分130℃AB140℃CDA组：130℃×40分B组：130℃×50分C组：140℃×40分D组：140℃×50分将产品分为4组：在四组不同的样品中，经试验后何者为最佳的作业条件，即可制订为作业标准的条件。优选法概念：优选法是以较少的试验次数，迅速地找到生产和科学试验的最优方案的方法。适用范围：1、怎样选取合适的配方，合适的制作过程，使产品质量最好。2、怎样在质量标准下，使产品成本最低，生产过程最快？3、已有仪器怎样调试，使其性能最好？4、在合成配方、操作条件等方面应用0.618法0.618是单因素试验设计方法，又叫黄金分割法。这种方法是在试验范围内（a,b）内，首先安排两个试验点，再根据两点试验结果，留下好点，去掉不好点所在的一段范围，再在余下的范围内寻找好点，去掉不好的点，如此继续地作下去，直到找到最优点为止。×abX2★X1×0.6180.3820.618法×abX2★X1×0.6180.382X1=a+0.618(b-a)X2=a+b–X1第一点=小+0.618(大-小)第二点=小+大–第一点（前一点）第一点是经过试验后留下的好点；0.618法（例）铸铝件最佳浇铸温度的优选试验。某厂铸铝件壳体废品率高达55%，经分析认为铝水温度对此影响很大，现用0.618法优选。优选范围在690℃~740℃之间。第一点=690+0.618(740-690)=721第二点=690+740–721=7090.618法（例）×690740×709721第一点合格率低×690×709721702第三点=690+721–709=702第二点合格率低第四点=690+709–702=697×690×709702697第三点合格率低第五点=690+702-697=695×690702697×6950.618法0.618法要求试验结果目标函数f(x)是单峰函数，即在试验范围内只有一个最优点d，其效果f（d）最好，比d大或小的点都差，且距最优点d越远的试验效果越差。这个要求在大多数实际问题中都能满足。abdxf(x)o对分法对分法也叫平分法，是单因素试验设计方法适用于试验范围（a,b）内，目标函数为单调（连续或间断）的情况下，求最优点的方法。使用条件：每做一次试验，根据结果可以决定下次试验的方向。对分法的作法每次选取因素所在试验范围（a,b）的中点处C做试验。计算公式：C=——————（a+b)2×abcd=——————（c+b)2d×★每试验一次，试验范围缩小一半，重复做下去，直到找出满意的试验点为止。均分法均分法是单因素试验设计方法。它是在试验范围（a,b）内，根据精度要求和实际情况，均匀地排开试验点，在每一个试验点上进行试验，并相互比较，以求的最优点的方法。作法：如试验范围L=b–a，试验点间隔为N，则试验点n为：n=—+1=————+1LNb-aN均分法（例）对采用新钢种的某零件进行磨削加工，砂轮转速范围为420转/分~720转/分，拟经过试验找出能使光洁度最佳的砂轮转速值。N=30转/分n=————+1=——————+1=11b-aN720-42030试验转速：420，450，480，510，540，570，600，630，660，690，720★均分法这种方法的特点是对所试验的范围进行“普查”，常常应用于对目标函数的性质没有掌握或很少掌握的情况。即假设目标函数是任意的情况，其试验精度取决于试验点数目的多少。使用条件：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。？一则发人深省的新闻报道原因一、两国产品的质量状况有差异；色彩浓度T美国m-mm+日本优质品：68.3%良品：27.2%合格品：4.2%不合格品：0.3%优质品：1/3良品：1/3不合格品：1/3电视机的彩色密度一则发人深省的新闻报道原因二、两国产品的质量状况有差异；美国：1、检验部门把关，对产品的合格与否严加控制；2、用休哈特(Shewhat)控制图进行生产工序管理；这样只能控制产品的质量，而不能真正改进产品的质量；日本：1、用线外质量管理（又称三次设计）来提高产品设计质量，这样产品先天性好；2、用线内质量管理来改进生产工序；产品的市场竞争力强；电话电缆的电阻田口对产品质量引入了新的定义所谓质量就是产品上市后给予社会的损失，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“给予社会的损失”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；•产品的使用费用。质量=功能波动损失+弊害项目损失+使用费用。产品设计的三个阶段•田口方法通过三个步骤达到健壮性设计：1.系统设计2.参数设计3.容差设计系统设计参数设计容差设计市场需求稳定性好的产品产品设计的三个阶段1.系统设计：系统设计主要是用专业技术进行新产品设计或对老产品进行技术创新。应尽可能寻找性能指标与系统中各参数间的函数关系。2.参数设计：参数设计是在系统设计的基础上对产品的零部件参数、原材料参数或各种工艺参数寻求它们之间的最佳搭配。决定系统中各参数的选择，使得产品的性能指标既能达到目标值，又使它在各种环境下波动小，稳定性好。3.容差设计：容差设计是在参数设计的基础上对产品生产时各种参数给出最佳的误差范围。完成不好，常常导致生产成本的增加；系统设计参数设计容差设计市场需求稳定性好的产品•田口方法的重点在参数设计•田口玄一博士1979年提出三阶段设计参数设计的基本思想：例早年Ina瓷砖公司生产的瓷砖大小不一，尺寸波动很大，其标准差较大。面对这一问题，公司先后采用如下三个方法来减少尺寸的波动：1、筛选不合格品；2、找出原因，设法消除；3、改变参数，灰石比1%提高到5%；参数设计的基本思想：例Ina瓷砖尺寸大小不一的问题解决了，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；田口试验设计•当设计一个新的产品时，许多因素/输入/变量必须很认真地考虑；•田口方法是一个在产品或服务中寻找“最好”组合的结构化方法–根据DOE方法确定参数水平；•DOE是过程和产品设计的重要工具–为高品质的产品或服务定量地确定适宜的输入和参数水平•田口方法来自健壮性设计的观点•产品和服务应该在设计中保证零缺陷和高品质；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。田口方法的步骤田口方法的步骤1.ProblemIdentification–Locatetheproblemsourcenotjustthesymptom2.BrainstormingSession–Attendedatleastbyprojectleader/facilitatorandworkersinvolvedintheprocess.Otherparticipantsmayincludemanagersandtechnicalstaff–Thepurposeistoidentifycriticalvariablesforthequalityoftheproductorserviceinquestion(referredtoasfactorsbyTaguchi)•Controlfactors–variablesundermanagementcontrol•Signalfa