稳健性设计

8
7
6
5
4
3
2
1
S/N
1 2
19.1
20.0
19.6
19.6 19.7 22.6 21.0 25.6 14.7
19.9
16.9 19.4 19.1 18.9 19.4 20.0 18.4 15.4 19.3
9.50 16.2 16.7 17.4 18.6 16.3
15.6
24.0 25.5 25.3 25.9 26.9 25.3
优化分析（容差）
根据此例中的质量性能目标值类型为越大越 好，则选用信噪比函数对各行试验数据（对应 各种因素组合）进行计算分析。表中的 S/N 列 中的数据即为各种情况下的S/N值。 • 通常情况下，根据S/N最大原则可确定参数 优化结果。按照这一原则，A、B、C、D四个 因素的组合为（A2，B2，C3，D1），此时的 S/N为26.908。 •
素）的搭配。设计参数搭配不同，输出性能的波动大
小不同，平均值也不同。
稳健设计理论介绍
系统设计
稳健设计理论是日本著名质量管理专家田口玄一博士于20世纪 70年代创立的一种系统化设计方法，其核心思想是在产品设计 阶段就进行质量控制，试图用最低的制造成本生产出满足顾客要 求的，对社会造成损失最小的产品。 稳健设计由系统设计(system desing)、参数设计(parameter design)和容差设计(tolerance design)三个阶段组成。 稳健设计即三阶段设计，所谓三阶段设计，是建立在试验设计技术基础之上的 一种在新产品开发设计过程中进行三阶段设计的设计方法。它是在产品设计阶 段就进行质量管理，在专业设计的基础上用正式交试验法对零件的参数进行优 选，以求减少各种内、外因素对产品功能稳定性的影响，选择零件最佳组合和 最合理的容差范围，尽量用价格低廉的、低等级的零件来完成优质、廉价、性 能稳定和抗干扰性强的产品的优化设计方法。
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为了进一步优化参数，此处还对平均响应进行计算分析，以辅 助确定因素水平。由于试验设计是正交的，可以分离出每一个 因素作用效果并作出效果图。下图所示为4个可控因素对S/N 的作用效果图。
27.0 26.0 27.0 26.0 25.0 24.0
A
25.0 24.0
B
1
27.0
26.0 25.0 24.0
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因素和水平 可控因素 A B 1 2 3
弹性联接件与尼龙管之间配合过盈量; 尼龙管管壁厚度;
低 薄
中 中
高 厚
C
D
弹性联接件在尼龙管中的插入深度 ;
粘接剂的粘着力
浅
低
1
中
中
深
高
2
不可控因素
E F G
时间 温度 湿度
24h 72F 25%
120h 150F 75%
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参 数 设 计
参数设计就是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）。
1、直接择优——利用选优正交表，经过几轮设计，求得参数 的最佳组合。 2、稳定性择优——利用选用正交表与误差正交表安排设计方 案和计算，得到第一轮择优设计的好条件；重复第一轮的步骤 ，进行第二、第三轮稳定性择优设计，前一轮的好条件作为后 一轮的初始条件。如此循环若干轮可找到工程满意的好条件， 整数化后即可得稳定性择优设计的参数组合。
最佳水平组合后进行，此时各元
件（参数）的质量等级较低，参 数波动范围较宽。
目的
应用实例
• 一个弹性联接件 • 一个尼龙管
装配而成
• 质量设计的目标是： 尽可能增大该联接部件的牵引力
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质量目标的影响因素及水平
• 4个可控因素为： • A） 弹性联接件和尼龙管之间的配合过盈量 • B） 尼龙管的壁厚； • C） 弹性联接件在尼龙管中的插入深度； • D） 粘接剂的粘着力； • 3个噪声因素有： • E） 时间，F）温度，G）湿度，
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质量目标的影响因素及水平
• 研究目的是寻找可控因素A、B、C、D的最佳配 合，使装配牵引力最大，而且受噪声因素变化 的影响最小。 • 可控因素分三级， • 噪声因素分两级， • 由于噪声因素在通常的操作中难以控制，试 验中将噪声因素控制在截然不同的两个水平上 ，表中所示为本试验的因素和水平
具体步骤
具体进行 试验,测出 需要的特 性值 选择正交 表,按表头 设计确定 试验方案 分析、明 确问题的 要求,选择 出因素及 水平 实践表明，整机质量的好坏，既取决 于产品整体的设计，又取决于零部件 的质量。一个系统功能好坏很大程度 上取决于系统本身的结构。好的参数 组合不一定是以每件零部件最优为条 件的，而是一种不同档次、不同质量 水平的低成本的组合，从而实现低成 本高质量的设计要求。产品设计中的 波动情况是复杂的，很多产品的输出 特性与因素组合之间并不是线性关系
稳健设计理论介绍——噪声因子
引起质量特性值波动的原因，称为质量噪声，也叫噪声因子，是不能被 设计者控制的因子。 ●外噪声 由于环境因素和使用条件的波动或变化，引起质量特性值的波动。例如 ，温度、湿度、位置等。 ●内噪声 • 由于在储存或使用过程中，随着时间的推移，发生材料变质、劣化现象 而引起质量特性值的波动。例如，电器产品绝缘材料的老化等。 ●产品间噪声 在相同生产条件下，生产制造出来的一批产品，由于人、机、料、法、 环的变化，引起质量特性值的波动。
行号 列号
A B 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
C 1 2 3 2 3 1 3 1 2
D 1 2 3 3 1 2 2 3 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9
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以矩阵数据的第一行来看，此时 4个可控因 素水平的组合是固定的（都为第一水平）， 但是8个测量值对应的3个因素水平的组合是 互不相同的。 可见，对每一行来说，不但能从其平均值 看出该行可控因素组合所能实现的牵引力平 均水平，还可以通过 8 个数据的分散程度看 出这组可控因素组合对噪声干扰的抵抗力强 弱。
15.6
16.3 18.3 19.7 16.2 16.4 14.2
3
4 5 6 7 8 9
16.8
17.8 23.1
19.1
15.6 19.9
25.7
24.8 26.2
16.1
以矩阵数据的第一行来看，此时4个可控因素水平的组合是固定的（都为第一水平 ），但是8个测量值对应的3个因素水平的组合是互不相同的。 可见，对每一行来说，不但能从其平均值看出该行可控因素组合所能实现的牵引 力平均水平，还可以通过8个数据的分散程度看出这组可控因素组合对噪声干扰的 抵抗力强弱。
21.9
20.4 25.3 24.7 21.6 24.4 28.6 25.3
24.2
23.3 23.2 27.5 22.5 24.5 23.2 24.6
19.8
18.2 18.9 21.4 19.6 18.6 19.6 22.7
19.6
15.6 18.6 25.1 19.8 23.6 16.8 17.3
参数设计
满意？ 否 容差设计
是
满意？
是
否
输出健壮设计解
系统设计
系统设计即传统的设计，它是依据技术文件进行的。对某种性能的 产品,专业技术人员利用专业知识和技术,就整个系统结构:如对各个零 部件的功能以及它们如何连接(连接分机械连接、电磁连接、声光感 应等),材料的选用,处观形状与颜色装饰等等进行设计,叫做系统设计 在系统设计阶段,对可计算项目还应求出产品的使用性能指标同各有 关元器件(参数)之间的函数关系。（工程问题转换为数学问题）
基本思想
根据各参数的波动对产品质量特性贡献(影响
)的大小，从经济性角度考虑有无必要对影响 大的参数给予较小的容差(例如用较高质量等 级的元件替代较低质量等级的元件)。这样做
来确定各参数的最合理的容差，使
总损失(质量与成本之和)达到最佳 (最小)。
，一方面可以进一步减少质量特性的波动，
提高产品的稳定性，减少质量损失；另一方 面，由计阶段既要考 虑进一步减少在参数设计后产品仍存在的质 量损失，又要考虑缩小一些元件的容差将会 增加成本，要权衡两者的利弊得失，采取最 佳决策。
这部分工作目前主要由专业技术人员,利用专业知识和数学知识来完 成。在此阶段,数学工作者一般布列有关函数的方程,并解出这个函数 。对于这类工作,试验设计法通常是无能为力的。
系统设计之后,就是要决定系统因素的好参数组合 在试验项目中,指的是要找到综合效果较好的生产条件。对于可计算性项目,什么叫做好参数组 合呢?
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1
2
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26.0 25.0 24.0
C
D
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Thank you
正交表
稳健设计理论介绍——稳健性（核心）
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。 如使产品性能对所用材质变差不灵敏，就能在一些情况下使用较 低廉的或低等级的材料；使产品对制造尺寸变差不灵敏，可以提 高产品的可制造性、降低制造费用；使产品对使用环境变化不灵 敏，就能保证产品使用的可靠性和降低操作费用。
稳健性设计原理、技术及应用
汇报人：叶文斌
稳健设计理论介绍
传统的设计思想：质量最好的元器件