试验设计的概念及其作用

计算公式 C = ——（—a—+—b —)
：
2
d
a
c ×
★
×
b
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
d = ——（—c—+—b—) 2
。
对分法的作法
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。
这个要求在大多数实际问题中都能满足。
f(x)
o
a
d
b
x
0.618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
每次选取因素所在试验范围（a, b）的中点处C做试验。
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。
试验设计定义
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。
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；
田口试验设计
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。
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
优选法
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。
A组：
B组：
C组：
D组：
40分
50分
A
B
C
D
130℃ ×40分 130℃ ×50分 140℃ ×40分 140℃ ×50分
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。
试验设计（例）
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。
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；
参数设计的基本思想：例
• 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；
第二点合格率低 第四点 = 690 + 709 – 702 = 697
690
695 697
××
702
第三点合格率低 第五点 = 690 + 702 - 697 = 695
0.618法（例）
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。
第一点 = 690 + 0.618(740- 690) = 721 第二点 = 690 + 740 – 721 = 709
0.618法（例）
690
709
721
740
×
×
第一点合格率低
第三点 = 690 + 721 – 709 = 702
690
702 709
721
××
690 697 702 709
××
•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
产品设计的三个阶段
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
(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。
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；
作法：
如试验范围L = b – a，试验点间隔为N，则试验点n 为：
n = —L + 1 = —b—-—a — + 1
N
N
均分法
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 = —b—- —a — + 1 = —7—20—-—42—0 — +1 = 11
田口方法的产生背景
田口方法的步骤
1. Problem Identification
– Locate the problem source not just the symptom
N
30
试验转速 ：
420，450，480，510，540，570，600，630，660，690，720
★
均分法（例）
使用条件 ：
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。
均分法
试验设计的概念及其作用
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
产品规划
Hale Waihona Puke Baidu
产品设计
QFD
DFX
制造
FMEA
DOE 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
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
日本
优质品：68.3% 良品：27.2% 合格品：4.2% 不合格品：0.3%
美国
优质品：1/3 良品：1/3 不合格品：1/3
m -
m
m+
一则发人深省的新闻报道
电视机的彩色密度
原因二、两国产品的质量状况有差异；
美国：
试验设计的效果
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。
试验设计的由来
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；
The primary goals of a design experiment are to :
➢ Determine the variable(s) and their magnitude that influences the response. ➢ determine the levels for these variables. ➢ determine how to manipulate these variables to control the response.
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；
一则发人深省的新闻报道
电话电缆的电阻
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。
销售 使用维护 回收
产品全生命周期质量保证技术的特点
产品全生命周期质量保证技术的特点
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。
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。
田口方法的独特点
Any experiment that has the flexibility to make desired changes in the input variable of a process to observe the output response is known as experiment design.
试验因素： 1、烘烤温度； 2、烘烤时间；
试验设计（例）
附着度
温度 ℃
结论：温度在130度及140度最理想
附着度-温度
附着度
时间 分
结论：时间在40分到60分最理想
附着度-时间
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 130℃ 140℃
将产品分为4组：
田口对产品质量引入了新的定义
市场需求
系统设计
参数设计
容差设计
稳定性好的 产品
• 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
产品设计的三个阶段
市场需求
系统设计
参数设计
容差设计
稳定性好的 产品
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。
X2
X1
a
b
×★×
0.382
0.618
0.618法
X2
X1
a
b
×★×
0.382
0.618 X1 = 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
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。