产品寿命周期质量分析与控制技术——质量的稳健性优化设计

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• 如何选择最有效的输出质量特性是进行稳健设计 技术关键的第一步,应该根据产品开发过程的不 同阶段对产品质量影响的重要程度,将产品质量 水平相应的划分: 下游质量 中游质量 上游设质量 源头质量。
上游质量特性的重要性
• 大多数可控因素已在源头、上游和中游阶段确 定,并且难以改变,所以下游质量特性大多是不 可控的噪声因素。虽然这些因素不能直接作为有 效的输出质量特性,但是可能对设计输出质量特 性有重要的影响。 • 上游质量特性是产品/工艺设计阶段最重要的 指标,对于改进和提高某种产品的稳健性是至关 重要的,可作为该阶段的有效质量特性。
基本功能的理想功能
• 基本功能: 某种技术和产品的能量转换功能,它反
映的是该技术和产品输入与输出之间的转换关系。
设:Y为输出质量特性; X=(x1, x2,…xn)为可控因素; Z=(z1,,z2,…zn)为噪声因素; 则:输入质量特性 M=(X,Z) 通常基本功能可表示为: Y = f (x1, x2,…xn,z1,,z2,…zn) = f(M)
A: 某添加物的量 B: 某添加物的量
C: 腊石量
D: 腊石种类 E: 装入量 F: 熟石量 G: 长石量
C1 :=43%
D1 :现用 E1 :1300kg F1 :0% G1 :0%
C2 :=53%
D2 :新用 E2 :1200kg F2 :=4% G2 :=5%
L8 正交表因素搭配及试验数据 L8(27)正交表
基本功能稳健性的度量—S/N
• 一方面要求无论在任何噪声因素的干扰下Y的波动 都能最大限度地减小。 输出质量特性Y的方差σ 2恰好刻划了Y围绕其 期望值E(Y)=μ 的波动。 • 另一方面要求Y尽可能地接近达到设计目标值T。 将这种调整的效果称为灵敏度 μ 2能够较好的刻划Y的平均状况,可将其视为 灵敏度的一种度量。 当Y= β M 时,β 2表示调整的灵敏度。
3、容差设计
• 参数设计后确定了一组参数组合。但:
1 、 是否还能减少参数波动幅度使产品质量特性更 加稳定? 2、 是否可以适当降低元器件精度等级以降低成本? 这两个问题实质上是确定适当的元器件精度, 以使产品的使用寿命周期费用最低。
稳健设计技术的基本原理
• 噪声因素
波动是产生质量问题的根源,在实际生产的过 程中,往往存在着一些人们无法控制或难以控制 的因素。我们称这些不可控制的因素为噪声因素 或随机因素。正是这些无法穷尽的潜在变化的相 互作用导致了技术功能,产品性能和工艺过程的 波动。
基本功能的理想功能
• 理想功能:无论在任何条件下,基本功能都满足 理想关系式:
Y =β M
当基本功能为理想功能时,由于输入和输出是线 性关系,所以具有良好的可调整性。在技术开发 阶段,当开发了稳健的一般技术 Y 之后,可以通 过调整β ,开发一族稳健的产品。
基本功能稳健性的度量—S/N
• 稳健设计的目的是调整技术或产品输入的 参数水平,最大限度地减少输出的波动, 使得技术功能和产品性能稳健。这种稳健 性主要表现为: • Y围绕设计目标值T的波动尽可能小。

70年代,世界上技术先进国家已开始以一种全 新的设计概念取代了传统的设计思想。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”。


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。
波动理论

实现这一理论的方法的就是源头治理, 即利用稳健设计技术寻找可控因素的一组 水平组合,使刻划产品/工艺过程性能或技 术功能的输出质量特性围绕设计目标时的 波动尽可能小。
选择最有效的输出质量特性
• 实施稳健设计技术首先要选择最有效的输出质 量特性,尤其是在技术开发阶段,这一要素的正 确选择显得更加重要。只有对有效的输出质量特 性进行测量才能反映产品/工艺性能或技术功能的 基本特征,进而确定输出的基本功能和理想功能。
同时在设计和制造过程中还存在的一组相对稳 定并可加以控制的因素,如原材料的规格、技术 人员的技能和设计水平、测量设备精度、相对稳 定的环境和温定。这些因素为可控因素和系统因 素。 正是这些可控因素才使得产品性能、工艺过程 和技术功能具有一定的稳定性。
波动理论
• 由于噪声因素是客观存在的和难以控制的,由 此产生波动也是不可避免的。试图完全消除波动, 使产品性能和技术功能的质量特性始终在设计目 标上是永远达不到。因此改进产品性能,提高质 量的奋斗目标是:永无止境地减少波动,使产品、 工艺过程、技术功能对各种噪声因素不敏感,向 着波动为零的目标迈进。 • 这就是质量工程的理论支柱——波动理论。
基本功能稳健性的度量—S/N
• 基本功能的稳健性不仅要求σ 2小,而且要求
灵敏度高。用η 描述这两个指标,即:
2 2
• 当Y=β M 时
2 2
基本功能稳健性的度量—S/N

为了获得稳定性好的质量,希望质量特征越接 近目标值越好;同时,要求质量特征对噪声干扰 抵抗力越强越好,即要求质量特征试验的多次观 察值的平均值越接近目标值越好,同时,偏差变 化越小越好。由于信噪比 S / N 函数既考虑到质量 特征的平均水平又考虑到其波动范围,因此,用S /N来评价质量水平是比较合理的和全面的,信噪 比S/N越大,说明产品质量水平越高。
因素
列 试验号
因素内容
添 加 物 量 添 加 粒 度 腊 石 量 腊 石 种 类 装 入 量 熟 料 量 长 诗 量
S
1 10 Lg [ ( Yi 2 )] N n
稳健性的度量—信噪比S/N
• (3) S型信噪比函数。用于质量特征目标值为越 小越好情况下的试验结果的分析和优选,如噪声、 有害物质、污染等质量特征设计。
S
1 10 Lg[ ( Yi 2 )] N n
参数设计中的正交实验技 术

据资料介绍,日本数百家公司每年应用田口 方法完成10万项左右的实例项目研究,在不增加 成本的情况下,大大提高了产品设计和制造质量。 • 田口的稳健性设计方法被日本人作为日本产品 打入国际市场并畅销不衰的奥妙之一;是日本经 济腾飞的秘诀和成功之道。
田口方法在美国工业界的广泛的应用
• 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年开始计划用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。
三 次 设 计 • 系统设计 • 参数设计 • 容差设计
1、系统设计
• 指专业人员根据各个的技术领域的专门 知识,对产品进行整个系统结构的设计, 也就是通常所说的产品质量设计。 • 系统设计阶段,需要求出产品的性能指 标与各有关参数之间的函数关系。
2、参数设计
• 指在全系统设计基础上,决定或选定系统 各参数的最优参数组合。要求不仅应使产 品有良好性能,而且在环境改变或元器件 有所波动劣化的情况,按照这种参数组合 制造出来的产品,在性能上仍能保持稳定。

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。 • 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。
• 实施稳健技术的目的:减少产品性能和技术功能 波动,既减少输出质量特性围绕设计目标值T的波 动,就要给出基本功能波动的度量。 • 保证基本功能的性能稳健取决于两点: 一是输出质量特性本身的波动小; 二是该质量特性应尽可能接近设计目标值。 性噪比函数S/N能准确地反映这两个特性。
选择有效的输出质量特性、可控和噪声因素
稳健性的度量—信噪比S/N
• 式中:
Sm ( yi )2 / n
Ve [ yi2 ( yi )2 / n] /(n 1)
• yi_——表示观测值,i=1,2,…n采样数。
稳健性的度量—信噪比S/N
• (2)B型信噪比函数。用于质量性能目标值的越
大越好情况下的试验结果的分析和优选,如强度、 寿命等质量特征设计。
技术开发阶段的源头质量
• 技术开发阶段是开发一般的技术,该技 术的稳健性可有效地开发一族产品。所以 源头质量是该阶段最有效的质量特性。采 用该质量特性才能揭示一般技术的基本功 能,进而提高研究开发效率,使得小规模 实验室试验和研究开发仿真的结果在制造 和用户环境中再现。
确定基本功能的理想功能
• 在选择有效的输出质量特性之后,找出 该质量特性与输出质量特性之间的内在规 律是稳健设计的关键所在。田口定义了基 本功能和反应输入和输出之间的理想状态。

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。
产品寿命周期质量分析与控制技术
——质量的稳健性优化设计
(田口方法、三次设计)
质量的稳健性设计
• 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wk.baidu.com能制造出质量最好的产品。 总之,材料、元器件质量特性越好,可行性就越 高。

稳健性设计是日本著名的质量管理专家田 口玄一博士于70年代初创立的质量管理新技术。 这是一种最新颖、科学、有效的稳健性优化设 计方法。该理论和方法不仅受到日本同时也受 到欧美各国应用统计学家、质量管理专家、工 程设计专家和企业人士关注,并在工程实际中 得到了广泛应用。因而人们将这种方法和理论 称之为“田口方法”。

稳健性的度量—信噪比S/N

田口曾提出70多种不同的信噪比函数表达式, 每一种表达式都有其适用的条件和范围,下面描 述三种常用的S/N函数。
确定值的情况下的试验结果的分析和优选,如尺 寸、输出电压等质量特征的设计。
• (1)N型信噪比函数。用于质量特征目标值为一
S
1 S m Ve 10Lg[ ( )] N n Ve
案例1
对瓷砖生产进行试验的案例
• 某制陶企业需要改进产品质量,运用正交 表进行试验。 • 试验指标:一百块瓷砖中的不合格品。 • 试验影响因素有7个,都是与配料有关。因 素的位级有2个。如表1:
表1 因素 位级
因素位级表 位级 1 A1:=5% B1 :粗(现用) 位级 2 A2 :=1% B2 : 细(新用)
参数设计
根据具体情况来决定采用:
1、直接择优——既利用选优正交表,经过几轮设 计,求得参数的最佳组合。 2、稳定性择优——既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。

田口博士的三次设计方法是利用产品 的性能指标同有关的各个参数之间函数关 系的计算,优选出好的参数组合,以使产 品的性能指标达到最优化质量成本和最低 化设计要求。这种方法主要用于可计算性 产品的参数设计。
• 三次设计通常有: • 直接择优——指能够根据某一数量化的指标, 直接判别设计条件的优劣,选择优良的设计参 数组合; • 稳定性择优——指在考虑影响产品性能指标各 因素都有误差波动的情况下,先选取好的条件 和参数组合、使产生的性能指标尽可能稳定在 设计的目标值附近,再规划各零部件或参数的 波动幅度,使之在保证产品质量的情况下能充 分照顾到质量效益。
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