稳健性设计

稳健设计认为，产品开发的效益可用企业内部效益和社会损失来
衡量，企业内部效益体现在功能相同条件下的低成本，社会效益 则以产品进入消费领域后给人民带来的影响作为衡量指标。假如， 由于一个产品功能波动偏离了理想目标，给社会带来了损失，我
们就认为它的稳健性设计不好，而田口式的稳健性设计恰能在降
低成本、减少产品波动上发挥作用。
稳健性设计
Robust Design
什么是稳健性设计
稳健性设计几个基本概念
稳健性设计三个阶段 ——三次设计
稳健性设计案例
什么是稳健性设计
●稳健性设计起源
传统的设计思想认为：只有质量最好的元器件（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，成本越高，产品的质量越好，可靠性越高。 自本世纪七十年代，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。这种新的设计概念认为：使 用最昂贵的高等级、一致性最好的元器件并不一定能组装出稳健 性最好的整机，成本最高，并不一定质量最好。产品抗干扰能力
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。
●质量特性值
在工业生产中，产品的质量通常通过对特定的功能、特性的测定 或测量数值来评定（质量特性或输出特性）。 任何一种产品的质量特性值与其名义值（额定值）之间都存在一
影响会偏离目标值，随偏离的程度不同，将给用户带来程度不同的
损失。
稳健性设计案例 系统设计
参数设计
容差设计
设计一个电感电路，要求输出电流强度在10安培附近，且波动越小
越好。此电路由电阻R(单位： )，电感线圈L(单位：H)组成。当输入交
流电压V(单位：V）和电流频率f(单位：Hz)时，输出电流强度y(单位： A)为
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、
稳健性设计是田口玄一创立的质量工程观中的一个分支，由
田口玄一发展而成，因此通常被人们称之为田口方法(Taguchi Method)。 田口方法是一种低成本、高效益的质量工程方法，它强调产 品质量的提高不是通过检验，而是通过设计。
SONY电视机
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70年代的故事
日本制造
美国制造
●稳健性设计思想
稳健设计的基本思想是把产品的稳健性设计到产品和制造过
程中，通过控制源头质量来抵御大量的下游生产或顾客使用中的 噪声或不可控因素的干扰，这些因素包括环境湿度、材料老化、
制造误差、零件间的波动等等。稳健设计不仅提倡充分利用廉价
的元件来设计和制造出高品质的产品，而且使用先进的试验技术 来降低设计试验费用，这也正是稳健设计对传统思想的革命性改 变，为企业增加效益指出了一个新方向。 稳健性设计的功效在于帮助设计人员找到一组最佳的产品或 工艺设计参数，使产品在最低廉的成本条件下（或最宽松的工艺 条件下），达到输出性能最高地稳健性。
y
V R 2fL
2 2
至此，完成了系统设计。
系统设计
参数设计
容差设计
Ⅰ制定可控因素水平表 初始数据表

系统设计
参数设计
容差设计
Ⅱ利用正交表进行内设计
内设计方案
系统设计
参数设计
容差设计
Ⅲ制定误差参数设计
容差设计
系统设计
参数设计
容差设计
系统设计
参数设计
系统设计
参数设计
容差设计
★基本思想和目的 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）。
参数设计的目的是根据系统设计中所确定的所有参数，通过多 因素的优选方法来考察三种干扰（内干扰、外干扰、产品间波动）
对系统质量特性的影响，寻求最佳的参数组合，以求得抗干扰性
产品出厂后避免对社会造成损失的特性。可用“质量损失”来对产品
质量进行定量描述。 质量损失是指产品出厂后“给社会带来的损失”，包括直接损失
（如空气污染、噪声污染等）和间接损失（如顾客对产品的不满意
以及由此导致的市场损失、销售损失等）。质量特性值偏离目标值 越大，损失越大，即质量越差，反之，质量就越好。 为了定量描述产品质量损失，田口提出了“质量损失函数”的概念， 并以信噪比来衡量设计参数的稳健程度。
所谓望目特性是指存在一个固定目标，希望质量特性值围绕 目标值波动，且波动越小越好。
稳健性设计阶段致力于减小 2 ，从相对误差角度考虑，希望
/
等价于 2 / 2 越大越好。
= 2 / 2
★望小特性信噪比
所谓望小特性是希望质量特性越小越好（理想值为零），且 波动越小越好。相当于取目标值y0=0，损失函数L (y)=y2，平均损 失为E(y2)。 由于 E( y 2 ) 2 2 因此此时平均损失函数要求特性指标平均 值要 小，且波动程度 2小。
容差设计
Ⅳ进行外设计
正交表的外设计
系统设计
参数设计
容差设计
Ⅴ获得质量特性值
第一号方案的外设计方案
但美国的家庭更喜欢日本制造的电视机？
顾客为什么喜欢日产SONY？
1、优良品比率高
2、在向目标值m靠近的同时，方差减小 3、关注信号、减少噪音
此时如何设计？
●稳健性设计目的
稳健设计的目的在于，使所设计的产品质量稳定、波动小，
使生产过程对各种噪声不敏感。在产品设计过程中，利用质量、 成本、效益的函数关系，在低成本的条件下开发出高质量的产品。
L (y)
8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 -1.00
A0
y0
Y
5
5.5
D0
6
6.5
D0
7
★平均损失函数
E(L)=E (y - y0)2=E [(y –E y) +(E y-y0)]2 =E (y –E y)2+E (E y-y0)2
2 2 = +
参数设计
经济化
容差设计
系统设计
参数设计
容差设计
含义：又叫基础设计、专业设计 ，运用系统工程的思想和方法， 对产品的结构、性能、寿命、材料等进行综合考虑，以探 讨如何最经济、合理地满足用户要求的整个设计过程。 内容：确定实验目的、指标和仪器设备、场所以及实验的主要影 响因素。 执行：专业技术人员完成，设计质量取决于设计人员专业技术水 平和应用专业知识的能力。
最佳的设计方案。使系统质量特性波动小、稳健性好，并价格低 廉。 ★实质 利用产品输出特性和元件参数之间的非线性效应，通过选择最 佳参数值 ，使 y 对各种干扰不敏感。 与参数设计有关的两个主要 概念就是质量波动和干扰因素。
系统设计
参数设计
容差设计
探求影响因素水平的最佳搭配。 质量指标平均水平要达到设计的要求。 质量指标变异性要达到稳健性的要求。 – 首先按专业经验给出关键参数的几个水平值，用正交表安 排实验方案，称为内表设计； – 确定噪声因素及水平、安排噪声实验，外表设计； – 用信噪比分析产品质量特性的稳健性。
解决方案
-选择低质量等级的元件，实现质量最好的整机；
-根据各参数波动对产品质量特性贡献的大小，从经 济性角度确定最合理的容差大小。 -把质量设计进产品里面去；
应用价值
-量化分析并确定产品的最佳参数和合理容差； -用质量损失和经济性角度进行质量设计； -实现低成本、高质量的设计效果。
基础
系统设计
核心
几个基本概念
●稳健性
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。
产品功能波动客观存在，有功能波动就会造成社会损失。所
谓质量损失函数是指定量表述产品功能波动与社会损失之间关系 的函数。 当产品特性值y与目标值m不相等时，就认为造成了质量损失。
2 L y） （ （ k y y0）
其中L（y）为质量损失函数，y0—目标值
K—比例常数
y—产品输出特性 当y=y0 L（y）=0，
= 2 2
1
★望大特性信噪比
所谓望大特性是希望质量特性越大越好（理想值为无穷大）， 且波动越小越好。则其倒数1/y则为望小质量特性，损失函数
L (y)=1/y2，平均损失为E(1/y2)。
稳健性设计三个阶段
解决问题
-如何实现低成本、高质量的设计？ -通过选择系统参数的最佳组合，尽量减小内外部和 产品间的干扰，使质量特性波动最小；
系统设计
参数设计
容差设计
系统设计
参数设计
容差设计
选择系统各元件的最佳参数组合是参数设计的目的。参数设
计后，应将元件自身的波动控制在一定的范围之内，这就是要进
行容差设计的目的。 1. 首先要研究，按参数设计确定的最佳水平组合取值，若选 用价格低廉的零部件或元器件（即它们本身质量等级较低，误差 较大）时，系统质量特性值的波动有多大。
定的偏差。偏差越小，质量越好。
设质量特性值为y，目标值为y0, y对y0的变差是 y
y y0 y
y 是服从一定概率分布的随机变量，当它服从正态分布
y~ N (0, 2 )
2 越小越好
设计二 y2
哪个设计更好？
设计一 y1
y1 y0 y2
●质量噪声（干扰）——噪声因子
的强弱主要取决于各种设计参数（因素）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。
电视机的性能指标之一： 电视机的彩色浓度：y 目标值：m，允许偏差为±5 公差范围：{m-5,m+5} 由此判定该机的彩色浓度合格， 否则判为不合格 两地的产品都是合格产品 70年代末美国消费者更愿意购买 日产SONY • 为什么出现此种差异？
SONY电视机
70年代的故事
0.3%不合格
日本制造
x
全部合格 美国制造
●信躁比
信噪比是稳健性设计中用以度量产品质量特性的稳健性指标， 是测量质量的一种尺度。
信噪比是信号量与噪音的比率，信噪比越大表示产品越稳健。
= S/N
S是信号功率，N是噪声功率。 所谓信噪比（S/N）是用来描述抵抗内外干扰因素所引起的 质量波动的能力，或叫产品的稳定性或稳健性。
★望目特性信噪比
系统设计
参数设计
容差设计
2. 各误差因子的各水平均确定之后，即可将误差因子分配给 选定的正交表。在直接对这些数据进行方差分析后，即可判断哪些 误差因子对质量特性值的影响大。
对于贡献大的误差因子，可选用质量等级高的优质元件，这样
就能有效控制住质量特性值的波动，提高产品质量的稳定性了。 应结合经济性分析来确定元件的容许偏差。产品的功能受噪声
环的变化，引起质量特性值的波动。
●质量的变异性
产品的质量特性指标往往会有差异； 即使完全相同的生产条件，由于种种干扰因素的存在，其产品也 会表现出不完全相同的质量特性； 同一产品在不同的环境中使用，或者在寿命周期内的不同时刻，
其质量特性都会有差异。
●质量损失函数
★田口的质量观 与传统的质量定义不同，田口玄一博士将产品的质量定义为：
E ( y) 是y的均值，即产品的生产中心值。
y0 是生产中心值与目标值的漂移量。
E( y )2 是质量特性值的方差，反映产品间的差异。
★降低平均损失的两个步骤
减少变异：稳健设计，找出最稳健的因素水平搭配，即减小质量 特性值标准差。此时允许实验指标与目标值之间有一 定的差异。 减小偏倚：灵敏度设计，寻找调节因素，通过调整调节因素的取 值，在不增加或尽量小地增加变异程度的情况下，把 实验指标调整到目标值。