稳健优化设计的研究现状及发展趋势课件.ppt

1、2022年12月16日星期五稳健优化设计的研究现稳健优化设计的研究现状及发展趋势状及发展趋势 我国在六十年代就曾对实验设计进行了研究和推广，我国在六十年代就曾对实验设计进行了研究和推广，八十年代又引入了田口方法，取得了一定成效。但实验设计八十年代又引入了田口方法，取得了一定成效。但实验设计作为一种质量改进的有力武器，还尚未发挥它的全部威力。作为一种质量改进的有力武器，还尚未发挥它的全部威力。由于世界范围内高技术产业兴起和社会生产力的迅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

2、竞争的严峻形势迫使每个企业重新考量设计的竞争。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。虑其质量经营战略。工业界的质量意识空前提高，开始制定以工业界的质量意识空前提高，开始制定以顾客需求为顾客需求为中心的中心的质量战略质量战略和和以质量管理为根本内容以质量管理为根本内容的的经营战略经营战略，注，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，从而获稳健的开发质量满足顾客的现实需求和潜在需

3、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。由之路。2345 统计资料表明，产品成本的统计资料表明，产品成本的70%一一90%是由设计决定的。是由设计决定的。而设计工作费用所占成本的比例要比制造费用所占成本的比而设计工作费用所占成本的比例要比制造费用所占成本的比例少得多，通常只占例少得多，通常只占20%。如果采用科学的设计，则可使产。如果采用科学的设计，则可使产品成本降低品成本降低25%一一40%。因此，为了使产品的技术水平高、。因此，为了使产品的技术水平高、工艺性能好，成本低，大力加强产品设计过程的质量管理，工艺性能好

4、，成本低，大力加强产品设计过程的质量管理，建立设计开发全过程的质量保证体系，确保产品的设计质量建立设计开发全过程的质量保证体系，确保产品的设计质量是非常重要的是非常重要的 67试验设计在生产/制造过程中的位置：8通过实验通过实验进行优化设计进行优化设计9 传统的可靠性设计、试验验证技术满足不了日益发展传统的可靠性设计、试验验证技术满足不了日益发展的要求。为了获得高质量的产品，已从单纯靠生产过程控的要求。为了获得高质量的产品，已从单纯靠生产过程控制和产品检验制和产品检验(被动的和防御的被动的和防御的)保证质量发展到了产品的保证质量发展到了产品的质量设计质量设计(主动的主动的)，从根本上确立产品的

5、优良品质，特别，从根本上确立产品的优良品质，特别是随着是随着CAD和和CAE技术的发展，关于面向质量的设计在一技术的发展，关于面向质量的设计在一体化产品开发中显示出愈来愈重要的地位。美国国防产品体化产品开发中显示出愈来愈重要的地位。美国国防产品已经开始淡化传统的可靠性做法，从单纯的试验技术变为已经开始淡化传统的可靠性做法，从单纯的试验技术变为包括设计、管理、试验等内容的产品质量工程，也称作稳包括设计、管理、试验等内容的产品质量工程，也称作稳健设计。健设计。稳健设计或田口设计（稳健设计或田口设计（Taguchi Design）就是适应）就是适应这种要求的一种新设计方法这种要求的一种新设计方法质量

6、工程。质量工程。质量工程包括设计质量工程（双称离线质量工程质量工程包括设计质量工程（双称离线质量工程Off-Line Quality Engineering）和制造质量工程（又称）和制造质量工程（又称在线在线On-Line Quality Engineering）。）。产品缺陷产品缺陷60%,有人说有人说70%.产品质量不是制造或检验产品质量不是制造或检验出来的，是设计出来出来的，是设计出来的！？！的！？！设计质量工程包括产品设计和工艺设计两个方面，分别设计质量工程包括产品设计和工艺设计两个方面，分别从产品功能结构设计和加工工艺设计两个角度保证产品的质从产品功能结构设计和加工工艺设计两个角度保

7、证产品的质量。量。制造过程质量控制和控制图往往不能制造过程质量控制和控制图往往不能弥补由于产品设计或工艺设计的先天弥补由于产品设计或工艺设计的先天不足而导致的产品质量问题不足而导致的产品质量问题 产品设计对产品质量的影响是具有决定性作用产品设计对产品质量的影响是具有决定性作用 101112系统设计：应用科学理论和工程知系统设计：应用科学理论和工程知识对产品功能原型进行设计开发，这识对产品功能原型进行设计开发，这阶段完成了产品的配置和功能属性；阶段完成了产品的配置和功能属性；参数设计：在系统结构确定后进行参数设参数设计：在系统结构确定后进行参数设计。这一阶段以产品性能优化为目标确定计。这一阶段以

8、产品性能优化为目标确定产品参数水平及配置，使工程设计对干扰产品参数水平及配置，使工程设计对干扰源的敏感性最低；源的敏感性最低；容差设计：在参数确定容差设计：在参数确定的基础上，进一步确定的基础上，进一步确定这些参数的容差。这些参数的容差。13 上世纪上世纪90年代，设计已成为各发达工业国家关注的热年代，设计已成为各发达工业国家关注的热点，把它看作是影响商品竞争力的一个决定性因素。人们点，把它看作是影响商品竞争力的一个决定性因素。人们总希望用较低的费用设计出高质量的产品，这对技术人员总希望用较低的费用设计出高质量的产品，这对技术人员是一种很高的要求，又是一种合理的、应该达到的要求。是一种很高的要

9、求，又是一种合理的、应该达到的要求。这种要求既包含工艺性的，又包含经济性的。这种要求既包含工艺性的，又包含经济性的。稳健性设计是实现低成本、高质量的有效方法。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：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才能制造出质质量最好的整机；只有最严格的工艺条件才能制造出质量最好的产品。总之，材料、元器件质量特性越好，可量最好的产品。总之，材料、元器件质量特性越好，可靠性就越高。靠性就越高。稳健性设计中心思想是采用最低廉的元件组装成品质量最好，稳

10、健性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、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。其口号是成本最低、收益最高的产品。其口号是“用三类元件设计制造用三类元件设计制造出一类整机出一类整机”。1415 稳健性稳健性(robustness),也叫鲁棒性，是指因素状况发生也叫鲁棒性，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

11、果因素状态的变化对产品性能的影响不大，我们就化。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，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。或说产品性能对该因素的变化具有稳健性。质量鲁棒性设计是指从设计质量工程的角度保证产质量鲁棒性设计是指从设计质量工程的角度保证产品的质量性能，同时提高产品质量对外界干扰的抵抗力。品的质量性能，同时提高产品质量对外界干扰的抵抗力。16 稳健设计包含多方面的内容，使用它可以选择在操作稳健设计包含多方面的内容，使用它可以选择在操作环境中执行得更一致的产品或过程。比如：环

12、境中执行得更一致的产品或过程。比如：使产品性能对原材料的改变不灵敏，就能在很多情况使产品性能对原材料的改变不灵敏，就能在很多情况下使用价钱便宜的低等级的原材料；下使用价钱便宜的低等级的原材料；使产品对制造上的变差不灵敏，就能减少劳动成本；使产品对制造上的变差不灵敏，就能减少劳动成本；使产品对使用环境的变化不灵敏，就能改善产品的可使产品对使用环境的变化不灵敏，就能改善产品的可靠性，并减少操作成本等等。靠性，并减少操作成本等等。稳健设计广泛的研究与使用始于第二次世界大战后稳健设计广泛的研究与使用始于第二次世界大战后的日本。最早是由日本田口玄一（的日本。最早是由日本田口玄一（G.Taguchi）博士

13、将其）博士将其应用到工业界而一举成名的。应用到工业界而一举成名的。17 上世纪上世纪90年代，稳健设计方法作为一种保证产年代，稳健设计方法作为一种保证产品质量的有效设计方法，已成为各发达工业国家关注品质量的有效设计方法，已成为各发达工业国家关注的热点，已经在电子、机械等诸多领域得到重视和应的热点，已经在电子、机械等诸多领域得到重视和应用，把它看作是影响商品竞争力的一个决定性因素。用，把它看作是影响商品竞争力的一个决定性因素。为了获得高质量的产品，已从单纯靠生产过程控制和为了获得高质量的产品，已从单纯靠生产过程控制和产品检验产品检验(被动的和防御的被动的和防御的)保证质量发展到了产品的保证质量发

14、展到了产品的质量设计质量设计(主动的主动的)，从根本上确立产品的优良品质，从根本上确立产品的优良品质，特别是随着特别是随着CAD和和CAE技术的发展，关于面向质量技术的发展，关于面向质量的设计在一体化产品开发中显示出愈来愈重要的地位。的设计在一体化产品开发中显示出愈来愈重要的地位。1819田口方法在美国工业界的广泛的应用田口方法在美国工业界的广泛的应用 八十年代，田口方法进入美国，得到了普遍关注。八十年代，田口方法进入美国，得到了普遍关注。如今，实验设计技术的应用领域已经突破了传统的工业如今，实验设计技术的应用领域已经突破了传统的工业过程改进和产品设计范畴，广泛地渗透到商业布局、商过程改进和产

15、品设计范畴，广泛地渗透到商业布局、商品陈列、广告设计及产品包装的应用之中。品陈列、广告设计及产品包装的应用之中。在国际市场上占有最大份额的日本电气产品以及美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。下制造出高品质的产品。20 许多大公司的许多大公司的“设计规程设计规程”中明确指出设计人员在设计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，否则在过程中必须采用田

16、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。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。设计。美国航空航天局从美国航空航天局从9494年开始用了年开始用了3434年时间推行田口方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。在航天飞机燃料储箱设计中应用。美国每年完成的案例在美国每年完成的案例在50005000个以上。美国应用田口方法个以上。美国应用田口方法节约经费达九百万美元，另外，美国节约经费达九百万美元，另外，美

17、国70%70%以上的工程技术以上的工程技术人员了解田口方法。人员了解田口方法。2122传统稳健设计方法传统稳健设计方法1.Taguchi稳健设计法稳健设计法(Robust Design)23田口方法的涵义田口方法的涵义 田口方法它强调产品质量的提高不是通过检验，而田口方法它强调产品质量的提高不是通过检验，而是通过设计。是通过设计。是一种低成本、高效益的质量工程方法。是一种低成本、高效益的质量工程方法。其基本思想是把产品的稳健性设计到产品和制造过其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

18、声或不可控因素的干扰，这些因素包括环境湿度、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。材料老化、制造误差、零件间的波动等等。田口方法不仅田口方法不仅提倡充分利用廉价的元件来设计和制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试验费用，这也正是田口方法对传统思想的革命性改，这也正是田口方法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。变为企业增加效益指出了一个新方向。24 稳健设计是一种最优化设计方法，它的两个主要工稳健设计是一种最优化设计方法，

19、它的两个主要工具是信噪比和正交表，用信噪比作为特征数衡量质量，用具是信噪比和正交表，用信噪比作为特征数衡量质量，用正交表安排试验、选择最佳的参数组合。正交表安排试验、选择最佳的参数组合。由该意义可以说，稳健设计就是信噪比的正交设计。由该意义可以说，稳健设计就是信噪比的正交设计。田口博士最早出书介绍他的理论时用的是田口博士最早出书介绍他的理论时用的是“实验计划法实验计划法DOE”，所以一般人惯以实验计划法或，所以一般人惯以实验计划法或DOE来称之。但来称之。但随着在日本产业界应用的普及，案例与经验的累积，田随着在日本产业界应用的普及，案例与经验的累积，田口博士的理论和工具日渐完备，整个田口的这套

20、方法在口博士的理论和工具日渐完备，整个田口的这套方法在日本产业专家学者的努力之下，早已脱离其原始风貌，日本产业专家学者的努力之下，早已脱离其原始风貌，展现出更新更好的体系化内容。展现出更新更好的体系化内容。25田口方法基本思想和研究内容田口方法基本思想和研究内容 质量这个词对不同的客户，不同的使用目的有不同质量这个词对不同的客户，不同的使用目的有不同的含义。与传统的质量定义不同，田口玄一博士将产品的含义。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：的质量定义为：产品出厂后避免对社会造成损失的特性，可用产品出厂后避免对社会造成损失的特性，可用“质量质量损失损失”来对产品质量进行定量描述

21、。是一种所谓的理想质来对产品质量进行定量描述。是一种所谓的理想质量。也就是指在任何预期的操作条件下，在整个预期的寿量。也就是指在任何预期的操作条件下，在整个预期的寿命之内，产品在每次使用中都能达到预期的性能。命之内，产品在每次使用中都能达到预期的性能。26 质量损失是指产品出厂后质量损失是指产品出厂后“给社会带来的损失给社会带来的损失”，包括：包括：质量损失是指产品出厂后质量损失是指产品出厂后“给社会带来的损失给社会带来的损失”，包括：，包括：1）直接损失，如空气污染、噪声污染等；）直接损失，如空气污染、噪声污染等；2）间接损失，如顾客对产品的不满意以及由此而导致的）间接损失，如顾客对产品的不

22、满意以及由此而导致的市场损失、销售损失以及附加的保险费用等。市场损失、销售损失以及附加的保险费用等。质量特性值偏离目标值越大，损失越大，即质量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。越差，反之，质量就越好。27 这一质量定义与传统的质量理解有着大差别。拿索尼公司在这一质量定义与传统的质量理解有着大差别。拿索尼公司在美、日两国的分公司的电视机产品的质量进行对比分析美、日两国的分公司的电视机产品的质量进行对比分析。28 从设计思想上看，日本重视目标值，大部分集中在目从设计思想上看，日本重视目标值，大部分集中在目标值附近，偏差小；美国重视公差，以不超出公差为标准，标值附近，

23、偏差小；美国重视公差，以不超出公差为标准，目标值附近的量减少，偏差大。目标值附近的量减少，偏差大。产品质量好坏的标准主要看质量特性值接近目标值的产品质量好坏的标准主要看质量特性值接近目标值的程度，接近程度越好，质量就越好，越偏离目标值，质量程度，接近程度越好，质量就越好，越偏离目标值，质量就越差。公差是人为地决定的，在公差之内，并不就说明就越差。公差是人为地决定的，在公差之内，并不就说明质量好，所以，质量好，所以，不能以是否在公差之内作为评定质量好坏不能以是否在公差之内作为评定质量好坏的标准的标准。29质量损失函数（质量损失函数（quality loss function）由田口玄一对质量的定

24、义可以得知由田口玄一对质量的定义可以得知:质量特性偏离目质量特性偏离目标就会造成损失。而噪声因素对质量特性的影响可以分为标就会造成损失。而噪声因素对质量特性的影响可以分为4 4种类型，如下图所示，因此为了减少质量特性偏离目标种类型，如下图所示，因此为了减少质量特性偏离目标值所造成的损失，必须确保达到目标值并实现波动最小。值所造成的损失，必须确保达到目标值并实现波动最小。30 在实际问题中存在不少误差因素，它们影响着产品在实际问题中存在不少误差因素，它们影响着产品质量。对这些误差因素可以采取两种办法：质量。对这些误差因素可以采取两种办法：1)消除这些因素消除这些因素:实际上往往很难做到，有的情况

25、下，即使实际上往往很难做到，有的情况下，即使能做到能做到,也要花费很大力气和很高的费用，这是不值得的；也要花费很大力气和很高的费用，这是不值得的；2)尽量降低误差因素的作用，使产品性能因误差因素变尽量降低误差因素的作用，使产品性能因误差因素变化而变化的敏感性最小。化而变化的敏感性最小。31 田口设计认识到，并非所有引起变异的因子都可以真田口设计认识到，并非所有引起变异的因子都可以真正得到控制。正得到控制。这些无法控制的因子称为这些无法控制的因子称为噪声因子噪声因子。田口设计尝试。田口设计尝试确认使噪声因子的效应最小化的可控制因子（控制因子）。确认使噪声因子的效应最小化的可控制因子（控制因子）。

26、在试验中，对噪声因子进行操作以强制产生变异，在试验中，对噪声因子进行操作以强制产生变异，然后中找出使过程或产品健壮（即对来自噪声因子的变异然后中找出使过程或产品健壮（即对来自噪声因子的变异有抵抗力）的最优控制因子设置。有抵抗力）的最优控制因子设置。根据稳健性设计指导思想，对产品的性能、质量和成根据稳健性设计指导思想，对产品的性能、质量和成本综合考虑，选择出最佳设计，既提高了产品质量，又降本综合考虑，选择出最佳设计，既提高了产品质量，又降低了成本，这种设计方法叫做稳健设计；低了成本，这种设计方法叫做稳健设计；32 一般而言，任何一个质量特性值在生产过程中均受一般而言，任何一个质量特性值在生产过程

27、中均受很多因素的影响，田口玄一博士将影响质量特性的因素很多因素的影响，田口玄一博士将影响质量特性的因素分为输入变量、可控变量和不可控变量，如图所示。分为输入变量、可控变量和不可控变量，如图所示。图图 影响质量特性的关键因素影响质量特性的关键因素 输入变量非设计参数 可控变量是田口方法的可控变量是田口方法的设计对象，所谓可控变设计对象，所谓可控变量，即可以调整和控制量，即可以调整和控制的参数，这种变量通常的参数，这种变量通常称为信号因子。称为信号因子。噪音因子（噪音因子（Noise Factors），就是），就是使质量特性偏离目使质量特性偏离目标值的因素。标值的因素。田口玄一博士将噪音因子分为三

28、类：即外部噪音，如温度、湿度、灰尘等；内部噪音，如劣化等；产品间噪音，如制造缺失等。33 传统概念中的安全性和可靠性只是理想质量的一部分，传统概念中的安全性和可靠性只是理想质量的一部分，在特殊情况下，也许有可能生产出具有理想质量的产品，在特殊情况下，也许有可能生产出具有理想质量的产品，但一般是做不到的。不管怎么说，理想质量可作为衡量质但一般是做不到的。不管怎么说，理想质量可作为衡量质量水准的一个有用的参考点，若产品的性能与预期的性能量水准的一个有用的参考点，若产品的性能与预期的性能不相符，就认为产品质量差。这种性能上的不符，会造成不相符，就认为产品质量差。这种性能上的不符，会造成产品用户及生产

29、厂家的损失，并且在不同程度上对社会的产品用户及生产厂家的损失，并且在不同程度上对社会的安定也会造成影响。安定也会造成影响。对待偏差问题，传统的方法是通过产品检测剔除超对待偏差问题，传统的方法是通过产品检测剔除超差部分或严格控制材料、工艺以缩小偏差。这些方法一方差部分或严格控制材料、工艺以缩小偏差。这些方法一方面很不经济，而且有时技术上也难以实现。面很不经济，而且有时技术上也难以实现。田口方法田口方法是是调调整设计参数整设计参数，使产品的功能、性能对偏差的起因不敏感，使产品的功能、性能对偏差的起因不敏感，以提高产品自身的抗干扰能力。以提高产品自身的抗干扰能力。34 如下图，如下图，x为可控的设计

30、因素，为可控的设计因素，z为不可控的噪声因为不可控的噪声因素（分散性无法控制），产品质量素（分散性无法控制），产品质量y受设计因素和噪声因受设计因素和噪声因素综合影响。通过合理调整设计因素素综合影响。通过合理调整设计因素x，可以使得，可以使得y对噪声对噪声因素因素z不再敏感，从而获得较好的产品质量稳健性。不再敏感，从而获得较好的产品质量稳健性。35 田口设计的著名示例来自田口设计的著名示例来自 20 世纪世纪 50 年代日本的年代日本的 Ina Tile 公司。该公司生产了大量在指定尺寸之外的瓦片。公司。该公司生产了大量在指定尺寸之外的瓦片。质量小组发现，用于烧制瓷砖的窑中的温度发生了变化，质

31、量小组发现，用于烧制瓷砖的窑中的温度发生了变化，从而导致了瓷砖的尺寸不均匀。由于建造新窑的成本很从而导致了瓷砖的尺寸不均匀。由于建造新窑的成本很高，因此无法消除温度变异。这样，温度就成了噪声因高，因此无法消除温度变异。这样，温度就成了噪声因子。使用田口设计的试验，小组发现通过增加粘土的石子。使用田口设计的试验，小组发现通过增加粘土的石灰含量（一个控制因子），瓷砖对窑内温度变异更具抵灰含量（一个控制因子），瓷砖对窑内温度变异更具抵抗力（即更健壮），使其可以生产出更均匀的瓷砖。抗力（即更健壮），使其可以生产出更均匀的瓷砖。36隧道式炉窑示意图隧道式炉窑示意图瓷砖品质改善前瓷砖厚度分布图瓷砖品质改善

32、前瓷砖厚度分布图37瓷砖烧制控制因子原水平设计值瓷砖烧制控制因子原水平设计值控制因子水平表控制因子水平表3839 L18(21 37)正交表正交表40瓷砖烧制试验试验用小型台车及瓷砖厚度测量位置瓷砖烧制试验试验用小型台车及瓷砖厚度测量位置41瓷砖烧制试验计划及试验数据表瓷砖烧制试验计划及试验数据表42每个控制因子变动对瓷砖厚度的影响每个控制因子变动对瓷砖厚度的影响每个控制因子变动对瓷砖厚度变异的影每个控制因子变动对瓷砖厚度变异的影响响调整因子水平，使目标：调整因子水平，使目标：1）瓷砖平均厚度）瓷砖平均厚度10.00mm；2）瓷砖厚度分布越靠近）瓷砖厚度分布越靠近10.00mm越好。越好。最佳

33、工艺：最佳工艺：A1(B)C3 D3 E1 F2 G3 H243结论：结论：工程技术人员不是去工程技术人员不是去“消除消除”引起瓷砖厚度变异的因引起瓷砖厚度变异的因素，而是去降低这些因素所引起的厚度变异；素，而是去降低这些因素所引起的厚度变异；给出有一组较给出有一组较“稳健稳健”的工艺。的工艺。工艺改善前后瓷砖厚度分布比较工艺改善前后瓷砖厚度分布比较44 田口设计使用正交表估计因子对响应平均值和变异田口设计使用正交表估计因子对响应平均值和变异的效应，可以单独研究每个效应，并可以减少使用部分的效应，可以单独研究每个效应，并可以减少使用部分设计的试验时与试验关联的时间和成本。设计的试验时与试验关联

34、的时间和成本。在经典设计试验中，主要目标是确认影响平均值响应在经典设计试验中，主要目标是确认影响平均值响应并将其控制在期望水平的因子。田口设计重点关注减少响并将其控制在期望水平的因子。田口设计重点关注减少响应变异，以及将平均值设置为目标。应变异，以及将平均值设置为目标。45 使所设计的产品质量稳定、波动性小，使生产过程使所设计的产品质量稳定、波动性小，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。的产品。田口方法的目的在于：田口方法

35、的目的在于：田口方法认为，产品开发的效益可用企业内部效益田口方法认为，产品开发的效益可用企业内部效益和社会损失来衡量和社会损失来衡量F企业内部效益企业内部效益体现在功能相同条件下的低成本体现在功能相同条件下的低成本；F社会效益则社会效益则以产品进入消费领域后给人们带来的影响作以产品进入消费领域后给人们带来的影响作为衡量指标为衡量指标。假如，由于一产品功能波动偏离了理想目标，给社假如，由于一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式的稳健性设计恰能在降低成

36、本、减少产品波动上发挥作用。用。46田口方法的特点田口方法的特点 田口方法的特色主要体现在以下几个方面：田口方法的特色主要体现在以下几个方面：F(1)“源流源流”管理理论管理理论 田口方法认为，开发设计阶段是保证产品质量的源田口方法认为，开发设计阶段是保证产品质量的源流，是上游，制造和检验阶段是下游。在质量管理中，流，是上游，制造和检验阶段是下游。在质量管理中，“抓好上游管理，下游管理就很容易抓好上游管理，下游管理就很容易”，若设计质量水平上，若设计质量水平上不去，生产制造中就很难造出高质量的产品。不去，生产制造中就很难造出高质量的产品。F(2)产品开发的三次设计法产品开发的三次设计法 产品开

37、发设计产品开发设计(包括生产工艺设计包括生产工艺设计)可以分为三个可以分为三个阶段进行，即系统设计、参数设计、容差设计。阶段进行，即系统设计、参数设计、容差设计。传统的多数设计是先追求目标值，通过筛选元器件来传统的多数设计是先追求目标值，通过筛选元器件来减少波动，这样做的结果是，尽管都是一级品的器件，但整减少波动，这样做的结果是，尽管都是一级品的器件，但整机由于参数搭配不佳而性能不稳定。机由于参数搭配不佳而性能不稳定。田口方法则先追求产品的稳定性，强调为了使产品对田口方法则先追求产品的稳定性，强调为了使产品对各种非控制因素不敏感可以使用低级品元件通过分析质量各种非控制因素不敏感可以使用低级品元

38、件通过分析质量特性与元部件之间的非线性关系特性与元部件之间的非线性关系(交互作用交互作用)找出使稳定性达找出使稳定性达到最佳水平的组合。到最佳水平的组合。产品的三次设计方法能从根本上解决内外干扰引起产品的三次设计方法能从根本上解决内外干扰引起的质量波动问题，利用三次设计这一有效工具，设计出的产的质量波动问题，利用三次设计这一有效工具，设计出的产品质量好、价格便宜、性能稳定。品质量好、价格便宜、性能稳定。47F(3)质量与成本的平衡性质量与成本的平衡性 引入质量损失函数这个工具，使工程技术人员可引入质量损失函数这个工具，使工程技术人员可以从技术和经济两个方面分析产品的设计、制造、使用、以从技术和

39、经济两个方面分析产品的设计、制造、使用、报废等过程，使产品在整个寿命周期内社会总损失最小。报废等过程，使产品在整个寿命周期内社会总损失最小。在产品设计中，采用容差设计技术，使得质量和在产品设计中，采用容差设计技术，使得质量和成本达到平衡，设计和生产出价廉物美的产品，提高产成本达到平衡，设计和生产出价廉物美的产品，提高产品的竞争力。品的竞争力。F(4)新颖、实用的正交试验设计技术新颖、实用的正交试验设计技术 使用综合误差因素法、动态特性设计等先进技术，使用综合误差因素法、动态特性设计等先进技术，用误差因素模拟各种干扰用误差因素模拟各种干扰(如噪声如噪声)，使得试验设计更具有，使得试验设计更具有工

40、程特色，大大提高试验效率，增加试验设计的科学性，工程特色，大大提高试验效率，增加试验设计的科学性，其试验设计出的最优结果在加工过程和顾客环境下都达其试验设计出的最优结果在加工过程和顾客环境下都达到最优。采用这种技术可大大节约试验费用。到最优。采用这种技术可大大节约试验费用。48质量波动与质量损失函数质量波动与质量损失函数1.质量波动及其原因质量波动及其原因 产品质量的形成过程中，由于受到产品质量的形成过程中，由于受到4M1E因素（人员、因素（人员、机器、材料、方法、环境机器、材料、方法、环境)的影响而发生波动，这是客观的影响而发生波动，这是客观存在的。质量特性值的重要特征之一就是它的波动性。存

41、在的。质量特性值的重要特征之一就是它的波动性。在完全相同的条件下生产制造的元器件、零部件，在完全相同的条件下生产制造的元器件、零部件，其质量特性值是参差不齐的，用它们来组装整机，在使其质量特性值是参差不齐的，用它们来组装整机，在使用中输出特性值也是变化的，一个优秀的工程技术人员用中输出特性值也是变化的，一个优秀的工程技术人员应正视这些事实，尽力设法衰减这种波动，使其减少到应正视这些事实，尽力设法衰减这种波动，使其减少到最低限度。最低限度。49 引起产品质量波动的原因称为质量干扰引起产品质量波动的原因称为质量干扰(噪声噪声)。质。质量干扰通常分为外部干扰、内部干扰和随机干扰量干扰通常分为外部干扰

42、、内部干扰和随机干扰1）外部干扰）外部干扰(外部噪声外部噪声)在产品使用或运行过程中，由于受到诸如温度、湿度、尘埃、在产品使用或运行过程中，由于受到诸如温度、湿度、尘埃、电源电压、人的因素等外界环境因素与条件变化而影响质量特性的稳电源电压、人的因素等外界环境因素与条件变化而影响质量特性的稳定性，称这种波动或变化为外部干扰。在产品设计时应考虑产品抗外定性，称这种波动或变化为外部干扰。在产品设计时应考虑产品抗外部干扰的能力。部干扰的能力。2）内部干扰）内部干扰(内部噪声内部噪声)产品在存贮或使用过程中，随着时间的推移而发生老化、劣产品在存贮或使用过程中，随着时间的推移而发生老化、劣化、磨损、内部组

43、织结构变化等内在因素变化，从而影响产品的质量化、磨损、内部组织结构变化等内在因素变化，从而影响产品的质量特性，称为内部干扰特性，称为内部干扰。3）随机干扰）随机干扰(随机噪声随机噪声)产品在生产制造过程中，由于人员、机器、材料、方法、环境产品在生产制造过程中，由于人员、机器、材料、方法、环境(4M1E)的微小变化而引起产品之间质量特性值的波动，称为随机干扰，的微小变化而引起产品之间质量特性值的波动，称为随机干扰，也称为物品间的干扰。也称为物品间的干扰。50误差因素误差因素所谓误差因素或噪声因素，是指除可控因素、标示因素、所谓误差因素或噪声因素，是指除可控因素、标示因素、区组因素、信号因素以外，

44、对产品输出特性值有影响的区组因素、信号因素以外，对产品输出特性值有影响的其他所有因素的总称。其他所有因素的总称。归纳概括起来有三种类型：归纳概括起来有三种类型：（1）外部的环境或载荷因子；）外部的环境或载荷因子；（2）产品非统一性造成的变差；）产品非统一性造成的变差；（3）恶化所引起的。）恶化所引起的。前面所说的物品间干扰、外干扰、内干扰就是误差前面所说的物品间干扰、外干扰、内干扰就是误差因素。因素。512.波动理论波动理论 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，使产品性能生波动也是不可避免的。试图完全消

45、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。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：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。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这就是质量工程的理论支柱波动理论波动理论 但值得注意的是，当输出响应但值得注意的是，当输出响应y y与控制因素与控制因素x x具有线性具有线性关系时，稳健参数设计方法失效。关系时，稳健参数设计方

46、法失效。如何获得关于每个噪声因素的最佳设置正是稳健参如何获得关于每个噪声因素的最佳设置正是稳健参数设计技术最具挑战力和优势的地方。数设计技术最具挑战力和优势的地方。5253从图中可以看出，曲线从图中可以看出，曲线R R点处点处为最佳设置，在该点响应的离为最佳设置，在该点响应的离散度处于最小状态。散度处于最小状态。由于质量特性由于质量特性Y Y与系统因素与系统因素(或控制因素或控制因素)x)x具有非线性关系具有非线性关系y y=f f(x x)，因，因此可以通过调整控制因素此可以通过调整控制因素x x的取值来寻找对随机因素的取值来寻找对随机因素(噪声因素噪声因素)不敏感的不敏感的参数水平，以获得

47、最佳设置点参数水平，以获得最佳设置点R R。5455 通常产品质量特性值通常产品质量特性值y y与某些元部件参数的水平之间存在着非线性关系，与某些元部件参数的水平之间存在着非线性关系，假如某一产品输出特性值为假如某一产品输出特性值为y y，目标值为，目标值为m m，选用的某元件参数为，选用的某元件参数为x x，其波动范，其波动范围为围为x(x(一般呈正态分布一般呈正态分布)，若参数，若参数x x取水平取水平x x1 1，由于波动，由于波动xx，引起，引起y y的波动的波动为为yy1 1(如图如图)，通过参数设计，将，通过参数设计，将x1x1移到移到x2x2，此时同样的波动范围，此时同样的波动范

48、围xx，引起，引起y y 的波动范围缩小成的波动范围缩小成yy2 2，由于非线性效应十分明显，由于非线性效应十分明显，yy1 1yy2 2，即提高了元件，即提高了元件质量等级后，对应于质量等级后，对应于x1x1的产品质量特性的产品质量特性y y的波动范围仍然比采用较低质量等级的波动范围仍然比采用较低质量等级元件、对应于水平元件、对应于水平x2x2的的y y波动范围波动范围yy2 2要宽，由此可以看出参数设计的优越性。要宽，由此可以看出参数设计的优越性。参数设计的非线性效应图参数设计的非线性效应图56 由于误差因素的客观存在，使得产品输出特性具有波由于误差因素的客观存在，使得产品输出特性具有波动

49、，它是不能被设计者控制的因素，有些因素的控制很困动，它是不能被设计者控制的因素，有些因素的控制很困难，或是费用昂贵，也归为误差因素。难，或是费用昂贵，也归为误差因素。考虑误差因素的目的为了模拟三种干扰，从而减少它考虑误差因素的目的为了模拟三种干扰，从而减少它们在产品生产和使用时的影响，寻求抗干扰能力强，性能们在产品生产和使用时的影响，寻求抗干扰能力强，性能稳定的产品。稳定的产品。误差因素为数众多，不能一一列举。通常只要考虑几误差因素为数众多，不能一一列举。通常只要考虑几个性质不同的主要误差因素就够了。因为，不受主要误差个性质不同的主要误差因素就够了。因为，不受主要误差因素影响的、质量稳定的产品

50、，通常也不受其余误差因素因素影响的、质量稳定的产品，通常也不受其余误差因素的影响。的影响。稳健设计就是要使误差因素或噪声因子的效果最小，稳健设计就是要使误差因素或噪声因子的效果最小，从而使质量特征达到最优，改进产品质量，因此，从而使质量特征达到最优，改进产品质量，因此，在稳健在稳健设计中，辨认出主要的噪声因子是很重要的设计中，辨认出主要的噪声因子是很重要的。57 为了定量描述产品质量损失，为了定量描述产品质量损失，Tahuchi提出提出“损失函损失函数（数（Loss Function）”的概念，认为产品不满足规范要求的概念，认为产品不满足规范要求会造成损失，产品满足规范要求也会造成损失，只有当