產(chǎn)品壽命周期質(zhì)量分析與控制技術(shù)-質(zhì)量的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計課件

產(chǎn)品壽命周期質(zhì)量分析與控制技術(shù)

——質(zhì)量的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計

（田口方法、三次設(shè)計）產(chǎn)品壽命周期質(zhì)量分析與控制技術(shù)

1質(zhì)量的穩(wěn)健性設(shè)計

穩(wěn)健性設(shè)計是實現(xiàn)低成本、高質(zhì)量的有效方法。傳統(tǒng)的設(shè)計思想認為：只有用質(zhì)量最好的原材料（零部件），才能組裝成質(zhì)量最好的整機；只有最嚴格的工藝條件才能制造出質(zhì)量最好的產(chǎn)品?？傊?，材料、元器件質(zhì)量特性越好，可行性就越高。質(zhì)量的穩(wěn)健性設(shè)計穩(wěn)健性設(shè)計是實現(xiàn)低成本、高質(zhì)量的有效方法。2

70年代，世界上技術(shù)先進國家已開始以一種全新的設(shè)計概念取代了傳統(tǒng)的設(shè)計思想。設(shè)計中心思想是采用最低廉的元件組裝成品質(zhì)量最好，可靠性最高的整機；采用最寬松的工藝條件加工出質(zhì)量最好、成本最低、收益最高的產(chǎn)品。其口號是“用三類元件設(shè)計制造出一類整機”。

70年代，世界上技術(shù)先進國家已開始3

在國際市場上占有最大份額的日本電氣產(chǎn)品以及美國三大汽車公司等都是在這種設(shè)計概念下取得了最好的技術(shù)經(jīng)濟效果，在放寬工藝要求，降低制造成本的條件下制造出高品質(zhì)的產(chǎn)品。在國際市場上占有最大份額4

穩(wěn)健性設(shè)計是日本著名的質(zhì)量管理專家田口玄一博士于70年代初創(chuàng)立的質(zhì)量管理新技術(shù)。這是一種最新穎、科學、有效的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計方法。該理論和方法不僅受到日本同時也受到歐美各國應(yīng)用統(tǒng)計學家、質(zhì)量管理專家、工程設(shè)計專家和企業(yè)人士關(guān)注，并在工程實際中得到了廣泛應(yīng)用。因而人們將這種方法和理論稱之為“田口方法”。穩(wěn)健性設(shè)計是日本著名5

據(jù)資料介紹，日本數(shù)百家公司每年應(yīng)用田口方法完成10萬項左右的實例項目研究，在不增加成本的情況下，大大提高了產(chǎn)品設(shè)計和制造質(zhì)量。田口的穩(wěn)健性設(shè)計方法被日本人作為日本產(chǎn)品打入國際市場并暢銷不衰的奧妙之一；是日本經(jīng)濟騰飛的秘訣和成功之道。據(jù)資料介紹，日本數(shù)百家公司每年應(yīng)用田口方法6

許多大公司的“設(shè)計規(guī)程”中明確指出設(shè)計人員在設(shè)計過程中必須采用田口方法的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計方法，否則在技術(shù)評審中難以通過。美國波音公司已采用田口方法成功地進行了飛機尾翼設(shè)計。美國航空航天局從94年開始計劃用3—4年時間推行田口方法，從對高級領(lǐng)導人進行培訓、轉(zhuǎn)變觀念入手，并首先在航天飛機燃料儲箱設(shè)計中應(yīng)用。田口方法在美國工業(yè)界的廣泛的應(yīng)用許多大公司的“設(shè)計規(guī)程”中明確指出設(shè)計人員在設(shè)計過程中必7

美國每年完成的案例在5000個以上。美國應(yīng)用田口方法節(jié)約經(jīng)費達九百萬美元，另外，美國70%以上的工程技術(shù)人員了解田口方法。由于世界范圍內(nèi)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)興起和社會生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，國際市場競爭的焦點已開始由價格的競爭轉(zhuǎn)向質(zhì)量設(shè)計的競爭。設(shè)計競爭的嚴峻形勢迫使每個企業(yè)重新考慮其質(zhì)量經(jīng)營戰(zhàn)略。美國每年完成的案例在508

工業(yè)界的質(zhì)量意識空前提高，開始制定以顧客需求為中心的質(zhì)量戰(zhàn)略和以質(zhì)量管理為根本內(nèi)容的經(jīng)營戰(zhàn)略，注重加強研制階段的質(zhì)量設(shè)計和質(zhì)量分析。穩(wěn)健性設(shè)計技術(shù)不僅可以使企業(yè)以最快的開發(fā)速度，最低的開發(fā)成本，最穩(wěn)健的開發(fā)質(zhì)量滿足顧客的現(xiàn)實需求和潛在需求，從而獲得最好的資本增值效益，同時，也是躋身世界及公司的必由之路。工業(yè)界的質(zhì)量意識空前提高，開9

田口博士的三次設(shè)計方法是利用產(chǎn)品的性能指標同有關(guān)的各個參數(shù)之間函數(shù)關(guān)系的計算，優(yōu)選出好的參數(shù)組合，以使產(chǎn)品的性能指標達到最優(yōu)化質(zhì)量成本和最低化設(shè)計要求。這種方法主要用于可計算性產(chǎn)品的參數(shù)設(shè)計。田口博士的三次設(shè)10

三次設(shè)計通常有：直接擇優(yōu)——指能夠根據(jù)某一數(shù)量化的指標，直接判別設(shè)計條件的優(yōu)劣，選擇優(yōu)良的設(shè)計參數(shù)組合；穩(wěn)定性擇優(yōu)——指在考慮影響產(chǎn)品性能指標各因素都有誤差波動的情況下，先選取好的條件和參數(shù)組合、使產(chǎn)生的性能指標盡可能穩(wěn)定在設(shè)計的目標值附近，再規(guī)劃各零部件或參數(shù)的波動幅度，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下能充分照顧到質(zhì)量效益。

三次設(shè)計通常有：11三次設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)設(shè)計容差設(shè)計三次設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計121、系統(tǒng)設(shè)計

指專業(yè)人員根據(jù)各個的技術(shù)領(lǐng)域的專門知識，對產(chǎn)品進行整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，也就是通常所說的產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計階段，需要求出產(chǎn)品的性能指標與各有關(guān)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。1、系統(tǒng)設(shè)計指專業(yè)人員根據(jù)各個的技術(shù)領(lǐng)域的專門知識，對產(chǎn)132、參數(shù)設(shè)計

指在全系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上，決定或選定系統(tǒng)各參數(shù)的最優(yōu)參數(shù)組合。要求不僅應(yīng)使產(chǎn)品有良好性能，而且在環(huán)境改變或元器件有所波動劣化的情況，按照這種參數(shù)組合制造出來的產(chǎn)品，在性能上仍能保持穩(wěn)定。2、參數(shù)設(shè)計指在全系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上，決定或選定系統(tǒng)各參數(shù)的最14根據(jù)具體情況來決定采用：

1、直接擇優(yōu)——既利用選優(yōu)正交表，經(jīng)過幾輪設(shè)計，求得參數(shù)的最佳組合。2、穩(wěn)定性擇優(yōu)——既利用選用正交表與誤差正交表安排設(shè)計方案和計算，得到第一輪擇優(yōu)設(shè)計的好條件；重復(fù)第一輪的步驟，進行第二、第三輪穩(wěn)定性擇優(yōu)設(shè)計，前一輪的好條件作為后一輪的初始條件。如此循環(huán)若干輪可找到工程滿意的好條件，整數(shù)化后即可得穩(wěn)定性擇優(yōu)設(shè)計的參數(shù)組合。參數(shù)設(shè)計根據(jù)具體情況來決定采用：1、直接擇優(yōu)——既利用選優(yōu)正交表，153、容差設(shè)計

參數(shù)設(shè)計后確定了一組參數(shù)組合。但：1、是否還能減少參數(shù)波動幅度使產(chǎn)品質(zhì)量特性更加穩(wěn)定？2、是否可以適當降低元器件精度等級以降低成本？這兩個問題實質(zhì)上是確定適當?shù)脑骷?，以使產(chǎn)品的使用壽命周期費用最低。3、容差設(shè)計參數(shù)設(shè)計后確定了一組參數(shù)組合。但：16穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)的基本原理噪聲因素

波動是產(chǎn)生質(zhì)量問題的根源，在實際生產(chǎn)的過程中，往往存在著一些人們無法控制或難以控制的因素。我們稱這些不可控制的因素為噪聲因素或隨機因素。正是這些無法窮盡的潛在變化的相互作用導致了技術(shù)功能，產(chǎn)品性能和工藝過程的波動。穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)的基本原理噪聲因素17

同時在設(shè)計和制造過程中還存在的一組相對穩(wěn)定并可加以控制的因素，如原材料的規(guī)格、技術(shù)人員的技能和設(shè)計水平、測量設(shè)備精度、相對穩(wěn)定的環(huán)境和溫定。這些因素為可控因素和系統(tǒng)因素。正是這些可控因素才使得產(chǎn)品性能、工藝過程和技術(shù)功能具有一定的穩(wěn)定性。同時在設(shè)計和制造18波動理論

由于噪聲因素是客觀存在的和難以控制的，由此產(chǎn)生波動也是不可避免的。試圖完全消除波動，使產(chǎn)品性能和技術(shù)功能的質(zhì)量特性始終在設(shè)計目標上是永遠達不到。因此改進產(chǎn)品性能，提高質(zhì)量的奮斗目標是：永無止境地減少波動，使產(chǎn)品、工藝過程、技術(shù)功能對各種噪聲因素不敏感，向著波動為零的目標邁進。這就是質(zhì)量工程的理論支柱——波動理論。波動理論由于噪聲因素是客觀存在的和難以控制的，由此產(chǎn)生波19

實現(xiàn)這一理論的方法的就是源頭治理，即利用穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)尋找可控因素的一組水平組合，使刻劃產(chǎn)品/工藝過程性能或技術(shù)功能的輸出質(zhì)量特性圍繞設(shè)計目標時的波動盡可能小。波動理論實現(xiàn)這一理論的方20選擇最有效的輸出質(zhì)量特性

實施穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)首先要選擇最有效的輸出質(zhì)量特性，尤其是在技術(shù)開發(fā)階段，這一要素的正確選擇顯得更加重要。只有對有效的輸出質(zhì)量特性進行測量才能反映產(chǎn)品/工藝性能或技術(shù)功能的基本特征，進而確定輸出的基本功能和理想功能。選擇最有效的輸出質(zhì)量特性實施穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)首先要選擇最有21

實施穩(wěn)健技術(shù)的目的：減少產(chǎn)品性能和技術(shù)功能波動，既減少輸出質(zhì)量特性圍繞設(shè)計目標值T的波動，就要給出基本功能波動的度量。保證基本功能的性能穩(wěn)健取決于兩點：一是輸出質(zhì)量特性本身的波動?。欢窃撡|(zhì)量特性應(yīng)盡可能接近設(shè)計目標值。性噪比函數(shù)S/N能準確地反映這兩個特性。實施穩(wěn)健技術(shù)的目的：減少產(chǎn)22選擇有效的輸出質(zhì)量特性、可控和噪聲因素如何選擇最有效的輸出質(zhì)量特性是進行穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)關(guān)鍵的第一步，應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)過程的不同階段對產(chǎn)品質(zhì)量影響的重要程度，將產(chǎn)品質(zhì)量水平相應(yīng)的劃分：下游質(zhì)量中游質(zhì)量上游設(shè)質(zhì)量源頭質(zhì)量。選擇有效的輸出質(zhì)量特性、可控和噪聲因素如何選擇最有效的輸出質(zhì)23上游質(zhì)量特性的重要性

大多數(shù)可控因素已在源頭、上游和中游階段確定，并且難以改變，所以下游質(zhì)量特性大多是不可控的噪聲因素。雖然這些因素不能直接作為有效的輸出質(zhì)量特性，但是可能對設(shè)計輸出質(zhì)量特性有重要的影響。上游質(zhì)量特性是產(chǎn)品/工藝設(shè)計階段最重要的指標，對于改進和提高某種產(chǎn)品的穩(wěn)健性是至關(guān)重要的，可作為該階段的有效質(zhì)量特性。上游質(zhì)量特性的重要性大多數(shù)可控因素已在源頭、上游和中游24技術(shù)開發(fā)階段的源頭質(zhì)量

技術(shù)開發(fā)階段是開發(fā)一般的技術(shù)，該技術(shù)的穩(wěn)健性可有效地開發(fā)一族產(chǎn)品。所以源頭質(zhì)量是該階段最有效的質(zhì)量特性。采用該質(zhì)量特性才能揭示一般技術(shù)的基本功能，進而提高研究開發(fā)效率，使得小規(guī)模實驗室試驗和研究開發(fā)仿真的結(jié)果在制造和用戶環(huán)境中再現(xiàn)。技術(shù)開發(fā)階段的源頭質(zhì)量技術(shù)開發(fā)階段是開發(fā)一般的技術(shù)，該技25確定基本功能的理想功能

在選擇有效的輸出質(zhì)量特性之后，找出該質(zhì)量特性與輸出質(zhì)量特性之間的內(nèi)在規(guī)律是穩(wěn)健設(shè)計的關(guān)鍵所在。田口定義了基本功能和反應(yīng)輸入和輸出之間的理想狀態(tài)。確定基本功能的理想功能在選擇有效的輸出質(zhì)量特性之后，找出26

基本功能：某種技術(shù)和產(chǎn)品的能量轉(zhuǎn)換功能，它反映的是該技術(shù)和產(chǎn)品輸入與輸出之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)：Y為輸出質(zhì)量特性；X=(x1,x2，…xn)為可控因素；Z=(z1,，z2,…zn)為噪聲因素；則：輸入質(zhì)量特性M=(X,Z)通?；竟δ芸杀硎緸?Y=f(x1,x2，…xn，z1,，z2,…zn)=f(M)基本功能的理想功能基本功能：某種技術(shù)和產(chǎn)品的能27

理想功能：無論在任何條件下，基本功能都滿足理想關(guān)系式：Y=βM當基本功能為理想功能時，由于輸入和輸出是線性關(guān)系，所以具有良好的可調(diào)整性。在技術(shù)開發(fā)階段，當開發(fā)了穩(wěn)健的一般技術(shù)Y之后，可以通過調(diào)整β，開發(fā)一族穩(wěn)健的產(chǎn)品?；竟δ艿睦硐牍δ芾硐牍δ埽簾o28基本功能穩(wěn)健性的度量—S/N穩(wěn)健設(shè)計的目的是調(diào)整技術(shù)或產(chǎn)品輸入的參數(shù)水平，最大限度地減少輸出的波動，使得技術(shù)功能和產(chǎn)品性能穩(wěn)健。這種穩(wěn)健性主要表現(xiàn)為：Y圍繞設(shè)計目標值T的波動盡可能小?；竟δ芊€(wěn)健性的度量—S/N穩(wěn)健設(shè)計的目的是調(diào)整技術(shù)或產(chǎn)品輸29

一方面要求無論在任何噪聲因素的干擾下Y的波動都能最大限度地減小。輸出質(zhì)量特性Y的方差σ2恰好刻劃了Y圍繞其期望值E(Y)=μ的波動。另一方面要求Y盡可能地接近達到設(shè)計目標值T。將這種調(diào)整的效果稱為靈敏度μ2能夠較好的刻劃Y的平均狀況，可將其視為靈敏度的一種度量。當Y=βM時，β2表示調(diào)整的靈敏度?；竟δ芊€(wěn)健性的度量—S/N一方面要求無論在任何噪聲因30

基本功能的穩(wěn)健性不僅要求σ2小，而且要求靈敏度高。用η描述這兩個指標，即：當Y=βM時基本功能穩(wěn)健性的度量—S/N基本功能的穩(wěn)健性不31

為了獲得穩(wěn)定性好的質(zhì)量，希望質(zhì)量特征越接近目標值越好；同時，要求質(zhì)量特征對噪聲干擾抵抗力越強越好，即要求質(zhì)量特征試驗的多次觀察值的平均值越接近目標值越好，同時，偏差變化越小越好。由于信噪比S／N函數(shù)既考慮到質(zhì)量特征的平均水平又考慮到其波動范圍，因此，用S／N來評價質(zhì)量水平是比較合理的和全面的，信噪比S／N越大，說明產(chǎn)品質(zhì)量水平越高。

基本功能穩(wěn)健性的度量—S/N為了獲得穩(wěn)定性好的質(zhì)量，32

田口曾提出70多種不同的信噪比函數(shù)表達式，每一種表達式都有其適用的條件和范圍，下面描述三種常用的S／N函數(shù)。（1）N型信噪比函數(shù)。用于質(zhì)量特征目標值為一確定值的情況下的試驗結(jié)果的分析和優(yōu)選，如尺寸、輸出電壓等質(zhì)量特征的設(shè)計。穩(wěn)健性的度量—信噪比S/N田口曾提出33

式中：yi_——表示觀測值，i=1,2,…n采樣數(shù)。穩(wěn)健性的度量—信噪比S/N式中：穩(wěn)健性的度量—信噪比34

（2）B型信噪比函數(shù)。用于質(zhì)量性能目標值的越大越好情況下的試驗結(jié)果的分析和優(yōu)選，如強度、壽命等質(zhì)量特征設(shè)計。穩(wěn)健性的度量—信噪比S/N（2）B型信噪比函數(shù)。用于質(zhì)量性能目標35（3）S型信噪比函數(shù)。用于質(zhì)量特征目標值為越小越好情況下的試驗結(jié)果的分析和優(yōu)選，如噪聲、有害物質(zhì)、污染等質(zhì)量特征設(shè)計。穩(wěn)健性的度量—信噪比S/N（3）S型信噪比函數(shù)。用于質(zhì)量特征目標值為越小越好情況下36參數(shù)設(shè)計中的正交實驗技術(shù)案例1參數(shù)設(shè)計中的正交實驗技術(shù)案例137對瓷磚生產(chǎn)進行試驗的案例某制陶企業(yè)需要改進產(chǎn)品質(zhì)量，運用正交表進行試驗。試驗指標：一百塊瓷磚中的不合格品。試驗影響因素有7個，都是與配料有關(guān)。因素的位級有2個。如表1：對瓷磚生產(chǎn)進行試驗的案例某制陶企業(yè)需要改進產(chǎn)品質(zhì)量，運用正交38表1因素位級位級1位級2A:某添加物的量B:某添加物的量C:臘石量D:臘石種類E:裝入量F:熟石量G:長石量A1:=5%B1:粗（現(xiàn)用）C1:=43%D1:現(xiàn)用E1:1300kgF1:0%G1:0%A2:=1%B2:細（新用）C2:=53%D2:新用E2:1200kgF2:=4%G2:=5%因素位級表表1因素位級位級1位級2A:某添加物的量A1:=539L8正交表因素搭配及試驗數(shù)據(jù)L8（27）正交表ＡＢＣＤＥＦＧ１２３４５６７因素試驗號列因素內(nèi)容添加物量添加粒度臘石量臘石種類裝入量熟料量長詩量1234567特性值100塊窯中央的瓷磚不合格品數(shù)（塊）123456781111222211221122112222111212121212122121122112211221211255551111粗粗粗粗細細細細細現(xiàn)新現(xiàn)新現(xiàn)新現(xiàn)新4343535353534343434353535353434304400440055050051301201301201201301201301817120606684226L8正交表因素搭配及試驗數(shù)據(jù)L8（27）正交表ＡＢＣＤＥ40計算與討論當要對A因素的A1和A2進行比較時，將A1條件下第1，2，3，4試驗所對應(yīng)的不合格品數(shù)相加，同理對A2A1=16+17+12+6=51A2=6+68+42+26=142得：將A1和A2條件下的平均不合格品率A1=12.75%A2=35.50%計算與討論當要對A因素的A1和A2進行比較時，將A1條件下第41結(jié)果計算因素和位級計算不合格品總數(shù)（塊）不合格品率（%）選擇ABCDEFGA1A2B1B2C1C2D1D2E1E2F1F2G1G251

142107

86101

9276

117122

7154

139132

6112.75

35.5026.75

21.5025.25

23.0019.00

29.2630.50

17.7513.50

34.7533.00

15.26A1B2C2D1E2F1G2極差9121941518571結(jié)果計算因素和位級計算不合格品總數(shù)（塊）不合格品率（%）選42

根據(jù)各因素在兩個位級條件下不合格品率的數(shù)值，確定較優(yōu)的一個位級，得到瓷磚生產(chǎn)的最佳條件為：A1B2C2D1E2F1G2根據(jù)各因素在兩個位級條件下不合格品率的數(shù)43

實驗證明，采用正交表進行試驗，可以把小規(guī)模的實驗室試制結(jié)果，直接應(yīng)用到生產(chǎn)現(xiàn)場中去。這是因為在正交試驗中，盡管其他因素發(fā)生變化，其主要效應(yīng)因素仍具有很強的效應(yīng)再現(xiàn)性，這是正交表的重要特性。實驗證明，采用正交44正交試驗設(shè)計原理1、正交表及其結(jié)構(gòu)L8(27)正交表代號表的縱向列數(shù)（因素數(shù)）表的字碼數(shù)（位級數(shù)）表的橫行數(shù)（試驗數(shù)）正交試驗設(shè)計原理1、正交表及其結(jié)構(gòu)L8(27)正交表代號表的45列行號12345671234567811111111112222122112212222112121212212212122112212212112L8(27)表列行號1234546

結(jié)構(gòu)特點：1、每列有四個“1”，四個“2”2、每任意兩列的8個數(shù)中（橫組合）的（1，1）（1，2）（2，1）（2，2）正好各出現(xiàn)兩次結(jié)構(gòu)特點：47L9(34)表列號行號1234567891234111222333123123123123231312123312231L9(34)表列號行號1248

結(jié)構(gòu)特點：1、每列中的“1”，“2”，“3”（試驗因素）個出現(xiàn)三次，即：三個“1”，三個“2”，三個“3”。2、每任意兩列的9個數(shù)中的（1，1）（1，2）（1，3）（2，1）（2，2）（2，3）（3，1）（3，2）（3，3）正好各出現(xiàn)一次結(jié)構(gòu)特點：49

因此，正交表所具有的兩個特點，稱為結(jié)構(gòu)上必須滿足的兩個條件。因此，正交表所具有的兩個特點，50

常見的還有：L12(211)L16(215)L4(23)L18(37)L18(21×37)L18(61×36)L12(31×24)等常見的還有：51正交表的特性均衡分散性能夠較全面地反映出試驗的結(jié)果，試驗結(jié)果得好點，即使不是最好點，也是相當好的點和相當好的生產(chǎn)條件。正交表的特性均衡分散性52135624987A1A3A2C3C2C1B3B2B1135624987A1A3A2C3C2C1B3B2B153

整齊可比性多因素的可比，在一個因素處于一種位級時，其他各種因素的位級變化是有規(guī)律的和均勻的。對一種因素的對比，找出級差，確定它處于是否是主要因素，可看出靈敏度的問題。整齊可比性54結(jié)果計算因素和位級計算不合格品總數(shù)（塊）不合格品率（%）選擇ABCDEFGA1A2B1B2C1C2D1D2E1E2F1F2G1G251

142107

86101

9276

117122

7154

139132

6112.75

35.5026.75

21.5025.25

23.0019.00

29.2630.50

17.7513.50

34.7533.00

15.26A1B2C2D1E2F1G2極差9121941518571結(jié)果計算因素和位級計算不合格品總數(shù)（塊）不合格品率（%）選55

交互作用當兩個因素結(jié)合時，可能會產(chǎn)生比兩個獨立作用得更顯著效果，稱此為“交互作用”用符號A×B表示。應(yīng)盡量避免有交互作用，如不可避免，應(yīng)在正交表中列出。（相當于把因素列增加）交互作用56特性值因素B1因素B2A1A2因素A特性值因素B1因素B2A1A2因素A特性值因素B1因素B2A1A2因素A特性值因素B1因素B2A1A2因素A有互交作用無互交作用特性值因素B1因素B2A1A2因素A特性值因素B1因素B2A57表頭設(shè)計ABA×BCA×CB×CD特征值列號試驗號1234567yi1234567811111111112222122112212221112121212212212122112212212112y1y2y3y4y5y6y7y8ⅠⅡRA1B1(A×B)1C1(A×C)1(B×C)1D1A2B2(A×B)2C2(A×C)2(B×C)2D2RARBR(A×B)RCR(A×C)R(B×C)RD有交互作用的L8正交表級差表頭設(shè)計ABA×BCA×58正交試驗方法的步驟確定參數(shù)項目和位級（可控因素）A、B…（內(nèi)側(cè)正交表）確定干擾因素（不可控因素：材質(zhì)、環(huán)境….）（外側(cè)正交表）確定內(nèi)側(cè)正交表時，取決于正交表方案。確定外側(cè)正交表時，每對應(yīng)一個內(nèi)側(cè)的試驗號，就有？個試驗結(jié)果。正交試驗方法的步驟確定參數(shù)項目和位級（可控因素）A、B…59列No.ABCD1234123┊┊1811111222（內(nèi)側(cè)表）1333┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊y11y12y13……y118y21…………y218

y31…………y318

┊┊┊┊y181…………y1818列KLMNo.12311111223133(外側(cè)表)┊┊┊┊┊┊┊┊18┊┊┊外部因素列ABCD11160

考慮他們的優(yōu)良程度：信噪比η=S/N=(信號功率)/(噪聲功率)=（可控因素的效果）/（不可控因素的效果）η越接近1，說明干擾的因素影響不大，質(zhì)量的波動越小，穩(wěn)定性和可靠性越好?？紤]他們的優(yōu)良程度：61內(nèi)側(cè)正交表外側(cè)正交表SN比列No.ABCD12345678No.123…………18η12345┊┊1811111111112222221133333312112233┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊23321231y11y12y13………y118y21……………y218

y31……………y318

┊…………y181………………y1818

η1η2η

18評價數(shù)據(jù)的計算法內(nèi)側(cè)正交表外側(cè)正交表SN比62容差設(shè)計選擇系統(tǒng)各元件的最佳參數(shù)組合是參數(shù)設(shè)計的目的。當僅用參數(shù)設(shè)計還不能充分衰減內(nèi)、外噪聲的影響時，即使要增加成本，也應(yīng)將元件自身的波動控制在一定的范圍之內(nèi)，這就是要進行容差設(shè)計的目的。因此，容差設(shè)計在參數(shù)設(shè)計之后進行。容差設(shè)計選擇系統(tǒng)各元件的最佳參數(shù)組合是參數(shù)設(shè)計的63容差設(shè)計的過程1.首先要研究，按參數(shù)設(shè)計確定的最佳水平組合取值、但選用價格低廉的零部件或元器件（即它們本身質(zhì)量等級較低，誤差較大）時，系統(tǒng)質(zhì)量特性值的波動有多大。此時，仍要應(yīng)用實驗設(shè)計法這一工具。容差設(shè)計的過程1.首先要研究，按參數(shù)設(shè)計確定的最佳水平組合64容差設(shè)計的過程2.各誤差因子的各水平均確定之后，即可將誤差因子分配給選定的正交表。在直接對這些數(shù)據(jù)進行方差分析后，即可判斷哪些誤差因子對質(zhì)量特性值的影響大。對于貢獻大的誤差因子，可選用質(zhì)量等級高的優(yōu)質(zhì)元件，這樣就能有效控制住質(zhì)量特性值的波動，提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性了。容差設(shè)計的過程2.各誤差因子的各水平均確定之后，即可將65

由于采用高質(zhì)量的元件將提高產(chǎn)品成本，故應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟性分析來確定元件的容許偏差。產(chǎn)品的功能受噪聲影響會偏離目標值，隨偏離的程度不同，將給用戶帶來程度不同的損失。由于采用高質(zhì)量的元件將提高產(chǎn)66

設(shè)質(zhì)量特性值的實測值和目標值分別為y和m，y偏離m時的損失用L(y)表示，則L(y)是(y-m)的函數(shù)，稱為損失函數(shù)。將L(y)在m附近展開成泰勒級數(shù)，則有設(shè)質(zhì)量特性值的實測值和目標值分別為y和m67

由于L(m)=0，L’(m)=0，所以展開式的第一項和第二項均為0，第三項成了主要項。另外，因偏離量(y-m)不會太大，忽略高次項，則損失函數(shù)可近似表示為式中由于L(m)=0，L’(m)=0，所以68

若把產(chǎn)品不能正常發(fā)揮其功能的極限偏差記為Δ0，把偏差為Δ0時的損失記為A0，則上式中的k值可求解如下:

k=

A0/Δ02若把產(chǎn)品不能正常發(fā)揮其功能的極限偏差69

假設(shè)電視機電源直流輸出的目標值m=100V，當輸出電壓偏離目標值15V時，因電視機發(fā)生故障，用戶損失A0=50元，則：

k=50/152≈0.22元/V2

假設(shè)電視機電源直流輸出的目70

工廠在制造產(chǎn)品時，產(chǎn)品容差一般應(yīng)比小。當產(chǎn)品質(zhì)量特性值的偏差大于時，產(chǎn)品就是不合格品。如把因產(chǎn)品不合格而給企業(yè)帶來的損失記為A，代入損失函數(shù)可得故工廠在制造產(chǎn)品時，產(chǎn)品容差一般應(yīng)比71

對于式：所謂“偏離目標值就會給用戶帶來損失”的意義是，如果產(chǎn)品出廠時其質(zhì)量特性值就與目標值有一定的差，則該產(chǎn)品抗元件老化和磨損的能力就會降低，對外部使用條件變化的容許范圍也會變狹，產(chǎn)品壽命縮短，使用范圍縮小，都將給用戶帶來損失。上式中的L(y)就是這種損失的期望值。對于式：72

相對于產(chǎn)品（或系統(tǒng)），構(gòu)成此產(chǎn)品的元件（或零件）的特性參數(shù)稱為下位特性。在對這些元件進行三次設(shè)計時，要根據(jù)他們對產(chǎn)品質(zhì)量特性值（又稱為上位特性）影響大小來確定容差。相對于產(chǎn)品（或系統(tǒng)）73

設(shè)元件（或零部件）的質(zhì)量特性值為x，m為x目標值，β為元件的參數(shù)每變化一個單位時上位特性變化的大小，則元件參數(shù)變化對上位特性的影響，可用損失函數(shù)表示為設(shè)元件（或零部件）的質(zhì)量特性值為74

如某元件對上位特性值的影響很大，為了提高上位特性的穩(wěn)定性，就應(yīng)采取修復(fù)或把此元件換成質(zhì)量等級更高的元件等措施。若把修復(fù)或更換引起的損失（或生產(chǎn)成本的增加）記為A，并用A取代左邊的L，即可求出容許波動范圍。如某元件對上位特性值的影響很大，為了提高上75

即一般元件和系統(tǒng)下位特性的容差為即一般元件和系統(tǒng)下位特性的容76

綜上所述，進行容差設(shè)計時，首先要研究采用廉價元件時，參數(shù)設(shè)計是否滿足上位特性的質(zhì)量要求。如不能滿足，則應(yīng)進一步分析對上位特征影響大的下位特性有哪些，并結(jié)合經(jīng)濟性分析，確定這些下位特性的容差，從中找出既能滿足上位特性質(zhì)量要求，又不致使生產(chǎn)成本增加太多（即A較?。┑母牧挤桨浮＞C上所述，進行容77應(yīng)用實例（機車發(fā)動機的連接部件）一個彈性聯(lián)接件一個尼龍管裝配而成質(zhì)量設(shè)計的目標是：盡可能增大該聯(lián)接部件的牽引力

應(yīng)用實例（機車發(fā)動機的連接部件）一個彈性聯(lián)接件781質(zhì)量目標的影響因素及水平4個可控因素為：A）

彈性聯(lián)接件和尼龍管之間的配合過盈量B）

尼龍管的壁厚；C）

彈性聯(lián)接件在尼龍管中的插入深度；D）

粘接劑的粘著力；3個噪聲因素有：E）

時間，F(xiàn)）溫度，G）濕度，1質(zhì)量目標的影響因素及水平4個可控因素為：79

研究目的是尋找可控因素A、B、C、D的最佳配合，使裝配牽引力最大，而且受噪聲因素變化的影響最小。可控因素分三級，噪聲因素分兩級，由于噪聲因素在通常的操作中難以控制，試驗中將噪聲因素控制在截然不同的兩個水平上，表中所示為本試驗的因素和水平。研究目的是尋找可80因素和水平可控因素213彈性聯(lián)接件與尼龍管之間配合過盈量;尼龍管管壁厚度;彈性聯(lián)接件在尼龍管中的插入深度;粘接劑的粘著力

低薄淺低

中中中中

高厚深高

ABCD不可控因素12EFG時間溫度濕度24h72F25%120h150F75%因素和水平可控因素213彈性聯(lián)接件與尼龍管之間配合過盈81列號行號ABCD123456789111112221333212322312312313232133321對可控因素進行優(yōu)選，9次可代替34=81次列號ABCD1182對不可控因素的正交試驗EFGE×FE×GF×Ge1234567811112222112211221122221112121212121221211221122112212112對不可控因素的正交試驗EFGE×FE×GF×Ge12383三種噪聲因素在L8正交向量中，E、F、G列中的1、2分別代表各噪聲因素的第一、第二水平。其余的列只是用來估算各噪聲因素之間的相互作用（E×F，E×G，F(xiàn)×G三列）和試驗誤差分析（e列)。這個正交向量的意義在于確定出對噪聲因素最不敏感的可控因素水平。通常噪聲因素之間的相互作用不需估算，在此試驗中認為這個信息可能很有價值，因此對其進行了估算。

三種噪聲因素在L8正交向量中，84

將兩個正交向量結(jié)合在一起（內(nèi)則表和外則表聯(lián)合計算），形成完整的參數(shù)設(shè)計正交向量表。中間填充的數(shù)據(jù)是對應(yīng)各種可控因素及噪聲因素水平下的試驗測得的牽引力數(shù)值。見下表：

將兩個正交向量結(jié)合在一起（內(nèi)則表和外則表聯(lián)合計算85正交試驗結(jié)果87654321S/N12345678919.121.920.425.324.721.624.428.625.319.619.818.218.921.419.618.619.622.720.024.223.323.227.522.524.523.224.619.619.722.621.025.614.716.817.823.119.919.615.618.625.119.823.616.817.316.919.419.118.919.420.018.415.419.39.5016.216.717.418.616.319.115.619.915.615.616.318.319.716.216.414.216.124.025.525.325.926.925.325.724.826.2★正交試驗結(jié)果87654321S/N12345678919.186列No.ABCD1234123┊┊1811111222（內(nèi)側(cè)表）1333┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊y11y12y13……y118y21…………y218

y31…………y318

┊┊┊┊y181…………y1818列KLMNo.12311111223133(外側(cè)表)┊┊┊┊┊┊┊┊18┊┊┊外部因素列ABCD11187

以矩陣數(shù)據(jù)的第一行來看，此時4個可控因素水平的組合是固定的（都為第一水平），但是8個測量值對應(yīng)的3個噪聲因素水平的組合是互不相同的?？梢?，對每一行來說，不但能從其平均值看出該行可控因素組合所能實現(xiàn)的牽引力平均水平，還可以通過8個數(shù)據(jù)的分散程度看出這組可控因素組合對噪聲干擾的抵抗力強弱。以矩陣數(shù)據(jù)的第一行來看，此時488優(yōu)化分析（容差）根據(jù)此例中的質(zhì)量性能目標值類型為越大越好，則選用B型信噪比函數(shù)對各行試驗數(shù)據(jù)（對應(yīng)各種因素組合）進行計算分析。表中的S/N列中的數(shù)據(jù)即為各種情況下的S/N值。通常情況下，根據(jù)S/N最大原則可確定參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。按照這一原則，A、B、C、D四個因素的組合為（A2，B2，C3，D1），此時的S/N為26.908。

優(yōu)化分析（容差）根據(jù)此例中的質(zhì)量性能目89

為了進一步優(yōu)化參數(shù)，此處還對平均響應(yīng)進行計算分析，以輔助確定因素水平。由于試驗設(shè)計是正交的，可以分離出每一個因素作用效果并作出效果圖。下圖所示為4個可控因素對S/N的作用效果圖?？梢姡蛩谹、C的變化對S/N影響作用大于B、D因素。A因素取中（A2）時S/N最大，明顯優(yōu)于取低（A1）和高（A3）的情況。C因素取中（C2）和深（C3）時，S/N幾乎一樣好。B、D兩因素對S/N影響不大。

為了進一步優(yōu)化參數(shù)，此處90圖1各因素對信噪比的影響25.027.026.024.012325.027.026.024.012325.027.026.024.012325.027.026.024.0123ACBD圖1各因素對信噪比的影響25.027.026.024.091圖2各因素對質(zhì)量性能的影響19.021.020.018.0123A19.021.020.018.012319.021.020.018.012319.021.020.018.0123CBD圖2各因素對質(zhì)量性能的影響19.021.020.018.92

圖2所示為4個可控因素對平均牽引力的作用效果圖?？梢?，C取深（C3）時的牽引力比C取中（C2）時大，盡管這兩種情況下S/N值很相近，但從牽引力越大越好的角度出發(fā)選擇因素C取水平深（C3）。因素B對牽引力和S/N影響都不大。

圖2所示為4個可控因素對平93

因此，從降低成本的角度出發(fā)，選B取水平?。˙1）。因素D雖然對S/N影響很小，但對牽引力的影響較大，為了增大牽引力取D為低（D1）。通過各因素對牽引力和S/N的作用效果分析，進一步明確了各因素對質(zhì)量性能的影響規(guī)律。綜合考慮之后確定的因素水平組合為：（A2，B1，C3，D1）。

因此，從降低成本的角度出發(fā)，選94

這一結(jié)果與前面單純由S／N值最大原則確定的因素組合相比，因素B在對質(zhì)量性能影響很小的前提下，取了最經(jīng)濟的水平值，使生產(chǎn)成本得到大幅度降低，產(chǎn)品的質(zhì)量經(jīng)濟性最好。這一結(jié)果與前面單純由S／95產(chǎn)品壽命周期質(zhì)量分析與控制技術(shù)

——質(zhì)量的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計

（田口方法、三次設(shè)計）產(chǎn)品壽命周期質(zhì)量分析與控制技術(shù)

96質(zhì)量的穩(wěn)健性設(shè)計

穩(wěn)健性設(shè)計是實現(xiàn)低成本、高質(zhì)量的有效方法。傳統(tǒng)的設(shè)計思想認為：只有用質(zhì)量最好的原材料（零部件），才能組裝成質(zhì)量最好的整機；只有最嚴格的工藝條件才能制造出質(zhì)量最好的產(chǎn)品?？傊?，材料、元器件質(zhì)量特性越好，可行性就越高。質(zhì)量的穩(wěn)健性設(shè)計穩(wěn)健性設(shè)計是實現(xiàn)低成本、高質(zhì)量的有效方法。97

70年代，世界上技術(shù)先進國家已開始以一種全新的設(shè)計概念取代了傳統(tǒng)的設(shè)計思想。設(shè)計中心思想是采用最低廉的元件組裝成品質(zhì)量最好，可靠性最高的整機；采用最寬松的工藝條件加工出質(zhì)量最好、成本最低、收益最高的產(chǎn)品。其口號是“用三類元件設(shè)計制造出一類整機”。

70年代，世界上技術(shù)先進國家已開始98

在國際市場上占有最大份額的日本電氣產(chǎn)品以及美國三大汽車公司等都是在這種設(shè)計概念下取得了最好的技術(shù)經(jīng)濟效果，在放寬工藝要求，降低制造成本的條件下制造出高品質(zhì)的產(chǎn)品。在國際市場上占有最大份額99

穩(wěn)健性設(shè)計是日本著名的質(zhì)量管理專家田口玄一博士于70年代初創(chuàng)立的質(zhì)量管理新技術(shù)。這是一種最新穎、科學、有效的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計方法。該理論和方法不僅受到日本同時也受到歐美各國應(yīng)用統(tǒng)計學家、質(zhì)量管理專家、工程設(shè)計專家和企業(yè)人士關(guān)注，并在工程實際中得到了廣泛應(yīng)用。因而人們將這種方法和理論稱之為“田口方法”。穩(wěn)健性設(shè)計是日本著名100

據(jù)資料介紹，日本數(shù)百家公司每年應(yīng)用田口方法完成10萬項左右的實例項目研究，在不增加成本的情況下，大大提高了產(chǎn)品設(shè)計和制造質(zhì)量。田口的穩(wěn)健性設(shè)計方法被日本人作為日本產(chǎn)品打入國際市場并暢銷不衰的奧妙之一；是日本經(jīng)濟騰飛的秘訣和成功之道。據(jù)資料介紹，日本數(shù)百家公司每年應(yīng)用田口方法101

許多大公司的“設(shè)計規(guī)程”中明確指出設(shè)計人員在設(shè)計過程中必須采用田口方法的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計方法，否則在技術(shù)評審中難以通過。美國波音公司已采用田口方法成功地進行了飛機尾翼設(shè)計。美國航空航天局從94年開始計劃用3—4年時間推行田口方法，從對高級領(lǐng)導人進行培訓、轉(zhuǎn)變觀念入手，并首先在航天飛機燃料儲箱設(shè)計中應(yīng)用。田口方法在美國工業(yè)界的廣泛的應(yīng)用許多大公司的“設(shè)計規(guī)程”中明確指出設(shè)計人員在設(shè)計過程中必102

美國每年完成的案例在5000個以上。美國應(yīng)用田口方法節(jié)約經(jīng)費達九百萬美元，另外，美國70%以上的工程技術(shù)人員了解田口方法。由于世界范圍內(nèi)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)興起和社會生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，國際市場競爭的焦點已開始由價格的競爭轉(zhuǎn)向質(zhì)量設(shè)計的競爭。設(shè)計競爭的嚴峻形勢迫使每個企業(yè)重新考慮其質(zhì)量經(jīng)營戰(zhàn)略。美國每年完成的案例在50103

工業(yè)界的質(zhì)量意識空前提高，開始制定以顧客需求為中心的質(zhì)量戰(zhàn)略和以質(zhì)量管理為根本內(nèi)容的經(jīng)營戰(zhàn)略，注重加強研制階段的質(zhì)量設(shè)計和質(zhì)量分析。穩(wěn)健性設(shè)計技術(shù)不僅可以使企業(yè)以最快的開發(fā)速度，最低的開發(fā)成本，最穩(wěn)健的開發(fā)質(zhì)量滿足顧客的現(xiàn)實需求和潛在需求，從而獲得最好的資本增值效益，同時，也是躋身世界及公司的必由之路。工業(yè)界的質(zhì)量意識空前提高，開104

田口博士的三次設(shè)計方法是利用產(chǎn)品的性能指標同有關(guān)的各個參數(shù)之間函數(shù)關(guān)系的計算，優(yōu)選出好的參數(shù)組合，以使產(chǎn)品的性能指標達到最優(yōu)化質(zhì)量成本和最低化設(shè)計要求。這種方法主要用于可計算性產(chǎn)品的參數(shù)設(shè)計。田口博士的三次設(shè)105

三次設(shè)計通常有：直接擇優(yōu)——指能夠根據(jù)某一數(shù)量化的指標，直接判別設(shè)計條件的優(yōu)劣，選擇優(yōu)良的設(shè)計參數(shù)組合；穩(wěn)定性擇優(yōu)——指在考慮影響產(chǎn)品性能指標各因素都有誤差波動的情況下，先選取好的條件和參數(shù)組合、使產(chǎn)生的性能指標盡可能穩(wěn)定在設(shè)計的目標值附近，再規(guī)劃各零部件或參數(shù)的波動幅度，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下能充分照顧到質(zhì)量效益。

三次設(shè)計通常有：106三次設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)設(shè)計容差設(shè)計三次設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計1071、系統(tǒng)設(shè)計

指專業(yè)人員根據(jù)各個的技術(shù)領(lǐng)域的專門知識，對產(chǎn)品進行整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，也就是通常所說的產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計階段，需要求出產(chǎn)品的性能指標與各有關(guān)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。1、系統(tǒng)設(shè)計指專業(yè)人員根據(jù)各個的技術(shù)領(lǐng)域的專門知識，對產(chǎn)1082、參數(shù)設(shè)計

指在全系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上，決定或選定系統(tǒng)各參數(shù)的最優(yōu)參數(shù)組合。要求不僅應(yīng)使產(chǎn)品有良好性能，而且在環(huán)境改變或元器件有所波動劣化的情況，按照這種參數(shù)組合制造出來的產(chǎn)品，在性能上仍能保持穩(wěn)定。2、參數(shù)設(shè)計指在全系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上，決定或選定系統(tǒng)各參數(shù)的最109根據(jù)具體情況來決定采用：

1、直接擇優(yōu)——既利用選優(yōu)正交表，經(jīng)過幾輪設(shè)計，求得參數(shù)的最佳組合。2、穩(wěn)定性擇優(yōu)——既利用選用正交表與誤差正交表安排設(shè)計方案和計算，得到第一輪擇優(yōu)設(shè)計的好條件；重復(fù)第一輪的步驟，進行第二、第三輪穩(wěn)定性擇優(yōu)設(shè)計，前一輪的好條件作為后一輪的初始條件。如此循環(huán)若干輪可找到工程滿意的好條件，整數(shù)化后即可得穩(wěn)定性擇優(yōu)設(shè)計的參數(shù)組合。參數(shù)設(shè)計根據(jù)具體情況來決定采用：1、直接擇優(yōu)——既利用選優(yōu)正交表，1103、容差設(shè)計

參數(shù)設(shè)計后確定了一組參數(shù)組合。但：1、是否還能減少參數(shù)波動幅度使產(chǎn)品質(zhì)量特性更加穩(wěn)定？2、是否可以適當降低元器件精度等級以降低成本？這兩個問題實質(zhì)上是確定適當?shù)脑骷?，以使產(chǎn)品的使用壽命周期費用最低。3、容差設(shè)計參數(shù)設(shè)計后確定了一組參數(shù)組合。但：111穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)的基本原理噪聲因素

波動是產(chǎn)生質(zhì)量問題的根源，在實際生產(chǎn)的過程中，往往存在著一些人們無法控制或難以控制的因素。我們稱這些不可控制的因素為噪聲因素或隨機因素。正是這些無法窮盡的潛在變化的相互作用導致了技術(shù)功能，產(chǎn)品性能和工藝過程的波動。穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)的基本原理噪聲因素112

同時在設(shè)計和制造過程中還存在的一組相對穩(wěn)定并可加以控制的因素，如原材料的規(guī)格、技術(shù)人員的技能和設(shè)計水平、測量設(shè)備精度、相對穩(wěn)定的環(huán)境和溫定。這些因素為可控因素和系統(tǒng)因素。正是這些可控因素才使得產(chǎn)品性能、工藝過程和技術(shù)功能具有一定的穩(wěn)定性。同時在設(shè)計和制造113波動理論

由于噪聲因素是客觀存在的和難以控制的，由此產(chǎn)生波動也是不可避免的。試圖完全消除波動，使產(chǎn)品性能和技術(shù)功能的質(zhì)量特性始終在設(shè)計目標上是永遠達不到。因此改進產(chǎn)品性能，提高質(zhì)量的奮斗目標是：永無止境地減少波動，使產(chǎn)品、工藝過程、技術(shù)功能對各種噪聲因素不敏感，向著波動為零的目標邁進。這就是質(zhì)量工程的理論支柱——波動理論。波動理論由于噪聲因素是客觀存在的和難以控制的，由此產(chǎn)生波114

實現(xiàn)這一理論的方法的就是源頭治理，即利用穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)尋找可控因素的一組水平組合，使刻劃產(chǎn)品/工藝過程性能或技術(shù)功能的輸出質(zhì)量特性圍繞設(shè)計目標時的波動盡可能小。波動理論實現(xiàn)這一理論的方115選擇最有效的輸出質(zhì)量特性

實施穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)首先要選擇最有效的輸出質(zhì)量特性，尤其是在技術(shù)開發(fā)階段，這一要素的正確選擇顯得更加重要。只有對有效的輸出質(zhì)量特性進行測量才能反映產(chǎn)品/工藝性能或技術(shù)功能的基本特征，進而確定輸出的基本功能和理想功能。選擇最有效的輸出質(zhì)量特性實施穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)首先要選擇最有116

實施穩(wěn)健技術(shù)的目的：減少產(chǎn)品性能和技術(shù)功能波動，既減少輸出質(zhì)量特性圍繞設(shè)計目標值T的波動，就要給出基本功能波動的度量。保證基本功能的性能穩(wěn)健取決于兩點：一是輸出質(zhì)量特性本身的波動??；二是該質(zhì)量特性應(yīng)盡可能接近設(shè)計目標值。性噪比函數(shù)S/N能準確地反映這兩個特性。實施穩(wěn)健技術(shù)的目的：減少產(chǎn)117選擇有效的輸出質(zhì)量特性、可控和噪聲因素如何選擇最有效的輸出質(zhì)量特性是進行穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)關(guān)鍵的第一步，應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)過程的不同階段對產(chǎn)品質(zhì)量影響的重要程度，將產(chǎn)品質(zhì)量水平相應(yīng)的劃分：下游質(zhì)量中游質(zhì)量上游設(shè)質(zhì)量源頭質(zhì)量。選擇有效的輸出質(zhì)量特性、可控和噪聲因素如何選擇最有效的輸出質(zhì)118上游質(zhì)量特性的重要性

大多數(shù)可控因素已在源頭、上游和中游階段確定，并且難以改變，所以下游質(zhì)量特性大多是不可控的噪聲因素。雖然這些因素不能直接作為有效的輸出質(zhì)量特性，但是可能對設(shè)計輸出質(zhì)量特性有重要的影響。上游質(zhì)量特性是產(chǎn)品/工藝設(shè)計階段最重要的指標，對于改進和提高某種產(chǎn)品的穩(wěn)健性是至關(guān)重要的，可作為該階段的有效質(zhì)量特性。上游質(zhì)量特性的重要性大多數(shù)可控因素已在源頭、上游和中游119技術(shù)開發(fā)階段的源頭質(zhì)量

技術(shù)開發(fā)階段是開發(fā)一般的技術(shù)，該技術(shù)的穩(wěn)健性可有效地開發(fā)一族產(chǎn)品。所以源頭質(zhì)量是該階段最有效的質(zhì)量特性。采用該質(zhì)量特性才能揭示一般技術(shù)的基本功能，進而提高研究開發(fā)效率，使得小規(guī)模實驗室試驗和研究開發(fā)仿真的結(jié)果在制造和用戶環(huán)境中再現(xiàn)。技術(shù)開發(fā)階段的源頭質(zhì)量技術(shù)開發(fā)階段是開發(fā)一般的技術(shù)，該技120確定基本功能的理想功能

在選擇有效的輸出質(zhì)量特性之后，找出該質(zhì)量特性與輸出質(zhì)量特性之間的內(nèi)在規(guī)律是穩(wěn)健設(shè)計的關(guān)鍵所在。田口定義了基本功能和反應(yīng)輸入和輸出之間的理想狀態(tài)。確定基本功能的理想功能在選擇有效的輸出質(zhì)量特性之后，找出121

基本功能：某種技術(shù)和產(chǎn)品的能量轉(zhuǎn)換功能，它反映的是該技術(shù)和產(chǎn)品輸入與輸出之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)：Y為輸出質(zhì)量特性；X=(x1,x2，…xn)為可控因素；Z=(z1,，z2,…zn)為噪聲因素；則：輸入質(zhì)量特性M=(X,Z)通常基本功能可表示為:Y=f(x1,x2，…xn，z1,，z2,…zn)=f(M)基本功能的理想功能基本功能：某種技術(shù)和產(chǎn)品的能122

理想功能：無論在任何條件下，基本功能都滿足理想關(guān)系式：Y=βM當基本功能為理想功能時，由于輸入和輸出是線性關(guān)系，所以具有良好的可調(diào)整性。在技術(shù)開發(fā)階段，當開發(fā)了穩(wěn)健的一般技術(shù)Y之后，可以通過調(diào)整β，開發(fā)一族穩(wěn)健的產(chǎn)品。基本功能的理想功能理想功能：無123基本功能穩(wěn)健性的度量—S/N穩(wěn)健設(shè)計的目的是調(diào)整技術(shù)或產(chǎn)品輸入的參數(shù)水平，最大限度地減少輸出的波動，使得技術(shù)功能和產(chǎn)品性能穩(wěn)健。這種穩(wěn)健性主要表現(xiàn)為：Y圍繞設(shè)計目標值T的波動盡可能小。基本功能穩(wěn)健性的度量—S/N穩(wěn)健設(shè)計的目的是調(diào)整技術(shù)或產(chǎn)品輸124

一方面要求無論在任何噪聲因素的干擾下Y的波動都能最大限度地減小。輸出質(zhì)量特性Y的方差σ2恰好刻劃了Y圍繞其期望值E(Y)=μ的波動。另一方面要求Y盡可能地接近達到設(shè)計目標值T。將這種調(diào)整的效果稱為靈敏度μ2能夠較好的刻劃Y的平均狀況，可將其視為靈敏度的一種度量。當Y=βM時，β2表示調(diào)整的靈敏度。基本功能穩(wěn)健性的度量—S/N一方面要求無論在任何噪聲因125

基本功能的穩(wěn)健性不僅要求σ2小，而且要求靈敏度高。用η描述這兩個指標，即：當Y=βM時基本功能穩(wěn)健性的度量—S/N基本功能的穩(wěn)健性不126

為了獲得穩(wěn)定性好的質(zhì)量，希望質(zhì)量特征越接近目標值越好；同時，要求質(zhì)量特征對噪聲干擾抵抗力越強越好，即要求質(zhì)量特征試驗的多次觀察值的平均值越接近目標值越好，同時，偏差變化越小越好。由于信噪比S／N函數(shù)既考慮到質(zhì)量特征的平均水平又考慮到其波動范圍，因此，用S／N來評價質(zhì)量水平是比較合理的和全面的，信噪比S／N越大，說明產(chǎn)品質(zhì)量水平越高。

基本功能穩(wěn)健性的度量—S/N為了獲得穩(wěn)定性好的質(zhì)量，127

田口曾提出70多種不同的信噪比函數(shù)表達式，每一種表達式都有其適用的條件和范圍，下面描述三種常用的S／N函數(shù)。（1）N型信噪比函數(shù)。用于質(zhì)量特征目標值為一確定值的情況下的試驗結(jié)果的分析和優(yōu)選，如尺寸、輸出電壓等質(zhì)量特征的設(shè)計。穩(wěn)健性的度量—信噪比S/N田口曾提出128

式中：yi_——表示觀測值，i=1,2,…n采樣數(shù)。穩(wěn)健性的度量—信噪比S/N式中：穩(wěn)健性的度量—信噪比129

（2）B型信噪比函數(shù)。用于質(zhì)量性能目標值的越大越好情況下的試驗結(jié)果的分析和優(yōu)選，如強度、壽命等質(zhì)量特征設(shè)計。穩(wěn)健性的度量—信噪比S/N（2）B型信噪比函數(shù)。用于質(zhì)量性能目標130（3）S型信噪比函數(shù)。用于質(zhì)量特征目標值為越小越好情況下的試驗結(jié)果的分析和優(yōu)選，如噪聲、有害物質(zhì)、污染等質(zhì)量特征設(shè)計。穩(wěn)健性的度量—信噪比S/N（3）S型信噪比函數(shù)。用于質(zhì)量特征目標值為越小越好情況下131參數(shù)設(shè)計中的正交實驗技術(shù)案例1參數(shù)設(shè)計中的正交實驗技術(shù)案例1132對瓷磚生產(chǎn)進行試驗的案例某制陶企業(yè)需要改進產(chǎn)品質(zhì)量，運用正交表進行試驗。試驗指標：一百塊瓷磚中的不合格品。試驗影響因素有7個，都是與配料有關(guān)。因素的位級有2個。如表1：對瓷磚生產(chǎn)進行試驗的案例某制陶企業(yè)需要改進產(chǎn)品質(zhì)量，運用正交133表1因素位級位級1位級2A:某添加物的量B:某添加物的量C:臘石量D:臘石種類E:裝入量F:熟石量G:長石量A1:=5%B1:粗（現(xiàn)用）C1:=43%D1:現(xiàn)用E1:1300kgF1:0%G1:0%A2:=1%B2:細（新用）C2:=53%D2:新用E2:1200kgF2:=4%G2:=5%因素位級表表1因素位級位級1位級2A:某添加物的量A1:=5134L8正交表因素搭配及試驗數(shù)據(jù)L8（27）正交表ＡＢＣＤＥＦＧ１２３４５６７因素試驗號列因素內(nèi)容添加物量添加粒度臘石量臘石種類裝入量熟料量長詩量1234567特性值100塊窯中央的瓷磚不合格品數(shù)（塊）123456781111222211221122112222111212121212122121122112211221211255551111粗粗粗粗細細細細細現(xiàn)新現(xiàn)新現(xiàn)新現(xiàn)新4343535353534343434353535353434304400440055050051301201301201201301201301817120606684226L8正交表因素搭配及試驗數(shù)據(jù)L8（27）正交表ＡＢＣＤＥ135計算與討論當要對A因素的A1和A2進行比較時，將A1條件下第1，2，3，4試驗所對應(yīng)的不合格品數(shù)相加，同理對A2A1=16+17+12+6=51A2=6+68+42+26=142得：將A1和A2條件下的平均不合格品率A1=12.75%A2=35.50%計算與討論當要對A因素的A1和A2進行比較時，將A1條件下第136結(jié)果計算因素和位級計算不合格品總數(shù)（塊）不合格品率（%）選擇ABCDEFGA1A2B1B2C1C2D1D2E1E2F1F2G1G251

142107

86101

9276

117122

7154

139132

6112.75

35.5026.75

21.5025.25

23.0019.00

29.2630.50

17.7513.50

34.7533.00

15.26A1B2C2D1E2F1G2極差9121941518571結(jié)果計算因素和位級計算不合格品總數(shù)（塊）不合格品率（%）選137

根據(jù)各因素在兩個位級條件下不合格品率的數(shù)值，確定較優(yōu)的一個位級，得到瓷磚生產(chǎn)的最佳條件為：A1B2C2D1E2F1G2根據(jù)各因素在兩個位級條件下不合格品率的數(shù)138

實驗證明，采用正交表進行試驗，可以把小規(guī)模的實驗室試制結(jié)果，直接應(yīng)用到生產(chǎn)現(xiàn)場中去。這是因為在正交試驗中，盡管其他因素發(fā)生變化，其主要效應(yīng)因素仍具有很強的效應(yīng)再現(xiàn)性，這是正交表的重要特性。實驗證明，采用正交139正交試驗設(shè)計原理1、正交表及其結(jié)構(gòu)L8(27)正交表代號表的縱向列數(shù)（因素數(shù)）表的字碼數(shù)（位級數(shù)）表的橫行數(shù)（試驗數(shù)）正交試驗設(shè)計原理1、正交表及其結(jié)構(gòu)L8(27)正交表代號表的140列行號12345671234567811111111112222122112212222112121212212212122112212212112L8(27)表列行號12345141

結(jié)構(gòu)特點：1、每列有四個“1”，四個“2”2、每任意兩列的8個數(shù)中（橫組合）的（1，1）（1，2）（2，1）（2，2）正好各出現(xiàn)兩次結(jié)構(gòu)特點：142L9(34)表列號行號1234567891234111222333123123123123231312123312231L9(3