質(zhì)量工程學(xué) 第六章 信噪比與產(chǎn)品三次設(shè)計(jì)

S/NRatioandThree-StageDesign第六章信噪比與產(chǎn)品三次設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，取得救據(jù)，并利用直觀分析、方差分析等統(tǒng)計(jì)分析方法對考核指標(biāo)進(jìn)行估計(jì)及選取最佳生產(chǎn)條件或最佳參數(shù)搭配。但這些方法都需要人們實(shí)施繁重的試驗(yàn)取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)才能完成。田口玄一博士繼1957提出SN比設(shè)計(jì)法后，70年代又提出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三次（段）設(shè)計(jì)法，為產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、研究中的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的結(jié)合、質(zhì)量與成本的協(xié)調(diào)提供了新的應(yīng)用方法。這種方法的基本點(diǎn)是：對影響特性值即考核指標(biāo)的各種參數(shù)之間的搭配，根據(jù)專業(yè)技術(shù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在合適的正交表上進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，對各參數(shù)水平組合即條件，主要不是通過做試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)，而是通過與該產(chǎn)品有關(guān)的一組數(shù)學(xué)公式來計(jì)算，用計(jì)算結(jié)果來代替試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過討算機(jī)上的反復(fù)運(yùn)算，計(jì)算出產(chǎn)品的性能指標(biāo)，從而確定最佳的生產(chǎn)條件或參數(shù)水平組合。三次設(shè)計(jì)的思想和方法是將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、SN試驗(yàn)設(shè)計(jì)、質(zhì)量損失函數(shù)、正交多項(xiàng)式回歸等概念和方法運(yùn)用到新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)之中的產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，它所注重的是技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的結(jié)合，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下提高經(jīng)濟(jì)效益。本章學(xué)習(xí)內(nèi)容6.2

信噪比（S/N，SN）6.1質(zhì)量工程概述

6.3

產(chǎn)品三次設(shè)計(jì)6.1質(zhì)量工程概述6.1.1基本概念和定義■質(zhì)量（Quality）●ISO及國標(biāo)的定義（ISO8402-94、GB/T6538-94）質(zhì)量是指反映實(shí)體滿足明確和隱含需要的能力的特性總和?！?/p>

田口的定義（從社會損失的角度給出）所謂質(zhì)量，就是產(chǎn)品上市后給社會造成的損失，但是由于產(chǎn)品功能本身產(chǎn)生的損失除外?！?/p>

美國質(zhì)量管理專家朱蘭（J.M.Juran）的定義質(zhì)量就是適用性（Fitnesstouse）。根據(jù)上述定義，機(jī)械類硬件產(chǎn)品的質(zhì)量可歸納為六個(gè)方面：◆性能

產(chǎn)品為滿足使用目的而需要具備的技術(shù)特性。例如機(jī)床的轉(zhuǎn)速、功率和加工精度等。◆可信性

反映了產(chǎn)品可用的程度及其影響因素，包括可靠性、可維修性和維修保障性?！舭踩?/p>

反映了產(chǎn)品在貯存、流通和使用過程中不會產(chǎn)生由于質(zhì)量不佳而導(dǎo)致的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染的能力。如機(jī)器的噪聲、沖壓機(jī)的防護(hù)能力、電器的漏電保護(hù)性等?！暨m應(yīng)性

反映了產(chǎn)品適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。如振動與噪聲、灰塵與油污、溫度與濕度、電磁干擾等。◆經(jīng)濟(jì)性

反映了產(chǎn)品合理的壽命周期費(fèi)用，具體表現(xiàn)在設(shè)計(jì)費(fèi)用、制造費(fèi)用、使用費(fèi)用、報(bào)廢后的回收處理費(fèi)用上。◆時(shí)間性

反映了產(chǎn)品供貨商滿足顧客對產(chǎn)品交貨期和交貨數(shù)量的能力，以及滿足顧客需要隨時(shí)間變化的能力。■質(zhì)量工程為保證滿足顧客和社會對產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量的需求，組織與社會所采取的一切相關(guān)活動的總和?？梢钥闯觯|(zhì)量保證活動是個(gè)系統(tǒng)工程，它不僅包括質(zhì)量管理活動，也應(yīng)包括技術(shù)方面的質(zhì)量活動，它同時(shí)還應(yīng)包括為保證質(zhì)量而需要的社會和政策環(huán)境。因此，質(zhì)量工程的涵義比質(zhì)量管理要寬得多。質(zhì)量工程通常包括：◆管理質(zhì)量工程（全面質(zhì)量管理TQM、質(zhì)量認(rèn)證等）◆設(shè)計(jì)質(zhì)量工程（三次設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等）◆制造質(zhì)量工程（零件檢驗(yàn)、成品檢驗(yàn)、反饋控制等）◆外部質(zhì)量環(huán)境（政策、法規(guī)、社會環(huán)境、公眾意識等）■線外與線內(nèi)質(zhì)量管理◆線外質(zhì)量管理（Off-LineQualityControl）

產(chǎn)品設(shè)計(jì)（包括生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)）中的質(zhì)量管理。田口提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以分為三個(gè)階段進(jìn)行，即系統(tǒng)設(shè)汁、參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)。◆線內(nèi)質(zhì)量管理（On-LineQualityControl）

指生產(chǎn)工序內(nèi)實(shí)施的質(zhì)量管理，它是使生產(chǎn)工序維持在正常狀態(tài)，降低不良品損失的有效技術(shù)。其主要內(nèi)容有：工序診斷與調(diào)整，預(yù)測與校正，檢驗(yàn)與處理等。本章主要以田口的三次設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)介紹有關(guān)的內(nèi)容。6.1.2穩(wěn)健設(shè)計(jì)（RobustDesign）一切用于提高和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的工程方法統(tǒng)稱為穩(wěn)健設(shè)計(jì)。■傳統(tǒng)穩(wěn)健設(shè)計(jì)指的是田口于70年代提出的三次設(shè)計(jì)法（也稱為損失模型法、田口方法）中的參數(shù)設(shè)計(jì)?！霈F(xiàn)代穩(wěn)健設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)穩(wěn)健設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上注入了許多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，如CAD技術(shù)、現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)過程數(shù)字化?！龇€(wěn)健設(shè)計(jì)的方法●損失模型法（三次設(shè)計(jì)法、田口方法）將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程或工藝設(shè)計(jì)過程分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)三個(gè)階段。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，用正交表安排試驗(yàn)方案以探求最佳的工藝參數(shù)組合，并按經(jīng)驗(yàn)給出關(guān)鍵參數(shù)容差的幾個(gè)水平值。由誤差因素模擬各類噪聲的影響，以質(zhì)量損失函數(shù)或信噪比（輸出特性值的平方與其方差之比）的大小來度量產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。這種方法的不足是：帶有半經(jīng)驗(yàn)的色彩，且在應(yīng)用中需要進(jìn)行多次試驗(yàn)（方案設(shè)計(jì)、實(shí)施、計(jì)算分析等），只適用于解決單指標(biāo)、少因素、無約束等簡單工程問題?！耥憫?yīng)面法

這是基于60年代的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)和方差分析方法、于近年來在歐洲迅速發(fā)展起來的一種有效的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法。該方法需要按照輸入因素的一組水平值，通過中心組合法安排試驗(yàn)方案，利用所找出的輸出特性值建立響應(yīng)面模型（線性或非線性響應(yīng)函數(shù)），此模型可以用于快速參數(shù)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)或其它的設(shè)計(jì)決策。響應(yīng)面法可以減少試驗(yàn)次數(shù)，適用于因素較多的復(fù)雜問題，它克服了田口設(shè)計(jì)法的一些不足。●工程模型法（解析穩(wěn)健設(shè)計(jì)法）近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，工程模型被廣泛地應(yīng)用于設(shè)計(jì)。利用工程模型可以非常方便地進(jìn)行分析計(jì)算、行為預(yù)測、設(shè)計(jì)決策和優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)設(shè)計(jì)參數(shù)為、噪聲因素為、輸出信號因素，則有：穩(wěn)健設(shè)計(jì)的核心是一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，即尋求設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳組合，使質(zhì)量特性對于噪聲因素的影響不敏感（穩(wěn)?。?，因此可建立模型式中——某項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)的目標(biāo)值；——某項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)允許的偏差值；P——滿足的概率值。6.1.3質(zhì)量波動與質(zhì)量損失函數(shù)■質(zhì)量特性值

◆望目特性

希望特性值存在一個(gè)目標(biāo)值m0（m0≠0），并希望實(shí)際的特性值圍繞目標(biāo)值波動，波動量越小越好。例如，機(jī)械零部件的制造尺寸、穩(wěn)壓電路的輸出電壓等?！敉√匦?/p>

希望這種特性越小越好（對非負(fù)值），波動也越小越好。如零件的磨損、測量誤差、機(jī)器的噪聲與振動、傳感器的交叉靈敏度、液壓元件的泄漏等?！敉筇匦?/p>

希望這種特性越大越好（對非負(fù)值），波動越小越好。如機(jī)器的效率、構(gòu)件的強(qiáng)度和疲勞壽命、放大電路的共模抑制比等。靜態(tài)質(zhì)量特性和動態(tài)質(zhì)量特性■質(zhì)量波動與質(zhì)量干擾在產(chǎn)品質(zhì)量的形成過程中，質(zhì)量特性值由于受4M1E（人員、材料、機(jī)器設(shè)備、方法、環(huán)境）因素的影響而發(fā)生波動，稱為質(zhì)量波動。引起產(chǎn)品質(zhì)量波動的原因稱為質(zhì)量干擾（或質(zhì)量噪聲），它可分為以下幾類?！褓|(zhì)量波動●質(zhì)量干擾◆外部干擾產(chǎn)品在使用或運(yùn)行過程中，由于受到溫度、濕度、塵埃、電源電壓、人等外界環(huán)境因素的變化而影響質(zhì)量特性的穩(wěn)定性，稱這些影響因素為外部干擾?！魞?nèi)部干擾產(chǎn)品在使用或存儲過程中，隨著時(shí)間的推移而發(fā)生老化、劣化、磨損、應(yīng)力變化、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化等內(nèi)在因素變化，從而使產(chǎn)品質(zhì)量特性發(fā)生變化，稱這些影響因素為內(nèi)部干擾?！綦S機(jī)干擾產(chǎn)品在制造及使用過程中，由于4M1E因素的微小隨機(jī)變化而導(dǎo)致質(zhì)量特性波動，稱這些影響因素為隨機(jī)干擾。所謂優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，就是抵抗上述三種干擾能力強(qiáng)的產(chǎn)品，即它們在受到干擾時(shí)，可以具有比較小的質(zhì)量波動，因此質(zhì)量穩(wěn)定性好、可靠性高。工序質(zhì)量控制只能減小隨機(jī)干擾引起的質(zhì)量波動，而在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段采用三次設(shè)計(jì)法能同時(shí)控制這三種干擾的影響?！鲑|(zhì)量波動損失產(chǎn)品質(zhì)量特性的波動是不可避免的。產(chǎn)品質(zhì)量特性值有波動就會帶來損失，稱為質(zhì)量波動損失。質(zhì)量波動損失包括三部分：廠家損失、用戶損失、社會損失。具體可分為兩大類：◆異常波動損失產(chǎn)品特性值的波動超出了容差范圍而造成廢品，或因廢品流入市場而給廠家、用戶、社會帶來的損失?！粽２▌訐p失產(chǎn)品的質(zhì)量特性值雖未超出容差范圍，但這種在容差范圍內(nèi)的波動也會使特性值偏離目標(biāo)值從而造成損失。偏離量較大時(shí)就可能會有維修費(fèi)用的發(fā)生?！鲑|(zhì)量損失函數(shù)田口認(rèn)為，產(chǎn)品質(zhì)量就是產(chǎn)品給社會帶來的損失。損失越大，質(zhì)量越差。為定量描述質(zhì)量的高低，田口提出用質(zhì)量損失函數(shù)計(jì)算質(zhì)量波動損失。設(shè)產(chǎn)品質(zhì)量特性的目標(biāo)值為m0，質(zhì)量特性值為y時(shí)的質(zhì)量波動損失為L(y)，則有（y=m0時(shí)視為無質(zhì)量波動損失）（y=m0時(shí)L(y)取得極小值）將L(y)在y=m0處按泰勒級數(shù)展開，得忽略上式中二次以上的微分項(xiàng)并注意到，得式中為一常數(shù)。設(shè)產(chǎn)品質(zhì)量特性的公差范圍為，特性值達(dá)到允許的極限值或時(shí)帶來的損失為D，則因此為質(zhì)量波動損失函數(shù)。由于k是不依賴于y的常數(shù)，因此質(zhì)量損失函數(shù)在范圍內(nèi)近似為一拋物線關(guān)系。稱※質(zhì)量損失函數(shù)的計(jì)算◆

k的計(jì)算◆

的計(jì)算表示質(zhì)量特性值偏離目標(biāo)值的程度，因此可用特性值的方差來表示。這樣，質(zhì)量損失函數(shù)可表示為大批量生產(chǎn)：單件小批量生產(chǎn)：

■示例

日本國內(nèi)SONY公司和美國加州圣地亞哥SONY公司生產(chǎn)同一型號的SONY彩電，兩家使用相同的圖紙，其中色彩均勻度的設(shè)計(jì)目標(biāo)值均為。70年代后期，經(jīng)過比較和市場調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，美國生產(chǎn)的產(chǎn)品不如日本生產(chǎn)的產(chǎn)品受歡迎?！痉治觥棵绹馁|(zhì)量管理理念：產(chǎn)品的特性值落在公差范圍內(nèi)的就是合格品。日本的質(zhì)量管理理念：產(chǎn)品的特性值越接近目標(biāo)值越好（給用戶帶來的損失越?。?。在上述管理理念指導(dǎo)下，美國在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制使產(chǎn)品特性值均勻地分布在范圍內(nèi)，幾乎沒有廢品（看似很嚴(yán)格），產(chǎn)品全部流入市場；日本則是通過設(shè)計(jì)階段的三次設(shè)計(jì)法和生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制，使產(chǎn)品特性值按正態(tài)分布在以m0為中心的范圍內(nèi)，即有0.27%的廢品率，廠家有一定的損失?！癞a(chǎn)品質(zhì)量特性的標(biāo)準(zhǔn)差（方差的平方根）（均勻分布）（正態(tài)分布）由可知，在其他條件相同的情況下，日本產(chǎn)品因質(zhì)量特性值的波動給社會、工廠、用戶帶來的損失僅為美國的1/3。此外，日本產(chǎn)品較多地集中在m0附近，因此A級品較多，產(chǎn)品使用一段時(shí)間后，質(zhì)量特性值會進(jìn)一步偏離目標(biāo)值m0，但日本的大部分產(chǎn)品只是從A級品變成B級品，美國卻有較多的C級品變成D級品（廢品），從用戶的角度自然喜歡購買日本的產(chǎn)品了?！窆に嚹芰ο禂?shù)CP

可見，日本的工藝能力可以得到保障，而美國的工藝能力卻嚴(yán)重不足?！窘Y(jié)論】◆符合公差要求的產(chǎn)品不一定是用戶喜歡的產(chǎn)品，重要的是看產(chǎn)品質(zhì)量特性值接近目標(biāo)值的程度（在一定程度上取決于分布）以及特征值的波動程度。◆質(zhì)量特性值超出公差范圍會給工廠、用戶帶來損失，不超出也會帶來損失?！粼诋a(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段使用三次設(shè)計(jì)法，可以較好地解決上述問題。6.2信噪比（S/N，SN）6.2.1信噪比的概念

信噪比SN（SignaltoNoiseRatio）的概念來自于通訊等電子技術(shù)領(lǐng)域，用來表示有用信號的功率相對于無用噪聲信號功率的相對大小，其定義為——倍數(shù)——分貝數(shù)，dB（常用）或1957年，田口將信噪比（SN比）的概念引入試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)中，用SN比描述產(chǎn)品質(zhì)量特性的波動程度，在系統(tǒng)或產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)、測試誤差分析、動態(tài)特性評價(jià)、工藝設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)等工作中取得了非常顯著的實(shí)效，現(xiàn)已成為現(xiàn)代試驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。6.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的SN比在測量技術(shù)中，用相對測量誤差表示測量精度比用絕對誤差更為合理。類似地，在評價(jià)質(zhì)量特性值的波動時(shí)，用相對波動比用絕對波動也更為合理。質(zhì)量特性值的絕對波動用其方差或誤差的偏差平方和表示，相對波動則用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的變異系數(shù)CV表示（對于非負(fù)特性值，如尺寸、重量、強(qiáng)度、輸出電壓等），其定義為——質(zhì)量特性值及其估計(jì)值（樣本均值）；——質(zhì)量特性值的標(biāo)準(zhǔn)差及其估計(jì)值。變異系數(shù)CV越小，表示質(zhì)量特性相對波動越小，產(chǎn)品的質(zhì)量越好。在質(zhì)量工程中，習(xí)慣采用CV的倒數(shù)來表達(dá)相同的意義，即顯然，這一結(jié)果越大，相對質(zhì)量波動越小，產(chǎn)品的質(zhì)量越好。為了與相對應(yīng)，同時(shí)考慮目標(biāo)值m可能有正有負(fù)，田口對傳統(tǒng)的信噪比進(jìn)行了引申，將信噪比定義為顯然，二者越大，相對質(zhì)量波動越小，產(chǎn)品的質(zhì)量越穩(wěn)定。因此，提高產(chǎn)品質(zhì)量與提高產(chǎn)品的SN比是一致的。實(shí)際常用（dB）（dB）試驗(yàn)設(shè)計(jì)中SN比的含義：質(zhì)量特性值平均值的平方與誤差方差的比值。實(shí)際計(jì)算SN比時(shí)，由于及是未知的，因此常用它們的估計(jì)值及。估計(jì)方法如下：令則因此SN比可表示成或說明：上述定義僅適用于望目特性指標(biāo)質(zhì)量的評價(jià)，對于望大、望小特性指標(biāo)，田口對SN比進(jìn)行了修正。下面將這三類特性指標(biāo)的信噪比歸納如下（推導(dǎo)略）?！裢刻匦裕ㄏＭ叫≡胶?，越接近指定的目標(biāo)值越好）●望小特性（對于和，都是希望越小越好）●望大特性（希望越大越好，同時(shí)越小越好）此時(shí)，通常是先按望小特性的方法估計(jì)出，然后將特性值y取倒數(shù)估計(jì)y的倒數(shù)的，即可按望小特性值進(jìn)行處理。6.2.3

SN比在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用示例例：潛水泵定子線圈浸漆工藝參數(shù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)本試驗(yàn)的日的是通過對QY2.2kW潛水泵定子線圈浸漆烘干工藝的試驗(yàn)研究，尋找烘干工藝最佳工藝參數(shù)搭配。試驗(yàn)的指標(biāo)是絕緣電阻值達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)油漆烘干所需的時(shí)間（越短越好）。選擇烘干溫度A和油漆粘度B兩個(gè)因素的不同水平組合進(jìn)行試驗(yàn)?！鲈囼?yàn)方案設(shè)計(jì)25″128℃218″135℃1B油漆粘度A烘干溫度因素水平因素水平表除因素A、B外，還要考慮交互作用A×B對試驗(yàn)指標(biāo)的影響。本試驗(yàn)為2因素2水平試驗(yàn)，選用正交表L4(23)安排試驗(yàn)。為提高試驗(yàn)精度（同時(shí)也為了計(jì)算信噪比），每號試驗(yàn)進(jìn)行了四次重復(fù)試驗(yàn)。60353535122460151515212（128℃）310055522（25″）1240001511（18″）1（135℃）1

y4[注]y3y2y1321烘干時(shí)間（yi

-180）（min）A×BBA因素列試驗(yàn)號號[注]：y4為電阻自動測量儀測得的數(shù)據(jù)。■試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算分析

本試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)是油漆烘干時(shí)間（min），要求它越小越好，屬望小特性值，可采用下式計(jì)算各號信噪比：

●計(jì)算各號試驗(yàn)的SN比60353535122460151515212（128℃）310055522（25″）1240001511（18″）1（135℃）1

y4[注]y3y2y1321烘干時(shí)間（yi

-180）（min）A×BBA因素列試驗(yàn)號號第1號試驗(yàn)的SN比用同樣的方法計(jì)算出2~4號試驗(yàn)的，見下表。-32.601818.7572751224-30.291068.754275212（128℃）3-34.012518.751007522（25″）12-26.59456.25182511（18″）1（135℃）1321（dB）A×BBA因素列號試驗(yàn)號●進(jìn)行方差分析對于使用SN比的正交試驗(yàn)，用SN比作為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，其計(jì)算、處理方法與一般正交試驗(yàn)相同。計(jì)算結(jié)束后，列出方差分析表，進(jìn)行因素的顯著性檢驗(yàn)。-64.30-66.61-62.89-59.19-56.88-60.606.5323.671.31-32.601818.7572751224-30.291068.754275212（128℃）3-34.012518.751007522（25″）12-26.59456.25182511（18″）1（135℃）1321（dB）A×BBA因素列號試驗(yàn)號331.51T3.9227.841.676.5316.53A×B[*]6.0423.67123.67B0.331.3111.31A顯著性F

值方差V自由度

f偏差平方和S

方差來源方差分析表●確定最佳工藝參數(shù)由方差分析表可以看出，油漆粘度B對試驗(yàn)結(jié)果有影響。由于本試驗(yàn)是初步摸索合理的浸漆烘干工藝，而這種試驗(yàn)一般來說試驗(yàn)誤差都較大。因此可以認(rèn)為油漆粘度B對試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響。因素A（烘干溫度）及交互作用A×B對試驗(yàn)指標(biāo)均無明顯影響，合并為誤差項(xiàng)e’。因素的最佳組合可以通過效應(yīng)估計(jì)得到，如下：◆總平均的估計(jì)值◆因素A、B在水平1、2下的效應(yīng)的估計(jì)值類似地，可計(jì)算出選取SN比較大的水平作為工藝參數(shù)，最后確定A1B1（烘干溫度135℃，油漆粘度為18″）為最佳工藝參數(shù)。●最佳水平組合條件下試驗(yàn)指標(biāo)估計(jì)值及其波動范圍的估計(jì)由于只有因素B顯著，因此可忽略A及A×B的效應(yīng)，試驗(yàn)指標(biāo)的估計(jì)值近似估計(jì)出顯著度時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)的估計(jì)值的波動半徑因此，當(dāng)選取水平組合A1B1時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)（烘干時(shí)間）的理論值為6.3產(chǎn)品三次設(shè)計(jì)6.3.1概述■田口的質(zhì)量保證體系田口質(zhì)量保證體系的理論基礎(chǔ)是田口質(zhì)量觀、質(zhì)量損失函數(shù)、信噪比和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。田口將產(chǎn)品質(zhì)量控制分為線內(nèi)質(zhì)量控制和線外質(zhì)量控制。線外質(zhì)量控制就是采用三次設(shè)計(jì)法對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量設(shè)計(jì)。線內(nèi)質(zhì)量控制側(cè)重于制造過程中對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行控制。田口質(zhì)量保證體系田口質(zhì)量觀、質(zhì)量損失函數(shù)、信噪比、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法系統(tǒng)設(shè)計(jì)容差設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)線外質(zhì)量控制線內(nèi)質(zhì)量控制工序診斷與調(diào)整預(yù)測與校正檢驗(yàn)與處理在田口的理論體系中，核心是他提出的新質(zhì)量觀，這種質(zhì)量觀的特點(diǎn)是將質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)性緊密地聯(lián)系在一起，這種聯(lián)系用質(zhì)量損失函數(shù)來表示。所以，質(zhì)量損失函數(shù)是田口質(zhì)量理論的一個(gè)重要內(nèi)容。

三次設(shè)計(jì)理論是田口于20世紀(jì)70年代創(chuàng)立的一種系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，其核心思想是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行質(zhì)量控制，試圖用最低的制造成本生產(chǎn)出滿足顧客要求的、對社會造成損失最小的產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念不同，田口將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程分成三個(gè)階段，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)。三次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在參數(shù)設(shè)計(jì)（國外稱為穩(wěn)健設(shè)計(jì)或魯棒設(shè)計(jì)，RobustDesign）。信噪比和正交試驗(yàn)法是參數(shù)設(shè)計(jì)的重要方法?！鋈卧O(shè)計(jì)（三段設(shè)計(jì)，Three-StageDesign）的內(nèi)容●系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第一次設(shè)計(jì)）系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指根據(jù)產(chǎn)品規(guī)劃所要求的功能，利用專業(yè)知識和技術(shù)對該產(chǎn)品的整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。其主要目的是確定產(chǎn)品的主要性能參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)及外觀形狀等重要參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它在很大程度上決定了產(chǎn)品的性能和成本，影響到用戶是否接收該產(chǎn)品。系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在調(diào)研的基礎(chǔ)上，對比同類產(chǎn)品提出并確定技術(shù)參數(shù)。在系統(tǒng)的整體方案確定后．還要畫出產(chǎn)品總圖及部件總圖?？梢钥闯?，系統(tǒng)設(shè)計(jì)相當(dāng)于傳統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，可采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、面向制造的設(shè)計(jì)、面向裝配的設(shè)計(jì)、面向使用的設(shè)計(jì)、面向維修的設(shè)計(jì)、面向拆卸的設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，也可以應(yīng)用最近幾年提出的并行設(shè)計(jì)、虛擬制造等技術(shù)以及質(zhì)量功能配置技術(shù)等?！駞?shù)設(shè)計(jì)（第二次設(shè)計(jì)）三次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是參數(shù)設(shè)計(jì)（穩(wěn)健設(shè)計(jì)）。利用參數(shù)設(shè)計(jì)可以使用公差范圍較寬的廉價(jià)元件組裝出高質(zhì)量的產(chǎn)品，其實(shí)質(zhì)是利用產(chǎn)品輸出特性和元件參數(shù)水平之間的非線性效應(yīng)。同樣的容差范圍下，顯然因此，應(yīng)將元件的參數(shù)選擇在x2

附近更好。參數(shù)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一就是采用一定的技術(shù)（如正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)、信噪比試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)等），確定系統(tǒng)中有關(guān)的參數(shù)值及其最優(yōu)組合，其目的是提高質(zhì)量和降低成本。通過參數(shù)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的參數(shù)值合理搭配，從而有可能用廉價(jià)的元器件組裝出性能良好的整機(jī)。此外，通過選擇最佳參數(shù)值，還可使系統(tǒng)輸出特性對各種干擾不敏感。在產(chǎn)品使用過程中，即使存在各種干擾，產(chǎn)品的輸出特性值的波動依然可控制在某一允許的范圍內(nèi)。這樣的產(chǎn)品穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)?！袢莶钤O(shè)計(jì)（第三次設(shè)計(jì)）參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，就可開始確定零部件的容差（公差）。容差設(shè)計(jì)的目的是確定各個(gè)參數(shù)容許誤差的大小。在一個(gè)系統(tǒng)中，由于結(jié)構(gòu)不同，各個(gè)參數(shù)對系統(tǒng)輸出特性的影響大小就不同，它取決于誤差的傳遞路線。容差設(shè)計(jì)的基本思想是對影響大的參數(shù)給予較小的公差值，對影響小的參數(shù)給予較大的公差值，從而在保證質(zhì)量的前提下使系統(tǒng)的總成本為最小。對于容差設(shè)計(jì)，田口建議采用損失函數(shù)（模型）法，但最近十多年來，人們開始采用優(yōu)化設(shè)計(jì)法結(jié)合公差成本模型進(jìn)行容差設(shè)計(jì)，取得了較好的效果。6.3.2參數(shù)設(shè)計(jì)

參數(shù)設(shè)計(jì)主要有兩種方法：內(nèi)外表法和綜合誤差因素法。例：氣動換向裝置的三次設(shè)計(jì)。■系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某廠欲設(shè)計(jì)制造的氣動換向裝置需要完成下列任務(wù)：◆帶動900N左右的負(fù)載在一定的阻力作用下完成六個(gè)轉(zhuǎn)換動作，且動作可靠、到位沖擊力小、體積小、重量輕。◆在1s內(nèi)完成最長距離的換向動作?！粼冢?~4）MPa的壓縮空氣作用下，氣耗量盡可能少。通過分析，認(rèn)為在六個(gè)轉(zhuǎn)換動作中，最長的轉(zhuǎn)換動作是關(guān)鍵，因此設(shè)計(jì)了它的基本結(jié)構(gòu)，建立了力學(xué)模型。系統(tǒng)運(yùn)動方程為y——換向末速度，望目特性，其目標(biāo)值m=960mm/s=0.96m/s；A——換向行程，待選參數(shù)；B——換向活塞直徑，待選參數(shù)；C——?dú)飧變?nèi)氣壓，待選參數(shù)；D——換向阻力，?。?50±20）N；E——系統(tǒng)重量，?。?00±50）N；g——重力加速度，取g=9.8m/s2。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想是，在保證1s內(nèi)換向的前提下，使帶動的負(fù)載到位后有一定的到位速度（目標(biāo)值m=0.96m/s），又有不大的到位撞擊力，同時(shí)力爭耗氣量最少。為簡單起見，本設(shè)計(jì)僅以換向末速度

y

為望目特性，故屬可計(jì)算的望目特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。■參數(shù)設(shè)計(jì)

由可控因素及其不同水平構(gòu)成的正交表稱為內(nèi)表，相應(yīng)的設(shè)計(jì)稱為內(nèi)設(shè)計(jì)。前面所接觸的都屬于內(nèi)表。內(nèi)設(shè)計(jì)主要是計(jì)算輸出特性的信噪比，根據(jù)信噪比確定最優(yōu)生產(chǎn)條件——參數(shù)設(shè)計(jì)。本例中的可控因素及水平如下選取，內(nèi)表選用L9(34)。3.0266032.6245622.222521C氣缸內(nèi)氣壓（MPa）B換向活塞直徑（mm）A換向行程（mm）因素水平內(nèi)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案（內(nèi)表）12339312382313（60）721326132253212（56）433（3.0）3（26）1322（2.6）2（24）1211（2.2）1（22）1（52）14321CBA因素列試驗(yàn)號號

對于內(nèi)表的每號試驗(yàn)，由誤差因素、信號因素以及它們的不同水平也可構(gòu)成1張正交表，稱為外表，相應(yīng)的設(shè)計(jì)稱為外設(shè)計(jì)。外設(shè)計(jì)主要是分析參數(shù)波動對特性值的影響，用來進(jìn)行容差設(shè)計(jì)。本例中的誤差因素包括、、（內(nèi)干擾）和、（外干擾），均取三水平。本例中無信號因素。（2.4）（22.10）（52.20）（2.2）（22.00）（52.00）（2.0）（21.90）（51.80）321（N）（N）（MPa）（mm）（mm）因素水平誤差因素水平表誤差因素、、水平的確定：

設(shè)內(nèi)表中本號試驗(yàn)（以第1號試驗(yàn)為例）的可控水平分別為、、，將其作為誤差因素中的第2個(gè)水平。

以、、為中心值按對稱分布（波動范圍由工藝、經(jīng)驗(yàn)等確定）選取第1、3個(gè)水平。本例中，若A、B、C按三級品設(shè)置（參閱有關(guān)的GB），在一次試驗(yàn)中的波動范圍可取±0.2、±0.1、±0.2。

●誤差因素水平的確定950900850770750730（2.4）（22.10）（52.20）（2.2）（22.00）（52.00）（2.0）（21.90）（51.80）321（N）（N）（MPa）（mm）（mm）因素水平誤差因素水平表誤差因素、水平的確定：

這兩個(gè)誤差因素的水平與內(nèi)設(shè)計(jì)無關(guān)，它們由系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定，在本例中可分別取為750±20、900±50。即：因素取：730（750-20）、750、770（750+20）

因素取：850（900-50）、900、950（900+50）本例中，由于內(nèi)表中共有9號試驗(yàn)（記為№1~№9），因此共有9個(gè)誤差因素水平表。以每個(gè)誤差因素水平表作為依據(jù)共得到9張外表，用它們安排正交試驗(yàn)（五因素、三水平，使用正交表L18(37)），共9組（下面僅給出內(nèi)表中№1號試驗(yàn)所對應(yīng)外表的一組試驗(yàn)）。●設(shè)計(jì)外表試驗(yàn)號A’（mm）B’（mm）C’（MPa）D’（N）E’（N）末速度y（mm/s）1234511（51.80）1（21.90）1（2.0）1（730）1（850）212（22.00）2（2.2）2（750）2（900）313（22.10）3（2.4）3（770）3（950）42（52.00）112252223362331173（52.20）1213832321933132101133211121131213221132123114223121523123163132317321311833212●計(jì)算外表中各號試驗(yàn)輸出特性的理論值對于外表中的18種誤差因素組合，分別根據(jù)前述力學(xué)模型的運(yùn)動方程，計(jì)算輸出特性的理論值，填入外表。以第1種誤差因素組合的計(jì)算為例：

y2~y18的計(jì)算類似，只是各誤差因素所取的因素水平組合不同而已。359.8580.00407.31135.81454.38265.32334.92179.85388.860.00422.02326.04478.10266.6861.77401.23312.00167.0721233181312317323131632132152132214132121312231123112111233111023133912323831213（52.20）711332633222522112（52.00）43（950）3（770）3（2.4）3（22.10）132（900）2（750）2（2.2）2（22.00）121（850）1（730）1（2.0）1（21.90）1（51.80）154321末速度y（mm/s）E’（N）D’（N）C’（MPa）B’（mm）A’（mm）試驗(yàn)號●計(jì)算SN比對9張外表的每一張外表，計(jì)算出各自的SN比。以內(nèi)表1號試驗(yàn)所對應(yīng)的№1外表為例：用類似的方法計(jì)算出№2~№9外表所對應(yīng)的，填入內(nèi)表，以進(jìn)行SN比的方差分析。22.3415.5921.0118.9423.2316.8024.5620.395.0912339312382313（60）721326132253212（56）433（3.0）3（26）1322（2.6）2（24）1211（2.2）1（22）1（52）14321（dB）eCBA因素列試驗(yàn)號號56.9568.8065.8458.9460.3459.5359.2158.9750.6639.6242.9050.0416.09148.2192.9217.6722.341233915.593123821.012313（60）718.942132623.231322516.803212（56）424.5633（3.0）3（26）1320.3922（2.6）2（24）125.0911（2.2）1（22）1（52）14321（dB）eCBA因素列試驗(yàn)號號總和修正項(xiàng)總平方和及自由度因素的平方和及自由度

●

SN比的方差分析方差分析表8274.86T8.44433.768.05216.09e*（顯著）8.7874.112148.21C（*）（較顯著）5.5046.46292.92B8.84217.67A顯著性F值方差V自由度f偏差平方和S方差來源注：因A不顯著，因此將其影響并入誤差項(xiàng)，按計(jì)算

F值。22.3415.5921.0118.9423.2316.8024.5620.395.0912339312382313（60）721326132253212（56）433（3.0）3（26）1322（2.6）2（24）1211（2.2）1（22）1（52）14321（dB）eCBA因素列試驗(yàn)號號分析結(jié)果表明，因素C顯著，因素B較顯著，因素A不顯著，因素影響的主次順序?yàn)椋ㄖ鳎〤→B→A（次）。由于因素A不顯著，原則上可忽略其影響而任選一水平。從內(nèi)表中可以發(fā)現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)條件為№3試驗(yàn)的條件（SN比最大），因此最優(yōu)生產(chǎn)條件可以是A1B3C3，或A2B3C3，或A3B3C3。通過進(jìn)一步計(jì)算，得到這三種生產(chǎn)條件下的輸出特性值分別為976.94、1013.82、1049.40（mm/s），故根據(jù)望目要求（m=960mm/s）選取A1B3C3作為最佳設(shè)計(jì)方案。參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果：■容差設(shè)計(jì)一般情況下認(rèn)為，容差是公差的一半，容差是相對于允許值的中心而言的。參數(shù)設(shè)計(jì)確定出了各參數(shù)的中心值，下表為對應(yīng)于最佳設(shè)計(jì)方案按三級品設(shè)計(jì)的誤差因素水平表。9507703.226.1052.2039007503.026.0052.0028507302.825.9051.801E’900±50（N）D’750±20（N）C’3.0±0.2（MPa）B’26±0.1（mm）A’52±0.2

（mm）因素水平以上述誤差因素水平按L18(37)正交表設(shè)計(jì)出的試驗(yàn)方案及計(jì)算結(jié)果列于下表中。-50.24231339108.76123238-2.9131213（52.20）7125.15113326-20.47332225-53.7822112（52.00）443.403（950）3（770）3（