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1、稳健性设计稳健性设计目目 录录什么是稳健性设计什么是稳健性设计稳健性设计几个基本概念稳健性设计几个基本概念稳健性设计三个阶段稳健性设计三个阶段 三次设计三次设计稳健性设计案例稳健性设计案例什么是稳健性设计什么是稳健性设计 传传统统的的设设计计思思想想认认为为:只只有有质质量量最最好好的的元元器器件件(零零部部件件)才才能能组组装装成成质质量量最最好好的的整整机机;只只有有最最严严格格的的工工艺艺条条件件才才能能制制造造出出质质量量最最好好的的产产品品。总总之之,成成本本越越高高,产产品品的的质质量量越越好好,可可靠靠性性越越高高。自自本本世世纪纪七七十十年年代代,世世界界上上技技术术先先进进国
2、国家家已已开开始始以以一一种种全全 新新的的设设计计概概念念取取代代了了传传统统的的设设计计思思想想。这这种种新新的的设设计计概概念念认认为为:使使用用最最昂昂贵贵的的高高等等级级、一一致致性性最最好好的的元元器器件件并并不不一一定定能能组组装装出出稳稳健健性性最最好好的的整整机机,成成本本最最高高,并并不不一一定定质质量量最最好好。产产品品抗抗干干扰扰能能力力的的强强弱弱主主要要取取决决于于各各种种设设计计参参数数(因因素素)的的搭搭配配。设设计计参参数数搭搭配配不不 同同,输输 出出 性性 能能 的的 波波 动动 大大 小小 不不 同同,平平 均均 值值 也也 不不 同同。稳健性设计起源稳
3、健性设计起源 稳稳健健性性设设计计是是日日本本著著名名的的质质量量管管理理专专家家田田口口玄玄一一博博士士于于70年年代代初初创创立立的的质质量量管管理理新新技技术术。这这是是一一种种最最新新颖颖、科科学学、有有效效的的稳稳健健性性优优化化设设计计方方法法。该该理理论论和和方方法法不不仅仅受受到到日日本本同同时时也也受受到到欧欧美美各各国国应应用用统统计计学学家家、质质量量管管理理专专家家、工工程程设设计计专专家家和和企企业业人人士士关关注注,并并在在工工程程实实际际中中得得到到了了广广泛泛应应用用。稳稳健健性性设设计计是是田田口口玄玄一一创创立立的的质质量量工工程程观观中中的的一一个个分分支
4、支,由由田田口口玄玄一一发发展展而而成成,因因此此通通常常被被人人们们称称之之为为田田口口方方法法(Taguchi Method)。田田口口方方法法是是一一种种低低成成本本、高高效效益益的的质质量量工工程程方方法法,它它强强调调产产品品 质质 量量 的的 提提 高高 不不 是是 通通 过过 检检 验验,而而 是是 通通 过过 设设 计计。SONY电视机 70年代的故事电视机的性能指标之一:电视机的性能指标之一:电视机的彩色浓度:电视机的彩色浓度:y y目标值:目标值:m m,允许偏差为,允许偏差为55公差范围:公差范围:m-5,m+5m-5,m+5由此判定该机的彩色浓度合格,由此判定该机的彩色
5、浓度合格,否则判为不合格否则判为不合格两地的产品都是合格产品两地的产品都是合格产品7070年代末美国消费者更愿意购买年代末美国消费者更愿意购买日产日产SONYSONY为什么出现此种差异?为什么出现此种差异?日本制造美国制造 SONY电视机 70年代的故事日本制造美国制造x全部合格全部合格0.3%不合格不合格但美国的家庭更喜欢日本制造的电视机?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 1、优良品比率高、优良品比率高2 2、在向目标值、在向目标值m m靠近的同时,方差减小靠近的同时,方差减小3 3、关注信号、减少噪音、关注信号、减少噪音此时如何设计?此时如何设计?稳稳健健
6、设设计计的的目目的的在在于于,使使所所设设计计的的产产品品质质量量稳稳定定、波波动动小小,使使生生产产过过程程对对各各种种噪噪声声不不敏敏感感。在在产产品品设设计计过过程程中中,利利用用质质量量、成成本本、效效益益的的函函数数关关系系,在在低低成成本本的的条条件件下下开开发发出出高高质质量量的的产产品品。稳稳健健设设计计认认为为,产产品品开开发发的的效效益益可可用用企企业业内内部部效效益益和和社社会会损损失失来来衡衡量量,企企业业内内部部效效益益体体现现在在功功能能相相同同条条件件下下的的低低成成本本,社社会会效效益益则则以以产产品品进进入入消消费费领领域域后后给给人人民民带带来来的的影影响响
7、作作为为衡衡量量指指标标。假假如如,由由于于一一个个产产品品功功能能波波动动偏偏离离了了理理想想目目标标,给给社社会会带带来来了了损损失失,我我们们就就认认为为它它的的稳稳健健性性设设计计不不好好,而而田田口口式式的的稳稳健健性性设设计计恰恰能能在在降降低低成成本本、减减少少产产品品波波动动上上发发挥挥作作用用。稳健性设计目的稳健性设计目的 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
8、湿度、材料老化、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。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
9、产品在最低廉的成本条件下(或最宽松的工艺工艺设计参数,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。条件下),达到输出性能最高地稳健性。稳健性设计思想稳健性设计思想几个基本概念几个基本概念稳健性稳健性 稳稳健健性性(robustness),也也叫叫鲁鲁棒棒性性,是是指指因因素素状状况况发发生生微微小小变变差差对对因因变变量量影影响响的的不不敏敏感感性性。换换句句话话说说,产产品品性性能能与与某某个个因因素素有有关关,因因素素状状态态变变化化时时,产产品品的的性性能能也也随随之之变变化化。如如果果因因素素状状态态的的变变化化对对产产品品性性能能的的影影响响不不大大
10、,我我们们就就说说产产品品性性能能对对该该因因素素的的变变化化是是不不敏敏感感的的,又又称称是是稳稳健健性性的的,或或说说产产品品性性能能对对该该因因素素的的变变化化具具有有稳稳健健性性。如如使使产产品品性性能能对对所所用用材材质质变变差差不不灵灵敏敏,就就能能在在一一些些情情况况下下使使用用较较低低廉廉的的或或低低等等级级的的材材料料;使使产产品品对对制制造造尺尺寸寸变变差差不不灵灵敏敏,可可以以提提高高产产品品的的可可制制造造性性、降降低低制制造造费费用用;使使产产品品对对使使用用环环境境变变化化不不 灵灵 敏敏,就就 能能 保保 证证 产产 品品 使使 用用 的的 可可 靠靠 性性 和和
11、 降降 低低 操操 作作 费费 用用。质量特性值质量特性值 在在工工业业生生产产中中,产产品品的的质质量量通通常常通通过过对对特特定定的的功功能能、特特性性的的测测定定或或 测测 量量 数数 值值 来来 评评 定定(质质 量量 特特 性性 或或 输输 出出 特特 性性)。任任何何一一种种产产品品的的质质量量特特性性值值与与其其名名义义值值(额额定定值值)之之间间都都存存在在一一定定的的偏偏差差。偏偏差差越越小小,质质量量越越好好。设设 质质 量量 特特 性性 值值 为为y,目目 标标 值值 为为y0,y对对 y0的的 变变 差差 是是 是是 服服 从从 一一 定定 概概 率率 分分 布布 的的
12、 随随 机机 变变 量量,当当 它它 服服 从从 正正 态态 分分 布布 越小越好设计二 y2设计一设计一 y1哪个设计更好?质量噪声(干扰)质量噪声(干扰)噪声因子噪声因子 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。不能被设计者控制的因子。外噪声外噪声 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,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。温度、湿度、位置等。内噪声内噪声 由于在储存或使用过程中,随着时间的推移,发生材料变质、劣化现象由于在
13、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。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、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、环的变化,引起质量特性值的波动。环的变化,引起质量特性值的波动。质量的变异性质量的变异性 产品的质量特性指标往往会有差异;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,由于种种即使完全相同的生产条件,由于种种干扰因素干扰因素的存在,其产品也的存在,其产品也会表现出不完全相同的
14、质量特性;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,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。其质量特性都会有差异。质量损失函数质量损失函数 田田口口的的质质量量观观 与与传传统统的的质质量量定定义义不不同同,田田口口玄玄一一博博士士将将产产品品的的质质量量定定义义为为:产产品品出出厂厂后后避避免免对对社社会会造造成成损损失失的的特特性性。可可用用“质质量量损损失失”来来对对产产品品质质量量进进行行定定量量描描述述。质质量量损损失失是是指指产产品品出出厂厂后后“给给社社会会带带来来的的损损失失”,包包括括直直接接损
15、损失失(如如空空气气污污染染、噪噪声声污污染染等等)和和间间接接损损失失(如如顾顾客客对对产产品品的的不不满满意意以以及及由由此此导导致致的的市市场场损损失失、销销售售损损失失等等)。质质量量特特性性值值偏偏离离目目标标值值越越 大大,损损 失失 越越 大大,即即 质质 量量 越越 差差,反反 之之,质质 量量 就就 越越 好好。为为了了定定量量描描述述产产品品质质量量损损失失,田田口口提提出出了了“质质量量损损失失函函数数”的的概概念念,并并 以以 信信 噪噪 比比 来来 衡衡 量量 设设 计计 参参 数数 的的 稳稳 健健 程程 度度。产品功能波动客观存在,有功能波动就会造成社会损失。所产
16、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。的函数。当产品特性值当产品特性值y与目标值与目标值m不相等时,就认为造成了质量损失。不相等时,就认为造成了质量损失。其中其中L(y)为质量损失函数,)为质量损失函数,y0目标值目标值 K比例常数比例常数 y产品输出特性产品输出特性 当当y=y0 L(y)=0,Yy0D0D0A0L(y)平均损失函数平均损失函数E(L)=E(y-y0)2=E(y E y)+(E y-y0)2 =E(y E y)2+E(E y-y0)2 =+是是y
17、的均值,即产品的生产中心值。的均值,即产品的生产中心值。是生产中心值与目标值的漂移量。是生产中心值与目标值的漂移量。是质量特性值的方差,反映产品间的差异。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降低平均损失的两个步骤减少变异减少变异:稳健设计,找出最稳健的因素水平搭配,即减小质量: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。定的差异。减小偏倚减小偏倚:灵敏度设计,寻找调节因素,通过调整调节因素的取: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
18、增加变异程度的情况下,把值,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。实验指标调整到目标值。信躁比信躁比 信信噪噪比比是是稳稳健健性性设设计计中中用用以以度度量量产产品品质质量量特特性性的的稳稳健健性性指指标标,是是测测量量质质量量的的一一种种尺尺度度。信信噪噪比比是是信信号号量量与与噪噪音音的的比比率率,信信噪噪比比越越大大表表示示产产品品越越稳稳健健。=S/N S是是信信号号功功率率,N是是噪噪声声功功率率。所所谓谓信信噪噪比比(S/N)是是用用来来描描述述抵抵抗抗内内外外干干扰扰因因素素所所引引起起的的质质 量量 波波 动动 的的 能能 力力,或或 叫叫 产产 品
19、品 的的 稳稳 定定 性性 或或 稳稳 健健 性性。望目特性信噪比望目特性信噪比 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。目标值波动,且波动越小越好。稳健性设计阶段致力于减小稳健性设计阶段致力于减小 ,从相对误差角度考虑,希望,从相对误差角度考虑,希望 等价于等价于 越大越好。越大越好。=望小特性信噪比望小特性信噪比 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。相当于取目标值波动越小越好。相当于取目标值y0=0,损失函数,损失函数
20、L(y)=y2,平均损,平均损失为失为E(y2)。由于由于 因此此时平均损失函数要求特性指标平均因此此时平均损失函数要求特性指标平均值要值要 小,且波动程度小,且波动程度 小。小。=望大特性信噪比望大特性信噪比 所谓望大特性是希望质量特性越大越好(理想值为无穷大),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,损失函数则为望小质量特性,损失函数L(y)=1/y2,平均损失为,平均损失为E(1/y2)。解决方案解决方案解决方案解决方案应用价值应用价值应用价值应用价值解决问题解决问题解决问题解决问题-如何实现低成本、高
21、质量的设计?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;产品间的干扰,使质量特性波动最小;-选择低质量等级的元件,实现质量最好的整机;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。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;把质量设计进产品里面去;-量化分析并确定产品的最佳参数和合理容差;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
22、设计;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。实现低成本、高质量的设计效果。稳健性设计三个阶段稳健性设计三个阶段 基础基础核心核心经济化经济化系统设计系统设计参数设计参数设计容差设计容差设计容差设计参数设计系统设计系统设计含义含义:又叫基础设计、专业设计:又叫基础设计、专业设计,运用系统工程的思想和方法,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。讨如何最经济、合理地满足用户要求的整个设计过程。内容内容:确定实验目的、指标和仪器设备、场
23、所以及实验的主要影: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。响因素。执行执行:专业技术人员完成,设计质量取决于设计人员专业技术水: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。平和应用专业知识的能力。容差设计参数设计参数设计系统设计 基本思想和目的基本思想和目的 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)。质量最稳定(健壮)。参数设计的目的是根据系
24、统设计中所确定的所有参数,通过多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)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,以求得抗干扰性最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。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佳参数值,使,使 y 对各种干扰不敏感。
25、对各种干扰不敏感。与参数设计有关的两个主要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。概念就是质量波动和干扰因素。容差设计参数设计参数设计系统设计探求影响因素水平的最佳搭配。探求影响因素水平的最佳搭配。质量指标质量指标平均水平平均水平要达到设计的要求。要达到设计的要求。质量指标质量指标变异性变异性要达到稳健性的要求。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,称为排实验方案,称为内表设计内表设计;确定噪声因素及水平、安排噪声实验,确定噪声因素及水平、安排噪声实验,外表设计外表设计;用用信噪比信噪比
26、分析产品质量特性的稳健性。分析产品质量特性的稳健性。容差设计参数设计参数设计系统设计容差设计容差设计参数设计系统设计 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。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
27、质量特性值的波动有多大。较大)时,系统质量特性值的波动有多大。容差设计容差设计参数设计系统设计 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。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。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
28、合经济性分析来确定元件的容许偏差。应结合经济性分析来确定元件的容许偏差。产品的功能受噪声产品的功能受噪声影响会偏离目标值,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。损失。稳健性设计案例稳健性设计案例 设设计计一一个个电电感感电电路路,要要求求输输出出电电流流强强度度在在10安安培培附附近近,且且波波动动越越小小越越好好。此此电电路路由由电电阻阻R(单单位位:),电电感感线线圈圈L(单单位位:H)组组成成。当当输输入入交交流流电电压压V(单单位位:V)和和电电流流频频率率f(单单位位:Hz)时时,输输出出电电流流强强度度y(单单位位:
29、A)为为 至此,完成了系统设计。至此,完成了系统设计。容差设计参数设计系统设计系统设计容差设计参数设计参数设计系统设计制定可控因素水平表制定可控因素水平表初始数据表利用正交表进行内设计利用正交表进行内设计容差设计参数设计参数设计系统设计内设计方案容差设计参数设计参数设计系统设计制定误差因素水平表制定误差因素水平表误差因素水平表容差设计参数设计参数设计系统设计容差设计参数设计参数设计系统设计容差设计参数设计参数设计系统设计进行外设计进行外设计正交表的外设计容差设计参数设计参数设计系统设计获得质量特性值获得质量特性值第一号方案的外设计方案容差设计参数设计参数设计系统设计设计方案质量特性表容差设计参
30、数设计参数设计系统设计计算信噪比和灵敏度计算信噪比和灵敏度内表的统计分析内表的统计分析内表的统计分析结果表容差设计参数设计参数设计系统设计容差设计参数设计参数设计系统设计信噪比的方差分析信躁比的方差分析表灵敏度的方差分析灵敏度的方差分析表容差设计参数设计参数设计系统设计因素分类表 由表可见,电阻R为稳定因素,它对信噪比比值具有显著影响,而电感L为调整因素,可以通过对因素L的调整,使最佳参数设计方案的期望值趋近目标值。确定最佳参数设计方案确定最佳参数设计方案容差设计参数设计参数设计系统设计 S/N分析:由分析:由S/N方差分析表可以看出,电阻方差分析表可以看出,电阻R为高度显著为高度显著因素,电
31、感因素,电感L为次要因素,且从内表统计分析结果表可见,为次要因素,且从内表统计分析结果表可见,R的的最优水平为最优水平为R3,L的最优水平为的最优水平为L1,最优组合为,最优组合为R3 L1。灵敏度灵敏度S分析:有灵敏度分析:有灵敏度S方差分析表可以看出,电阻方差分析表可以看出,电阻R和电感和电感L均均为显著因素,电感为显著因素,电感L为调整因素,当最优水平组合没有达到目标值时,为调整因素,当最优水平组合没有达到目标值时,可通过调整因素可通过调整因素L进行调整。进行调整。容差设计容差设计参数设计系统设计制定最佳条件误差因素水平表制定最佳条件误差因素水平表最佳条件误差因素水平表容差设计容差设计参数设计系统设计最佳条件的外设计最佳条件的外设计最佳条件外设计的统计分析结果表容差设计容差设计参数设计系统设计输出特性的方差分析输出特性的方差分析容差设计容差设计参数设计系统设计总偏差平方和 ST=容差设计容差设计谢谢观赏!谢谢观赏!
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