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1、稳健性设计第1 页,本讲稿共50 页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第2 页,本讲稿共50 页什么是稳健性设计 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
2、 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。稳健性设计起源第3 页,本讲稿共50 页 稳 健 性 设 计 是 日 本 著 名 的 质 量 管 理 专 家 田 口 玄 一 博 士 于7 0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
3、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。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 M e t h o d)。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。第4 页,本讲稿共50 页 SONY电视机 70年代的故事 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
4、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?日本制造美国制造第5 页,本讲稿共50 页 SONY电视机 70年代的故事日本制造美国制造x全部合格0.3%不合格但美国的家庭更喜欢日本制造的电视机?第6 页,本讲稿共50 页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?第7 页,本讲稿共50 页 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
5、本的条件下开发出高质量的产品。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。稳健性设计目的第8 页,本讲稿共50 页 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
6、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。稳健性设计思想第9 页,本讲稿共50 页几个基本概念稳健性 稳 健 性(r o b u s t n e s s),也 叫 鲁 棒 性,是 指 因 素 状 况 发 生 微 小 变差
7、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。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
8、 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。第10 页,本讲稿共50 页质量特性值 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 是 服 从 一 定 概 率 分 布 的 随 机 变 量,当 它 服 从 正 态 分 布 越小越好第11 页,本讲稿共50 页设计二
9、 y2设计一 y1哪个设计更好?第12 页,本讲稿共50 页质量噪声(干扰)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、环的变化,引起质量特性值的波动。第13 页,本讲稿共50 页质量的变异性 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
10、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。第14 页,本讲稿共50 页质量损失函数 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: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、
11、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。第15 页,本讲稿共50 页 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。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,第16 页,本讲稿共50 页Yy0D0 D0
12、A0L(y)第17 页,本讲稿共50 页平均损失函数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y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。是质量特性值的方差,反映产品间的差异。第18 页,本讲稿共50 页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。第19 页,本讲稿共50 页信躁比 信噪比是
13、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。第20 页,本讲稿共50 页望目特性信噪比 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目标值波动,且波动越小越好。稳健性设计阶段致力于减小,从相对误差角度考虑,希望 等价于 越大越好。=第21 页,本讲稿共50 页望小特性信
14、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 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 小。=第22 页,本讲稿共50 页望大特性信噪比 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)。第23 页,本讲稿共50 页解决方案解决方案应用价值应用价值解决问题解决问题-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;
15、-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;-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。稳健性设计三个阶段 第24 页,本讲稿共50 页基础核心经济化系统设计参数设计容差设计第25 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计系统设计含义: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
16、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。第26 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 系统设计 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
17、,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。第27 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 系统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。第28 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 系统设计第29 页,本讲稿共50 页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。参数设计后,应将元件自身的波动控制在一定的范围之内,这就是要
18、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。第30 页,本讲稿共50 页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。第31
19、页,本讲稿共50 页稳健性设计案例 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 至此,完成了系统设计。容差设计参数设计系统设计第32 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 系统设计制定可控因素水平表初始数据表第33 页,本讲稿共50 页利用正交表进行内设计容差设计参数设计 系统设计内设计方案第34 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 系统设计制定误差因素水平表误差因素水平表第35 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 系统设计第3
20、6 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 系统设计第37 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 系统设计进行外设计正交表的外设计第38 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 系统设计获得质量特性值第一号方案的外设计方案第39 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 系统设计设计方案质量特性表第40 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 系统设计计算信噪比和灵敏度 内表的统计分析内表的统计分析结果表第41 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 系统设计第42 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计 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第43 页,本讲稿共5
21、0 页容差设计参数设计 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。第44 页,本讲稿共50 页确定最佳参数设计方案容差设计参数设计 系统设计 S/N分析:由S/N方差分析表可以看出,电阻R为高度显著因素,电感L为次要因素,且从内表统计分析结果表可见,R的最优水平为R3,L的最优水平为L1,最优组合为R3 L1。灵敏度S分析:有灵敏度S方差分析表可以看出,电阻R和电感L均为显著因素,电感L为调整因素,当最优水平组合没有达到目标值时,可通过调整因素L进行调整。第45 页,本讲稿共50 页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最佳条件误差因素水平表第46 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计系统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第47 页,本讲稿共50 页容差设计参数设计系统设计第48 页,本讲稿共50 页输出特性的方差分析容差设计参数设计系统设计总偏差平方和 ST=容差设计第49 页,本讲稿共50 页第50 页,本讲稿共50 页
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