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1现代质量工程制造系统与质量工程研究所西安交通大学2五、面向质量的设计—三次设计三次设计理论是日本著名质量管理专家田口玄一博士于20世纪70年代创立的一种系统化设计方法，其核心思想是在产品设计阶段就进行质量控制，试图用最低的制造成本生产出满足顾客要求的，对社会造成损失最小的产品。三次设计分为三个阶段系统设计参数设计(健壮设计、鲁棒设计)容差设计3五、面向质量的设计—三次设计三次设计理论系统设计是指根据产品规划所要求的功能，利用专业知识和技术对该产品的整个系统结构和功能进行设计。其主要目的是确定产品的主要性能参数、技术指标及外观形状等重要参数。系统设计是产品设计的基础。参数设计又叫健壮设计。利用参数设计可以便用公差范围较宽的廉价元件组装出高质量的产品，其实质是利用产品输出特性和元件参数水平之间的非线性效应。容差设计的目的是确定各个参数容许误差的大小。容差设计的基本思想是对影响大的参数给予较小的公差值，对影响小的参数给予较大的公差值，从而在保证质量的前提下使系统的总成本为最小。4五、面向质量的设计—三次设计三次设计理论系统设计参数设计容差设计满意？满意？否否输出健壮设计解是是5五、面向质量的设计—三次设计三次设计理论和传统设计的区别对客户需求重视程度不同传统产品的研制和设计方法以工程师和经理们的意见为主，而三次设计则以市场为牵引，以客户的需求为难绳。设计目标及评价标准不同传统设计以产品满足验收标准的上、下限为目标。三次设计则是以客户所要求的指标为目标值，用参数设计方法来控制产品的质量波动，使产品性能稳定在目标值附近，对产品设计质量的评价采用信噪比和质量损失函数。着重点不同传统设计在产品开发的设计阶段投入不足；三次设计设计师的主要精力集中在产品开发设计阶段。6五、面向质量的设计—三次设计产品设计活动的分配产品研制过程的工作量分配7五、面向质量的设计—三次设计三次设计理论和传统设计的区别在工程更改的次数和分布上有明显差别传统设计在产品研制后期有大量的工程更改。按三次设计方式，大部分工程更改都出现在产品研制早期，而且在图样上进行，从而大大降低了成本，缩短了研制周期。8五、面向质量的设计—三次设计三次设计理论和传统设计的区别主导思想不同传统设计方式是被动应付式的，只有当产品的问题暴露出来后才着手解决。而三次设计方式则通过采取各种手段，把可能出现的问题消灭在“萌芽”状态，从根本上提高了产品的质量和可靠性。产生的经济效益和社会效益不同9五、面向质量的设计—参数设计参数设计在产品质量的形成过程中，由于受到很多因素（如人员、机器、材料、方法、环境等）的影响而发生波动，在设计过程中就需要考虑这些因素的影响，并尽量减小其影响，使产品的质量特性对这些因素的变化不敏感，即提高产品质量特性的健壮性。参数设计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，使得所设计的产品（或工艺）无论在制造和使用中当结构参数产生偏差，或是在规定寿命内结构发生老化和变质时都能保持产品性能稳定。10五、面向质量的设计—参数设计参数设计产品的质量特性具有波动性，引发产品质量特性波动的因素可分为两类：可控因素。指确定的、易于控制的因素。噪声因素。指随机的、难于控制的因素。外噪声是指产品在使用或运行中，由于环境和使用因素的差异或变化而影响产品质量特性稳定性的因素。内噪声是指产品在存放和使用过程中，随时间的推移而直接影响产品质量特性的因素。物间噪声是指产品由于在生产中人、机、料等的差异而使产品质量特性发生波动的因素。11五、面向质量的设计—参数设计参数设计的基本原理噪声因素是引起产品质量特性波动的主要原因，寻找改变产品质量特性的噪声因素并控制这些因素是不可能的或代价昂贵的。应当通过控制可控因素的水平，使产品对噪声因素的敏感程度降低，从而使噪声因素对产品质量的影响作用减少或去除，实现提高产品质量的目的。12五、面向质量的设计—参数设计参数设计的基本原理信号因素产品质量输入可控因素不可控因素izizf输出yyy,,0zxyy,yyfxxixixf.....0yy0yyyyixˆzx参数设计要求达到两个目的：（1）使产品质量特性的均值尽可能达到目标值（2）使由于各种干扰因素引起的质量特性波动的方差尽可能小13五、面向质量的设计—参数设计参数设计使产品质量特性的均值尽可能达到目标值，主要方法有：通过产品的方案设计，改变输入输出的关系，使其功能特性尽可能接近目标值。通过参数设计调整设计变量的名义值，使输出均值达到目标值。使产品的质量特性波动的方差尽可能小，主要方法有：通过减小参数名义值的偏差，从而可以缩小输出特性的方差。利用非线性效应，通过合理的选择参数在非线性曲线上的工作点或工作值，可以使质量特性值的波动缩小。14五、面向质量的设计—参数设计一般参数设计要求达到两个目的使产品质量特性的均值尽可能达到目标值通过产品的方案设计，改变输入输出的关系，使其功能特性尽可能接近目标值通过参数设计调整设计变量的名义值，使输出均值达到目标值使由于各种干扰因素引起的质量特性波动的方差尽可能小通过减少参数名义值的偏差，从而可以缩小输出特性的方差利用非线性效应，通过合理的选择参数在非线性曲线上的工作点或工作值，可以使质量特性值的波动缩小。15五、面向质量的设计—参数设计01x2x1x1x2x0y0yy2y1y3yyy0zx1z2zbzazy)(非线性效应的一般原理16五、面向质量的设计—参数设计健壮设计可以分为4类田口健壮设计法响应面健壮设计法工程模型健壮设计法成本质量健壮设计法田口健壮设计的基本思想是以正交表为基本工具，用噪声因素模拟各种干扰，以信噪比作为衡量产品质量特性健壮性的指标，采用最合适的元部件，组装成质量上乘、成本低廉、性能稳定可靠的产品17五、面向质量的设计—参数设计田口参数设计对因素进行分类制定可控因素水平表制定噪声因素水平表选择内表选择外表用试验或计算获得质量特性值计算信噪比S/N内表的统计分析确定最佳的可控因素水平表18五、面向质量的设计—参数设计参数设计阶段是确定系统中各参数的最佳组合的阶段参数设计利用正交试验设计方法，处理系统的各参数与质量特性值之间的非线性关系，通过选择可控因素的水平，确定系统中元件或构建参数的一组最佳组合，从而降低噪声因素对产品质量性能的干扰作用，达到提高产品质量的目的。19五、面向质量的设计—参数设计参数设计正交试验设计试验指标，用来衡量试验效果的特征量试验因素，对试验指标可能产生影响的原因因素水平，因素在实验中所处的各种状态或所取得不同值根据R.A.Fisher的统计学理论，一个缩减的因素向量集具有与全集相同的统计意义。Taguchi提出正交试验设计方法，用少量的试验来研究整个参数变化空间的性质。这一方法的最大优点是，通过最有代表性的少数几项试验就能获得可靠的试验结果，且分析计算十分简便。20五、面向质量的设计—参数设计参数设计正交试验设计具有以下两个特点：1）试验点均衡分散2）试验点整齐可比a)b)A1B3C1A2A3B2B1C2C33因素3水平的变化空间21五、面向质量的设计—参数设计参数设计正交试验设计的试验点之所以具有均衡分散和整齐可比这两个特性，其根源还在于正交表的正交性。每一列各水平重复次数相等；任两列水平组合重复次数也相等。22五、面向质量的设计—参数设计参数设计正交试验设计的一般步骤为：①明确试验目的，确定考核指标；②选取因素与水平，制定因素水平表；③选择合适的正交表，进行表头设计；④确定试验方案，做试验，记录试验数据；⑤对试验结果进行直观分析或方差分析，选取优化方案；⑥验证试验，最后确定最终方案。23五、面向质量的设计—参数设计4因素3水平的直观分析表24五、面向质量的设计—参数设计信噪比S/N一般是指因素的主效应与误差效应的比值望目特性的信噪比S/N计算式望小特性的信噪比计算式望大特性的信噪比计算式)](1[10/eemVVSnLgNS)](1[10/2iynLgNS)](1[10/2iynLgNSnySim/)(2)1/(]/)([22nnyyViie25五、面向质量的设计—参数设计参数设计案例设计实例是机车发动机的连接部件，它是由一个弹性联接件和一个尼龙管装配而成的。质量设计的目标是尽可能增大该联接部件的牵引力。26五、面向质量的设计—参数设计参数设计案例可控因素的9种组合方式噪声因素的8种组合方式27五、面向质量的设计—参数设计参数设计案例正交试验结果)](1[10/2iynLgNS最佳因素组合为(A2，B2，C3，D1)28五、面向质量的设计—参数设计参数设计案例24.025.026.027.0123a)信噪比水平123b)24.025.026.027.0水平信噪比123c)24.025.026.027.0信噪比水平123d)24.025.026.027.0信噪比水平29五、面向质量的设计—参数设计参数设计案例18.019.020.021.0123a)平均牵引力水平123b)18.019.020.021.0水平平均牵引力123c)18.019.020.021.0平均牵引力水平123d)18.019.020.021.0水平平均牵引力30五、面向质量的设计—参数设计参数设计案例综合考虑之后确定的因素水平组合为(A2，B1，C3，D1)31五、面向质量的设计—容差设计容差设计容差设计的目的是在参数设计给出最优条件的基础上，确定各参数最合适之容差，即在考虑各参数的波动对产品质量特性值影响之后，从经济角度考虑是否需要对某些参数之容差给予调整，使产品的总损失，即质量损失和成本损失之和达到最小，确定各参数最合适之容差。32五、面向质量的设计—容差设计参数设计质量波动损失异常波动损失，质量特性值的波动超出容差范围而造成不合格品流入市场或报废给用户和社会带来的损失。正常波动损失，质量特性值的波动未超出容差范围生产出合格品出厂供应市场给用户和社会带来的损失33五、面向质量的设计—容差设计质量损失函数根据Taguchi质量观，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，只有当产品质量特性严格处在目标值时的产品损失为零。随产品质量特性偏离，损失呈二次函数增长。34五、面向质量的设计—容差设计质量损失函数当质量特性目标值为某一确定值时当质量特性目标值不是确定值，而是越大越好当质量特性是越小越好2TyKL21yKL2KyL35五、面向质量的设计—容差设计质量特性值b)质量损失质量特性值TT-ET+Ea)质量损失c)质量特性值质量损失a）目标值为确定值b）目标值越大越好c）目标值越小越好36五、面向质量的设计—容差设计容差设计由参数设计结果获得最佳的可控因素水平组合制定噪声因素水平表选择试验方案用试验或计算获得质量特性值试验结果的统计分析权衡质量损失和成本确定最佳的可控因素容差组合37现代质量工程制造系统与质量工程研究所西安交通大学