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1第一章品質設計之實驗計畫法1.1何謂實驗設計實驗設計是一門探討實驗進行方式及其實驗觀測值解析法以提高情報獲得效率、使實驗成本最低的學問。此一利用事前的、有計劃的、考慮週詳的資料蒐集程序是由1920年代英國人RonaldA.Fisher所創始的。實驗設計傳入美國後，開始大部份是使用於農業與生物實驗方面。直到第二次世界大戰發生，工業製品的品質管制開始被重視後，實驗設計就成為品質管制上一重要的方法。後來實驗設計傳到日本後，日本工業隨著品質管制的實施，但是工業方面的實驗會比農業、生物實驗方面有更複雜的的內容，例如較多的控制因子及時間的限制等。21950年代田口玄一(TaguchiGenichi)博士倡導使用直交表的實驗設計，並領導一群研究人員開發各種直交表、點線圖、應用技巧及解析方法。此方法由於對實驗的結果再現性高，配置實驗的伸縮性大，實驗次數少，實驗配置容易與解析方法簡便等理由與益處，因此在日本迅速的普及。日本人將田口博士的學問稱為品質工程(QualityEngineering)，歐美各國在1980年代開始接受此方法而稱之為田口方法(Taguchi’sMethod)。為什麼要學習要學習實驗設計？我們可以從以下調查圖表可以看出未來品質改進上實驗設計應用的程度。(資料來源：KekiR.Bhote之WorldClassQuality一書)統計品質管制對於品質改善的貢獻率實驗設計對於品質改善的貢獻率0%20%40%60%80%100%195019601970198019902000美國日本0%20%40%60%80%100%195019601970198019902000美國日本3內容：(1)特性值的合理化－改良目的的特性。(2)要因的配置法－利用直交表及其他修改配置的方法。(3)實驗數據的解析法－SN比(信號雜音比)(a)和工程平均T之間的差，只計算約一半的大要因。(b)根據折扣係數法。(c)作變異數分析，只採用變異比是2以上的。(d)作變異數分析，F檢定之後只考慮推定有意義的41.2品質機能的變異與其損失我們日常購買產品，當然希望買到的是好產品，而對於好產品，如果忽略價錢問題，僅就品質方面而討論：第一：希望所買到的產品，其性能能夠達到說明書上面所示的，該產品在各種環境條件下使用，均能達到其性能，而不會因環境條件有所變異。第二：就是產品的性能要能夠耐久、壽命越長越好。第三：產品間的變異小，即產品間的品質特性要均勻。別人用了某產品非常好而告知你，你去購買時當然希望與有人所購買的一樣好。然而要達到上述三個好產品所應具備的條件，就必須克服下列三種影響產品性能的雜音(Noise)：外部雜音、內部雜音和產品間的雜音。我們在設計一個新產品或新製造過程的時候，最重要的就是怎麼樣設計，才能使其對各種雜音不受影響，而且價格便宜。5不論是最終產品或是零件與材料，其目的特性中存有目標值，也存在著決定合格、不合格的允差。一但制定規格，則不合規格的產品就會被廢棄或修理而造成損失，所以若產生不合規格的產品，就會發生增加成本的問題。何謂損失？由誰負擔？因為品質管制的最終目的乃是希望所有的產品皆能不受環境、人員等外在因素的影響，使其機能特性皆能達到所期望的目標值。因為一旦產品特性值與目標值有差異，便極可能有損失的發生。通常，我們將損失視為產品出廠前的額外製造成本。當產品交易後，若其特性值超出廠商或顧客的規格，自然會有退貨的損失，所以出廠後的損失或品質成本則由社會、顧客來負擔；一旦顧客停止負擔，製造商就沒有生意可做了。而即使產品特性值在規格界限內未遭致退貨，但於保固期內任何維修費用皆仍需由製造廠商負擔。但若故障太過頻繁，使用者勢必會對此產品或品牌留下不良印象，所以製造商還是不免要間接的為顧客的負面反應結果承擔費用，甚而告知親友，造成商譽的損失及長期市場佔有率的逐漸減少。6以下所列幾項成本是難以掌握和計算的：(1)退貨(2)保證成本(3)顧客抱怨與和不滿(4)顧客所花費的時間和金錢(5)市場佔有率的可能損失。我們想想最後一項觀點為市場佔有率和成長。生產的目的在追求不斷的成長，而真正的成長來自市場以及整個社會。成長的關連在於品質、成本和顧客是否為滿意。顧客購買你的產品所花費的金錢，以及因品質不良所導致的損失，最後還是反應到製造者身上。一旦顧客肯定了你的產品的品質，你所獲得的回報將是無數倍的。在田口式品質工程的領域中，並不認同現今企業間普遍認為“只要做出符合規格內的產品即可”的想法，它由損失函數的觀點，強調製造出與規格中心相近的產品的重要性。損失m-⊿0m-⊿mm+⊿m+⊿0L(y)A0A0特性值y望目特性的損失函數7因此，田口玄一博士將品質定義為：「所謂品質，指產品出廠後帶給社會的損失，但是不包括機能所引起的損失」。機能所引起的損失：就機能本身而言，不管對社會有多大的損失，減少其損失則並不是品質管制的問題。例如酒具有香味及使人會醉的機能，然而酒醉後會引起事故或打架而引起的損失不少。可是並不可以因為酒醉會誤事而將酒中會使人醉的機能改變。因為要不要允許社會具有何種機能的產品，那是法律及文化的問題而不是技術的問題。其他例如麻藥、電視機等。8對於品質損失的定義，可以限定以下兩項：(1)因機能變異所引起的損失。例如機器故障、產品功能不良所引起的維修損失。機能變異的原因可分成3種：(a)外部雜音(OuterNoise)(環境的差別)：即環境條件影響產品性能的因素，例如使用時不同的溫度、濕度、灰塵、輸入電壓等環境條件的變異所引起的產品機能變異。例如產品在正常的環境下可以發揮其機能，但在高溫或高濕的環境下，就無法正常運作，此即為環境的變異。(b)內部雜音(InnerNoise)(劣化)：因使用的構成零件、零組件有初期變異；使用期間中，又因零組件之零件劣化等衍生的變異使得產品偏離了原有要求的特性值。這種零件的差異及產品退化、劣化所引起的產品機能變異稱為內部雜音。例如某產品起初使用機能良好，但使用一段時間後，會產生漏電的現象，這就是產品劣化所引起的機能變異。(c)產品間的雜音(BetweenProductNoise)：製造工程之變異所衍生的產品變異，即產品與產品間品質的變異。9以下數例來詳細說明影響使用的雜音因素：電冰箱－和冰箱內溫度控制器有關的雜音因素有－外部雜音：冰箱門開關的次數，存放食物的量及放入食物的溫度等。－內部雜音：冷媒的量，冷媒的外漏，機械零件的磨耗。汽車－和汽車剎車距離有關的雜音因素有－外部雜音：水泥路面或瀝青路面，路面的乾或溼，車內的人數。－內部雜音：剎車皮磨擦係數的變化及剎車油量的變化，剎車油的外漏。照片沖洗－沖洗過程的重要雜音因素有－外部雜音：同時進行沖洗的照片張數及暗房裡照明狀況。－內部雜音：沖洗時間的變異及隨著底片沖洗張數的累積增加，化學物反應程度的變化。影響製程變異的雜音因素－外部雜音：製造環境，製程的負荷，原料的變異與作業員的誤失。－內部雜音：製程的不一致性，如製程生產條件控制的變異，生產條件劣化，如炸油的品質隨生產數量而逐漸劣化。10(2)因弊害項目(也含使用成本)所引起的損失。例如以手機為例，以其不論在任何環境下，即使經過任何碰撞與阻擾均能清晰的收到信息，可以說是機能品質完美的手機。但是若此手機非常耗電，對於與機能無關的弊害項目而言，是品質不好的手機。所以，所謂好品質的產品應該是指原來應有的機能沒有變異，而且包含使用成本等弊害項目的損失很少才是。我們在設計一個新產品或新製造過程的時候，最重要的就是怎麼樣設計，才能使其對各種雜音不受影響，而且價格便宜。為因應變異，品質工程中有Off-Line及On-Line兩種對策。在Off-Line對策中，有參數設計與允差設計，並且使用了實驗計畫法。研究是否可以經由設計的方法、決定使用的零件或系統要素等參數水準值，減低外部雜音或內部雜音的影響之方法，即是參數設計。換言之，即使有各種雜音原因，需使其影響減少，也就是說，為了得到穩健的品質品質，必須有效地求得設計上的參數。11生產線上的品質管制即是在每天的生產工作上做好品質管制的工作，以期產品變異之最小化，其管制方法與生產線外的品質管制方法不同，包括製程診斷與調整(DiagnosisandAdjustmentofProcess)、預測與修正(ForecastingandCorrection)、測試與處置(MeasurementandDisposition)三者。生產線外的品質管制即是以實驗計劃法從事產品設計及製造過程的設計。QUALITYENGINEERING品質工程(田口方法)OFF-LINEQC生產線外品質管制DESIGNOFEXPERIMENT實驗計劃DIAGNOSISANDADJUSTMENTOFPROCESSES/FORECASTING/CORRECTION/MEASUREMENT/DISPOSITION診斷與調整/預測與修正/測試與處置PRODUCTDESIGN產品設計ON-LINEQC生產線上品質管制PROCESSDESIGN製程設計PROCESSCONTROL製程管制12田口品質工程與傳統的實驗計畫法最大的差別如下：(1)對於變異數分析主要是利用SN比的計算。(2)明確地區別出品質設計時不可欠缺的內側與外側配置。(3)不比較直接取得的特性值之平均值，而是以比較用來測量變異的SN比為中心。(4)在直交表的使用說明上，不採用由1因子實驗，2因子實驗，漸漸增加因子數，最後再配置到直交表的方法。因此，一開始便採用直交表的配置，並省略了二元配置等多元配置的說明。(5)原則上使用混合型的直交表，只有在混合型直交表無法配置時，才利用有「點線圖」的直交表。13當有品質上的問題時，我們應採取哪一種措施來解決？(一)、原因的消除(RemovalofCauses)當品質有問題時，就應先找出造成原因到底是在哪裡，原因找到了，再將原因去掉，則以後就不會再發生了。但是這有時是很困難的，因為消除原因是要花很多錢的。(二)、消除原因的影響(RemovaloftheEffectofCauses)原因讓它存在再設法消除它對品質的影響。例如，我們要從供應商處購買低級的原(材)料來節省成本，但是便宜的原(材)料將使產品的品質降低，雖然我們知道產品品質不好的原因，主要是因為原(材)料不好的原因，但是如果要消除原因就必須使用高級的原(材)料，其費用是昂貴的，所以原因的消除，往往是很貴而做不到的。田口方法的核心就是將原因的影響去掉，以改善品質並節省成本。所以品質管制最重要的就是價錢，如何來降低價錢，這是我們的工作，我們如何用便宜的材料、便宜的原料，而能做出好的產品，這是田口參數設計的最重要一點，即如何用粗級的原、材料做出高級產品，而且價格又便宜。14(三)、如何找出不正常的情形此與後述之第四、五同屬On-LineQC。平常我們在生產過程上面，希望不正常的時候能及早發現，及早解決，因此我們要做定期檢查，定時取樣品做檢查，檢查結果假如不正常的話，就要把機器下來，更正後再開始作業，然而要多久才對製程檢查一次呢？管制圖並沒有告訴我們，管制圖上所告訴我們的乃是一次要取幾個樣品，如何計算其平均值及其管制範圍，如何發現製程已經異常，至於經濟方面的觀點則顯得模糊。田口方法一個很重要的觀念，就是把品質與金錢連起來。生產線上品質管制就是把每天要做的檢查，用多少頻率來做，必須用錢來計算，這是一個很多因素的函數。(四)、預測預測乃於生產線上抽取一個樣品以得到產品品質的水準，然後要預測以後的品質是如何，再對控制因子水準加以調節。例如，有一個樣品，檢查出來其品質離開了中心線(目標值)較多，然而要多出多少才要調節，調節的話要調節多少，這些都有其管制界限，而這些管制界限與管制圖的管制界限求法不一樣，其管制界限是與金錢連結起來而算出來的。(五)、檢查檢查以後，不好的就丟棄或修理，好的就賣出去了。15產品設計有三階段如下：(1)系統設計(SystemDesign)(2)參數設計(ParameterDesign)(3)公差設計(ToleranceDesign)。田口方法的精華在於參數設計的階段。系統設計即是平常談到產品設計首先想到