工艺技术_试验设计的概念及其作用

试验设计 试验设计 苗瑞 1 田口方法在产品设计开发中的作用2 试验设计的概念及其作用3 单因素试验设计常用的几种方法4 田口的产品设计的三个阶段5 正交试验法的概念和基本方法 主要内容 产品全生命周期质量保证技术的特点 产品规划 产品设计 制造 销售 使用维护 回收 QFD DFX FMEA DOE 田口方法 SPC 防错装置 用户驱动原则全过程原则预防原则反馈思想和闭环控制原则 产品全生命周期质量保证技术的特点 田口方法的独特点 田口方法是日本质量管理专家田口玄一博士创立的一门崭新的质量管理技术 它立足于工程技术 着眼于经济效益 开辟了质量管理的新天地 与传统的质量管理相比 有以下特色 1 工程特色 用工程的方法来研究产品质量 把产品设计当成工程设计 把产品设计质量的好坏看成是工程设计质量 用产品给社会造成的经济损失来衡量产品的质量 2 源流 管理理论 源流 管理的思想把质量管理向前推进了一步 认为开发设计阶段是源流是上游 制造和检验阶段是下游 质量管理中 抓好上游管理 下游管理就很容易 若设计质量水平不高 生产制造中很难造出高质量的产品 即所谓 先天不足 后患无穷 3 产品开发的三次设计法 产品开发设计 包括生产工艺设计 可以分为三个阶段进行 即系统设计 参数设计 容差设计 试验设计定义 Anyexperimentthathastheflexibilitytomakedesiredchangesintheinputvariableofaprocesstoobservetheoutputresponseisknownasexperimentdesign Theprimarygoalsofadesignexperimentareto Determinethevariable s andtheirmagnitudethatinfluencestheresponse determinethelevelsforthesevariables determinehowtomanipulatethesevariablestocontroltheresponse 试验设计定义 试验设计是一门研究如何正确地安排试验和分析结果的科学 目的是以最少或较少的试验次数得到最佳的试验结果 试验设计的效果 在质量管理中所遇到的 不论是设计新产品 还是改革旧工艺 提高产品质量 减低成本 大都需要做试验 如何安排试验 有一个方法问题 不好的试验设计方法 即使做了大量的试验 也未必能达到预期的目的 一个好的试验设计方法 既可以减少试验次数 缩短试验时间和避免盲目性 又能迅速得到有效的结果 试验设计的由来 试验设计是应用统计手法进行解决问题的方法 它在19世纪产生于英国 最早是在农地进行试验 如 最佳肥料 的依据 逐步应用到畜牧业 试验设计 例 一个烤漆工厂 针对喷漆后烤漆所使用的时间及温度各使用一元多次试验法进行试验 以了解哪一种条件下密着性 附着度 最好 先决条件 1 底材要一样 2 油漆要一样 3 溶剂要一样 4 粘度要一样 试验因素 1 烘烤温度 2 烘烤时间 附着度 温度 温度 附着度 结论 温度在130度及140度最理想 附着度 时间 附着度 时间分 结论 时间在40分到60分最理想 试验设计 例 在上例中 将时间及温度以外的各条件予以固定 并将温度及时间予二元二次法作试验 将产品分为4组 在四组不同的样品中 经试验后何者为最佳的作业条件 即可制订为作业标准的条件 优选法 概念 优选法是以较少的试验次数 迅速地找到生产和科学试验的最优方案的方法 适用范围 1 怎样选取合适的配方 合适的制作过程 使产品质量最好 2 怎样在质量标准下 使产品成本最低 生产过程最快 3 已有仪器怎样调试 使其性能最好 4 在合成配方 操作条件等方面应用 0 618法 0 618是单因素试验设计方法 又叫黄金分割法 这种方法是在试验范围内 a b 内 首先安排两个试验点 再根据两点试验结果 留下好点 去掉不好点所在的一段范围 再在余下的范围内寻找好点 去掉不好的点 如此继续地作下去 直到找到最优点为止 a b 0 618 0 382 0 618法 a b 0 618 0 382 X1 a 0 618 b a X2 a b X1 第一点 小 0 618 大 小 第二点 小 大 第一点 前一点 第一点是经过试验后留下的好点 0 618法 例 铸铝件最佳浇铸温度的优选试验 某厂铸铝件壳体废品率高达55 经分析认为铝水温度对此影响很大 现用0 618法优选 优选范围在690 740 之间 第一点 690 0 618 740 690 721第二点 690 740 721 709 0 618法 例 690 740 709 721 第一点合格率低 690 709 721 702 第三点 690 721 709 702 第二点合格率低 第四点 690 709 702 697 690 709 702 697 第三点合格率低 第五点 690 702 697 695 690 702 697 695 0 618法 0 618法要求试验结果目标函数f x 是单峰函数 即在试验范围内只有一个最优点d 其效果f d 最好 比d大或小的点都差 且距最优点d越远的试验效果越差 这个要求在大多数实际问题中都能满足 a b d x f x o 对分法 对分法也叫平分法 是单因素试验设计方法适用于试验范围 a b 内 目标函数为单调 连续或间断 的情况下 求最优点的方法 使用条件 每做一次试验 根据结果可以决定下次试验的方向 对分法的作法 每次选取因素所在试验范围 a b 的中点处C做试验 计算公式 C a b 2 a b c 每试验一次 试验范围缩小一半 重复做下去 直到找出满意的试验点为止 均分法 均分法是单因素试验设计方法 它是在试验范围 a b 内 根据精度要求和实际情况 均匀地排开试验点 在每一个试验点上进行试验 并相互比较 以求的最优点的方法 作法 如试验范围L b a 试验点间隔为N 则试验点n为 n 1 1 L N b a N 均分法 例 对采用新钢种的某零件进行磨削加工 砂轮转速范围为420转 分 720转 分 拟经过试验找出能使光洁度最佳的砂轮转速值 N 30转 分 n 1 1 11 b a N 720 420 30 试验转速 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 均分法 这种方法的特点是对所试验的范围进行 普查 常常应用于对目标函数的性质没有掌握或很少掌握的情况 即假设目标函数是任意的情况 其试验精度取决于试验点数目的多少 使用条件 一则发人深省的新闻报道 1979年4月17日 日本 朝日新闻 报道 对日本索尼工厂生产的彩色电视机与美国加州索尼工厂生产的彩色电视机进行报导 美国索尼工厂生产线全由日本引进 产品检验 上市都是合格品 而日本产品有0 3 不合格 然而 美国制造的索尼电视机并不受美国人欢迎 因为美国生产的电视机虽然检验严格 然而只是保证了个个产品应通过合格的下限 质量平平 而日本生产的电视机则增加了稳健设计的关键的参数容差设计思想 使产品从色彩 清晰度 抗干扰能力等诸多指标上保证有99 7 的产品是令顾客满意的高质量产品 一则发人深省的新闻报道 原因一 两国产品的质量状况有差异 色彩浓度 T 美国 m mm 日本 优质品 68 3 良品 27 2 合格品 4 2 不合格品 0 3 优质品 1 3良品 1 3不合格品 1 3 电视机的彩色密度 一则发人深省的新闻报道 原因二 两国产品的质量状况有差异 美国 1 检验部门把关 对产品的合格与否严加控制 2 用休哈特 Shewhat 控制图进行生产工序管理 这样只能控制产品的质量 而不能真正改进产品的质量 日本 1 用线外质量管理 又称三次设计 来提高产品设计质量 这样产品先天性好 2 用线内质量管理来改进生产工序 产品的市场竞争力强 电话电缆的电阻 田口对产品质量引入了新的定义 所谓质量就是产品上市后给予社会的损失 但是 由于功能本身所产生的损失除外 1 定义中的 社会 系指生产者以外的所有人 即使用者以及其他第三者 2 定义中 给予社会的损失 系包括 由于产品功能波动所造成的损失 由于产品弊害项目所造成的损失 产品的使用费用 质量 功能波动损失 弊害项目损失 使用费用 产品设计的三个阶段 田口方法通过三个步骤达到健壮性设计 系统设计参数设计容差设计 系统设计 参数设计 容差设计 市场需求 稳定性好的产品 产品设计的三个阶段 系统设计 系统设计主要是用专业技术进行新产品设计或对老产品进行技术创新 应尽可能寻找性能指标与系统中各参数间的函数关系 参数设计 参数设计是在系统设计的基础上对产品的零部件参数 原材料参数或各种工艺参数寻求它们之间的最佳搭配 决定系统中各参数的选择 使得产品的性能指标既能达到目标值 又使它在各种环境下波动小 稳定性好 容差设计 容差设计是在参数设计的基础上对产品生产时各种参数给出最佳的误差范围 完成不好 常常导致生产成本的增加 系统设计 参数设计 容差设计 市场需求 稳定性好的产品 田口方法的重点在参数设计田口玄一博士1979年提出三阶段设计 参数设计的基本思想 例 早年Ina瓷砖公司生产的瓷砖大小不一 尺寸波动很大 其标准差较大 面对这一问题 公司先后采用如下三个方法来减少尺寸的波动 1 筛选不合格品 2 找出原因 设法消除 3 改变参数 灰石比1 提高到5 参数设计的基本思想 例 Ina瓷砖尺寸大小不一的问题解决了 解决思路 不是去改变环境 重新设计和建造新窑 而是改变产品生产的某些参数 这些参数的改变可使产品更具抗干扰的能力 从而减少环境温度差异对产品质量的影响 稳健设计不是去控制波动源 而是设法降低波动源的影响 田口试验设计 当设计一个新的产品时 许多因素 输入 变量必须很认真地考虑 田口方法是一个在产品或服务中寻找 最好 组合的结构化方法根据DOE方法确定参数水平 DOE是过程和产品设计的重要工具为高品质的产品或服务定量地确定适宜的输入和参数水平田口方法来自健壮性设计的观点产品和服务应该在设计中保证零缺陷和高品质 田口方法的产生背景 正交设计是田口方法的主要工具 创立于50年代初 它是一种高效益的试验设计与最优化技术 在60年代 日本应用正交设计就已超过百万次 田口玄一博士介绍 日本人学质量管理 用一半时间学习正交设计 在日本 据说一个工程师如果不懂这方面知识 只能算半个工程师 二次大战后日本经济高速增长并超过美国的一个决定性 技术 因素是在于推广应用正交设计 其原因是 美国对专业技术 系统设计 投入很多 日本则较少 主要是向美国照搬照学 对通用技术 参数设计和容差设计 美国缺少和落后 日本则大大领先 田口方法的步骤 田口方法的步骤 ProblemIdentificationLocatetheproblemsourcenotjustthesymptom2 BrainstormingSessionAttendedatleastbyprojectleader facilitatorandworkersinvolvedintheprocess OtherparticipantsmayincludemanagersandtechnicalstaffThepurposeistoidentifycriticalvariablesforthequalityoftheproductorserviceinquestion referredtoasfactorsbyTaguchi Controlfactors variablesundermanagementcontrolSignalfactors uncontrollablevariationDefinedifferentfactorlevels threeorfour andidentifypossibleinteractionbetweenfactorsDetermineexperimentobjectivesLess the better keepthelevelofdefectivesasclosetozeroaspossibleNominal is best OutcomeasclosetotargetaspossibleMore the better maxnumberofunitspertimeunitorlotwithoutdefects 田口方法的步骤 3 ExperimentalDesignUsingfactorlevelsandobjectivesdeterminedinthebrainstormingsessionTaguchiadvocatesoff line experimentationasacontrasttotraditionalon lineorin processexperimentationCareshouldbetakentoselectingnumberoftrials trialconditions howtomeasureperformanceetc 4 ExperimentationVariousquantitativelyrigorousanalysisapproacheslikeANOVAandMultipleRegressioncanbeusedbutalsomorestandardizedandcustomizedmethodsareavailable5 AnalysisTheexperimentationprovides best levelsforallfactorsIfinteractionsbetweenfactorsareevident Eitherignoreorrunafullfactorialexperiment6 ConformingExperimentsTheresultsshouldbevalidatedbyrunningexperimentswithallfactorssetto optimal levels 正交试验的概念 正交试验法是研究与处理多因素试验的一种科学方法 它是在实践经验与理论认识的基础上 利用正交表来科学 合理安排和分析众多因素的试验方法 它优点在于能从很多试验条件中 选出代表性强的少数次条件 并能通过对少数次试验条件的分析 找出较好的生产条件 最优的试验方案 较优的结果 影响因素 全面试验次数 正交试验次数 选择三个不同的水平 434 81 9 10310 59049 非线性设计 正交试验的概念 安排任何一项试验 明确试验的目的是什么 用什么指标来衡量考核试验的结果 对试验指标可能有影响的因素是什么 为了搞清楚影响的因素 应当把因素选择在哪些水平上 正交试验法的名词注解 试验指标 试验需要考察的效果称为试验指标 因素 对试验指标有影响的参数称为因素 水平 因素在试验中所处的状态和条件的变化可能引起指标的波动 把因素变化的各种状态和条件称为因素的水平 正交表的格式与特点 正交表是由正交拉丁方自然推广而得到的规格化的表 正交表是有规律的 按顺序排成现成的表格 是正交试验的工具 正交试验是通过正交表进行的 L4 23 正交表代号 正交表横行数代表试验次数 因素水平表位级数 正交表列数因素数 正交表的格式与特点 1 均衡分散性 每一列中各种字码出现相同的次数 2 整齐可比性 任意两列中全部有序数字都出现相同的次数 正交表的格式与特点 正交表 例 某轨枕厂试用减水剂以节约水泥 影响指标的因素有四个 每个因素选取三个水平 考察的试验指标仅为脱模强度 已知在节约水泥10 的条件下使用减水剂对脱模强度影响比较好 希望通过正交试验找出比较好的配方 正交表 例 1 试验目的和指标 试验目的 水泥掺用减水剂以节约水泥 考核指标 轨枕脱模强度 2 制订因素水平表 根据以往经验和资料分析制订 正交表 例 3 选用正交表 用L9 34 正交表 例 4 设计试验方案 正交表 例 5 进行试验 并记录计算 正交表 例 6 进行分析 计算极差 最好 K1 333 368 362 1063 K2 367 336 333 1036 K3 358 349 362 1069 RA 1069 1036 33 正交表 例 7 进行分析 确定主次因素顺序 R越大 说明该因素的水平变化对试验结果指标影响越大 因而这个因素对试验指标就愈重要 在本例中 减水剂是主要因素 主 次 CDAB 正交表 例 7 进行分析 选取较优方案 最优方案一般就是最优水平的组合 所谓最优水平的组合就是指全体最优水平组成的试验条件 当试验指标越大越好时 以每列的Ki中数值最大的相应水平为最优水平 本例中 因素A中最优水平为水平3因素B中最优水平为水平1因素C中最优水平为水平2因素D中最优水平为水平3 最优水平组合为A3B1C2D3 正交表 例 8 进行分析 画趋势图 0 280 300 320 270 280 290 30 50 7370380390 9 反复调优试验 逼近最优方案 正交表 例 某工厂生产一种检查某种疾病用的碘化钠晶体 要求应力愈小愈好 退火工艺是影响质量的一个重要环节 现通过正交试验找到降低应力的工艺条件 影响指标的因素有升温速度 恒温温度 恒温时间 降温速度 每个因素选取三个水平 正交表 例 1 试验目的和指标 试验目的 找到事宜的退火工艺条件 考核指标 应力 2 制订因素水平表 根据以往经验和资料分析制订 正交表 例 3 选用正交表 用L9 34 正交表 例 4 设计试验方案 正交表 例 5 进行试验 并记录计算 正交表 例 6 进行分析 确定主次因素顺序 R越大 说明该因素的水平变化对试验结果指标影响越大 因而这个因素对试验指标就愈重要 在本例中 升温速度是主要因素 主 次 ACBD 正交表 例 7 进行分析 选取较优方案 最优方案一般就是最优水平的组合 所谓最优水平的组合就是指全体最优水平组成的试验条件 当试验指标越小越好时 以每列的Ki中数值最小的相应水平为最优水平 本例中 因素A中最优水平为水平2因素B中最优水平为水平2因素C中最优水平为水平1因素D中最优水平为水平3 最优水平组合为A2B2C1D3 正交表 例 8 进行分析 越小越好 画趋势图 30501006004505006241 51 715 9 反复调优试验 逼近最优方案 正交表 例 某厂一零件的镗孔工序质量不稳定 经常出现内径偏差较大的质量问题 根据专业知识和实践经验 选取因子和水平如下表 运用正交试验设计法探讨镗孔工序加工质量较优的工艺条件 正交表 例 1 试验目的和指标 试验目的 寻找镗孔工序加工质量较优的工艺条件 考核指标 偏差量 2 制订因素水平表 根据以往经验和资料分析制订 正交表 例 3 选用正交表 L9 34 正交表 例 4 设计试验方案 正交表 例 6 进行分析 确定主次因素顺序 R越大 说明该因素的水平变化对试验结果指标影响越大 因而这个因素对试验指标就愈重要 在本例中 切削速度是主要因素 主 次 ACBD 正交表 例 6 进行分析 选取较优方案 最优方案一般就是最优水平的组合 所谓最优水平的组合就是指全体最优水平组成的试验条件 当试验指标最小最好时 以每列的Ki中数值最小的相应水平为最优水平 本例中 因素A中最优水平为水平2因素B中最优水平为水平3因素C中最优水平为水平2因素D中最优水平为水平1 最优水平组合为A2B3C2D1 正交设计有以下缺陷 1 武断地规定交互作用为零或认为试验者应能辨别是否存在交互作用 2 只在存在的水平内优化响应 无法确定最优值 新产品试销正交试验设计L8 27 多指标的正交试验 最好 可以设定权重 正交表 例 某厂生产的钢件淬火硬度偏低 为了改善工艺 提高硬度 现对钢件的热处理工艺进行正交试验 探讨较优的工艺条件 正交表 例 1 试验目的和指标 试验目的 寻找较优的工艺条件 考核指标 淬火硬度 愈大愈好 2 制订因素水平表 根据以往经验和资料分析制订 正交表 例 3 选用正交表 L8 4X24 正交表 例 4 设计试验方案 分析 d 折算系数r 该因素某水平的试验重复次数R 折算前的极差Rc 折算后的极差 正交表 例 5 进行分析 确定主次因素顺序 R越大 说明该因素的水平变化对试验结果指标影响越大 因而这个因素对试验指标就愈重要 在本例中 切削速度是主要因素 主 次 ABCD 正交试验设计法应用的基本程序 1 明确试验目的 确定考核指标 2 挑因素 选位级 确定因素位级表 3 选择适宜的正交表 4 确定试验方案 按试验方案进行试验 5 试验结果分析 直接看 可靠又方便 算一算 有效又简单 6 反复试验 逼近最优试验方案 7 确定最优方案并进行生产验证 正交试验设计法应用 1983年 我国自行设计 自行施工的重点工程 北京至郑州1800路载波通讯工程所需的重要器材 0 1 0 9dB高频衰减器的开发过程中 由于应用了正交试验设计 参数设计和网络计划等统计技术 仅一年时间成功开发出达到国际先进水平的优质器材 填补了我国空白 试验设计的总结 企業對產品品質的保証是提昇市場競爭力的不二法門 因應顧客對產品品質愈來愈高的要求 企業必需不斷地提高產品品質 改善製程減少不良率 因此品質控制可說是非常重要的一門科學 涉及工程設計 製造程序及經濟分析 日本學者田口博士 Dr Taguchi 所提倡的品質工程技術亦在於此 而實驗設計法 DOE DesignofExperiment 是品質控制中非常重要的部份 其目的是以最少的實驗 來找尋產品的最佳配方條件 達到降低成本並得到最佳的產品品質 同時也可以利用實驗設計法改善現有的程序 使製程能修正到最佳的生產條件而穩定操作 實驗設計實際上已經應用到工程及科學上的各個領域 典型的實驗設計應用包括 1 在設計階段建立產品的品質要求 2 找出程序重要的因子 3 尋找最佳程序以得到最好的效率及品質 以及 4 在各種不同的操作情況下檢查程序的的反應 實際上 我們可以把實驗設計的目的 歸納成以下三項 1 建立輸入及輸出關係的 模型 2 找出改善品質或製程的 方向 3 以 最少且最有效 的實驗找到所要求的產品品質 零缺陷管理及其质量成本 克劳士比的零缺陷质量管理 四项基本原则质量的定义是符合要求 而不是好 产生质量的系统是预防 不是检验工作标准必须是零缺陷 ZeroDefects 而不是 差不多就好 Closeenoughisgoodenough 质量是用不符合要求的代价 PriceofNonconformance PONC 来衡量的 而不是用指数 克劳士比PhilipB Crosby 零缺陷质量管理战略 架构 缺陷的根源 企业文化 Culture 偏差 Variation 产品复杂程度 Complexity 人为错误 Mistakes 人为错误 偏差控制不能反映错误 错误是引起缺陷的主要原因 HarrisandChaney 在复杂的系统中 80 的缺陷都是由人为错误引起的 Rook 82 的缺陷都是由人为错误引起的 SHIMBUN 制造加工过程中绝大多数的错误及相应的缺陷都是人为的错误 Hinckley 大于70 的缺陷是由装配或包装错误引起的 NASA 美国国家航空与航天局 报告指出 自1990年以来 大多数的航空器故障都是由人为错误引起的 人为差错偏差复杂性企业文化 防错SPC Taguchi DOE 改进设备工艺过程图析 DFMEA DFX工作小组 管理承诺 责任分配 防错 Poka Yoke 防错 Poka Yoke 是一种消除错误的技术 通常称之为 防止失误 防错应作为控制重复性任务或行为的预防性技术 该技术用来减少顾客的顾虑 Poka yoke是日本的ShigeoShingo在二十世纪六十年代提出的 在日文中的本义就是 防止失误 的意思 防错的核心思想就是对过程进行设计 使得失误不会发生或者至少及早地检测并纠正 防错的历史 防错技术 支撑零缺陷质量管理思想的技术 提高质量水平的过程 是先进技术和科学管理相结合的过程 运用良好的工程技术和过程管理来实施零缺陷质量管理 防错技术将极大地完善零缺陷质量管理思想的系统性和整体性 防错技术是指在产品实现过程中的各个阶段所使用的一种为预防缺陷产生所使用的技术和方法 将质量预防思想体现在设计开发 制造 服务过程中的工程技术或质量管理方法 都可以称之为防错技术 零缺陷质量管理工具和方法 质