第5章田口参数实验设计.

1、1安徽工业大学管理科学与工程学院安徽工业大学管理科学与工程学院主讲人主讲人:王付宇王付宇业工程专业工业工程专业2现代工业工程现代工业工程课前知识回顾：第4章 应用6方法缩短交货周期 1、6 实施方法实施方法DMAIC2、应用、应用DMAIC方法缩短交货周期方法缩短交货周期 1） 背景分析背景分析 2） 定义阶段定义阶段 3） 测量阶段测量阶段 （1）数据分层）数据分层 （2）流程水平测量：）流程水平测量：控制图和控制图和水平衡量水平衡量 4） 分析阶段分析阶段 （1）通过）通过柏拉图柏拉图找出目前需要分析的重点工序。找出目前需要分析的重点工序。 （2）通过）通过鱼刺图

2、鱼刺图找出相关原因。找出相关原因。 5） 改进阶段改进阶段 6） 控制阶段控制阶段3第五章 田口参数实验设计 田口参数实验设计田口参数实验设计内容提要：内容提要：田口方法的起源、田口方法的基本思想和研究内容、田口质量损失函数、信噪比与正交表、田口参数设计的流程、田口参数设计案例。本节重点本节重点：田口质量损失函数、信噪比与正交表。 本节难点本节难点：信噪比与正交表。教学目标教学目标：通过本章教学，能够了解田口方法的起源、田口方法的基本思想和研究内容，熟悉田口参数设计的流程、田口质量损失函数、信噪比与正交表的计算，会运用田口方法设计简单的正交试验。 451 田口方法的起源田口参数实验设计田口参数

3、实验设计 实验设计的基本思想：实验设计的基本思想：实验设计是以概率论与数理统计为理论基础，通过经济、科学地制定实验方案，使实验数据有合适的数学模型，以减少随机误差的影响，从而提高实验结果的精度和可靠度。该基本思想是英国统计学家RAFisher在进行农田实验时提出的。 20世纪50年代，田口玄一博上借鉴实验设计法提出了信噪比实验设计，并逐步发展为以质量损失质量损失函数、三次设计函数、三次设计为基本思想的田口方法。 552 田口方法的基本思想和研究内容田口参数实验设计田口参数实验设计 产品的质量定义产品的质量定义：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

4、失质量损失是指产品出厂后“给社会带来的损失”，包括直接损失和间接损失。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。 对待偏差问题，田口方法通过调整设计参数，使产品的功能、性能对偏差的起因不敏感，以提高产品自身的抗干扰能力。为了定量描述产品质量损失，田口提出了“质量损失函质量损失函数数”的概念，并以信噪比来衡量设计参数的稳健程度。 由此可见，田口方法是一种聚焦于最小化过程变异或使产品、过程对环境变异最不敏感的实验设计方法，是一种能设计出环境多变条件下能够稳定和优化操作的高效方法。 652 田口方法的基本思想和研究内容图图5-1 影响质量特性的关键因素影响质量特性的关键因素

5、752 田口方法的基本思想和研究内容田口参数实验设计田口参数实验设计 解决的对策分为生产线外生产线外(off line)质量控制质量控制与线上线上(on line)质量控制质量控制两种。所谓线外控制线外控制，即产品设计阶段和制造设计阶段的质量控制活动，通过实验设计，保证产品最佳化和制造过程最佳化。所谓线上质量控制线上质量控制，是实际生产阶段的质量控制活动。田口式质量工程较关心线外质量控制，以降低成本、提供最佳质量为目标；对于线上质量控制则以稳定制造过程为目标。 田口方法的基本原理基本原理是通过控制可控因素的水平和配合，使产品和工艺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

6、和消除，以实现提高和稳定产品质量的目的。 52 田口方法的基本思想和研究内容图图5-2 田口质量控制体系田口质量控制体系 953 田口质量损失函数田口参数实验设计田口参数实验设计 田口玄一博士：质量就是产品上市后给予社会的损失。一般情况下，一个产品的成本分为两个主要部分：销售前成本和出售后成本，前者是指制造成本，后者是指产品销售给用户后由于产品质量的损失所需的费用，这就是上述产品质量定义中的“给予社会的损失”。对此种损失，田口提出用质量损失函数来度量。为了描述产品的质量损失，引入了以下几种类型的质量特性的损失函数。 1053 田口质量损失函数田口参数实验设计田口参数实验设计1、望目特性的质量损

7、失函数 望目特性质量损失函数适用于产产品的输出特性品的输出特性y有有一个确定的目标一个确定的目标值值y0。(通常不为零)，并且质量损失在目标值的两侧呈对称分布，如图5-3所示：1153 田口质量损失函数田口参数实验设计田口参数实验设计这种质量特征称为望目特性。则质量损失函数为其中，K是不依赖于y的常数，称为质量损失系数。质量损失系数K的确定可以有两种方法：一种是根据根据功能界限和相应的损失来确定功能界限和相应的损失来确定；另一种是根据容差根据容差J和相应的损失来确定和相应的损失来确定。 1253 田口质量损失函数田口参数实验设计田口参数实验设计2、望小特性的质量损失函数 质量特征是：不取不取负

8、值，越小越好，负值，越小越好，目标值为零；当其目标值为零；当其输出特性值增大时，输出特性值增大时，其性能逐渐变差，其性能逐渐变差，质量损失逐渐变大。质量损失逐渐变大。这种质量特征称为这种质量特征称为望小特性望小特性。如图5-4所示 。 1353 田口质量损失函数田口参数实验设计田口参数实验设计 3、望大特性的质量损失函数 质量特性是：不取负不取负值，越大越好，零值最值，越大越好，零值最差；当其输出特性值增差；当其输出特性值增大时，其性能逐渐变好，大时，其性能逐渐变好，质量损失逐渐变小，其质量损失逐渐变小，其理想的值是无穷大理想的值是无穷大，这种质量特征称为望大特望大特性性，如黏结强度等。如图5

9、-5所示 。 145. 4 信噪比与正交表田口参数实验设计田口参数实验设计5.4.1 信噪比信噪比 在通信和电气工程中，为了对所选择设备的质量在通信和电气工程中，为了对所选择设备的质量特征进行量化引入了特征进行量化引入了“信噪比信噪比”(输入信号强度与输入信号强度与噪声强度之比噪声强度之比)的概念。田口玄一博士将这个概念的概念。田口玄一博士将这个概念引入到正交实验设计中，用它来模拟噪声因素对引入到正交实验设计中，用它来模拟噪声因素对质量特性的影响。质量特性的影响。5. 4 信噪比与正交表 1、望目特性的信噪比、望目特性的信噪比 设产品的望目特性值为设产品的望目特性值为y0，质量特性，质量特性y

10、服从正态服从正态分布分布yN( )，则信噪比为：，则信噪比为： yy,165. 4 信噪比与正交表田口参数实验设计田口参数实验设计 2、望小特性的信噪比、望小特性的信噪比3、望大特性的信噪比、望大特性的信噪比5.4.2 正交表正交表 185. 4 信噪比与正交表田口参数实验设计田口参数实验设计5.4.2 正交表正交表 正交表的正交表的每一列等同于一个因素每一列等同于一个因素。每一列中，各每一列中，各水平重复出现的次数是相等的，并且任意两列中，水平重复出现的次数是相等的，并且任意两列中，各水平在相同横向上的搭配也是均衡的各水平在相同横向上的搭配也是均衡的。这些特。这些特征保证正交表安排的实验具有

11、均衡分散性和整齐征保证正交表安排的实验具有均衡分散性和整齐可比性。可比性。 55 田口参数设计的流程2056 田口参数设计案例田口参数实验设计田口参数实验设计 本案例选择了北美一家汽车零部件供应商生产的本案例选择了北美一家汽车零部件供应商生产的产品，该零部件供应商主要向整车厂供应汽车面产品，该零部件供应商主要向整车厂供应汽车面板，如图板，如图5-7所示，实线部分表示铸型腔尺寸，所示，实线部分表示铸型腔尺寸，虚线表示零件尺寸，该汽车面板采用模具注塑法虚线表示零件尺寸，该汽车面板采用模具注塑法工艺生产，待注塑并冷却后，存在大量零件收缩工艺生产，待注塑并冷却后，存在大量零件收缩的质量问题。所谓零件收

12、缩，是指零件达到周围的质量问题。所谓零件收缩，是指零件达到周围环境温度后的尺寸与铸模型腔尺寸之间的差异。环境温度后的尺寸与铸模型腔尺寸之间的差异。该质量特性参数受许多工艺参数和环境变量的影该质量特性参数受许多工艺参数和环境变量的影响。该注塑装置如图响。该注塑装置如图5-8所示。所示。56 田口参数设计案例 如图如图5-7所示，实线部分表示铸型腔尺寸，虚线所示，实线部分表示铸型腔尺寸，虚线表示零件尺寸表示零件尺寸56 田口参数设计案例2356 田口参数设计案例田口参数实验设计田口参数实验设计 对收缩率的控制目标或规格为对收缩率的控制目标或规格为0.401。对当前状态的评估结果为对当前状态的评估结

13、果为(样本容量样本容量N=49)： Mean：04； StDev：007； Pp=0.5； Ppk=024； Dpm=250 K; Cp=0.45； Cpk=0.21。 由此可见，该注塑工序生产能力严重不足。由此可见，该注塑工序生产能力严重不足。 2456 田口参数设计案例田口参数实验设计田口参数实验设计1、建立、建立p图图 通过分析，该注塑工序受下列因素的影响：供应通过分析，该注塑工序受下列因素的影响：供应商、冷却时间、融化温度、螺杆转速、填充时间、商、冷却时间、融化温度、螺杆转速、填充时间、填充压力、喷嘴直径、模子壁的温度、小球尺寸填充压力、喷嘴直径、模子壁的温度、小球尺寸的内在变异、小球

14、的研磨度。根据田口参数设计的内在变异、小球的研磨度。根据田口参数设计基本思想，将上述工艺参数进行分类，构建基本思想，将上述工艺参数进行分类，构建P图如图如图图5-9所示。所示。25图图5-9 构建构建p图图2656 田口参数设计案例田口参数实验设计田口参数实验设计2、创建内表和外表、创建内表和外表 为进行信噪比的计算分析，首先需要创建内表为进行信噪比的计算分析，首先需要创建内表和外表。内表是输入变量和外表。内表是输入变量(w)和过程参数和过程参数(X)的的实验设计实验设计(如部分设计因子设计如部分设计因子设计)；外表则是噪声；外表则是噪声变量变量(z)的实验设计。的实验设计。 图图5-10用用

15、Minitab创建内表创建内表 表5-2创建的内表2956 田口参数设计案例田口参数实验设计田口参数实验设计 然后建立外表。由前面可知，实验噪声变量有小然后建立外表。由前面可知，实验噪声变量有小球的再研磨度球的再研磨度(5%和和10%)和小球尺寸的内在变和小球尺寸的内在变异异(小和中小和中)，两个噪声变量分别设置为两个水平，两个噪声变量分别设置为两个水平，则有则有4种组合。如表种组合。如表5-3所示。所示。表表5-3 外表（再研磨度）外表（再研磨度）表5-4综合的内、外表表5-5实验结果3256 田口参数设计案例田口参数实验设计田口参数实验设计3、计算信噪比、计算信噪比 该信噪比为望目特性。信

16、噪比计算公式如式该信噪比为望目特性。信噪比计算公式如式(5-7)所示。所示。表表5-6是信噪比是信噪比SN的计算结果。的计算结果。33田口参数实验设计田口参数实验设计3456 田口参数设计案例田口参数实验设计田口参数实验设计表表5-7均值响应表均值响应表3556 田口参数设计案例田口参数实验设计田口参数实验设计表表5-8 SN响应表响应表3656 田口参数设计案例图图5-11 均值响应的主效应图均值响应的主效应图3756 田口参数设计案例田口参数实验设计田口参数实验设计4、根据、根据SN值和均值响应确定因子设置值和均值响应确定因子设置 遵循以下遵循以下3个步骤：个步骤： 第第1步：寻找哪些因子

17、对应的均值步：寻找哪些因子对应的均值delta排序较大，排序较大，SN排排序较小；选择最优设置以满足目标序较小；选择最优设置以满足目标(均值越接近于目标值越均值越接近于目标值越好好)。 第第2步：在余下的因子中，寻找较高步：在余下的因子中，寻找较高SN排序的因子；确定排序的因子；确定使使SN最大化。最大化。 第第3步：对于那些具有较低均值步：对于那些具有较低均值delta排序和较低排序和较低SN排序排序的因子，所作选择也许比较容易实现健壮。的因子，所作选择也许比较容易实现健壮。3856 田口参数设计案例田口参数实验设计田口参数实验设计 由第由第1步可以得到推荐的设置结果为：步可以得到推荐的设置

18、结果为：B-2，H-2，F-2；由第由第2步可以得到推荐的设置结果为：步可以得到推荐的设置结果为：D-l，A-1，E-3，G-1；由第；由第3步可以得到推荐的设置结果为：步可以得到推荐的设置结果为：C-2。 考虑到考虑到E因素所选水平的均值偏离较大，故将因素所选水平的均值偏离较大，故将E由水平由水平3调调整为水平整为水平1，最终将可控因子的水平组合确定下来，即，最终将可控因子的水平组合确定下来，即A-1，B-2，C-2，D -1，E-1，F- 2，G-1，H-23956 田口参数设计案例田口参数实验设计田口参数实验设计改善方案：改善方案： 参数设计（可控因子）调整如下参数设计（可控因子）调整如下40本章内容小结：1、 田口方法的起源田口方法的起源2、 田口方法的基本思想和研究内容田口方法的基本思想和研究内容3、 田口质量损失函数田口质量损失函数 望目特性的质量损失函数、望小特性的质量损失望目特性的质量损失函数、望小特性的质量损失函数、望大特性的质量损失函数函数、望大特性的质量损失函数4、信噪比与正交表、信噪比