产品设计质量控制方法简介

产品设计质量控制方法

（田口方法、稳健设计、三次设计方法简介）田口玄一方法稳健设计的原理如下：烧制陶瓷产品时，假如你不能精确控制炉内温度，达不到你所用陶土的温度要求，致使陶瓷产品出现质量问题。这种情况一般有2种解决方法。常见的一种是想办法控制炉温。田口玄一方法田口玄一却提供了一种截然不同的方法：抛开炉子问题，寻找一种对温度变化不太敏感的陶土。这就是稳健设计。稳健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法(TaguchiMethod)。

70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。设计中心思想是采用最低廉的元件组装成品质量最好，可靠性最高的整机；采用最宽松的工艺条件加工出质量最好、成本最低、收益最高的产品。其口号是“用三类元件设计制造出一类整机”。

在国际市场上占有最大份额的日本电气产品以及美国三大汽车公司等都是在这种设计概念下取得了最好的技术经济效果，在放宽工艺要求，降低制造成本的条件下制造出高品质的产品。

稳健性设计是日本著名的质量管理专家田口玄一博士于70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。

据资料介绍，日本数百家公司每年应用田口方法完成10万项左右的实例项目研究，在不增加成本的情况下，大大提高了产品设计和制造质量。田口的稳健性设计方法被日本人作为日本产品打入国际市场并畅销不衰的奥妙之一；是日本经济腾飞的秘诀和成功之道。田口方法在美国工业界的广泛的应用

许多大公司的“设计规程”中明确指出设计人员在设计过程中必须采用田口方法的稳健性优化设计方法，否则在技术评审中难以通过。美国波音公司已采用田口方法成功地进行了飞机尾翼设计。田口方法在美国工业界的广泛的应用

20世纪80年代初引入美国后，在福特汽车获得成功，使福特在1986年盈利超越通用。后来，美国通用汽车工程管理学院，专门设置了田口方法的课程。1994年美国国家航空航天局（NASA）从94年开始推广田口方法，首先应用在航天飞机燃料贮箱中。据统计美国每年完成案例5000个以上，节约经费几十亿元。美国70%以上的工程技术人员了解田口方法。由于世界范围内高技术产业兴起和社会生产力的迅速发展，国际市场竞争的焦点已开始由价格的竞争转向质量设计的竞争。设计竞争的严峻形势迫使每个企业重新考虑其质量经营战略。质量的稳健性设计

稳健性设计是实现低成本、高质量的有效方法。传统的设计思想认为：只有用质量最好的原材料（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，材料、元器件质量特性越好，可行性就越高。稳健性（田口法）稳健性(robustness),也叫鲁棒性，是指因素状况发生微小变差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；稳健设计（田口法）在实际问题中存在不少误差因素，它们影响着产品质量。对这些误差因素可以采取两种办法：1)消除这些因素:实际上往往很难做到，有的情况下，即使能做到,也要花费很大力气和很高的费用，这是不值得的；2)尽量降低误差因素的作用，使产品性能因误差因素变化而变化的敏感性最小。根据这种指导思想，对产品的性能、质量和成本综合考虑，选择出最佳设计，既提高了产品质量，又降低了成本，这种设计方法叫做稳健设计；稳健设计是一种最优化设计方法，它的两个主要工具是信噪比和正交表，用信噪比作为特征数衡量质量，用正交表安排试验。-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。-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。解决方案应用价值解决问题-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。稳健性设计容差设计参数设计系统设计质量不是靠检验得来的，也不是靠控制生产过程得来的；质量，就是把顾客的质量要求分解转化成设计参数，形成预期目标值，最终生产出低成本且性能稳定可靠的物美价廉的产品。

—田口玄一1、系统设计

指专业人员根据各个的技术领域的专门知识，对产品进行整个系统结构的设计，也就是通常所说的产品质量设计。系统设计阶段，需要求出产品的性能指标与各有关参数之间的函数关系。2、参数设计

指在全系统设计基础上，决定或选定系统各参数的最优参数组合。要求不仅应使产品有良好性能，而且在环境改变或元器件有所波动劣化的情况，按照这种参数组合制造出来的产品，在性能上仍能保持稳定。3、容差设计

参数设计后确定了一组参数组合。但：1、是否还能减少参数波动幅度使产品质量特性更加稳定？2、是否可以适当降低元器件精度等级以降低成本？这两个问题实质上是确定适当的元器件精度，以使产品的使用寿命周期费用最低。稳健设计技术的基本原理噪声因素

波动是产生质量问题的根源，在实际生产的过程中，往往存在着一些人们无法控制或难以控制的因素。我们称这些不可控制的因素为噪声因素或随机因素。正是这些无法穷尽的潜在变化的相互作用导致了技术功能，产品性能和工艺过程的波动。外噪声：温度、湿度、电源电压内噪声：绝缘材料老化、润滑油干燥、轴承磨损随机噪声

同时在设计和制造过程中还存在的一组相对稳定并可加以控制的因素，如原材料的规格、技术人员的技能和设计水平、测量设备精度、相对稳定的环境和温定。这些因素为可控因素和系统因素。正是这些可控因素才使得产品性能、工艺过程和技术功能具有一定的稳定性。选择最有效的输出质量特性

实施稳健设计技术首先要选择最有效的输出质量特性，尤其是在技术开发阶段，这一要素的正确选择显得更加重要。只有对有效的输出质量特性进行测量才能反映产品/工艺性能或技术功能的基本特征，进而确定输出的基本功能和理想功能。

为了获得稳定性好的质量，希望质量特征越接近目标值越好；同时，要求质量特征对噪声干扰抵抗力越强越好，即要求质量特征试验的多次观察值的平均值越接近目标值越好，同时，偏差变化越小越好。由于信噪比S／N函数既考虑到质量特征的平均水平又考虑到其波动范围，因此，用S／N来评价质量水平是比较合理的和全面的，信噪比S／N越大，说明产品质量水平越高。

田口曾提出70多种不同的信噪比函数表达式，每一种表达式都有其适用的条件和范围，下面描述三种常用的S／N函数。（1）N型信噪比函数。用于质量特征目标值为一确定值的情况下的试验结果的分析和优选，如尺寸、输出电压等质量特征的设计。式中：yi_——表示观测值，i=1,2,…n采样数。（2）B型信噪比函数。用于质量性能目标值的越大越好情况下的试验结果的分析和优选，如强度、寿命等质量特征设计。（3）S型信噪比函数。用于质量特征目标值为越小越好情况下的试验结果的分析和优选，如噪声、有害物质、污染等质量特征设计。稳健设计方法的步骤确定参数项目和位级（可控因素）A、B…（内侧正交表）确定干扰因素（不可控因素：材质、环境….）（外侧正交表）确定内侧正交表时，取决于正交表方案。确定外侧正交表时，每对应一个内侧的试验号，就有？个试验结果。

列No.ABCD1234123┊┊1811111222（内侧表）1333┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊y11y12y13……y118y21…………y218

y31…………y318

┊┊┊┊y181…………y1818

列KLMNo.12311111223133(外侧表)┊┊┊┊┊┊┊┊18┊┊┊外部因素考虑他们的优良程度：信噪比η=S/N=(信号功率)/(噪声功率)=（可控因素的效果）/（不可控因素的效果）

η越大，说明干扰的因素影响不大，质量的波动越小，稳定性和可靠性越好。容差设计

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，这就是要进行容差设计的目的。容差设计的过程1.首先要研究，按参数设计确定的最佳水平组合取值、但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。容差设计的过程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。设质量特性值的实测值和目标值分别为y和m，y偏离m时的损失用L(y)表示，则L(y)是(y-m)的函数，称为损失函数。将L(y)在m附近展开成泰勒级数，则有由于L(m)=0，L’(m)=0，所以展开式的第一项和第二项均为0，第三项成了主要项。另外，因偏离量(y-m)不会太大，忽略高次项，则损失函数可近似表示为式中若把产品不能正常发挥其功能的极限偏差记为Δ0，把偏差为Δ0时的损失记为A0，则上式中的k值可求解如下:

k=

A0/Δ02假设电视机电源直流输出的目标值m=100V，当输出电压偏离目标值15V时，因电视机发生故障，用户损失A0=50元，则：

k=50/152≈0.22元/V2

工厂在制造产品时，产品容差一般应比较小。当产品质量特性值的偏差大于产品容差时，产品就是不合格品。如把因产品不合格而给企业带来的损失记为A，代入损失函数可得故相对于产品（或系统），构成此产品的元件（或零件）的特性参数称为下位特性。在对这些元件进行三次设计时，要根据他们对产品质量特性值（又称为上位特性）影响大小来确定容差。设元件（或零部件）的质量特性值为x，m为x目标值，β为元件的参数每变化一个单位时上位特性变化的大小，则元件参数变化对上位特性的影响，可用损失函数表示为如某元件对上位特性值的影响很大，为了提高上位特性的稳定性，就应采取修复或把此元件换成质量等级更高的元件等措施。若把修复或更换引起的损失（或生产成本的增加）记为A，并用A取代左边的L，即可求出容许波动范围。

综上所述，进行容差设计时，首先要研究采用廉价元件时，参数设计是否满足上位特性的质量要求。进一步分析对上位特征影响大的下位特性有哪些，并结合经济性分析，确定这些下位特性的容差，从中找出既能满足上位特性质量要求，又不致使生产成本增加太多的改良方案。应用实例（机车发动机的连接部件）一个弹性联接件一个尼龙管装配而成质量设计的目标是：尽可能增大该联接部件的牵引力

1质量目标的影响因素及水平4个可控因素为：A）

弹性联接件和尼龙管之间的配合过盈量B）

尼龙管的壁厚；C）

弹性联接件在尼龙管中的插入深度；D）

粘接剂的粘着力；3个噪声因素有：E）

时间，F）温度，G）湿度，

研究目的是寻找可控因素A、B、C、D的最佳配合，使装配牵引力最大，而且受噪声因素变化的影响最小。可控因素分三级，噪声因素分两级，由于噪声因素在通常的操作中难以控制，试验中将噪声因素控制在截然不同的两个水平上，表中所示为本试验的因素和水平。因素和水平可控因素213弹性联接件与尼龙管之间配合过盈量;尼龙管管壁厚度;弹性联接件在尼龙管中的插入深度

;粘接剂的粘着力

低薄浅低

中中中中

高厚深高

ABCD不可控因素12EFG时间温度湿度24h72F25%120h150F75%

列号行号ABCD123456789111112221333212322312312313232133321对可控因素进行优选，9次可代替34=81次对不可控因素的正交试验EFGE×FE×GF×Ge1234567811112222112211221122221112121212121221211221122112212112三种噪声因素在L8正交向量中，

E、F、G列中的1、2分别代表各噪声因素的第一、第二水平。其余的列只是用来估算各噪声因素之间的相互作用（E×F，E×G，F×G三列）和试验误差分析（e列)。这个正交向量的意义在于确定出对噪声因素最不敏感的可控因素水平。通常噪声因素之间的相互作用不需估算，在此试验中认为这个信息可能很有价值，因此对其进行了估算。

将两个正交向量结合在一起（内侧表和外侧表联合计算），形成完整的参数设计正交向量表。中间填充的数据是对应各种可控因素及噪声因素水平下的试验测得的牵引力数值。见下表：

列No.ABCD1234123┊┊1811111222（内侧表）1333┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊y11y12y13……y118y21…………y218

y31…………y318

┊┊┊┊y181…………y1818

列KLMNo.12311111223133(外侧表)┊┊┊┊┊┊┊┊18┊┊┊外部因素

以矩阵数据的每行来看，此时4个可控因素水平的组合是固定的（都为第一水平），但是18个测量值对应的3个噪声因素水平的组合是互不相同的。可见，对每一行来说，不但能从其平均值看出该行可控因素组合所能实现的牵引力平均水平，还可以通过18个数据的分散程度看出这组可控因素组合对噪声干扰的抵抗力强弱。

优化分析

根据此例中的质量性能目标值类型为越大越好，则选用B型信噪比函数对各行试验数据（对应各种因素组合）进行计算分析。表中的S/N列中的数据即为各种情况下的S/N值。通常情况下，根据S/N最大原则可确定参数优化结果。按照这一原则，A、B、C、D四个因素的组合为（A2，B2，C3，D1），此时的S/N为26.908。

为了进一步优化参数，此处还对平均响应进行计算分析，以辅助确定因素水平。由于试验设计是正交的，可以分离出每一个因素作用效果并作出效果图。下图