田口方法与稳健设计技术
与传统的质量定义不同,田口玄一博士将产品的质量定义为: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。质量损失是指产品出厂后“给社会带来的损失”,包括直接损失(空气污染、噪声污染等)和间接损失(顾客对产品的不满意以及由此导致的市场损失、销售损失等)。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,传统的方法是通过产品检测剔除超差部分或严格控制材料、工艺以缩小偏差。这些方法一方面很不经济,另一方面在技术上也难以实现。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“质量损失函数”的概念,并以信噪比来衡量设计参数的稳健程度。
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健和优化操作的高效方法。
田口方法的特色主要体现在以下几个方面:
(1)“源流”管理理论。
田口方法认为,开发设计阶段是保证产品质量的源流,是上游,制造和检验阶段是下游。在质量管理中,“抓好上游管理,下游管理就很容易”,若设计质量水平上不去,生产制造中就很难造出高质量的产品。
(2)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。参数设计是核心,传统的多数设计是先追求目标值,通过筛选元器件来减少波动,这样做的结果是,尽管都是一级品的器件,但整机由于参数搭配不佳而性能不稳定。田口方法则先追求产品的稳定性,强调为了使产品对各种非控制因素不敏感可以使用低级品元件,通过分析质量特性与元部件之间的非线性关系(交互作用),找出使稳定性达到最佳水平的组合。产品的三次设计方法能从根本上解决内外干扰引起的质量波动问题,利用三次设计这一有效工具,设计出的产品质量好、价格便宜、性能稳定。
(3)质量与成本的平衡性。
引入质量损失函数这个工具使工程技术人员可以从技术和经济两个方面分析产品的设计、制造、使用、报废等过程,使产品在整个寿命周期内社会总损失最小。在产品设计中,采用容差设计技术,使得质量和成本达到平衡,设计和生产出价廉物美的产品,提高产品的竞争力。
(4)新颖、实用的正交试验设计技术。
使用综合误差因素法、动态特性设计等先进技术,用误差因素模拟各种干扰(如噪声),使得试验设计更具有工程特色,大大提高试验效率,增加试验设计的科学性,其试验设计出的最优结果在加工过程和顾客环境下都达到最优。采用这种技术可大大节约试验费用。
(一)三次设计理论
三次设计法由田口博士提出(图4-5),三次设计是指系统设计(System design)、参数设计(Parameter design)和容差设计(Tolerance design)。它是一种优化设计,是线外质量管理的主要内容。它和传统的产品的三段设计(方案设计、技术设计和施工设计)有一定的交叉。通过三次设计使产品具有健壮性。三次设计中进一步运用正交设计的理论和方法研究考核指标的稳定性。(https://www.daowen.com)
(1)系统设计。
系统设计即传统的设计。它是依据技术文件进行的。例如产品生产过程选择什么样的原材料和工艺路线。系统设计的质量取决于专业技术的高低。但对于某些成分或组织结构复杂、多参数、多特性值的产品,要全面考虑各种参数组合的综合效应,单凭专业技术往往无法定量地确定经济合理的最佳参数组合。尽管系统设计有这个不足,有时甚至由于时间限制,不可能对所有系统进行研究,只能根据直觉或预测,从各个系统中挑选几个重要的系统进行研究。系统设计是整个设计的基础,它为选择需要考察的因素和待定的水平提供了依据。
(2)参数设计。
在系统设计的基础上,就该决定这些系统中各参数值的最优水平及最佳组合。但由于系统设计是凭专业知识推测出待考察的因素和水平,无法综合考虑减小质量波动,降低成本等因素。而参数设计是一种非线性设计,它运用正交试验、方差分析等方法来研究各种参数组合与输出特性之间的关系,以便找出特性值波动最小的最佳参数组合。因此,参数设计也称参数组合的中心值设计。
(3)容差设计。
系统要素的中心值决定后,便进入决定这些因素波动范围的容差设计。由于某些输出特性的波动范围仍然较大,若想进一步控制波动范围,就得考虑选择较好的原材料、配件,但这样自然会提高成本。因此有必要将产品的质量和成本进行综合平衡。容差是从经济角度考虑允许质量特性值的波动范围。容差设计通过研究容差范围与质量成本之间的关系,对质量和成本进行综合平衡。
例如,可以将那些对产品输出特性影响大而成本低的指标的容差选得紧一些,而对输出特性影响小而成本又很高的指标选得松一些。为此,必须要有一个质量损失函数来评价质量波动所造成的经济损失。
可见,容差设计是在决定了最佳参数组合的中心值后,根据质量损失函数,在综合平衡质量水平与生产费用的情况下,选定合理的参数控制范围(公差范围)。
图4-5 三次设计作用示意图
(二)稳健设计技术
稳健设计(也称为鲁棒设计、健壮设计、robust设计),是在三次设计法基础上发展起来的、低成本、高稳定性的设计方法。稳健设计也包括产品设计和过程设计两个方面。通过稳健设计,可以使产品的性能对各种噪声因素的不可预测的变化,拥有很强的抗干扰能力,使得实际生产过程得到的产品性能更加稳定、质量更加可靠。
其工作原理比较简单:设X为可控的设计因素,Y为不可控的噪声因素,产品质量Q受两类因素的综合影响。通过合理调整可控的设计因素水平,可以使得Q对噪声因素Y不再敏感,从而获得较好的产品质量稳健性。
