面向质量的设计.ppt

引言 日本著名质量管理专家田口玄一博士 产品的质量是设计出来的 其次才是制造出来的 只有提高设计质量 才能使产品质量性能稳定 设计一旦完成 产品的固有质量也随之而定 ISO9000标准中给设计和开发下的定义 设计与开发designanddevelopment定义 将要求转换为产品 过程或体系的规定的特性或规范的一组过程 1 设计和开发有时是同义的 有时用于规定整个设计开发过程不同的阶段 2 设计和开发的性质可加修饰词如产品的设计和开发 过程的设计和开发 有很多组织是否包含设计和开发主功能 要认真识别 3 设计的输出可以是图纸 技术规范 规程 原材料 标准件清单等 第五章面向质量的设计 设计阶段是一个系统过程 包括 调查研究 产品功能定义 技术研究和选择 可行性研究和决策 方案选择及立项 工艺设计和试制 试验鉴定等影响设计阶段质量的关键工作 要加强产品设计阶段的质量管理 应按ISO9001标准中7 3设计控制要求制定严格规范的程序实施和监控 如何提高设计质量 采用先进的质量工程技术方法是改进设计质量 提高顾客满意的保证 目前常用方法 质量功能展开 田口稳健性设计 RobustDesign 并行工程 响应面法 产品全生命周期工程设计 可靠性设计 FMEA APQP等 第一节三次设计 一 概述20世纪70年代 是由日本质量专家田口玄一创立的一种系统设计方法 与传统的设计方法不同 他将产品设计过程分为三个阶段 系统设计 参数设计和容差设计 核心思想 在产品设计阶段进行质量控制 运用正交设计方法来选择零部件最佳参数组合及最合理的公差范围 用廉价的零部件组装成质优 价廉 性能稳定 抗干扰性强的产品 因此三次设计的重点是参数设计 也称为稳健 健壮 鲁棒 性设计 RobustDesign 理论基础 田口质量理论体系 线外质量控制 1 田口质量观 2 质量损失函数 3 信噪比 4 正交设计试验法 顾客声音 VOC 质量设计策划 设计质量 制造过程的检测和控制 检测技术 销售及售后服务 顾客的信息反馈 质量功能展开 QFD 新七种工具 并行工程 产品质量先期策划 APQP 六西格玛设计 DFSS 工程技术知识 工作结构分解等 试验设计 DOE 稳健性设计 RobustDesign 田口三次设计方法 可靠性设计 故障模式及影响性分析 FMEA 波动 仿真分析等 先进的质量系统 AQS 先进制造技术 SPC 在线质量控制技术 测量系统分析 MSA 先进测试技术 CAT CMM CCD等 抽样检验方法 质量工程QE 质量工程及其技术 田口方法 日本著名质量管理专家田口玄一博士于20世纪70年代把数理统计 工程技术和经济学结合起来 并应用于质量管理中 创造了田口方法 田口称之为质量工程学 取得了显著的效果 产品质量田口博士对产品质量的定义为 是指产品上市后给社会带来的损失大小 但由于产品功能本身所产生的损失除外 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 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 美国航空航天局从94年开始计划用3 4年时间推行田口方法 从对高级领导人进行培训 转变观念入手 并首先在航天飞机燃料储箱设计中应用 田口方法在美国工业界的广泛的应用 美国每年完成的案例在5000个以上 美国应用田口方法节约经费达九百万美元 另外 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 田口方法不仅提倡充分利用廉价的元件來设计和制造出高品质的產品 而且使用先进的实验设计技术来降低设计试验费用 這也正是田口方法对传统思想的革命性改变 为企业增加效益指出了一個新方向 日本的技术人员经常在生产车间运用田口法改进产品和生产流程 目的是使工程设计对不可控因素不要太敏感 从而把外部变量对设计效果的影响减至最低 这就能大大减低零部件和装配容差 因为这两种容差是导致生产成本的最主要因素 在日本 由于广泛采用三次设计 产生了巨大的经济效益 田口玄一曾为新日本电器公司生产的彩色电视机的稳压电源进行了参数设计 每年能增加收入67亿日元 据称 日本80 的质量改进收益是由田口法带来的 而日本的质量改进使美国的许多行业叹服不已 所以田口法在上世纪八十年代初引入美国 首先在FORT公司获得成功并引起轰动 之后 施乐 ITT 波音等公司应用取得实效 之后 田口法在国际质量学术界获得公认并进入质量工程领域的教科书 据MIT调查 70 以上的美国工程技术人员均了解田口法 田口法于己于1980引入我国 首先在机械工业获得应用 1985年 兵器工业部大力推广 取得显著实效的案例近代200项 4次荣获戴明奖的田口一整套设计决策工具以及他简单易懂的产品开发观得到了系统而广泛的应用 因而为许多企业迅速生产低成本 高质量的世界一流产品做出了巨大贡献 田口质量理论体系 田口质量观 质量损失函数 信噪比 正交实验法线外质量控制off lineQualitycontrol系统设计systemdesign参数设计parameterdesign容差设计Tolerancedesign线内质量控制on lineQualitycontrol工序诊断与调整预测与校正检验与处理 二 田口质量理论体系 Tahuchi 1 田口质量观用产品上市后给社会造成的损失来度量质量 把质量与经济性紧密结合 使质量变成了一种可度量的量 2 质量损失函数 QualityLossFunction 产品功能波动客观存在 有功能波动就会造成社会损失 所谓质量损失函数是指定量表述产品功能波动与社会损失之间关系的函数 其中 L y 质量损失函数 m 目标值K 比例常数 y 产品输出特性 y m时 L y 0y m 0时 L y 0 质量损失函数主要用于容差设计中 正交实质量损失函数 3 信噪比 参数设计的稳健性指标 信噪比 信号 噪声 Signal Noise灵敏度S 评定产品质量特性平均水平的指标 4 正交实验设计 略 田口质量理论体系 指导思想 以顾客的要求为设计目标 采用质量功能展开 QFD 参数设计 容差设计等方法J进行优化设计 把问题消除在设计阶段 以最经济的手段获得高质量 高可靠性 稳健的产品 稳健性设计 优化产品设计参数使产品质量波动小 抗干扰性强 信噪比大 三 三次设计的指导思想和内容 一 系统设计 第一次设计 1 利用专业知识和技术规划产品 研究和开发 设计整个系统的结构和功能 2 建模 建立产品质量特性和各参数的关系 有可计算和不可计算数学模型 3 确定产品技术参数 输出产品总图 零件图 预选材料和元器件 二 参数设计 第二次设计 1 分析可控因素 误差因素 并选择可控因素最佳水平 2 利用正交实验优化设计参数 3 用最经济的手段确定各参数最优水平组合方案 使系统的质量特性波动最小 对噪声最不敏感 三 容差设计 第三次设计 1 利用质量损失函数 正交设计 正交多项回归式确定各参数的合理容差 2 质量和经济性相结合 选择既经济又能满足要求的元器件及零配件 对影响大的参数或元件给予较小的公差 对影响小的参数或元件给予较大的公差 3 总成本最小 对客户需求的重视程度不同 设计目标和评价标准不同 着重点不同 工程更改的次数及分布不同 主导思想不同 产生的经济和社会效益不同 四 三次设计和传统设计的比较 第二节质量功能展开 QFD 基本概念QFD方法顾客需求的转化质量屋QFD过程QFD的工作程序计算机辅助QFD CAQFD 一 基本概念 QFD QualityFunctionDevelopment 是一个把顾客或市场的定性需求转化为定量的设计要求 零部件特性 工艺要求的多层次演绎分析方法 它是一种在设计阶段应用的系统方法 采用规范化的方法将顾客或市场的需求精确地转移到产品寿命循环的各个阶段的有关技术和措施中去 以最短的时间 最低的成本生产出满足顾客需求的高质量产品 二 QFD方法 从本质上讲 QFD是一种对顾客需求的直观展开和规划的方法 采用规范的方法将顾客所需的质量特性转换为产品的一系列工程特性 基本工具是质量屋 质量屋的概念 质量屋 HouseofQuality 是一种直观的矩阵框架表达形式 是QFD方法的工具 通常的质量屋如下页图所示 其由以下几个广义矩阵部分组成 WHATS矩阵 表示需求什么 HOWS矩阵 表示针对需求怎样去做 WHATS与HOWS相关关系矩阵 表示两者的相关关系 HOWS的相互关系矩阵 表示HOWS阵内各项目的关联关系 评价矩阵 表示HOWS项的组织度或技术成本评价情况 竞争性或可行性评价矩阵与竞争对手进行比较 屋顶 顾客需求 技术评估 竞争分析 关系矩阵 技术特性 质量屋 关系矩阵 竞争分析 技术特性 顾客需求 技术评估 屋顶 从另一角度讲 QFD可以视为一个由产品规划 零部件设计 工艺规划和生产计划等四个阶段组成的系列过程 产品规划阶段的质量屋 零部件设计阶段的质量屋 工艺规划阶段的质量屋 生产计划阶段的质量屋 一 质量屋结构 部分 质量屋结构 技术评估部分 二 质量屋中参数的配置及计算 下面以产品规划矩阵为例说明质量屋中参数的配置及计算 1 顾客需求及权重 首先 对顾客需求按照性能 功能 可信性 包括可用性 可靠性和维修性等 安全性 适应性 经济性 设计成本 制造成本和使用成本 和时间性 产品寿命和及时交货 等进行分类 并根据分类结果将获取的顾客需求直接配置至产品规划质量屋中相应的位置 然后 对各需求按相互间的相对重要度进行标定 具体可采用1 9数字分10个级别标定各需求的重要度 数值越大 说明重要度越高 反之 说明重要度低 2 技术需求 在配置技术需求时 应注意满足以下三个条件 1 针对性 即技术需求要针对所配置的顾客需求 2 可测量性 为了便于实施对技术需求的控制 技术需求应可测定 3 宏观性 技术需求只是为以后的产品设计提供指导和评价准则 而不是具体的产品整体方案设计 对于技术需求 要从宏观上以技术性能的形成来描述 3 关系矩阵 顾客需求与技术需求之间的关系矩阵直观地说明了技术需求是否适当地覆盖了顾客需求 如果关系矩阵中相关符号很少或大部分是 弱 相关符号 则表示技术需求没有足够地满足顾客需求 应对它进行修正 关系矩阵中nc和np分别指的是顾客需求和技术需求的个数 rij i 1 2 3 nc j 1 2 3 np 指的是第i个顾客需求与第j个技术需求之间的相关程度值 4 竞争分析 通过对其它企业的情况以及本企业的现状进行分析 并根据顾客需求的重要程度以及对技术需求的影响程度等 确定对每项顾客需求是否要进行技术改进以及改进目标 竞争能力用1 5五个数字表示 1表示最差 5表示最好 然后根据本企业现状和改进目标计算出对顾客需求的改进程度 比例 最后 再根据改进程度 重要性等计算出顾客需求的权重 绝对值和百分比 竞争分析配置计算过程中的各项计算公式 改进比例Ri 改进目标Ti 本企业现状Ui 5 1 绝对权重Wai 改进比例Ri 重要度Ii 重点分Si 5 2 相对权重Wi Iai Iai 100 5 3 i表示顾客需求的编号 5 技术评估 技术评估的配置主要是完成对各技术需求的技术水平及其重要性的计算与评估 其任务之一是通过与相关外企业状况的比较 评估本企业所提出的这些技术需求的现有技术水平 任务之二是利用竞争分析的结果和关系矩阵中的信息 计算各项技术需求的重要程度 绝对值和百分比 以便作为制定技术需求具体技术指标或参数的依据 技术需求的重要程度按下面两式计算 重要程度Taj的绝对值 rij Ii 5 4 重要程度Taj的相对值 Taj Taj 100 5 5 其中i表示顾客需求的编号 j表示技术需求的编号 rij是关系矩阵值 Ii是顾客需求的权重 6 屋顶 屋顶表示出了各技术需求之间的相互关系 这种关系表现为三种形式 无关系 正相关和负相关 屋顶中的内容不需要计算 一般只是用单圆圈表示正相关 用符号X表示负相关 标注到质量屋屋顶的相应项上 作为确定各技术需求具体技术参数的参考信息 三 QFD的工作程序 确定开展QFD的项目成立多功能的 综合的QFD小组顾客需求和工程措施的分析产品规划阶段质量屋的建立讨论 修改产品规划阶段的质量屋零件设计 工艺规划 生产计划阶段质量屋的建立 开展并行工程 落实关键环节的稳定性优化设计和强化控制质量屋的不断迭代和完善 第三节参数设计 一 基本思想和目的1 参数设计 运用正交试验法或优化方法确定零部件参数的最佳组合 使系统在内 外因素作用下 所产生的质量波动最小 即质量最稳定 健壮 2 目的 根据系统设计中所确定的所有参数 通过多因素的优选方法来考察三种干扰 内干扰 外干扰 产品间波动 对系统质量特性的影响 寻求最佳的参数组合 以求得抗干扰性最佳的设计方案 使系统质量特性波动小 稳健性好 并价格低廉 3 实质 利用产品输出特性和元件参数之间的非线形效应 通过选择最佳参数值 使输出值对各种干扰不敏感 与参数设计有关的两个主要概念就是质量波动和干扰因素 二 质量波动和干扰因素1 质量波动 产品功能这个质量特性y与目标值m之间的差异 2 影响质量的因素分类 1 可控因素 也可称为参数 在一定范围内可自由选择最适宜的水平以改进产品质量的因素 稳定因素 对信噪比有显著影响的因素调整因素 对敏感度影响显著的因素次要因素 对信噪比 敏感度影响不显著因素关键因素 对信噪比 敏感度影响均显著因素 2 标示因素 不可控因素 可指定但不能选择 如 转速 电压 环境温度 湿度 研究其与可控因素之间是否存在交互作用 从而确定其最佳使用范围 1234 类别 注 对波动影响显著用信噪比判断 对平均水平影响用灵敏度判断 重要因素 3 误差因素 干扰因素 外干扰 外噪声 是指当产品使用时 由于使用条件和环境条件变化所引起产品功能的波动 如温度 电压 操作者等 内干扰 内噪声 是指当产品在贮存和使用过程中 随着时间的推移 发生的老化 劣化和磨损等原因影响产品功能的波动 物品间波动 产品间波动是指在相同条件下生产制造的一批产品 由于人 机 料 法 环的细微变化而引起该批产品质量特性值的变异 某些因素既是可控因素也是误差因素 如 电阻 误差因素的水平 二水平 m m 三水平 m 1 22 m m 1 22 有时 可先确定一个水平值 再按等差或等比得到其他两水平值 4 信号因素在动态特性问题中 为了实现某种意志或为了实现目标值所要求的结果而采取的因素 如 计测系统 被测物体的真值 复印系统 被复制的信息 汽车操纵系统 方向盘的转向角都是信号因素 思考 1 对仪器工作精度 存在外干扰因素 内干扰因素 物间干扰 2 仪器的外接电源电压是什么因素 电路中的电阻是什么因素 三 质量特性的分类 质量特性分为静态质量特性和动态质量特性 1 静态质量特性具有单一目标值的质量特性 它分为计量和计数两大类 计量特性又可分为望目 望小和望大特性 A 望目特性 存在目标值m 期望质量特性y围绕目标值m波动 且波动越小越好 则y称为望目特性 B 望小特性 期望质量特性y及其波动越小越好 且y不取负值 则y称为望小特性 如 返工率 磨损量 不平行度等 望小特性可以看成是目标值为零的望目特性 C 望大特性 期望输出特性越大越好 波动越小越好 且不取负值的计量特性 y不取负值 如强度 寿命 压延性等 望大特性可以看成是目标值为 的望目特性 注意 回收率 合格率 效率却不是望大特性 因为他们的最大值是100 望小特性的损失函数 望大特性的损失函数 望目特性的损失函数 2 动态质量特性 指的是随条件变化 目标值也变化 为了实现客户变动的意志 通过发出相应信号或改变条件而改变输入值 希望系统的输出特性随着信号和条件变化而变化 而且波动要小的质量特性 如汽车的操纵性 动态特性的例子 空调的温度就是该产品的动态特性 有人希望把房间温度调节到20 也有人希望调节到25 不管人们需要什么温度 空调器都能使温度稳定在人们需要的温度上 汽车速度有时需要快 50公里 小时 有时又需要慢 20公里 小时 速度是汽车的一个动态特性 司机给一个50公里的信号 汽车的速度就要稳定在50公里上 测量仪器 如电压表 温度计 磅秤等 的测量值也是动态特性 磅秤能称1公斤的物体 也能称5公斤的物体 总之它能在一定的重量范围 0 05 20公斤 内准确计量 四 静态特性的信噪比与灵敏度 信噪比 S N比 源于通信领域 是指信号S的功率与噪声N功率之比 在望目特性问题中把指标均值的平方看作信号的功率 噪声的功率就是y的方差 于是望目特性的信噪比的定义为 从统计角度看 此种信噪比是变异系数平方的倒数 而变异系数是一种既可消除量纲影响又可度量波动大小的指标 变异系数是愈小愈好 而信噪比也可用来度量波动的大小 只是信噪比是愈大波动愈小 为了获得信噪比的估计 用分子和分母的无偏估计分别去代替其分子与分母 从而得到SN比的估计 若记质量特性y的n个观察值为 又记可以验证 是的无偏估计 是的无偏估计 那么y的信噪比的估计为 田口仿照信号传输中信噪比的单位 对上述取常用对数 再乘以10后仍称为信噪比 并以 分贝 db 作为单位 即 田口博士在参数设计中引入了S N比的概念 认为在产品设计时S N比越大 该参数水平下的产品功能越稳健 社会损失就越小 灵敏度S作为评价设计质量优劣的另一种指标 是产品质量特性平均水平的指标 反映了功能分布的平均值 采取与SN比同样的作法 在实际计算时 将S的估计值取常用对数再乘10 化为分贝 dB 值 即 例1设某产品重量为望目特性 今测其两件产品重量分别为21 2 32 2 试计算灵敏度与SN比 解 信号 噪声 Signal Noise 信噪比一般用分贝db表示灵敏度S评定产品质量特性平均水平的指标 其中望目特性 望小 望大特性的信噪比和灵敏度定义和公式一览表 望目 望小及望大特性的信噪比和灵敏度 五 望目特性的参数设计 1 参数设计的内容 考虑各种影响因素 选择最佳的参数组合 使产品对各种干扰不敏感 研究各种因素之间的干扰特性 并加以控制2 参数设计的目的根据系统设计中所确定的参数 通过多因素的优选方法来考察三种干扰 内干扰 外干扰 产品间波动 对系统质量特性的影响 寻求最佳的参数组合 以求得抗干扰性最佳的设计方案 使系统质量特性波动小 稳健性好 成本低廉 3 参数设计的特点A 以寻求系统的最佳参数组合为目的 B 最佳组合的目标是质量特性波动小 稳健性好 C 运用正交表安排试验方案 D 运用信噪比和灵敏度的统计方法来进行评价 E 利用零部件参数的非线性效应进行优化组合 4 静态特性参数设计程序图 5 可计算性参数设计主要步骤 1 确定因素及分类 制定因素水平表确定可控因素 标示因素及误差因素 噪声因子及其水平 2 内表及内设计安排可控因素的正交表称为内表 相应的试验设计称为内设计 根据可控因素的水平选择合适的正交表 安排实验方案 3 外表和外设计安排误差因素和信号因数的正交表称为外表 相应的试验设计称为外设计 针对内表中的每一个试验方案 再根据误差因素的水平选择合适的正交表 安排实验方案 4 计算信噪比和灵敏度针对每一个外表计算相应内表试验方案的计算信噪比和灵敏度 5 内表的统计分析以信噪比最大为目标 进行方差分析 确定各因素的影响显著性 寻找稳定因子 以灵敏度为目标进行方差分析 确定调节因子 6 确定最佳参数组合直观法 根据信噪比的大小直接进行判断 计算法 选择稳健因子最佳水平组合 计算后 适当调整调节因子进行优化 使接近目标值 参数设计工作的具体步骤总结 设计一驱动器 要求其输出力F的目标值为m 4 5 无量纲 输出力的表达式如下 6 望目特性的参数设计的实例 一 见教材P135 驱动器设计 其中 K J均为常数 A B C D E I G H为部件参数 要求选择各参数使得在有干扰的情况下 驱动器 能达到要求 一 系统设计 1 区分可控因素及误差因素构成驱动器的部件中共有七个可控因素 A B C D E I 和G 误差因素共有八个 A B C D E I G 和H 2 确定可控因素水平根据专业知识和经验先确定可控因素的第二水平 再安等差或等比数列来驱动第一及第三水平 如下表所示 二 参数设计 可控因素水平表 3 内表设计 安排可控因素的正交表称为内表 选择正交表安排试验方案 具体的表头设计如下 其中的空列作为误差列 内表及信噪比数据 4 确定误差因素水平 误差因素通常取3水平 第二水平依赖与内设计 即由内表中某一方案给出 第一及第三水平在其基础上按等比或等差数列计算得到 本里中 误差因素A G 的第二水平由内表中试验方案3给出 H 的水平由设计人员给出 1 5 第一及第二水平按10 的波动计算 内表中 方案3的误差因素水平表如下表所示 共有36张类似的误差因素水平表 内表中方案3的误差因素水平表 5 外表设计 安排误差因素和信号因素的正交表称为外表 相应的设计称为外设计 仍然选择正交表来进行外表设计 具体的表头设计如下 其中的空列作为误差列 内表中每一条件均对应一个外表 所以共有36张外表 1296个方案 其中内表中方案3对应的外表如下表所示 表3 7内表中方案3条件的外表及指标的偏差值 6 计算信噪比 具体方法见教材P75 内表统计分析的对象是计算所得的信噪比 它是衡量内表中各方案稳健性的重要指标 结果如下表所示 7 内表的统计分析 表3 8方差分析辅助表 表3 9可控因素水平表 再计算各种波动平方和与自由度 如下表所示 可以看出 因素B D高度显著 E显著 其余均不显著 8 确定最佳参数组合 观察法计算法 观察法 在内表 信噪比最大所对应的条件即为最佳组合 两种方法 内表中 观察信噪比最大条件是第8号方案 其对应的参数组合即为最佳的组合 计算法 选择稳健因子最佳水平组合 计算后 适当调整调节因子进行优化 使接近目标值 第一步 通过外表中计算的数据 即信噪比的值 对不显著因素的水平可任意选取 对影响显著的因素应选择其抗干扰能力强的条件 由表3 8中可知 最佳参数组合为AB1CD1E2IG 若取组合A2B1C3D1E2I3G3 则驱动器相应的无量纲输出力为3 39 第二步 由不显著因素求具有一致性的参数组合 原因是上面计算结果与目标值偏差太大 必须对目标进行校正 方法是通过调整对信噪比影响不显著 但与F成线性关系的因素的值 使驱动器的输出特性接近目标值 本例中 根据专业知识知 驱动力F与因素G成线性关系 且对信噪比影响不大 因此将其作为调整因素 其调整值为 从而得出满足 稳健性 和 一致性 的组合 即最佳条件 A 650 B 10 C 3 D 4 E 0 7 G 2 59 I 0 67 由电路知识知道 电感电路由电阻R 单位 电感L 单位 H 和一个电源组成 见下图 如今在输入电压V 100 10V和频率f 55 5Hz的条件下 要求输出电流强度的目标值为m 10A时 如何确定元件R与L的参数值 7 望目特性的参数设计的实例 二 电感电路的参数设计 当输入交流电压V 单位 V 和电流频率f 单位 Hz 时输出电流强度y 单位 A 可由下列公式算得 这是一个望目特性的参数设计 又是一个可计算特性的参数设计 因为此电路的指标 电流强度 可通过公式获得 从而可用计算代替试验 下面分几步来完成这个参数设计 一 系统设计 1 因子及因子分类在这个电路设计问题中共有四个因子 R L V和f 其中R和L是可控因子 而噪声因子有四个 和是零件间的噪声 V和f是外部噪声 这些都是人们不能控制的 2 确定因子水平根据专业知识所确定的可控因子R和L的三个水平如下表所示 四个噪声因子亦各选三个水平 其中和水平按三级品的波动量为 10 给出 V按 10V给出 f按 5Hz给出 具体亦见下表的下部 二 参数设计 因子水平表 内外表设计把可控因子R和L放在正交表的第1 2列上 把噪声因子 V f顺次放在另一张正交表的第1 2 3 4列上 由此内外表组成的直积表如下表9所示 4 计算指标值用上述公式计算出电流强度值y 以内表第1号试验 i 1 为例来说明其计算过程 在内表第1号试验中可控因子R与L均取1水平 即R1 0 5 L1 0 02H 于是根据表6 2 8立即可算得噪声因子和的三个水平如下 0 5 0 9 0 45 0 02 0 9 0 018 0 5 0 02 0 5 1 1 0 55 0 02 1 1 0 022 结合前页表列出的另外两个噪声因子V和f的三个水平就可按外表设计算出 如所得结果列于直积表的中部第一行 类似计算可对另外8张外表进行 全部结果见上表的中下部 5 计算信噪比用直积表上每一行上9个数据分别计算均值 方差估计 和SN比 譬如在i 1时 类似可算出内表第2至第9号试验的SN比 全部结果列在直积表的右侧 内表的统计分析按正交设计法进行统计分析 首先在内表 见下页表 上计算各列各水平SN比之和 然后计算各列的偏差平方和S1 S2 S3 S4和总的偏差平方和ST 譬如S1和ST的计算如下 其中修正项CT T2 9 2909 88 这里T是内表的SN比之和 由于ST S1 S2 S3 S4 这说明上述计算无误 正交表的统计分析 把上页表上各列偏差平方和填入方差分析表 见下表 空白列 第3 4列 的偏差平方和最小 可认为可控因子R与L之间无交互作用 经方差分析表明 可控因子R高度显著 而L不显著 确定最佳参数设计方案根据方差分析结果 高度显著的因子R应选其使SN比最大的水平R3 9 5 而不显著因子L的水平可以任意选择 宜取SN比较大的水平L1 0 02H为好 这样一来 最佳水平组合应是R3L1 它是内表的第7号试验 该号试验的SN比在9个试验中是最大的 第7号试验的可控因子水平组合R3L1确使波动减少 其方差只有 0 80 但其均值 8 53A与目标值m 10A尚有一定距离 进一步的工作是设法减少偏差 这是下一步灵敏度分析要解决的问题 8 望小特性的参数设计 9 望大特性的参数设计 参见教材 参见教材 第四节容差设计 容差设计定义 在完成系统设计和参数设计 即在已确定零部件参数 的基础上 经济 合理的安排和确定系统有关参数的容差 即公差 容差设计的目的 在最佳参数水平组合条件下确定各参数的合理容差 以减少成本和质量的波动 提高稳健性 容差设计与传统的公差设计的区别传统的公差设计仅根据零件的用途和经验进行设计 没有考虑系统受到的内 外干扰 且没有将经济性考虑在内 容差设计则是综合考虑了内 外干扰因素对质量波动的影响和经济性 对质量波动影响较大的参数取较严格的公差 影响小的则取较大公差 这样使得容差确定的更合理 零件的成本也更低 系统的性能也更稳定 一 质量损失函数 QualityLossFunction 产品功能波动客观存在 有功能波动就会造成社会损失 所谓质量损失函数是指定量表述产品功能波动与社会损失之间关系的函数 按照产品质量特性的不同 有不同形式的质量损失函数 望目特性的质量损失函数望小特性的质量损失函数望大特性的质量损失函数 1 望目特性质量损失函数 其中 L y 为质量损失函数 m 目标值 K 比例常数 y 产品输出特性 根据功能界限和相应的损失求 求比例常数k的方法 功能界限 产品能正常发挥其功能的界限值 计为 相应的损失 产品由于丧失其功能给社会造成的经济损失 计为 根据容差和相应的损失求 容差 即容许的偏差或判断产品是否合格的界限 即当时 产品为合格品 功能界限或容差对策条件下 相应的平均质量损失函数为 2 望小特性质量损失函数 3 望大特性质量损失函数 几种质量特性的质量损失函数 二 容差的确定 1 望目特性容差的确定 当时 代入上式得 安全系数 2 望小特性容差的确定 当时 代入上式得 望大特性的容差确定书例5 6 老化 磨损和寿命类特性的容差确定 质量特性y的初始值为m 时间变量为t 产品设计寿命T 老化系数为 y m t 0 t T 在0 t时间内 特性值y偏离目标值m平均偏差平方为 T t y y m t m 设计某机械产品 材料可以从A1 A2 A3三种材料中选择 3种材料的尺寸温度系数b 温度变化1度的延伸率的百分比 和每1年的磨损量 每1年磨损量的百分比 及价格如下表 产品的功能界限 0 6mm 丧失功能时的损失A0 18000日元 温 15度 T 20 产品在标准温度下出厂时的尺寸等于目标值 解 L y A0 02 2 18000 36 2 500 2因现生产的产品在标准温度下出厂时的尺寸等于目标值 因此 由温度和老化造成的波动方差可由下式给出 上式后一项可由如下求出 因假设每年的老化量为 故设计寿命为T年时的方差为 L y 1 2220L y 2 341L y 3 178 由上表可知 总损失为价格与质量之和 最佳解为材料A2 三 容差设计的方法 实例 电感电路的容差设计 1 误差因素水平表以参数设计阶段选出的最佳水平组合R 9 5L 0 01H作为误差因素的第2水平 三级品的波动范围土10 确定第1 3水平 误差因素V f的三个水平仍取为原来的值 于是得到相应于最佳条件的误差因素水平表 相应于最佳条件的误差因素水平表 选取L9 34 作为外表 将各误差因素依次排列在各列上 再按公式计算各号条件下的输出特性值y 其结果见下表 3 最佳条件的方差分析由于各误差因素的水平是等距的 我们可以用第五节所述正交多项式回归的方法 把诸因素的波动平方和S分解为线性项引起的波动平方和S1与二次项引起的波动平方和Sq之和 最佳条件的方差分析表 整理后的方差分析表 由第一自由度1 第二自由度4 查F分布表得F0 05 7 71 F0 01 21 20 因为FV1 FR1 F0 01 所以V1 R1高度显著 Fu F0 05 L1显著 其余均为不显著 4 容差设计在电感电路一例中 若用户对输出电流强度的容许范围为10 4A即目标值m 10A容差 4A 又若电流超出容许范围后的售后服务等损失为16000日元 据公式 22 单位产品的质量损失为 n件产品的平均质量损失为 以上我们以三级品的元部件组装电感电路 此时输出电流偏离目标值m 10A的总偏差平方和为 平均质量损失为倘若把贡献率大的电阻R用二级品 波动范围为土5 代替 这时每只电阻价格贵300日元 此时 由于质量改进 质量损失减少费用计算如下 扣除成本增加的费用300日元 净效益为73日元 倘若把电阻R用一级品 波动范围为土1 是三级品的十分之一 代替 此时每只电阻价格增加500日元 由于质量改进 质量损失减少费用493日元 它小于成本增加费用500日元 故得不偿失 综上所述 我们选取电阻R的中心值为9 5 用二级品 波动范围为9 59 5 电感L的中心值为0 01H 用三级品 波动范围为0 010 10 H 由此组装的电感电路 输出电流强度期望值为9 93A 波动最小 质量总损失最小 在市场上具有竞争力 至此 我们完成了电感电路的全部设计 容差设计举例 教材P151 155例5 4 5 7 作业 参数设计思考题 选做 P164 5 6容差设计 教材P165 5 9 5 10