第第5章章参数设计参数设计5.1参数设计的基本思想参数设计的基本思想n引言：日本著名质量管理专家田口玄一博士：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。设计只有提高设计质量，才能使产品质量性能稳定。设计一旦一旦完成，产品的固有质量也随之而定。完成，产品的固有质量也随之而定。5.1.1产品的产品的三次设计的概念三次设计的概念n概述概述n本世纪本世纪60年代日本质量专家田口玄一把正交设计用于设计开发中，年代日本质量专家田口玄一把正交设计用于设计开发中，改变了传统的设计方法，提出了：改变了传统的设计方法，提出了：n产品设计的三个阶段：系统设计、参数设计、容差设计。产品设计的三个阶段：系统设计、参数设计、容差设计。n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元部件最佳参数组合及最合理的公差范围、最廉价的元部件选择元部件最佳参数组合及最合理的公差范围、最廉价的元部件来组装质优、价廉、性能稳定抗干扰性强的产品，因此这种设计来组装质优、价廉、性能稳定抗干扰性强的产品，因此这种设计方法核心是参数设计，也称为稳健性设计（方法核心是参数设计，也称为稳健性设计（RobustDesign）。）。n理论基础：田口质量理论体系（线外质量控制）理论基础：田口质量理论体系（线外质量控制）n1、田口质量观，、田口质量观，n2、质量损失函数，、质量损失函数，n3、信噪比、信噪比n4、正交设计试验法。、正交设计试验法。田口质量理论体系田口质量观、质量损失函数、信噪比、正交实验法田口质量观、质量损失函数、信噪比、正交实验法n系统设计系统设计systemdesignn参数设计参数设计parameterdesignn容差设计容差设计Tolerancedesignn（一）系统设计（一次设计）（一）系统设计（一次设计）n1、利利用用专专业业知知识识和和技技术术规规划划产产品品，研研究究和和开开发发，设计整个系统的结构和功能；设计整个系统的结构和功能；n2、建建模模：建建立立产产品品质质量量特特性性和和各各参参数数的的关关系系，有有可计算和不可计算数学模型；可计算和不可计算数学模型；n3、确确定定产产品品技技术术参参数数，输输出出产产品品总总图图、零零件件总总图图，预选材料和元器件预选材料和元器件。 n（二）参数设计（二）参数设计（二次设计）（二次设计）n1、分析可控因素，误差因素，并选择可控因素、分析可控因素，误差因素，并选择可控因素最佳水平；最佳水平；n2、利用正交实验设计优化设计参数；、利用正交实验设计优化设计参数；n3、用最经济的手段确定用最经济的手段确定各参数最优水平组合各参数最优水平组合方方案，使系统的质量特性波动最小，对噪声最不敏案，使系统的质量特性波动最小，对噪声最不敏感感,抗干扰性强，又称稳健性设计抗干扰性强，又称稳健性设计。n各参数最优水平组合，如何求取最佳参数？各参数最优水平组合，如何求取最佳参数？n（三）容差设计（三）容差设计（三次设计）（三次设计）n1、利用质量损失函数、正交设计确定各参数的合理利用质量损失函数、正交设计确定各参数的合理容差；容差；n2、质量和经济性相结合，选择既经济又能满足要求的、质量和经济性相结合，选择既经济又能满足要求的元器件，零配件。对影响大的参数或元件给予较小的公元器件，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。差，对影响小的参数或元件给予较大的公差。n总成本为最小。总成本为最小。质量特性值质量特性值 在工业生产中，产品的质量通常通过对特定的功能、特性的测定或 测 量 数 值 来 评 定 （ 质 量 特 性 或 输 出 特 性 ） 。例 如 ： 零 件 加 工 尺 寸 误 差 ， 工 业 生 产 中 零 件 的 磨 损 量 。 任何一种产品的质量特性值与其名义值（额定值）之间都存在一定的偏差。偏差越小，质量越好。 设 质 量 特 性 值 为y ， 目 标 值 为y0, y对 y0的 变 差 是 是 服 从 一 定 概 率 分 布 的 随 机 变 量 ， 当 它 服 从 正 态 分 布 越小越好质量的变异性质量的变异性 产品的质量特性指标往往会有差异； 即使完全相同的生产条件，由于种种干扰因素干扰因素的存在，其产品也会表现出不完全相同的质量特性； 同一产品在不同的环境中使用，或者在寿命周期内的不同时刻，其质量特性都会有差异。 5.1.2参数设计的基本思想参数设计的基本思想1 产品的质量要用产品给社会（即用户等）带来的损失大小来衡量 田口博士认为，质量是产品上市后给社会带来的损失，质量好的产品，上市后给社会带来的损失小，反之亦然。 顾客总期望他所购买的产品在给定的使用条件下和寿命期内，使用该产品时，都能既定的目标性能，同时又无有害的副作用，这便是顾客心中的理想质量理想质量。 由于产品间的差异，使用环境的不同或产品老化提前等原因，实际中的产品会偏离理想质量。 这种偏差不仅会给使用者带来损失，也给制造商造成损失，甚至给社会带来不同程度的损失，这些损失统称为社会损失社会损失。2质量损失函数（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会损失。所谓质量损失函数是指定量表述产品功能波产品功能波动与社会损失之间关系的函数动与社会损失之间关系的函数。设产品（系统）的质量特性为设产品（系统）的质量特性为y，目标值，目标值m。当。当y偏离偏离m时则造成质量损失，记作：时则造成质量损失，记作：L（y）。将）。将L（y）在目）在目标值周围用泰勒公式展开，得到标值周围用泰勒公式展开，得到：因为因为当当y=m,L(y)=0,L(m)=0,L(y)存在最小值，所以存在最小值，所以L(m)=0，略去二价以上的高阶项，上式可简化为：，略去二价以上的高阶项，上式可简化为：nnnnn具体表示如下具体表示如下：nn其中其中L（y）为质量损失函数，）为质量损失函数，m目标值，目标值，为容差为容差（公差（公差n的一半，所谓公差范围的一半，所谓公差范围m-,m+是指产品的特性值是指产品的特性值y在该在该范围内时，产品为合格品。范围内时，产品为合格品。n当当y=m，L（y）=0；K比例常数比例常数y产品的质量特性。产品的质量特性。当当y-m=，L(m)=DD=L（m+）=k 设质量波动超过设质量波动超过 作不合格处理时，给工厂造成的损失作不合格处理时，给工厂造成的损失为为A元，超出元，超出 作为良品出厂或流入下道工序给用户或下道工作为良品出厂或流入下道工序给用户或下道工序带来的损失为序带来的损失为D元；元；当当|y-m|时，产品能正常品能正常发挥功能，可以使用；当功能，可以使用；当时，产品完全品完全丧失功失功能，不能使用，若能，不能使用，若产品品丧失功能后的失功能后的损失失为D0为功能限，为功能限，例题例题5.1 有一晶体管稳压电源，输入交流电压220伏，输出直流电压的目标值m0=110伏，用户使用过程中，其稳压电源的直流输出电压y与目标值m0之间产生10伏的偏差，稳压电源丧失功能。此时，用户因维修，废弃，重购而蒙受损失，平均损失40元，求损失函数？ 如果生产厂输出电压105伏，偏差5伏，若因产品出厂流入用户手中，用户蒙受多少损失？3 产品的质量特性y是随机变量，导致损失函数L(y)也是随机变量；损失函数L(y)的平均值E(L)=EL(y)称为平均损失。平均损失愈小，产品质量愈高。(1) ，它是y的方差；(2) ，它是y的均值对目标值的偏差的平方。则，平均损失由两部分：要减少平均损失，就要努力减少方差和绝对偏差 ，故参数设计要分两步做：第一步：要减少波动，把y的方差减少，使产品质量较为稳定，称之为稳健设计。第二步：要减少偏差，使y的均值向目标值靠近，这一步称为灵敏度设计。信噪比信噪比作为参数设计的稳健性指标作为参数设计的稳健性指标n信噪比信噪比的定的定义：n=信号信号的功率的功率/噪声的功率噪声的功率=4 进行稳健设计时还有两个指标必须明确:一是产品的质量特性y，另一个是表征y波动的指标。田口用信噪比作为质量特性的波动指标。分子为信号Signal，分母为噪音Noise，所以，信噪比简称为SN比。 它是变异系数倒数的平方。变异系数（Coefficient of variation） 是衡量资料中各观测值变异程度的另一个统计量。 信噪比越大，通信效果越好，质量特性波动愈小。信噪比越大，通信效果越好，质量特性波动愈小。信噪比的估计：信噪比的估计：n其中其中nnnnn望目特性的信噪比公式望目特性的信噪比公式设由设由n件样品测得望目特性件样品测得望目特性y的数据为的数据为y1,y2,y3,yn,根据数理统计知识，根据数理统计知识，m, sm, s2 2和和m m2 2的的无偏估计：无偏估计：1）望目特性）望目特性产品的质量特性产品的质量特性y是连续且不为负，它可取是连续且不为负，它可取0到到 上的任上的任意值，其目标值意值，其目标值m是非零的有些值，是非零的有些值，y越接近越接近m越好，这越好，这样的样的y称为望目特性。称为望目特性。令田口仿照信号传输中信噪比的单位,将上式取常用对数后再乘以10,化为以分贝为单位的信噪比,即望目特性的信噪比公式信噪比就是研究对象的有效部分与无效部分的比值。信噪比是质量特性优良度的测度。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SN比。解：例例2当优选后的设计方案比原设计方案信噪比增当优选后的设计方案比原设计方案信噪比增加加3分贝分贝,质量特性值波动将减小多少质量特性值波动将减小多少?假设假设两者均值相同两者均值相同.即优选后的方案即优选后的方案比原设计方案波动均方值将缩小比原设计方案波动均方值将缩小一半。质量损失也将减小一半。一半。质量损失也将减小一半。2）望小特性的信噪比：）望小特性的信噪比：产品的质量特性y是连续且不为负，它可取0到 上的任意值，y越接近0越好，这样的y称为望小特性。由于望小特性没有目标值，故它只有稳健设计，没有灵敏度设计。n定义信噪比：定义信噪比：3）望大特性）望大特性产品的质量特性y是连续且不为负，我们希望它越大越好，这样的y称为望大特性。 如：弹簧的寿命，载重量一定的汽车一加仑汽油行驶的里程数。 由于望大特性也没有目标值，所以它只有稳健性设计，没有灵敏度设计。 信噪比定义：