实验设计第八讲 稳健设计

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1、第八讲稳健设计暨南大学经济学院统计学系统计教研室伍业锋yefengwu@126.com1主要内容稳健设计源起稳健设计的几个基本概念稳健性设计与三次设计内外表参数设计简单的稳健设计方法2源起20世纪70年代末期开始，日本学者田口玄一博士创立的以三次设计为内容的质量工程学，稳健设计是其中的主体内容；目前美国把一切用于提高和改进产品质量有关的工程方法统称为稳健性设计3几个基本概念4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）。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。5质量的变

2、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。无处无时不在。例如手机电池的使用时间：随着气温的变化而变化；随着使用时间长短的变化而变化。6质量特性值设质量特性值为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7稳健性指产品对各种干扰因素的抵抗能力，反映为出产品质量特性的变异程度。变异程度小的产品稳健性就高，反之则大。理解：人的健康稳健性，对外界敏感，容易生病则不稳健。越是稳健的产品，其对应

3、的越小。8稳定性与稳健性当一个系统处于一个平衡的状态时，如果受到外来作用的影响，系统能够保持原来的平衡状态，或者经过一个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态，则称这个系统是稳定的。否则不稳定。稳定性强调每个系统受到干扰后保持和恢复原有性能的能力。很早就应用于工程学的概念。稳健性强调是同一设计型号的不同产品在各种噪声干扰下其质量特性值仍然很接近，变异程度小。统计学概念。9哪个是稳定的系统？10干扰因素（噪声因素）引起产品质量变异的因素，也称为噪声。外部噪声：引起质量变异的使用环境或产品承受负荷的变化。（温度、湿度、污染等，汽车载重量的变化）内部噪声：指产品在存储和使用过程中发生

4、的材料变质、老化、磨损等引起的质量变异的现象。零件间噪声：构成产品的零件间的质量变异。11减少产品质量变异的两种方式消极方式：限制产品的使用环境（？）；使用更高等级的元器件（？）；积极方式：提高产品适应外界环境变化和抵抗内部干扰的能力。——稳健性设计的思想：致力于改进产品内部的结构而提高抗干扰的能力。12例Ina瓷砖公司早年Ina瓷砖公司生产的瓷砖大小不一，尺寸波动很大，即尺寸稳健性很低。思考:要减少尺寸波动，可以用什么办法？13早期做法针对此问题，公司早期采取的措施是进行事后检验，筛选出合格品，将尺寸不符合公差（容忍误差）范围的瓷砖挑出来丢弃。会产生什么问题？14第二种方

5、法质量工程技术人员研究发现，瓷砖尺寸波动原因是由砖窑内部温度差异引起的。在没有放置瓷砖时，砖窑内部设计的加热后温度是相同的，但是放置瓷砖之后加热后窑内各部位的温度就不同了，外侧温度高，中心处温度低。解决办法：重新设计一个新砖窑，保证窑内温度均匀。方法缺陷是什么？15第三种方法从瓷砖内部结构入手，寻找影响尺寸稳健的内部原因。经过一些实验发现，瓷砖黏土中灰石的比例是造成尺寸波动的重要因素，把灰石比例从1%提高到5%之后就可以大幅度降低尺寸的波动，并对瓷砖其他质量指标没有不良影响。灰石原料非常便宜。因此此方案经济实用。16稳健性设计思想从产品的内部结构入手，用实验设计安排实验，寻

6、找提高产品稳健性的方法。目的就是尽量减少质量变异，设计出稳健可靠的产品，并且考虑产品的成本。如果产品能够在各种噪声因素的干扰下保持性能指标很小的变异性，或者用廉价的零部件能组装成性能稳定可靠的产品，则可认为该产品的设计是稳健的。17设计二y2设计一y1哪个设计更好？18设计二y2设计一y1问题1：哪个设计更稳健？问题2：哪个设计更好？19稳健性设计实际操作流程通过对产品的分析，找出影响质量及其稳健性的主要因素；用实验设计技术进行实验规划，通过实验和模拟来考察不同配方或工艺参数不同组合情况下的产品质量及其稳健性；然后分析数据，找出主要因素对产品质量的影响规律；再用优化方法对产

7、品配方或工艺参数进行调整优化，最后找到使产品的平均质量及其稳健性、产品成本均令人满意的产品配方或工艺参数。20三次设计系统设计参数设计容差设计基础核心经济化21系统设计含义：又叫基础设计、专业设计，运用系统工程的思想和方法，对产品的结构、性能、寿命、材料等进行综合考虑，以探讨如何最经济、合理地满足用户要求的整个设计过程。内容：确定实验目的、指标和仪器设备、场所以及实验的主要影响因素。执行人员：专业技术人员完成，设计质量取决于设计人员专业技术水平和应用专业知识的能力。22参数设计探求影响因素水平的最佳搭配。质量指标平