（管理科学与工程专业论文）稳健性设计在技术开发中的应用与研究.pdf

摘要 稳健性设计 义称健壮设计 鲁棒设计 是近代新兴的 科学的 高效的工 程优化设计方法体系 是质量工程的核心技术 日前已在h 本 欧美等技术先进 国家得到 泛应用j 推广 并取得娃著成效 稳健性设计是种工程优化 是建立在用口方法基础之上的 要用于产品 和过程设计领域的新技术丌发 稳健性设计技术是基于将质量引入设计的观念 山于浚技术的简单悱和实用性而在工业中得到很多新的应用 它着重于对特定的 技术或者产品 过程没计中 理想功能 的定义 着重于以最少的代价选择最佳参数 方案 以提高产品件能的稳健性 即使足在行导致性能波动的误差因子存在的情 况l 近年来 罔ii 玄一博士提出了质量的改善应尽可能追溯到源游阶段 将动 态特性石月究应用到技术丌发的新观点和稳健性技术玎发的新思路 mr 1 式的技术丌发与一般意义的技术丌发 一样 它是在具体产品设计之前的 研究 它丌发的不知 菜一种产品 而是具有广泛应f j 价值的技术 这种技术l b l 丌发成功 在同类新产品和新工艺研制中 只需通过调整 便可完成对系列产品 的参数设计任务 返正体现了用n 式技术丌发所具有的先行性 通用性 再现 阵 和经济性冈个特点 它为般意义技术门 发的基础研究 应用研究增加r 新的i j r 涵 提供了新的方洲 论 现代社会产品的觉争就是产品质量的竞争 我固白上世纪八 f l f e 引入f 千1l j 方法 已取得显著 戍效的寒例近几百项 这些年来 i i 口方法在不断充实 完善 和提高 预计i i j2 1l 址纪 世界级公司的人力物力将大幅度转向稳健性技术丌发 为了抓 训几逍 使找吲 品赢得 世界级质量 同时缩短设汁周期 扫 因际市场 的觉争中取胜 有必要在我圈进一步推j 一稳健性技术丌发 本文l e 是基于这一目 的 对稳健性技术jr 发进行了系统的研究 希望能给我国的企业界以启发 进 步促进我国产品质疑的提高 首先 本文从一般到特殊 山浅入深地介绍了稳健性技术丌发的概况 基奉 概念和般过程 压点强调了 理想功能 的定义 并总结厂几种理想功篚的形式 及其 f 箨行 l k 中的 v 用情况 推导出 t j 态特性s n 比 j 损失函数之例的关系 并 利用多维空 r j 的马 系统得到了 种衡量测量系统精度的一种新方法 接着以目日u 国m 上最新的案例介绍了几种常吼的理想功能的参数设计过程 许h 刈动念参数设训中多信号因素 多奄响应问题进行了研究 也对 蝗特殊的 情形 如在i 作状念j j 不一l 作状态卜需同t t j 考虑的稳健性设计问题 信号因素连 摘睦 续变化的情形等矧 址首次涉足研究 这也r 口 以说是稳健性技术丌发的一个拓展和 延伸 随管稳健性技术丌发的深入研究 相信以后会有更多特殊情形的稳健性技 术丌发的案例 然后针刈稳健性技术丌发巾动态参数设计一些值得商榷的问题提出了白己 的见解 比如为了a 少试验次数 建议采用均匀设计法代丰年i i 二交表安排试验 为 了取得史精确解 建议采用双重响应 f i 而法进行拟合 结果表明效果还是可以的 为厂解决在选取最他参数组合时常常需耍在信噪比和灵敏度之f 日j 做出妥协 为此 采用图示的方法进行了改进 这些部是刘稳健性技术丌发中一些不完善的地方做 出的一些改进 最后将稳健性设计与其它一些方法做了一番比较 并指出了稳健性设计的发 展趋势 本文主要创新之处在 一 首次推导出动态特性s n 比与损失函数之川的 关系 一 利用马 系统对计测系统的精度作出了新的评价 二 在信号因素连 续变化的情形 采刖一种离散化模拟的稳健性设计方法 拓宽了稳健设计应用范 围 四 针对动态参数设计 用响应曲面法和回归分析代替用口式的参数设计法 该方法在交吒作用叫j 显 二阶作用显著的情况下 较阳n 方法有明显的优越性 忆对可控凶素最他水半的选取提出了一种直观的图示方法 关键词 稳健性设计 技术开发 多重响应 均匀设计 理想功能 动态参数设计 多信号 多重响应曲面 信噪比 灵敏度 稳健 垃 十柏技术开发中的应用 硎究 a b s t r a c t r o b u s td e s i g ni sak i n do fm o d e r ns c i e n t i f i ca n de f f e c t i v ee n g i n e e r i n gm e t h o d o l o g y a n di ti sa l s ot h ec o r eo fq u a l i t ye n g i n e e r i n g p r e s e n t l y i th a sb e e na p p l i e da n ds p r e a di n j a p a n a m e r i c aa n de u r o p e e v e ni th a sg a i np r o m i n e n te f f e c t r o b u s td e s i g n w h i c hi sb a s e do nt a g u c h im e t h o d s i sa ne n g i n e e r i n go p t i m i z a t i o n s t r a t e g y a n di ti sm o s t l yu s e df o rt h ed e v e l o p m e n to fn e wt e c h n o l o g i e si n t h ea r e a so f p r o d u c ta n dp r o c e s sd e s i g n i tu s u a l l ye m p h a s i z e st h ed e f i n i t i o no f i d e a l f u n c t i o n o f s p e c i f i e dt e c h n o l o g yo rp r o d u c f f p r o c e s sd e s i g n i t a l s oe m p h a s i z e so nc h o o s i n gt h e o p t i m u mc o n f i g u r a t i o nt oi m p r o v et h er o b u s t n e s so fp r o d u c tp e r f o r m a n c e a tt h el o w e s t c o s te v e ni nt h ee n v i r o n m e n tw i t hn o i s ef a c t o r sc a u s i n gv a r i a b i l i t y i nr e c e n ty e a r s d r t a g u c h is u g g e s t e dt h a tt h ei m p r o v e m e n to fq u a l i t ys h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n ti nt h e b e g i n n i n go fm a n u f a c t u r ea n da p p l i e sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c st ot e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t a sg e n e r a lt e c h n i q u ed e v e l o p m e n t t a u c h i s t e c h n o l o g i e sd e v e l o p m e n t h a sb e e n f i n i s h e db e f o r es p e c i f i e dp r o d u c td e s i g n w h a ti td e v e l o p si sn o tas i n g l ep r o d u c t b u t e x t e n s i v e l ya p p l i e dt e c h n o l o g y o n c et h i st e c h n o l o g yi sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y i tc a n b e u s e di ns i m i l a rp r o d u c t sd e s i g ns oa st of i n i s hp a r a m e t e rd e s i g no fas e r i e so fp r o d u c t sb y a d j u s t m e n t i ti n d i c a t e st h a tt a u c h i st e c h n o l o g i e sd e v e l o p m e n th a sf o u rc h a r a c t e r i s t i c s s u c ha sp r e c e d e n c e u n i v e r s a l i t y r e p r o d u c t i o na n de c o n o m y i tp r o v i d e sn e wm e t h o d o l o g y f o rf u n d a m e n t a lr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n t h ec o m p e t i t i o no fn m d e r np r o d u c ti st h ec o m p e t i t i o no fp r o d u c t sq u a l i t y d u r i n gt h e e a r l y19 8 0 s t a g u c h i sm e t h o d sh a v eb e e ni n t r o d u c e da n de x t e n s i v e l ya p p l i e di np r o c e s s d e s i g n a n du s e dv e r ys u c c e s s f u l l yi n o u rc o u n t r yi nd e s i g n i n gr e l i a b l e h i g hq u a l i t y p r o d u c t sa tl o w e s tc o s ti nm a n ya r e a s r e c e n t l y t a g u c h i sm e t h o dh a sb e e ne n r i c h e d i m p r o v e da n de n h a n c e d i t s r a n g eh a sb e e ne v o l v e df r o mp r o d u c td e v e l o p m e n tt o t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t f r o mo b j e c t i v e f u n c t i o nr e s e a r c ht of u n d a m e n t a lf u n c t i o n r e s e a r c h i ti ss u p p o s e dt h a tt h o s ew o r l d c l a s sc o m p a n i e sw i l lc a r r yo u tr o b u s te n g i n e e r i n g w i t ham a s so fi n v e s t m e n ti nt h e21t hc e n t u r y i no r d e rt oc a t c ht h eo p p o r t u n i t y a c h i e v et h e w o r l d c l a s sq u a l i t y s a v et i m e a n df i n a l l yc o m p e t es u c c e s s f u l l yi nt h eg l o b a lm a r k e t p l a c e i ti sv e r ye s s e n t i a lt h a tr o b u s te n g i n e e r i n gs h o u l db ep o p u l a r i z e di no u rc o u n t r y b a s e do n t h a tp u r p o s e t h i sp a p e re x p a t i a t e so ns y s t e m i cr e s e a r c ho fr o b u s te n g i n e e r i n g w h a tt h i s p a p e rp r e s e n t sw i l lb r i n ge n l i g h t e n m e n tf o ro u re n t e r p r i s e s a n d e n h a n c eo u rp r o d u c t q u a i l t y f i r s t t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h es u m m a r i z a t i o n c o n c e p t i o na n dp r o c e s so fr o b u s t e n g i n e e r i n g a n de m p h a s i z e dt h ed e f i n i t i o no f i d e a lf u n c t i o n a n ds u m m a r i z e ds e v e r a l f o r m so f i d e a lf u n c t i o n a n di n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o nt oe v e r yf i e l d i nc h a p t e ri t h e 摘爱 博i 学位论文 e x a c tr e l a t i o no ft a g u c h i ss i g n a l t o n o i s er a t i ot oh i sq u a l i t yl o s sf u n c t i o nw i t hd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e nd e r i v e da n dan e wm e t h o do fw e i g h i n gt h ep r e c i s i o no f m e a s u r e m e n th a sb e e nf o u n d u s i n g m a h a l a n o b i st a g u c h i s y s t e m m t s w i t h m u f f d i m e n t i o n s p r o c e e dt h i s t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e ds e v e r a lf u n d a m e n t a lf u n c t i o n sb yw a yo fc a s e a n dd i s c u s s e dt h ep r o b l e mo fm u l t i s i g n a la n dm u l t i r e s p o n s e a n dd i s c u s s e ds o m es p e c i a l c a s e ss u c ha sr o b u s td e s i g ni nt h ei n s t a n c eo f o f fa n do n s i g n a lf a c t o rc h a n g e sd u r i n gt h e c o u r s ea n ds oo n a l l0 1 1t h e s ea r et h ee x t e n s i o no fr o b u s td e s i g n w i t ht h es t u d yo ft h e r o b u s te n g i n e e r i n gd e e p l y t h ec a s eo ft h er o b u s te n g i n e e r i n gw i l lb ea p p l i e dt om o r e s p e c i a lf i e l d s a n dt h e n t h i sp a p e rh a sp r e s e n t sm yo w no p i n i o no ns o m eq u e s t i o n so fr o b u s td e s i g n w i t hd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c st h a ta r ew o r t h yo fd i s c u s s i o n f o re x a m p l e u n i f o r m i t yd e s i g n s u b s t i t u t e df o ro r t h o g o n a la r r a yi sa d o p t e dt or e d u c et h en u m b e ro ff u n c t i o ne v a l u a t i o n s i n o r d e rt og e tm o r ep r e c i s es o l u t i o n d u a lr e s p o n s es u r f a c ei si n t r o d u c e da n dt h u si tb r i n g s b e t t e re f f e c t s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a ts o m ec o m p r o m i s ea r em a d eb e t w e e n s i g n a lt on o i s er a t i oa n ds e n s i t i v i t yw h e nt h eo p t i m u mp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o ni ss e l e c t e d g r a p h i c a lm e t h o d sa r ea d o p t e d t h o s ea r ei m p r o v e m e n to ns o m ei m p e r f e c tp a r t so fr o b u s t d e s i g n i nt h ee n d t h ec o n p a r i s o nb e t w e e nt a g u c h i sr o b u s td e s i g na n do t h e rr o b u s td e s i g n s h a sb e e nm a d ea n dt h ef u r t h e rd e v o l o p m e n to f r o b u s td e s i g nh a s b e e ni n d i c a t e d t h em a i ni n n o v a t i o n si nt h i sp a p e rw e r ea sf o l l o w s f i r s t l y t h ee x a c tr e l a t i o no f t a g u c h i ss i g n a l t o n o i s er a t i ot oh i sq u a l i t yl o s sf u n c t i o nw i t hd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sh a s b e e nd e r i v e d s e c o n d l y an e wm e t h o do fw e i g h i n gt h ep r e c i s i o no fm e a s u r e m e n th a sb e e n f o u n du s i n gm a h a l a n o b i st a g u c h is y s t e m m t s w i t hm u t i d i m e n t i o n s t h i r d l y w h e n s i g n a lf a c t o rc h a n g e sd u r i n gt h ec o u r s e ak i n do fr o b u s td e s i g nu s i n gd i s p e r s e ds i m u l a t i o n h a sb e e nf o u n ds oa st oe x t e n dt h ea p p l i c a t i o no fr o b u s td e s i g n a f t e r w a r d s d u a lr e s p o n s e s u r f a c ea n dr e g r e s s i o na n a l y s i ss u b s t i t u t e df o rt a g u c h i sp a r a m e t e rd e s i g nh a v eb e e n a d o p t e di np a r a m e t e rd e s i g nw i t hd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a sar e s u l t i tc a nb r i n gb e t t e r e f f e c t se s p e c i a l l yi nt h e s i t u a t i o no fi n t e r a c t i o n i nt h ee n d i n t u i t i o n i s t i cg r a p h i c a lm e t h o d h a sb e e np u tf o r w a r dt oc h o o s et h eo p t i m u mc o n f i g u r a t i o n k e yw o r d s r o b u s td e s i g n t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i d e a lf u n c t i o n d y n a m i c a l p a r a m e t e rd e s i g n m u l t i s i g n a l m u l t i r e s p o n s e u n i f o r md e s i g n m u l t i r e s p o n s es u r f a c e s i g n a lt on o i s er a t i o s e n s i t i v i t y v 稳健性 世汁 瞄盘术开发中的心用 o 叫f 究 1 绪论 1 1 稳健性设计方法简介 自二十世纪7 0 年代以来 由于世界范围内高技术产业的兴起和社会生产力 的迅速发展 国际前场的竞争r 趋激烈 其竞争的焦点丌始由价格的竞争转向产 品质量的竞争 以生产阶段为主的质量控制丌始延伸到设计阶段 国际市场开益 激烈的竞争形势 使得人们越来越深刻地认识到 质量是产品的灵魂 设计阶段 是产品固有质量形成的关键阶段 在这种质量管理新形式的驰动下 同本 美国 等经济发达国家 r 始出现了许多新思维 新概念和新技术 稳健性设计即为其 中之 产品质量分为两种类型 第一种 顾客质量 即顾客需要的产品特性 第二 种 一r 程质量 即顺客不希望出现的产品问题p 顾客质量直接影响到市场大 小 它包括产品功能本身 特点 颜色和产品外观设计 顾客质量越好 市场占 有率越大 稳健性设计并不涉及顾客质量 另 方面 工程质量包括缺陷 失效 噪音 性能波动以及一些 1 i 希望出现的现象和污染 稳健性设计对占有更大的市 场份额尤为重要 顾客质量决定了市场大小 而工程质量决定了在这个市场中将 赢得更多市场份额 稳健性设计解决的就是这一类工程质量 稳健性设计 r o b u s td e s i g n 又称为健壮设计或鲁棒设计 它是一种工程优 化 主要用于产品或过程设计等领域 它是在试验设计 罔口方法基础上发展起 来的一种低成本 高稳定性 高再现性的关于产品和技术丌发及设计的方法体系 其含义是以最少的资源消耗通过产品设计和 发使得产品或者技术对十外界蚪 境变化 零部件 元器件 制造公差和时间因素造成的外干扰 内干扰及物品问 f 二扰1 1 勺影响 具有擞强的抵抗能力 从而使得产品具有高度稳定的性能 使丌发 的技术在大规模生产和各种不同使用条件下具有高度再现性 以达到稳定地 长 期地满足顾客需求的目的 稳健性设计是 种科学的 高效率 高效益的工程优化设计方法体系 是保 证产品质量及技术研制丌发的关键环节 是质量工程的核心技术 当前 作为质量j 1 程重要内容的稳健性设计在美国已经成为一种时尚的口号 r o b u s t 已经成为产品质量可靠 可以信赖和值得购买的标志 稳健性设计已 经在同本 美国及许多技术先进幽家得到f 泛应用与推7 而稳健性设计中用到 的主要技术正是本文将要着重介绍的m 口方法 绪论 1 2 田口式的稳健性设计的主要内容及其发展 罔口方法 t a g u c h im e t h o d s 是当代f 1 本著名学者田口玄一博士于二十世纪 7 0 年代初期创立的质量工程新技术 它是一种最新颖 科学 有效的稳健性优 化设计方法 是稳健性设计的主要技术 与休哈特的质量控制方法相同 用口方法的着眼点也在于对质量波动的控制 但其基本理论 观点 方法和应用范围不同 吊口方法的基本思想是 将传统的产品设计 工艺设计程序改为按照系统设 计 参数设计 容著设计三次定量优化的程序 在三次设计中 以误差因素模拟 造成产品质量波动的各种干扰 以信噪比作为衡量产品质量稳定性的指标 通过 对试验数掘的统计分析 找出性能最稳定 可靠 成本最低廉的设计方案 以达 到最优的技术经济 j 合效果 阳口方法不仅可以应用于生产制造阶段 更主要地应用于工艺设计 产品设 计和技术丌发阶段 阳口方法的最大特点是将质量管理与经济效益联系在一起 运用数学方法 从 程观点 技术观点和经济观点对质量管理的理论和方法进行 综合研究 从而形成 套独具特色的 有效性 通用性 边缘性极强的质量设计 质量评价方法体系 阳口玄一博士本人将其称之为 质量工程学 美国将其誉为 嗣口方法 田口的理论和方法不仅受到r 本 同时也受到欧美各国应用统计学家 质量 管理学家和企业界人士的关注 并在工程实际中得到广泛应用 阳口方法在同本 电子 冶金 纺织 汽车等行业中的应用产生了巨大的经济效益 掘资料介绍 h 本数百个公司每 卜应用田口方法约完成十力项左右的实例研究 罔口方法被r 本人作为r 本产品打入国际市场畅销小衰的奥秘之一 是同本经济腾1 毛的秘诀和 同本的成功之道 用口方法于8 0 年代初期引入美国 首先在福特 f o r d 公司获得成功并引 起轰动 之后 在美国工业界得到越来越广泛的应用 施乐 i t t 波音等公司 应用阳口方法取得显著成效 美国国家航空航天局 n a s a 自1 9 9 4 年开始 计划用3 4 年的时间推行罔口方法 从对高级领导人进行培训 转变观念入手 首先在航天飞机燃料贮箱设计中使其得到应用 据调查 美国7 0 的工程技术 人员均了解f f l 口方法 而阡fn 方法中的质量损失函数已普遍被美国人所接受 阳l j 方法在加拿大 墨西哥 英国 法国等一些欧洲幽家也得到4 i 同程度的 推广和应用 用口方法于 9 8 0 年引入我国 并酋先在机械工业得到研究和应用 自1 9 8 5 年 兵器工q k 大力推广阳口方法 已敬得具有显著成效的案例近2 0 0 项 博i 学位论殳稳健件设计杓 拙术开发中的府用 j 删究 3 0 多年来 嗣 i 方法在不断充实 完善和提高 由静态特性的稳健性设计发 展到动念特性的稳健性设计 由稳健性产品丌发发展到稳健性技术丌发 由对目 标功能的研究发展到对基本功能的研究 出工艺或产品的单项稳健性开发发展到 工艺与产品并行稳健性丌发 研究的方法和技术手段也愈来愈具有哲理性 目前 对田口方法的普遍评论是其思想是杰出的 其合理之处主要体现在 第一 其出发点首先在于减少波动 其次 再考虑响应均值的调整 从而 动摇 了经典的方差齐性的假设 推动了方差不匀的研究 其次 他指出了利用可控因 子和噪声因子柬抑制波动 通过优选可控因子的水平组合 使波动和响应达到目 标值 第三 从工程的角度提出了一些新颖的概念 方法 如 对因子的划分 可 控 噪声 调节 信号 标示因子等 内外表的设计方式 通过外表模拟噪声 因子的变化柬估计内表各可控因子在各水平组合下的波动 再通过内表来优选可 控因子的水平 并提出了 两步走 的实施方案 先减少波动 在波动得到控制 的条件下 再设法减少均值的偏差 注重验证试验 罔口不追求 最优解 而是 满意解 若验证试验结果满足要求即可结束 总之 罔口的参数设计给出了一般框架 在具体的实现方式上 则大有商榷 和改进之处 比如 招致众多批评的信噪比 缺乏数学模型 内 外表的设计方 式导致较多的试验次数 内表不考虑可控因子间的交互作用 令众多统计学家和 工程师难以接受 外表模拟噪声因子的变化与噪声因子的实际变动并不相等 致 使波动的估计失真 进入九十年代以柬 随着欧美一些统计学家和质量学家对硐 口方法研究的深入 先后采用了一些新的方法对阳口方法进行改造 w e k h 等人 首先提出用计算试验 即损失函数实现田口目标 s h o e m a k e ra n dw u 提出响应 曲面法拟合哟应与可控因素 误差因素的关系 v i n i n g m y e r s l u c a s f 柏 增哿其 发展成以双响应曲面i 法 直接用一步优化求得问题的稳健性解答 而m y e r s k h u r i 等人进一步提出用多响应面法设计具有多个质量特性的试验 我国自从8 0 年代引入阳口方法并在兵器系统中进行推广应用以柬 专门设 立基会对其研究进行资助 我国的统计学者和质量工作者对阳口方法的推广应用 作了大量的工作 对罔口理论提出了一些改进意见 在试验安排上 韩之俊 韩茂祥1 2 7 1 1 9 9 0 提出了以均匀表代替证交表 并在一些案例应用上取得了成 功 张建方 1 9 9 5 对外表设计提出了不同的方法 侯小丽 茆诗松等人采用绝 对偏差法解决评价指标的平方损失问题 这些研究工作对用口方法的应用及理论 的发展都起到了极火的作用 近年来 随着我国加入w t o 逐步取消关税壁垒 与世界级公司同处竞争 激烈的国际舞台 无疑 谁设计周期来得短 设计效率来得高 谁就能迅速占领 市场 获得更大的经济效益 由产品丌发转向技术丌发是高科技时代企业生存和 绪论 博j 学位论史 发展的必由之路 i 前 只本 欧美等世界缴公司均已认识到在下游质量 使用 过程质量 上下助犬 只能起到事倍功半的效果 要获取效率最高的质量 技术 经济 措施是从源游 技术丌发 阶段入手 并以足够的投入开发出具有稳健性 的技术 近年来 稳健性技术丌发己在闩本 欧荚等先进国家推广应用 其技术 经济效益非常显著 预计2 l 世纪初 世界级公司的人力 物力将大幅度转向稳 健性技术丌发 图1 1 给出了2 0 2 1 世纪世界级公司人力物力分配图 人 物 分 卣 比 使 产晶开发流剧 州 质 图1 12 0 2 l 世纪世界级公司人力物力分配图 为使我国企业尽快获得世界级质量 并在市场竞争中取得主动地位 我们广 大质量工作者任重而道远 应尽快在企业中推广稳健性技术丌发 将丌发研究的 重心转向基本功能的稳健性改善和可调整性的提高方面 对产品设计和生产技术 的设计进行并行丌发 缩短设计周期 这样才能提高产品竞争力 使我们的产品 真正能走向世界 1 3 研究的主要内容及创新之处 为了对稳健性设计在技术丌发中的应用与研究有全面的了解 本论文主要做 了以下工作 第一章绪论主要介绍了稳健性设计方法的含义及采用稳健性设计方法的意 义 重点介绍了卜h 式的稳健性设计的主要内容和发展 分析了用口方法的主要 思想及其在国内外的研究发展情况 第二章主要探讨了罔 j 动态参数设计与静念参数设计的区别与联系 推导出 夕 生产制造i 艺设汁产晶设计产u m 计划技术开发 博l 学位论义稳健件砹 十 技术开发中的应用 州究 动态参数设计中s n 比与损失函数的关系 着莺分析了如何确定动态参数设计中 主动型动态特性场合下和被动型动态特性场合下的基本功能与理想功能 并且利 用多维空间的马罔系统对改进后的计测系统精度作出了新的评价 第三章是本论文的重点 以目前国际上最新的案例为出发点晓明了那几种典 型的理想功能的形 仍是实践中最常见的形式 并在此基础上进一步地研究了动 态参数设计中的多信号因素 多重响应问题 并研究了机械 化学以及电子领域 在工作状态和断丌状态下不同的理想功能表达形式 由此得到不同状念下的s n 比及灵敏度计算公式 其次采用模拟的稳健设计解决信号因素中途连续变化的问 题也得到了满意的结果 最后介绍了罔口式稳健设计的新发展一马阳系统 第四章对m 口的动态参数设计提出了一些建设性的改进 比如 用均匀试验 设计代替正交表安排试验 以减少试验次数 采用双重响应曲面法对灵敏度6 与波动分别加以拟合 代替罔口式的参数设计法 说明在交互作用明显 二阶作 用显著的情况下 它具有一定的优越性 采用图示的方法处理动念参数设计中的 关于可控因素最佳水平选取过程中所遇到的模棱两可的问题 第血章介绍了其他一些稳健性设计方法 并将其与阳口式的稳健性设计方法 加以比较 最后对本论文进行了总结 并对以后的研究重点和发展方向进行了简 要的叙述 本文主要创新之处在于在阳口式的动态参数设计的基础上进行了深入探讨 和研究 得出了许多关于动态参数设计的新观点和新方法 一 首次推导出田口动态特性s n 比与其损失函数之间的关系 二 利用马罔系统对计测系统的精度作出了新的评价 具有一定的创新性 三 在信号因素连续变化的情形 采用一种将其离散化的模拟的稳健性设计 方法 拓宽了稳健设计的应用范围 四 针对动态参数设计 用响应曲面法和回归分析代替用口式的参数设计 法 该方法在交互作用明显 二阶作用显著的情况下 较阳口方法有明 显的优越性 五 采用图示的方法解决了在选取可控因素最佳水平时常常遇到的模棱两 可 只好召s n 比与灵敏度之阳j 作出妥协的问题 具有一定的创新性 2 u 动态参数啦计 j 技术开发 礴l 学位论文 2 田口动态参数设计与技术开发 2 1 前言 6 近年来 阳口玄 博士提出了质量的改善应尽可能追溯到源游阶段 将动态 特性研究应用到技术丌发的新观点是稳健性技术丌发的新思路 用口方法认为 质量的改善应尽可能追溯到源游阶段 技术开发阶段 把考 虑问题的重点放在技术开发阶段是缩短产品研制周期 降低研制成本 获得高质 量 高可靠性产品的根本途径 其理出是 技术丌发阶段用以改善产品稳健性的 可控因素数目最多 而在中 下游阶段可控因素的数目逐渐减少 难以控制的噪 声因素数目逐渐增多 图2 1 只有在技术丌发阶段积极利用误差因素模拟f 游 阶段的干扰 充分考虑影响稳健性的可控因素来进行优化 爿能达到再现性最好 效率最高的丌发效果 禁蠹矗艺i i 喜第产品 发流柙 j i 设设制质 发 划 引i f 迅革 图2 1 可控因素和噪声因素的分向 阳口式的技术丌发与一般意义的技术丌发一样 它是在具体产品设计和工艺 设计之前的研究 它丌发的不是某一种产品或某一种工艺方法 而是具有广泛应 用价值的技术 是新一代产品 工艺 和更新一代产品 工艺 都能应用的技术 这种技术一旦丌发成功 在同类新产品和新工艺研制中 只需通过调整 便可完 成对产品规划确定的系列产品 或设计原理相同的产品 和工艺的参数设计任务 阳口式的技术丌发是对产品和工艺设计原理的深入探索和研究 因此 可以 说它是 般意义下技术丌发中的基础研究 用口式的技术丌发又可把技术基础研 究的成果转化为新的应用技术而带来重大的技术突破 因此 它又是技术丌发中 的应用研究 田口式的技术丌发为 般意义技术丌发增加了新的内涵 提供了新 稳健中 碰汁饥拙术开发中的j v 用rj 川究 的方法论 是通常意义卜基础研究 应用研究的扩展和延伸 技术丌发是产品j 1 发的先行步骤 它的研究对象 程序 方法与产品丌发既 有一定的相同之处 又有一定的区别 它们的相同点与区别见表2 1 2 2 表2 1 产品丌发与技术开发的相同点 序号项目 产品开发与技术开发 1 关系技术开发可提供新一代产i i l 艺 域更新一代产品 艺 皆能适h j 的技术 2 误筹冈素的处理积极利 l j 误筹冈素 在离散晟人的情况卜优选稳定冈素的 水平 3 选川止交表 z 2 l 8 2 37 23 3 4 交互作州处理试验时不安排 不研究交互作川 采取措施衰减交互作j j 表2 2 产品开发与技术丌发的区别 序号 比较 j 容产品开发技术开发 1 研究时间产品规划后产品规划前 2 研究对象确定的产品或确定的i 艺系列 同类 产品或通川 艺 3 特性选择静态特性或动态特性动态特性 4 功能选择产品功能基本功能 5质嚣目标目标值m 静态 理想功能 或理想功能 动态 6 计测特性质培特性 静态 输入 输山特性 或输入 输山特性 动态 7 试验场所 现场 试验室 8 试验对象具体产鼎 特蛛设计的试验什 9开发科序 系统殴计 参数设计 容筹设计系统设计 参数设计 l o 调糕含义凋整平均值趋向目标值m 戏调调整比例常数趋向特定的值或 整比例常数趋向特定的值对技术开发成果进行调整 1 1 总目标 稳健性 经济性先进性 通川性 再现性 经济 性 总而言之 稳健性技术开发具有先行性 通用性 再现性和经济性四个特点 将大大缩短产品的丌发时i 训 降低开发成本 由产品开发转向技术丌发是二十一 世纪大势所趋 是企业立足于市场的根本 2 l i 力态参数璇讨 j 技术开发博j 学位论殳 2 2 田口动态参数设计 2 2 1 动态特性 由表2 2 可以看出 用口式的技术开发主要针对动念特性进行系统设计和参 数设计 尤其以参数设计更为重要 所谓动念特性就是指按既定的意志或目标 通过改变一定的条件与信号因素 的水平 从而改变输入值 希望系统的输出特性随着输入信号的变化而相应地变 化 且波动越小越好的质量特性 系统的动态特性可以用图2 2 所示的框图直观 地表示 意志 目标 卜 叫信号卜叫系统 产品 卜叫输出特性 动态特性 i l jl j l j l 一 图2 2 动念特性示意图 在许多实际问题中 系统的输出特性常表现为动念特性 例如 计测仪器的 计测特性就是动态特性 此时 被测对象的真值是信号因素 仪器的测试结果是 动念特性 所谓计测性能好 是指对在测试范围内的不同被测对象 测量误差要 小 行走机械的操纵性能亦是动态特性 例如 当我们考虑汽车的转向性能时 方向盘的转向角是信号因素 汽车的实际转弯半径是动态特性 所谓转向性能好 是指转弯半径随方向盘的转向角度变化而相应变化 且波动要小 除此以外 染 料的染色性能 余属材料的压延性能 车床的切削性能等均属动态特性 2 2 2 动态特性的分类 从不同的角度可将动念特性划分为不同的类型 1 按输入信号的性质划分 按输入信号的性质划分 可将动态特性划分为主动型动态特性和被动型动态 特性 如果信号来源于根据人的意志所进行的调整 如汽车方向盘的调整 染色 浓度的调整等 则称为主动型动态特性 如果信号来源于客观存在的信息 如测 量仪器的被计测对琢 传感器被传的信息 接收机接收的信号等 则称为被动型 动态特性 主动型动态特性和被动型动态特性的比较见表2 3 稳健悍设计九技术开发中的 用 u l 究 表2 3 主动型与被动型动态特性比较 类刑t 动型 被动刑 比较面i 亩 应 l i j调整系统计测系统复制系统 输入调整冈素被计测刘象各种信息 尺寸 形状 图像筲 输出调整值 计测值 同输入 可控冈素调整系统参数 计测系统参数 复制系统参数 质草要求可校止性 稳定性 再 可校止性 复制性 现性 稳定性 在前面所列举的动态特性实例中 行走机械的操纵性能 染料的染色性能 会属材料的压延性能等均属主动型动念特性 计测仪器的计测性能是被动型动态 特性 2 按输入与输出的取值方式划分 按输入与输出的取值情况 可将动态特性分成以下几种类型 见表2 4 表2 4 动态特性类型 类型输入输出 i计量值计量值 2计量值 计数值 3计数值 计量值 4计数值计数值 例如 行走机械的操纵性能 计测仪器的测试性能属于类型l 温度控制丌 关 输入为温度 魁计量值 输出为0 关 和1 丌 是计数值 属于类型2 在图像传输系统中 将照片分成许多小网格 每个网格的黑白浓度分为3 2 个等级 这3 2 个状态用五位一进制数发送 发送系统将计量值 黑白浓度 变为计数值 五 位二进制数 属于类型2 而接收系统恰恰相反 将计数值 五位二进制数 变 为计量值 黑白浓度 属于类型3 在数字通信系统中 输入的是0 l 信号 输出的办是0 l 信号 属于类型4 2 2 3 动态特性的功能目标与功能波动 1 基本功能 基本功能是指某种技术 某类产品 某类工艺 或某种产品的能量转换功能 它反映的是该种技术或产品输入与输出之问的转换关系 2 川u 功态参数i 5 2 1 1 j 拙水开发博i 学位论义 如电阻的基本j 能是将电压转换为电流 弹簧的基本功能是实现力与位移的 转换关系 又如 对数控机床而言 无论是对被加工产品的尺寸要求 还是划形 状 位置的要求 其质量的好坏皆取决于加工设备的精度 数控机床的基本功能 是尺寸与尺寸的转换关系 各项技术都有j e 特定的基本功能 在动态特性问题中 能否准确地找出基本 功能是解决质量问题成败的关键 基本功能的确定属技术范畴问题 2 理想功能 动态特性的功能目标 如果