稳健性设计（课堂PPT）

1、1稳健性设计 Robust Design2什么是稳健性设计什么是稳健性设计稳健性设计几个基本概念稳健性设计几个基本概念稳健性设计三个阶段稳健性设计三个阶段 三次设计三次设计稳健性设计案例稳健性设计案例3什么是稳健性设计什么是稳健性设计 传统的设计思想传统的设计思想认为：只有质量最好的元器件（零部件）才能组装成质量最好的整机；只有最严格的工艺条件才能制造出质量最好的产品。总之，成本越高，产品的质量越好，可靠性越高。 自本世纪七十年代，世界上技术先进国家已开始以一种全新全新的设计概念的设计概念取代了传统的设计思想。这种新的设计概念认为：使用最昂贵的高等级、一致性最好的元器件并不一定能组装出稳健性最

2、好的整机，成本最高，并不一定质量最好。产品抗干扰能力的强弱主要取决于各种设计参数（因素）的搭配。设计参数搭配不同，输出性能的波动大小不同，平均值也不同。 稳健性设计起源稳健性设计起源4 稳健性设计是日本著名的质量管理专家田口玄一博士于70年代初创立的质量管理新技术。这是一种最新颖、科学、有效的稳健性优化设计方法。该理论和方法不仅受到日本同时也受到欧美各国应用统计学家、质量管理专家、工程设计专家和企业人士关注，并在工程实际中得到了广泛应用。 稳健性设计是田口玄一创立的质量工程观中的一个分支，由田口玄一发展而成，因此通常被人们称之为田口方法田口方法(Taguchi Method)。 田口方法是一种

3、低成本、高效益的质量工程方法，它强调产品质量的提高不是通过检验，而是通过设计。 5 稳健设计的目的在于，使所设计的产品质量稳定、波动小，使生产过程对各种噪声不敏感。在产品设计过程中，利用质量、成本、效益的函数关系，在低成本的条件下开发出高质量的产品。稳健设计认为，产品开发的效益可用企业内部效益和社会损失来衡量，企业内部效益体现在功能相同条件下的低成本，社会效益则以产品进入消费领域后给人民带来的影响作为衡量指标。假如，由于一个产品功能波动偏离了理想目标，给社会带来了损失，我们就认为它的稳健性设计不好，而田口式的稳健性设计恰能在降低成本、减少产品波动上发挥作用。 稳健性设计目的稳健性设计目的6 稳

4、健设计的基本思想是把产品的稳健性设计到产品和制造过程中，通过控制源头质量来抵御大量的下游生产或顾客使用中的噪声或不可控因素的干扰，这些因素包括环境湿度、材料老化、制造误差、零件间的波动等等。稳健设计不仅提倡充分利用廉价的元件来设计和制造出高品质的产品，而且使用先进的试验技术来降低设计试验费用，这也正是稳健设计对传统思想的革命性改变，为企业增加效益指出了一个新方向。 稳健性设计的功效在于帮助设计人员找到一组最佳的产品或工艺设计参数，使产品在最低廉的成本条件下（或最宽松的工艺条件下），达到输出性能最高地稳健性。 稳健性设计思想稳健性设计思想7几个基本概念几个基本概念稳健性稳健性 稳健性(robus

5、tness), 也叫鲁棒性，是指因素状况发生微小变差对因变量影响的不敏感性。换句话说，产品性能与某个因素有关，因素状态变化时，产品的性能也随之变化。如果因素状态的变化对产品性能的影响不大，我们就说产品性能对该因素的变化是不敏感的，又称是稳健性的，或说产品性能对该因素的变化具有稳健性。 如使产品性能对所用材质变差不灵敏，就能在一些情况下使用较低廉的或低等级的材料；使产品对制造尺寸变差不灵敏，可以提高产品的可制造性、降低制造费用；使产品对使用环境变化不灵敏，就能保证产品使用的可靠性和降低操作费用。8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

6、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。 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yyyy0y), 0(2Ny 越小越好29201yyy设计二 y2设计一设计一 y1哪个设计更好？10质量噪声（干扰）质量噪声（干扰）噪声因子噪声因子 引起质量特性值波动的原因，称为质量噪声，也叫噪声因子，是不能被设计者控制的因子。 外噪声 由于环境因素和使用条件的波动或变化，引起质量特性值的波动。例如，温度、湿度、位置等。 内噪声 由于在储存或使用过程中，随着时间的推移，发生材料变质、劣化

7、现象而引起质量特性值的波动。例如，电器产品绝缘材料的老化等。 产品间噪声 在相同生产条件下，生产制造出来的一批产品，由于人、机、料、法、环的变化，引起质量特性值的波动。11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。12质量损失函数质量损失函数 田口的质量观田口的质量观 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“质量损失质量损失”来对产品质量进行定量描述

8、。 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（如空气污染、噪声污染等）和间接损失（如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。 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。 13 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。 当产品特性值y与目标值m不相等时，就认为造成了质量损失。 2L yk ym（ ） （） 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

9、当y=m L（y）=0，14YmD0D0A0L (y)15平均损失函数平均损失函数E(L)=E (y - m)2=E (y E y) +(E y-m)2 =E (y E y)2+E (E y-m)2 = +22)(yE是y的均值，即产品的生产中心值。 m2)(yE是生产中心值与目标值的漂移量。是质量特性值的方差，反映产品间的差异。16降低平均损失的两个步骤降低平均损失的两个步骤减少变异减少变异：稳健设计，找出最稳健的因素水平搭配，即减小质量 特性值标准差。此时允许实验指标与目标值之间有一 定的差异。减小偏倚减小偏倚：灵敏度设计，寻找调节因素，通过调整调节因素的取 值，在不增加或尽量小地增加变异

10、程度的情况下，把 实验指标调整到目标值。17信躁比信躁比 信噪比是稳健性设计中用以度量产品质量特性的稳健性指标，是测量质量的一种尺度。 信噪比是信号量与噪音的比率，信噪比越大表示产品越稳健。 = S/N S是信号功率，N是噪声功率。 所谓信噪比（S/N）是用来描述抵抗内外干扰因素所引起的质量波动的能力，或叫产品的稳定性或稳健性。18望目特性信噪比望目特性信噪比 所谓望目特性是指存在一个固定目标，希望质量特性值围绕目标值波动，且波动越小越好。 稳健性设计阶段致力于减小 ，从相对误差角度考虑，希望 等价于 越大越好。2/22/ =22/19望小特性信噪比望小特性信噪比 所谓望小特性是希望质量特性越

11、小越好（理想值为零），且波动越小越好。相当于取目标值m=0，损失函数L (y)=y2，平均损失为E(y2)。 由于 因此此时平均损失函数要求特性指标平均值要 小，且波动程度 小。222)(yE2 =22120望大特性信噪比望大特性信噪比 所谓望大特性是希望质量特性越大越好（理想值为无穷大），且波动越小越好。则其倒数1/y则为望小质量特性，损失函数L (y)=1/y2，平均损失为E(1/y2)。21解决方案解决方案应用价值应用价值解决问题解决问题- -如何实现低成本、高质量的设计？如何实现低成本、高质量的设计？- -通过选择系统参数的最佳组合，尽量减小内外部和通过选择系统参数的最佳组合，尽量减小

12、内外部和产品间的干扰，使质量特性波动最小；产品间的干扰，使质量特性波动最小；- -选择低质量等级的元件，实现质量最好的整机；选择低质量等级的元件，实现质量最好的整机；- -根据各参数波动对产品质量特性贡献的大小，从经根据各参数波动对产品质量特性贡献的大小，从经济性角度确定最合理的容差大小。济性角度确定最合理的容差大小。- -把质量设计进产品里面去；把质量设计进产品里面去；- -量化分析并确定产品的最佳参数和合理容差；量化分析并确定产品的最佳参数和合理容差；- -用质量损失和经济性角度进行质量设计；用质量损失和经济性角度进行质量设计；- -实现低成本、高质量的设计效果。实现低成本、高质量的设计效

13、果。稳健性设计三个阶段稳健性设计三个阶段 22系统设计系统设计参数设计参数设计容差设计容差设计23容差设计参数设计系统设计系统设计含义含义：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。执行执行：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。24容差设计参数设计参数设计系统设计 基本思想和目的基本思想和目的 参数设计就是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

14、用下，所产生的质量波动最小，即质量最稳定（健壮）。 参数设计的目的是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。 实质实质 利用产品输出特性和元件参数之间的非线性效应，通过选择最佳参数值 ，使 y 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。25容差设计参数设计参数设计系统设计探求影响因素水平的最佳搭配。质量指标平均水平平均水平要达到设计的要求。质量指标变异性变异性要达到稳健性的要求。 首先按专业经验

15、给出关键参数的几个水平值，用正交表安 排实验方案，称为内表设计内表设计； 确定噪声因素及水平、安排噪声实验，外表设计外表设计； 用信噪比信噪比分析产品质量特性的稳健性。26容差设计参数设计参数设计系统设计27容差设计容差设计参数设计系统设计 选择系统各元件的最佳参数组合是参数设计的目的。参数设计后，应将元件自身的波动控制在一定的范围之内，这就是要进行容差设计的目的。 1. 首先要研究，按参数设计确定的最佳水平组合取值，若选用价格低廉的零部件或元器件（即它们本身质量等级较低，误差较大）时，系统质量特性值的波动有多大。28容差设计容差设计参数设计系统设计 2. 各误差因子的各水平均确定之后，即可将

16、误差因子分配给选定的正交表。在直接对这些数据进行方差分析后，即可判断哪些误差因子对质量特性值的影响大。 对于贡献大的误差因子，可选用质量等级高的优质元件，这样就能有效控制住质量特性值的波动，提高产品质量的稳定性了。 应结合经济性分析来确定元件的容许偏差。产品的功能受噪声影响会偏离目标值，随偏离的程度不同，将给用户带来程度不同的损失。29稳健性设计案例稳健性设计案例 设计一个电感电路，要求输出电流强度在10安培附近，且波动越小越好。此电路由电阻R(单位： )，电感线圈L(单位：H)组成。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)为 至此，完成了系统设计。

17、 222 fLRVy容差设计参数设计系统设计系统设计30容差设计参数设计参数设计系统设计制定可控因素水平表制定可控因素水平表初始数据表31利用正交表进行内设计利用正交表进行内设计容差设计参数设计参数设计系统设计内设计方案32容差设计参数设计参数设计系统设计制定误差因素水平表制定误差因素水平表误差因素水平表33容差设计参数设计参数设计系统设计34容差设计参数设计参数设计系统设计35容差设计参数设计参数设计系统设计进行外设计进行外设计正交表的外设计36容差设计参数设计参数设计系统设计获得质量特性值获得质量特性值第一号方案的外设计方案37容差设计参数设计参数设计系统设计设计方案质量特性表38容差设计

18、参数设计参数设计系统设计计算信噪比和灵敏度计算信噪比和灵敏度内表的统计分析内表的统计分析内表的统计分析结果表39容差设计参数设计参数设计系统设计40容差设计参数设计参数设计系统设计信噪比的方差分析信躁比的方差分析表灵敏度的方差分析灵敏度的方差分析表41容差设计参数设计参数设计系统设计因素分类表 由表可见，电阻R为稳定因素，它对信噪比比值具有显著影响，而电感L为调整因素，可以通过对因素L的调整，使最佳参数设计方案的期望值趋近目标值。42确定最佳参数设计方案容差设计参数设计参数设计系统设计 S/N分析：由S/N方差分析表可以看出，电阻R为高度显著因素，电感L为次要因素，且从内表统计分析结果表可见，R的最优水平为R3，L的最优水平为L1