现代设计方法之稳健性设计

e7d195523061f1c021b92b3d25e54ab5e788c0576048880950C3AFFA1066A7153250F1349197BA8C5246BA9D557EC0274B8DA272D2431748978789E76D2CD7D1F11E7447C1D163F5D9CA1CD35DC7B6F0026C6BB43698AE8A1A50A3B34DA472CDA8898A116D2621F720577CEB1EC5AE786B3A577EC3E762EF9351D5FE95BB5FD00056FCA016A5904C稳健性设计RobustDesign老李宇宙学院01020304什么是稳健性设计稳健性设计的几个基本概念稳健性设计的三个阶段稳健性设计案例e7d195523061f1c021b92b3d25e54ab5e788c0576048880950C3AFFA1066A7153250F1349197BA8C5246BA9D557EC0274B8DA272D2431748978789E76D2CD7D1F11E7447C1D163F5D9CA1CD35DC7B6F0026C6BB43698AE8A1A50A3B34DA472CDA8898A116D2621F720577CEB1EC5AE786B3A577EC3E762EF9351D5FE95BB5FD00056FCA016A5904CCONTENT什么是稳健性设计01e7d195523061f1c021b92b3d25e54ab5e788c0576048880950C3AFFA1066A7153250F1349197BA8C5246BA9D557EC0274B8DA272D2431748978789E76D2CD7D1F11E7447C1D163F5D9CA1CD35DC7B6F0026C6BB43698AE8A1A50A3B34DA472CDA8898A116D2621F720577CEB1EC5AE786B3A577EC3E762EF9351D5FE95BB5FD00056FCA016A5904C田口玄一稳健性设计起源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(Tagu-chiMethod)。田口方法是一种低成本、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。稳健性设计起源传统设计思想1稳健性设计概念2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。稳健性设计基本认识稳健性设计概念认为：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。稳健性设计目的3稳健性设计思想4稳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。稳健性设计基本认识稳健性设计的目的在于，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。稳健性设计的几个基本概念02e7d195523061f1c021b92b3d25e54ab5e788c0576048880950C3AFFA1066A7153250F1349197BA8C5246BA9D557EC0274B8DA272D2431748978789E76D2CD7D1F11E7447C1D163F5D9CA1CD35DC7B6F0026C6BB43698AE8A1A50A3B34DA472CDA8898A116D2621F720577CEB1EC5AE786B3A577EC3E762EF9351D5FE95BB5FD00056FCA016A5904C质量噪声质量损失函数质量的变异性信噪比几个基本概念质量噪声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。质量噪声（干扰）——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。123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质量的变异性那个设计更好？1.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”来对产品质量进行定量描述。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。质量损失函数

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。L(y)=k(y-m)²其中L（y）为质量损失函数，m—目标值K—比例常数y—产品输出特性当y=m时，L（y）=0。

质量损失函数质量损失函数2.平均损失函数μ=E(y)是y的均值，即产品的生产中心值。δ=m-μ是生产中心值与目标值的漂移量。E=(y-μ)²是质量特性值的方差，反映产品间的差异。高质量的产品应该使漂移量和标准差都小。E(L)=E(y-m)=E{[y-E(y)]+[E(y)-m]}=E[y-E(y)]+E[E(y)-m]=σ²+δ²信噪比望小特性信噪比所谓望小特性是希望质量特性越小越好（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E(y2)=μ²+σ²因此此时平均损失函数要求特性指标平均值μ小，且波动程度σ²小。

η=1/(μ²+σ²)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)。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σ²，从相对误差角度考虑，希望μ/σ等价于μ²/σ²越大越好。

η=μ²/σ²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。

η=S/N式中，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。稳健性设计的三个阶段03e7d195523061f1c021b92b3d25e54ab5e788c0576048880950C3AFFA1066A7153250F1349197BA8C5246BA9D557EC0274B8DA272D2431748978789E76D2CD7D1F11E7447C1D163F5D9CA1CD35DC7B6F0026C6BB43698AE8A1A50A3B34DA472CDA8898A116D2621F720577CEB1EC5AE786B3A577EC3E762EF9351D5FE95BB5FD00056FCA016A5904C解决问题

123解决方案应用价值

-如何实现低成本、高质量的设计？思考-通过选择系统参数的最佳组合，尽量减小内外部和产品间的干扰，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；-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。-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；-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。三个阶段系统设计对产品进行整个系统和整个结构的设计主要由专业技术人员完成参数设计决定系统中各参数的选择，使产品的性能既能达到目标值，又使它在各种条件下波动小容差设计要使产品性能接近目标值，元件的公差应是多少为宜核心基础经济化核心基础稳健性设计案例04e7d195523061f1c021b92b3d25e54ab5e788c0576048880950C3AFFA1066A7153250F1349197BA8C5246BA9D557EC0274B8DA272D2431748978789E76D2CD7D1F11E7447C1D163F5D9CA1CD35DC7B6F0026C6BB43698AE8A1A50A3B34DA472CDA8898A116D2621F720577CEB1EC5AE786B3A577EC3E762EF9351D5FE95BB5FD00056FCA016A5904C1.低噪声轮胎花纹节距参数的稳健性设计设计案例2.汽车刹车系统的稳健性设计3.汽车风扇离合器进行优化稳健性设计4.电感电路参数的稳健性设计5.汽车空气质量优化的稳健性设计6.汽车气缸内气压（待选参数）的稳健性设计7.固体火箭发动机优化的稳健性设计······e7d195523061f1c021b92b3d25e54ab5e788c05760488809