1、1,第二章 面向质量的设计,2,内容安排,Part 1 田口质量理论体系概述 Part 2 质量功能配置 Part 3 参数设计 Part 4 容差设计 Part 5 可信性设计 讨论思考题,3,Part 1 田口质量理论体系概述,一、田口质量体系结构 二、田口质量观 三、质量损失函数 四、三次设计,4,一、田口质量体系结构,图,2.1,田口,质量,理论体系,5,二、田口质量观,产品上市后给社会造成的损失，但由于产品功能本身产生的损失除外,6,三、质量损失函数,设产品输出特性的值为y，其目标值为m，则定义质量损失函数为L(y)L(y)=k(y-m)2其中，k比例常数，可以根据已知条件定量求出,
2、图,2.2,质量,损失函数,7,四、三次设计,系统设计（第一次设计） 参数设计（第二次设计） 容差设计（第三次设计）,8,Part 2 质量功能配置,一、质量功能配置概述 二、质量功能配置的原理和方法 三、质量功能配置的应用,9,一、质量功能配置概述,质量功能配置的定义 质量功能配置的来源 质量功能配置的作用 为什么质量功能配置能取得好的效果？,10,质量功能配置的定义,质量功能配置QFD（Quality Function Deployment） 用一定方法保证将来自顾客或市场的需求准确无误地转移到产品寿命循环每个阶段的有关技术和措施中去,11,二、质量功能配置的原理和方法,QFD的基本原理
3、QFD的基本工具 质量屋 关系矩阵 QFD的基本方法,12,质量屋,图,2.6,质量,屋,13,质量屋中各区域内容,是对顾客需求和权重的描述，是质量屋的“什么” 是对产品的工程技术特性描述，是质量屋的“如何” 是顾客需求和工程技术特性之间的关系矩阵，描述了它们之间的相互关系 是产品的竞争性评估，从顾客的角度评估产品质量在市场上的竞争力 是技术特性之间的相互关系矩阵 是技术竞争性评估、技术特性重要度和目标值，用来确定应优化配置的项目和重点保证的质量特性,14,关系矩阵,图,2.7,关系矩阵,15,QFD的基本方法（案例1）,例2.1 应用质量功能配置进行汽车车门的设计。,16,问题分析与需求分解
4、,表,2.2,汽车车门顾客需求特性分解,一,二,三,1.,开启关闭特性,1.,易于从外部关闭,2.,从斜坡上可保持开门状态,3.,易于从外部开启,4.,不反弹,5.,易于从内部关闭,6.,易于从内部开启,2.,密封性,1.,不漏雨,2.,无（或低）公路噪声,3.,洗车时不渗水,4.,无风声,5.,开门时不滴水和雪,6.,无“咯咯”,操作性能良好,3.,扶手,1.,柔软舒适,2.,在右面位置,17,顾客需求特性的相对重要性及顾客的评价,表,2.3,顾客需求特性相对重要性及顾客评价,顾客需求特性,顾客需求特性分解,重要性,顾客评价（意见）,车门易于开启关闭,易从外部关闭,在斜坡上可保持开门状态,7
5、,5,密封性,不漏雨,无公路噪声,3,2,我们的,车,对手,A,的车,对手,B,的车,18,建立顾客需求特性和工程技术特性之间的关系矩阵图,2.8,顾客需求特性和工程特性的关系矩阵,19,关系矩阵与屋顶矩阵,图,2.9,关系矩阵及屋顶矩阵图,20,客观测量值与竞争性评价,值,对手,B,的车,13,49,31,30,6,图,2.10,有竞争性评价的品质屋,扩展的质量屋,N,10,N,.m,54,N,45,N/m,0.1,9,dB,4.8,Bar,图,2.11,有竞争性评价的品质屋,22,QFD的基本方法（案例1）,设置目标值 本案例中 关门动力的新的目标值为：10N.m “减少公路噪声”和“车窗
6、隔音性”的技术指标不改变,23,三、质量功能配置的应用,质量功能配置的进一步展开 质量功能配置的典型应用 质量功能配置在其它方面的应用 质量功能配置用于策略规划,24,质量功能配置的进一步展开,产品规划阶段将顾客需求转换成产品设计需求； 零件设计阶段将产品设计要求转换成零件特性； 工艺设计阶段将零件特性转换成工序参数； 制造计划阶段将工序参数转换成零件或产品制造要求,25,Part 3 参数设计,一、参数设计的含义 二、质量波动及干扰因素 三、望目特性的参数设计 四、望小特性参数设计 五、望大特性的参数设计,26,一、参数设计的含义,参数设计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
7、系统在内、外因素作用下，所产生的质量波动最小，即质量最稳定（或最健壮）稳定性指产品在各种干扰因素作用下，其输出特性能稳定地保持在一个尽可能小的范围（波动很小）,27,二、质量波动及干扰因素,质量波动性的定义 即使在完全相同的生产条件下生产出来的产品，其质量特性也是参差不齐的，具有波动性 质量波动性的干扰因素分类 参数设计的内容,28,质量波动性的干扰因素分类,可控因素 标示因素 区组因素 信号因素 误差因素,29,三、望目特性的参数设计,望目特性的定义 望目特性的信噪比（SN比）公式 可计算场合参数设计 不可计算场合参数设计,30,望目特性的定义,望目特性 指产品的质量特性y服从正态分布N(,
8、2)，且存在固定的目标值m，此时的y即为望目特性,31,望目特性的信噪比（SN比）公式,设由n件样品测得望目特性y的数据为y1，y2，yn， 根据数理统计知识,32,望目特性的信噪比（SN比）公式,令 则有 定义信噪比借用通信理论，得到,33,可计算场合参数设计,可计算场合参数设计 指输出目标值与设计参数值之间有确定的函数关系条件下的参数设计,34,可计算场合参数设计（案例3）,例2.3 根据需要，设计种驱动器，专业人员经过分析，决定采用机械驱动方式。设驱动器的设计输出为： 其中，F为无量纲驱动力，K=/2为常数，J=1.16为常数，A、B、C、D、E、I、G、H为部件参数 无量纲驱动力F是望
9、目特性，其目标值为m=F0=4.5 要求选择A、B、C、D、E、I、G、H等参数，使系统在参数有波动（误差）的条件下，能稳定地达到输出特性F的要求,35,可计算场合参数设计步骤,区分可控因素及误差因素 确定可控因素水平 内设计 确定误差因素水平 外设计 计算信噪比 内表的统计分析 确定最佳参数组合,36,确定可控因素水平,在本例中，工程设计人员所确定的第二水平为： A=650，B=20，C=2，D=8，E=0.7，G=1.31，I=0.57 按等差数列来确定第一、三水平，得到可控因素水平表（如表2.4所示）,37,内设计,此例中可控因素比较多，利用正交表L36（313）安排试验方案。其中，L表
10、示正交表，36表示有36个试验方案，3表示每个参数有三个水平，13表示正交表有13列 表头设计如下，空列作为误差列,38,做内设计的内表（节选）,39,确定误差因素水平,本例中误差因素取三个水平，AG的第二水平值由内表中No.3方案给出，H由设计人员给出（给定值1.5）。第一、三水平由10%波动计算得出。 第一水平=中心值- 中心值l0%=0.9中心值 第二水平=中心值 第三水平=中心值+中心值l0%=1.1中心值,40,确定误差因素水平,对应于内表第三号试验方案的水平值见表2.6，对应于内表其它各次试验的误差因素水平表依此类推 由于内设计中共有n=36个方案，所以有36张误差因素水平表,表,
11、2.6,内表中,No.,3,方案的误差因素水平表,因素,第一水平,第二水平,第三水平,A,B,C,D,E,I,G,H,630,27,2.7,10.8,0.9,0.60,1.57,1.35,700,30,3,12,1,0.67,1.74,1.5,770,33,3.3,13.2,1.1,0.74,1.91,1.65,41,外设计,本例中，我们选用L36（313）正交表进行外设计。不失一般性，我们把A、B、C、D、E、I、G、H八个误差因素依次排列在正交表L36（313）中的第一列至第八列上，其余为空列 以内表中No.3 的条件为例，根据表2.6，得到相应的外表如表2.7所示。按相应的外表，可计算出
12、36个特征值（驱动力F），将计量值减目标值m（m=4.5），得到偏差值y，即y=F-4.5，这些y值填人表2.7中,42,外表及偏差值（节选）,43,计算信噪比,对于内表中的每个试验方案，均可以设计出相应的外表，并由输出特性计算式求得36个驱动力，求出相应的36个y1，y2，y36 然后再由这36个偏差值求出一个信噪比 求出内表对应的所有外表的信噪比，结果添入“内表及信噪比数据表”中，见表2.5,44,内表的统计分析,首先计算出每个因素（AG共七个因素）各水平（三个水平）下的合计值（即各列中与各个水平相应的值之和）及平均值结果见表2.8（方差分析辅助表）,45,方差分析辅助表,表,2.8,方差
13、分析辅助表,因素,水平,1,A,B,C,D,E,I,G,75.381,77.834,79.903,85.037,73.355,74.725,75.374,78.517,79.227,83.471,74.184,75.463,73.636,80.493,78.988,77.359,77.442,78.317,75.381,80.728,77.009,6.282,6.449,6.659,7.086,6.11,3,6.227,6.281,6.543,6.602,6.956,6.182,6.289,6.136,6.705,6.582,6.447,6.454,6.526,6.282,6.727,6.41
14、7,46,内表的统计分析,然后计算各种波动平方和与自由度 总波动ST为各方案所对应信噪比与平均信噪比之差的平方和，其自由度fT为各因素中能独立变化因素的个数 Si为i因素取不同水平所引起的波动平方和，其自由度fi为能独立变化因素的个数,47,内表的统计分析,各种因素的波动Si（i=1，2，7）为： 可控因素A的波动S1为：仿此可算得：SB=6.7934，fB =2，SC =0.6973，fC =2，SD =4.2234，fD = 2，SE =2.1646，fE =2，SI =0.04697，fI=2，SG =1.2521，fG =2,48,内表的统计分析,最后，用分解公式计算误差波动平方和Se
15、及自由度fe 。Se为由误差引起的波动平方和，其值为总波动的平方和减去各因素不同水平所引起的波动平方和，其自由度fe为误差项自由度,49,内表的统计分析,然后，将上述结果整理为方差分析表（见表2.9）其中Vi为平均平方或方差，Fi为i因素的F检验值，当F值大于时，称i因素高度显著，标示“*”；当F值大于时，称i因素显著，标示“*”。否则因素i影响不显著。 从方差分析表2.9可以看出因素B和D高度显著，因素E显著，因素A、C、I、G不显著,50,方差分析表,表,2.9,参数设计内表的方差分析,，,来源,S,f,V,F,A,B,C,D,E,I,G,e,（,）,T,0.8539,6.7934,0.6
16、973,4.2234,2.1646,0.0470,1.2521,5.23051,6.8287,21.262,2,2,2,2,2,2,2,21,（,27,）,35,0.4270,3.3967,0.3487,2.1117,1.082,3,0.0235,0.62605,0.2491,（,0.2529,）,13.43*,8.35*,4.28*,2.475,51,确定最佳参数组合,本例中，由“观察”法：得到参数组合：A2，B2，C2，D2，E2，I2，G2，对应信噪比为max=9.134dB，即八号方案 “计算”法：A、C、I、G因素不显著，其水平可自由选取；显著因素和高度显著因素B、D和E的水平由来选
17、取 由求（稳健性）参数组合 得到满足稳健性的一组参数AB1CD1E2IG 取不显著因素水平为A2C3I3G3，相应的无量纲驱动力为,52,确定最佳参数组合,再由不显著因素求（一致性）参数组合 据专业知识，驱动力F与因素G成线性关系，且对信噪比影响不大，因此G可作为调整因素。其调整值为 得到满足“稳健性”和“一致性”的参数组合，即最佳条件为A=650，B=10，C=3，D=4，E=0.7，G=2.59，I=0.67 在一般情况下，要进行灵敏度分析，找一个对信噪比影响不大而对灵敏度影响显著的因素作为调整因素，校正与目标值的偏差,53,不可计算场合参数设计,不可计算场合参数设计指输出目标值与所选参数
18、之间不能建立数学表达式时所进行的参数设计,54,不可计算场合参数设计,例2.4 根据产品发展规划，需研制一种飞行器。在研制任务书中，规定这种飞行器的作用半径为262（无量纲量）。工程技术人员已设计了飞行器试样，并进行了试验，发现作用半径达不到技术要求，拟采用综合误差因素法进行参数设计解：用半径这一质量特性作为望目特性，目标值m=26，容差=2,55,不可计算场合参数设计步骤,确定可控因素及其水平 内设计 确定误差因素及其水平 外设计 求输出特性 计算信噪比 内表的统计分析 显著因素效应图,56,四、望小特性参数设计,望小特性的定义 望小特性的信噪比 望小特性的参数设计方法,57,望小特性的定义
19、,望小特性 希望输出特性越小越好，波动越小越好，且不取负值的计量值特性 即当输出特性y服从正态分布N（，2）时，既希望越小越好，又希望2越小越好,58,望小特性的信噪比,定义望小特性的信噪比为越大，产品的输出特性就越小，其表现就越稳定 设y1，y2，yn为望小特性y的n个观测值由则,59,望小特性的参数设计,例2.5 设计一种新型液压泵，使阀头部位摩擦副的磨损尽可能小解：以磨损量y作为产品的输出特性，y为望小特性确定可控因素的水平表 内设计 计算信噪比 对内表进行方差分析 确定最佳参数组合并进行工程平均估计 最佳参数组合的质量水平及收益,60,确定可控因素的水平表,选取的可控因素有：摩擦副材料
20、A、负载B、表面粗糙度C、配合间隙D、摩擦副壳体材料E 各因素均取两水平，同时还要考察AB、AC两个交互作用，见表2.16,表,2.16,可控因素水平表,因素,水平,摩擦副材料,负载,表面粗糙度,配合间隙,摩擦副壳体材料,1,2,A,1,A,2,B,1,B,2,C,1,C,2,D,1,D,2,E,1,E,2,61,内设计,T,1,T,2,6.2,-,12.2,-,8.,4,2.4,-,8.8,2.8,-,3.9,-,2.1,-,1.7,-,4.3,-,5.9,-,0.1,-,3.1,-,2.9,T=,-,6,62,计算信噪比,各号试验计算的结果记入表2.17中 为计算、分析简便，将所有数据进行
21、如下变换=+20,63,对内表进行方差分析,首先计算总波动平方和、各因素波动平方和及自由度,64,方差分析,然后进行方差分析，并计算各因素的纯波动和贡献率（见表2.18）。其中，纯波动SA，SB，SD为Si-Ve，Se=Se+nVe（n为SA，SB，SD个数） 贡献率为因素i取不同水平时的波动对于总波动所占比例：在方差分析中，将方差小于1的项合并为 。经方差分析得出，因素A、B、D及交互作用AB均为显著因素,65,方差分析表,表,2.18,方差分析表,方差来源,波动平方和,S,自由度,f,方差,V,方差比,F,纯波动平方和,S,贡献率,（,%,）,A,B,A,B,C,A,C,D,E,（,）,4
22、2.32,14.58,16.82,0.40,0.84,4.21,0.01,（,1.25,）,1,1,1,1,1,1,1,（,3,）,42.32,14.58,16.82,4.,21,（,0.42,）,100.8*,34.7*,40.0*,10.0*,41.76,14.16,16.14,3.78,（,2.94,）,52.9,17.9,20.7,4.8,（,3.4,）,T,79.18,7,79.18,100,66,确定最佳参数组合,由于A、B、AB均为显著因素，因此作二元配置表（表2.19），选取A、B的最佳参数组合 由二元配置表可以看出，A1B2为因素A、B的最优水平搭配 由表2.17知，D的最优
23、水平为D2。最后得到最佳参数组合为A1B2C0D2E0,表,2.19 A,、,B,二元配置表,A,B,A,1,A,2,B,1,B,2,67,进行工程平均估计,在最佳参数组合条件下信噪比的工程平均估计值计算如下：,68,最佳参数组合的质量水平及收益,现制品条件下的信噪比数值为-24.10dB，改进设计后，信噪比增益为其真数增益为： 即在最佳参数组合的条件下，磨损量的波动均方值将比现制品缩小8.28倍,69,五、望大特性的参数设计,望大特性的定义 望大特性的信噪比公式 望大特性的参数设计,70,望大特性的定义,望大特性 希望输出特性越大越好，波动越小越好，且不取负值的计量值特性,71,望大特性的信
24、噪比公式,由望小特性的信噪比公式可知，望大特性的信噪比公式应为：,72,Part 4 容差设计,一、容差设计的含义 二、质量损失函数 三、容差的确定 四、容差设计的方法,73,一、容差设计的含义,容差设计（即公差设计） 在确定各零部件参数后，经济、合理地安排和决定系统有关参数的容差（公差）,74,二、质量损失函数,质量损失函数 定量表述“经济损失”与“功能波动”之间相互关系的函数望目特性的质量损失函数 望小特性的质量损失函数 望大特性质量损失函数,75,望目特性的质量损失函数,质量损失函数L(y)的计算公式 设产品（系统）的输出特性（质量特性）为y，目标值为m。若ym，则造成经济损失，且偏差越
25、大，损失也越大。当y=m时，损失最小（零损失） 令k= L(m)/2！ ，得到：,76,望目特性质量损失函数,质量损失函数L(y) 中k值的确定方法 根据功能界限0和相应的损失A0求k 而当|y-m|0时，产品将丧失功能，造成的经济损失为A0，得到： 根据容差和相应的损失A求k 当|y-m|时，产品为不合格品，相应的损失为A，由A=k2，故有 k=A/2,77,望小特性的质量损失函数,设y是望小特性，类似得到：L(y)=ky2 设规定的容差为，不合格时的损失为A，得k=A/2 ，得到望小特性质量损失函数（如图2.19）：对于n件产品，设其输出特性分别取值y l，y2，yn，则平均质量损失为 式
26、中，,78,望小特性质量损失函数,图,2.19,望小特性损失函数,79,望大特性的质量损失函数,设y是望大特性，类似得到：L(y)=k / y2 设规定的容差为，不合格时损失为A，得k=A2 ，得到望大特性质量损失函数（如图2.20）：对于n件产品，设其输出特性分别取值y l，y2，yn，则平均质量损失为,80,望大特性质量损失函数,图,2.20,望大特性损失函数,81,三、容差的确定,望目特性容差的确定 望小特性容差的确定 望大特性容差的确定,82,望目特性容差的确定,设产品的输出特性y为望目特性，容差为，当产品不合格时工厂要进行返修或作报废处理；造成的损失为A，产品的功能界限为0，丧失功能
27、时的损失为A0。那么质量损失函数为当|y-m|=时，L(y)=A，代人上式得： 若定义安全系数为： 则,83,望小特性容差的确定,当产品输出特性y为望小特性时，其质量损失函数为：若已知不合格损失为A，即y=时，L（y）=A，则： 或与望目特性的公式相同,84,望大特性容差的确定,望大特性的质量损失函数为 若已知不合格损失为A，即y=时，L（y）=A，则 所以,85,四、容差设计的方法,容差设计的概念 质量和成本之间的平衡容差设计的方法 对影响产品输出特性的诸因素进行考察，通过分析找出关键因素，逐个改变其精度，并计算损失函数，分析、权衡质量收益，从而确定使产品寿命周期成本最低的零、部件的容差,8
28、6,Part 5 可信性设计,一、可信性的定义 二、可靠性设计 三、维修性设计简介,87,一、可信性的定义,“描述可用性及其影响因素：可靠性、维修性和维修保障等性能的一个集合术语。” 可用性 可靠性 维修性 维修保障性,88,二、可靠性设计,可靠性和可靠性工程 可靠性设计的理论基础 与可靠性设计有关的几个基本概念 可靠性指标 失效率类型 产品失效规律 可靠性设计技术,89,可靠性和可靠性工程,可靠性工程作为可靠性学科的一个分支，包括：应用可靠性理论预测与评价产品零件的可靠性预测或可靠性评价应用于产品及零件设计中的可靠性设计综合各方面的因素，考虑设计最佳效果的可靠性分配和可靠性优化作为以上各分支
29、基础的可靠性实验及其数据处理,90,可靠性设计的理论基础,概率论与数理统计学 最典型的是正态模型 f(t)称为随机变量t的概率密度函数。它表示变量t发生概率的密集程度的变化规律。t在某点以前发生的概率为： F（t）称为随机变量t的分布函数，或称为累积分布函数。对于时间型随机变量而言，它反映了故障发生可能的大小,91,与可靠性设计有关的几个基本概念,互补定理 加法定理 乘法定理 数学期望 置信度,92,可靠性指标,可靠度 可靠度函数 失效率 期望寿命,93,可靠度,对象系统或零件 规定的工作条件对象所处的环境条件和维护条件规定的工作时间对象的工作期限 正常工作 概率 根据互补定理，系统从开始启动
30、运行至时间t时不出现失效的概率即可靠度为： R(t)=1-F(t),94,可靠度函数,如果概率密度函数为f（t），则它的可靠度函数为：,95,失效率,指产品工作到某个时刻尚未出现故障，在该时刻后单位时间内发生故障的概率失效率也是测定可靠性的一个基本标准，并且是个条件概率,常用失效函数（t）来表示，即：,96,期望寿命,期望寿命表示产品从投入运行到发生失效的平均无故障工作时间MTTFMTBF,97,失效率类型,递减型。失效率随时间的推移而减少 恒定型。故障的发生纯粹是随机的。失效率A（t）表现为一常数递增型。故障发生的可能性随时间的推移而逐渐增加,98,产品失效规律,长期的观察和试验，发现失效率
31、函数(t)具有如图2.23所示的曲线形式，通常称为浴盆曲线 可将失效规律分为三个阶段：早期失效期偶然失效期 损耗失效期,99,失效率曲线,图,2.23,失效率曲线,100,可靠性设计技术,可靠性目标的确定 可靠性分配和预测 冗余设计 故障模式与影响分析 提高可靠性的其它设计措施 提高产品可靠性的其它措施,101,可靠性分配和预测,可靠性分配和预测的含义 几种基本的可靠性系统结构 可靠性分配的原则 可靠性分配和预测的方法,102,故障模式与影响分析,明确被分析的产品及其工作条件 绘制可靠性框图确定各部分的故障模式及它们对产品可靠性的影响 对每一故障模式评价其可能的后果并确定级别对每一故障模式确定
32、检测方法和补救措施研究所采用的检测方法和补救措施对产品设计方案的影响，并修改设计,103,提高可靠性的其它设计措施,尽可能简化系统，系统越简单，其可靠性就越高 采用高可靠性的零部件 推行标准化 减额使用，即使零部件在更低的负荷下使用 优化结构设计 进行可靠性增长试验,104,提高产品可靠性的其它措施,制造方面 筛选零部件、进行工序质量控制，提高零部件的可靠性 模拟工作条件进行试运行早期发现故障 对特别重要的系统，在更恶劣的工作环境进行运行试验 使用方面 严格遵守操作规程，避免误操作 切实执行可靠性预防性维修计划 及时发现并迅速排除故障（“5个为什么”法） 可靠性管理方面 制定详尽的、可行的可靠
33、性计划并监督执行 明确规定可靠性管理的任务、组织机构、职责和权力 定期进行可靠性评审工作 建立产品可靠性保证体系,105,三、维修性设计简介,简化维修过程，降低维修频率 进行可达性设计 维修的安全性设计 提高维修效率设计 进行耐用性设计 防错设计 人机工程设计 采用故障自动检测和修复功能,106,讨论思考题,2.1 系统设计与质量功能配置、参数设计和容差设计的关系? 2.2 将质量m=1kg的物体进行抛掷，设抛掷水平距离y与作用力F、仰角和方向()间的关系式为 ，g=9.807m/s2。现设目标距离为100m，力的范围为120N，角度为540，试进行参数设计。误差因素的三水平：质量（kg）0.9，1，1.1；力（F）：-10%，0，+10%；角度（）-5，1，+ 5。 （1）用综合误差因素法求出稳定条件，再调整到目标值。 （2）做出显著因素的效应图,107,讨论思考题,2.3 某产品输出特性为抗拉强度，希望越大越好。今用正交表L9（34）安排试验，每号条件取两个样品，抗拉强度的测量值见下表，试确定最佳参数组合。,108,讨论思考题,2.4 加工一零件，其规格为（1005）mm，当超出规格时，即作为废品，此时的损失为60元。试求该零件尺寸的质量损失函数。 2.5何为可信性设计? 它包括哪些内容?,
