稳健设计原理与实践概览

说到稳健设计应该归属现在很热的质量工程吧,现在各大制造业都在讲六西格玛工程,一些IT高科技企业摩托罗拉,他们在校园摩托营就有专门的六西格玛工程,而且很多大公司的员工培训都要接受这个六西格玛的培训课程.可见质量工程在现在企业中的重要性.

所谓稳健英文讲robustness,就是大家在很多论文里可以看到的这个鲁棒性,简单来讲产品性能与某个因素有关,当该因素发生微小的变化时,产品的性能也要随之变化,如果这种变化很小,则认为该产品性能对该因素的变化是不敏感的,也就是稳健的,或者说产品性能对该因素的变化具有稳健性(robustness).实际上任何一种产品都有一些因素会影响其质量,对待这些因素呢当然有不同的态度,一种就是削减这种因素的影响,但这种方法实际操作上基本上不可能或者花费的代价太大了,第二种态度就是说尽量搞清因素和产品性能之间的关系,尽量减少这些因素的影响,使产品性能对这种因素的变化不十分的敏感.根据后者的思想呢,在这些年来就发展一种面向产品质量的提高性能的稳健性的新的工程方法就是稳健设计.

下面简单讲讲稳健设计的基本原理和方法.

若产品质量的好坏用质量特性值接近于目标值的程度来评定,则可以认为功能特性越接近目标值质量就越好,偏离目标值越远质量就越差,质量指标的期望值和方差就是评定质量好坏的重要指标,一般认为致力减少方差波动称为稳健设计和分析.稳健设计第一个目的就是要达到使产品质量特性的均值尽可能地达到目标

值,第二个目的就是要各种干扰因素引起的功能特性波动的方差尽可能的小.要达到稳健设计的第一个目的主要方法有:

1)通过产品的方案设计(概念设计),改变输入输出之间的关系,使其功能特性尽可能地接近目标值.

2)通过参数设计调整设计变量的名义尺寸,使输出均值达到目标值.(这个是计算机技术可以达到)

要达到稳健设计的第二个目的,主要方法有:

1)通过减少名义尺寸的方差,从而可以缩小输出特性的方差,但是这种方法以为着要大大提高产品的制造成本,而这却是制造商所不愿意的.

2)利用非显形效应,通过合理的选择参数在非线形曲线上的工作点或者中心值,可以使质量特性值的波动缩小.简单来讲,若某产品的输出特性值y与某一个参数x1的关系是非线形关系,为了减少x1变化对y的影响我们把x1调到了x2的位置,而质量特性值y对x2在其附近的变化不敏感,但是这种调整带来了另外一个问题就是输出特性值也发生了变动,为了抵消这种变化,我们可以找一个与输出特性成线形关系的参数z,只要把z从z1调到z2位置就很容易补偿这种偏移量.(这个可以通过实验设计,响应面模型方法得到输出特性和设计参数的近似关系)

在稳健设计里面很重要的方法就是实验设计和响应面方法,而这些方法的基础

就是数理统计方差分析,大家可以参考一些这方面的书,我这里就简单讲讲,不涉及到专业的数学问题.而且现在isight软件的质量工程就有很多种的实验设计方法和响应面模型方法,可以让我们工程设计人员摆脱烦琐的数学背景知识.