稳健性产品设计技术及其应用.docx

稳健性产品设计技术及其应用黄自兴,韩寿祖,邵丹雄(南京化学工业集团公司研究院,南京210048)摘要扼要介绍了稳健性设计的原理、实施步骤、特点和计算机软件,以及应用于十余种石化产品和感光材料质量改进的实例。实践表明,该技术是非常有效的,适用于各种工业,具有显著的经济效益和社会效益。主题词:稳健性设计;质量控制;应用1前言产品质量是关系企业存亡的重大问题。随着工业产品国际竞争的日益加剧,该问题已愈来愈受到各国政府及企业界的重视,尤其是日本,近10余年来开发了许多新技术,使工业产品的质量和生产率得到大幅度提高。其中,一个决定性的因素是采用了稳健性设计等重要技术。稳健性设计技术的应用,不仅提高了产品质量,而且使企业获得了可观的经济效益。例如,新日本电气公司应用稳健性设计技术后,仅彩电稳压电源一项,因质量改进,每年就可增加经济效益67亿日元。近年来,在日本、美国、加拿大等发达国家中,掀起了研究和应用稳健性设计技术的热潮,使该项技术得到不断发展。与世界发达国家相比,我国市场上出售的产品中,有许多产品的质量有待进一步提高,成本有待进一步降低。因此,大力推广稳健性设计技术,对于提高我国产品的质量,包括石化产品的质量及市场竞争力,加速现代化建设,具有重要的现实意义。2稳健性设计方法产品质量的形成有两个重要环节:开发设计和生产制造。粗略地说,产品质量是产品开发设计质量与产品制造质量的总和。要提高产品质量,必须抓好开发设计和生产制造这两个重要环节。据统计,在产品的全部质量问题中,约有50%～70%是由于产品开发设计不良所造成的,可见提高产品的开发设计质量更为重要。2.1基本原理稳健性设计是一种在低成本情况下使产品达到高质量的重要新技术。它充分利用系统的非线性性质,通过合适地选择可控因素的位级组合,使产品性能对各种干扰1(内干扰、外干扰、物品间干扰)最不敏感,从而达到提高产品质量和降低成本的目的。2.2实施步骤[2]稳健性设计的实施步骤见图1。2.2.1系统分析首先在深入研究的基础上,对系统作合理的简化。然后通过分析确定具体的研究对象、产品改进的目标及反映这些目标的质量特性,列出影响因素及其位级,将因素分为可控因素和误差因素两大类。可控因素系研究者可严格控制的因素,误差因素则为研究者难于控制或需花费较大代价才能控制的因素。后者是实际存在的各种干扰。2.2.2实验的规划[3]及运行稳健性实验设计与传统实验设计的区别在于,不仅考察因子响应的平均效应,而且考察其离散效应。因此,典型的稳健性设计包括内表和外表。内表安排可控因素,用于考察平均性能的变化;外表安排误差因素,模拟各种干扰,用于考察产品质量的稳健性。内表可采用正交设计、部分析因设计4、折迭设计5等;外表可采用正交设计、部分析因设计、均匀设计、综合误差因素法等。为了加速实验进程,减少人力和物力的消耗,应在尽可能少的实验次数下获取尽可能多的信息,这就要求对实验科学地进行规划。收稿日期:1999205211。作者简介:黄自兴,1963年毕业于上海同济大学硅酸盐专业,教授级高级工程师。现从事计算机化工应用研究工作。第5期黄自兴等.稳健性产品设计技术及其应用29在运行实验时,要求采用随机化、重复实验和划分区组等技术,以减少实验误差。近年来,国际上研究出一种响应模型法6。它将可控因素和误差因素安排在同一张表中,即变内外表为组合表,这可大大减少实验次数。但存在一个缺点:当模型不适定时,难以得到优选可控因素位级组合的信息。表1稳健性设计的内、外表设计①内表外表误差因素序○○○○IJK-++-+--+可控因素号ABCDEL123-+---+---++--++3333333333333333333333334++---5--+-+6+-+--7-+++-8+++++①“3”某可控因素与误差因素组合下产品某质量特性的观测值;“+”因素的高位级,“○”因素的中间位级,“-”因素的低位级。2.2.3实验数据分析稳健性设计的应用对象可概括为两大类,一类为可计算系统,另一类为不可计算系统。前者的质量特性可利用精确的数学模型进行计算;后者的质量特性无法利用数学模型进行计算,而必须通过实验测得。化工系统基本上属于不可计算系统,因此在进行稳健性设计时均需完成一定数目的实验。实验完成后,借助与产品性能直接相关的量(性能准则)对数据进行分析。图1稳健性设计的实施步骤①当所研究系统为可计算系统时,此步骤为利用公式计算质量特性值日本推荐采用三张正交表L12(211)、L18(21×37)和L36(23×313)。在这三张表中,交互作用已被均匀分布在各列中,故可忽略交互作用的影响。美国习惯采用部分析因设计,这类设计借助因子混杂技术,使主效应与一些实际不存在的交互效应相混淆,从而使实验次数大大减少。折迭设计在稳健性设计中亦常被采用,其实验次数少