1、.,主講：施榮偉,田口方法實戰(zhàn)訓練,施榮偉2011-05,三星六西格瑪系列培訓,.,田口方法與健壯設計,二戰(zhàn)之后，日本的田口玄一博士，將試驗設計方法應用于改進產品和系統質量，并研究開發(fā)出“田口品質工程方法”，簡稱田口方法。從而提升了日本產品品質及日本產業(yè)界的研發(fā)設計能力，成為日本戰(zhàn)后質量管理及設計開發(fā)的核心工具。田口方法具有很強的抗干擾能力，因此又稱為“穩(wěn)健參數設計”通過調整可控因子的水平,來降低或弱化噪音對Y的影響,從而提高設計方案的抗干擾能力.1962年田口博士獲得戴明個人獎。,.,田口的質量哲學,定義：“質量是產品出廠后給社會帶來的損失”。品質不是檢驗出來的，品質必須設計到產品中去；品質

2、的目標是：“最小化與目標值的偏差，且能免于噪音的影響”；品質成本應當用與標準值偏移的函數關系來衡量這就是著名的“質量損失函數模型”。,.,品質損失函數模型,設質量特性為y，目標值為m，質量損失函為L（y）：,當產品性能恰好為趨近目標時，質量損失最??；產品性能偏離目標值越遠，質量損失越大。,.,田口關于參數分類,對于一個產品或者制程，我們可以用參數圖來表示。如圖2-3所示，其中y表示此過程輸出的產品或制程的品質特性（響應值）。影響y的參數可分為可控因子、噪音因子和信號因子三類。,.,可控因子與噪音,可控因子：可控因子是工程師能夠控制和調整的因素及過程參數，如反應溫度、時間、壓力、材料種類等等/噪

3、音：有許多參數非為設計工程師所能控制的因子，即隨機誤差，田口稱其為噪音，田口博士將噪音歸納為外部噪音、內部噪音和零件間變異三類。,噪音,外部噪音,內部噪音,零件間變異,.,噪音分類1：外部噪音,外部噪音由于環(huán)境因素與使用條件的變化或變異，如溫度、濕度、位置、粉塵、電壓、電磁干擾、震動以及操作者人為錯誤等。,.,噪音分類2：內部噪音,內部噪音產品在庫存和使用過程中，產品本身的零件、材料會隨著時間的推移發(fā)生質量變化。例如：絕緣材料的老化零件在使用過程中的磨損、蠕變等,.,噪音分類3：零件間的變異,零件間的變異由于構成產品的材料、零件存在變異，制程中由于操作、設備、工藝參數的變化以及環(huán)境因素的變化形

4、成的變異，會造成零件間的變異。,對于噪音的識別分類，還可以有更多的分類，只要有益于改進，就應該做深入地分析！,.,噪音分析的意義,產品性能指標除了受可控因子的影響外，還受到噪音的影響。但傳統的試驗設計對誤差的分析比較籠統，全部歸為隨機誤差（實驗誤差）。但是在穩(wěn)健設計中，為了達到產品或過程的穩(wěn)定性，必須仔細的分析這些誤差是如何形成的。首先要識別噪音的具體狀況，進行仔細的分析并加以描述，進而在設法在試驗中反映這些變差，才能通過穩(wěn)健設計的策略實現“抗干擾”的目的。,.,正交表和信噪比是田口方法的重要基礎及工具。正交表建立試驗計劃的基礎信噪比評價品質優(yōu)劣的基礎,正交表與信噪比,.,正交表,什么是正交表

5、？正交表是一種規(guī)格化的表格，也是試驗計劃，從一般意義講，只要掌握正交表的運用方法就可達到DOE目的。正交表的表達方式：,.,L9（3）正交表(樣式),4,.,正交表的正交性質,1.每一列都是自我平衡的：在任意一列中，因子各水平出現次數相同；2.每兩列都是平衡的：任兩列中，某一水平的試驗組出現的頻率都是相同的。這兩個性質稱正交性，導致對試驗結果有“均衡分散，整齊可比”的特點，有利于計算回歸方程。因此，雖然是局部試驗，但仍有可靠的代表性。,.,正交表的優(yōu)勢,試驗次數少L9(34)的全部組合=81次（3*3*3*3）正交表獲得的結論,在整個試驗范圍都成立;具有良好的再現性；資料分析簡單.,.,田口乘

6、積表,田口方法建立實驗計劃也是使用正交表,所不同的是,使用內表+外表乘積表將可控因子安排在內表(控制表）將噪音因子安排在外表(噪音表)同時考慮可控因子及噪音對響應的影響,是田口方法的特點.田口方法的優(yōu)勢:通過調整可控因子的水平,來降低或弱化噪音對Y的影響,從而提高設計方案的抗干擾能力.,.,田口正交表樣式,實驗次數成倍數增加:9*8=72次,噪音表,控制表,試驗觀察值,.,設置噪音的簡化方法,正確識別和確定噪音及其水平，是成功實現穩(wěn)健設計的基礎。綜合誤差法：選擇少數幾個點，如3-4個最不利誤差法：選定2個端點正偏，正負,.,田口正交表樣式(簡化),實驗次數:9*2=18次,.,信噪比(S/N)

7、,田口博士創(chuàng)造性提出了信噪比的概念，以S/N比作為分析改善對象和評價方案的核心指標。S/N比的特點：綜合反映關于響應位置和離散度兩個特性的信息，從而達到獲得最理想的品質效果。這也正是穩(wěn)健設計的核心機理。雖然缺少統計理論支持，但實踐證明它是最優(yōu)良的方法。,.,在通訊工程里，常以電訊的輸出“信號”與“噪音”之比作為品質指標，以此值越大表示通訊品質越好。S/N比的原始定義是指信號噪音比，可用以下公式表示：S/N=信號/噪音該比值越達，表明品質越好。單位以分貝（db）表示。,S/N之來源,.,S/N理論表達式,設實際測量值y與目標值m之偏差為y1、y2、，yn，則有:總誤差：ST=平均誤差：Sm=誤差

8、方差：Ve=信噪比：S/N=10log（3-0）,.,S/N應用公式,望目：S/N=10log（y2/s2）（3-1）望大：S/N=10log（3-2）望?。篠/N=-10log（3-3）,S/N以10倍的對數來表示,.,田口設計選優(yōu)準則,田口博士將S/N做為實驗設計的優(yōu)選評價標準:,S/N比極大化,無論特性是什么情形-望小/望大/望目SN值越大則品質越好!,.,靜態(tài)設計與動態(tài)設計,信號因子：是指產品使用人設定的參數，是動態(tài)特性中輸出變量的因素。舉例說，一臺電扇的轉速，是使用人期望風量的信號因子；在一個測量系統中，零件真值是信號因子，其測量值是響應變量。靜態(tài)設計：在一個系統中，如果沒有信號因子

9、或者信號因子表現為一常數值，以尋求“點”的最佳設計，便稱為靜態(tài)設計；動態(tài)設計：在一個系統中，如果加入了信號因子，以尋求“線”的最佳設計，便稱為動態(tài)實驗設計。,本課程只介紹靜態(tài)設計方法,.,田口方法的類型,，,田口方法,靜態(tài)設計,動態(tài)設計,望大特性,望小特性,望目特性,加入了信號因子,.,田口設計的基本程序,步驟1：明確改善目標或試驗目的；步驟2：選擇品質特性（起關鍵作用的）步驟3：篩選并確定因子及其水平；步驟4：確定試驗計劃；步驟5：實施試驗，收集數據；步驟5：構建田口模型；步驟7：分析數據，確定最優(yōu)因子組合；步驟8：驗證設計。,計劃,分析,實施,.,田口方法與正交實驗的區(qū)別,相同：都使用正交

10、表(但田口使用內外表)區(qū)別：使用的分析評價標準不同正交實驗設計極差分析法田口實驗設計信噪比分析,.,【例1】改善小組計劃采取降低PCB過爐泛黃不良率的改善活動。,因子水平表,田口設計展開應用,望小,.,建立試驗計劃,使用L4（23）正交表,.,信噪比S/N手工計算,第一次實驗的SN比：SN=-10152=-23.5218第二次實驗的SN比：SN=-10182=-25.1055第三次實驗的SN比：SN=-10122=-21.5836第四次實驗的SN比：SN=-10452=-33.0643,直交表與實驗數據表,A1信噪音比=（-23.5218-25.1055）/2=-24.3137,.,信噪比S/

11、N分析,S/N比一覽表,-29.084,-22.552,-23.64,-24.73,-25.82,-26.6.91,-28.00,A1,A2,B1,B2,C1,C2,S/N比,.,工程推斷：,1）主次因子順序：B速度C鍍銀A爐溫度2）最優(yōu)因子水平組合：A1-B1-C2,.,靜態(tài)望大設計實例演練,【案例2】提高磁鼓電機力矩之改善磁鼓電機是彩色錄象機的關鍵部件，國外同類產品力矩指標規(guī)定大于210g.cm。為提高電機的輸出力矩，需要進行實驗。因子水平表,望大問題,.,步驟1：制定試驗計劃（選擇正交表）,菜單：Stat-DOE-Taguchi-CreateTaguchiDesign.,選擇設計類型,是

12、L9（34），默認,b.因子數選3,a.水平數選3,c.確認所選定的設計,.,田口設計-試驗計劃表,由系統得到正交表：L9（34）,.,修改設計（因子水平命名）,菜單Stat-DOE-ModifyDesign.,修改因子命名/水平設定,中文因子命名,水平值設置：數字間留空格！,為保證課程講述方便取默認值,靜態(tài)田口設計,.,步驟2：執(zhí)行試驗，收集數據,進行實驗，將響應值Y輸入工作單。,提示：試驗順序應按照隨機原則執(zhí)行。,.,步驟3：設置SN，構造田口模型,菜單：Stat-DOE-Taguchi-AnalyzeTaguchiDesign,輸入y,確定S/N比,.本例屬望大,望大,望目,望小,要點：

13、通過Option正確設置S/N,望目(優(yōu)選),.,步驟4：數據分析,SN分析,均值分析,效應,效應,等級,等級,對Y的響應值,田口實驗設計分析基礎,正交實驗設計分析基礎,.,步驟5：效應圖分析-S/N,分析：（1）顯著因素順序:BAC;（2）最優(yōu)因素組合：充磁量A2-角度B2-匝數C3,S/N主效應圖,充磁量,角度,匝數,田口方法：根據S/N做決策！,.,步驟5：效應圖分析-均值,均值主效應圖,分析：顯著因素B角度A充磁量C匝數（2）最優(yōu)因素組合：充磁量A2-角度B2-匝數C3,充磁量,角度,匝數,兩種分析方法的結論一致但，不會總是一致的！,.,步驟6：試驗結論,工程推斷：,1）主次因子順序：

14、B角度A充磁量C匝數2）最優(yōu)因子水平組合：A2-B2-C3,.,步驟7：預測,菜單：Stat-DOE-Taguchi-PredietTaguchiResults,3）點三角下拉表，設定最優(yōu)因子水平值,1）點選L,T設置：只分析主效應：ABC系統是默認的,最佳水平：A2-B2-C3,2）點選,.,田口設計預測結果,Predictedvalues信噪比均值S/NRatioMean47.7985240.778Factorlevelsforpredictions（最優(yōu)因子水平組合）充磁量角度線圈匝數11001190,步驟8：驗證實驗。,.,田口望目設計實例演習,【案例3】提高塑料袋密合強度的穩(wěn)定性產品

15、工程師要評估影響裝貨用塑料袋密合強度的因素。有3個可控因素溫度、壓力、厚度（它們分別有3個水平），另外識別出有2個噪音條件（Noise1和Noise2）。Y屬于望目特性，規(guī)格要求定為18。,.,步驟1：制定試驗計劃（選擇正交表）,菜單：Stat-DOE-Taguchi-CreateTaguchiDesign.,選擇設計類型,試驗計劃是L9（34）,2.因子數選3,1.選擇3水平的設計,3.確認所選定的設計,.,步驟2：執(zhí)行試驗，收集數據,可控因子,噪音,內表,外表,試驗操作每行實驗應分別在兩個噪音條件下做2次實驗,真實的實驗次數是9*2=18次！,Y1,Y2,本步驟最關鍵,望目問題,.,步驟3

16、：設置SN，構造田口模型,菜單：Stat-DOE-Taguchi-AnalyzeTaguchiDesign,1.輸入y,2.確定S/N比,3.本例屬望目選下邊的,要點：通過Option正確設置S/N計算機默認生成SN及均值分析的數據與效應圖。,望大,望目,望小,望目,.,步驟4：數據分析,SN分析,均值分析,效應,效應,等級,等級,SN分析主次順序BC-A,均值分析主次順序AB-C,矛盾-取哪種？,.,步驟5：效應圖分析-SN,信噪比S/N主效應圖,分析：顯著順序B-C-A最佳組合A1-B2-C2,.,步驟5：效應圖分析-均值,均值主效應圖,分析主次順序：A-B-C；最佳水平A2-B2-C1（

17、注意：與SN分析不一致）,.,步驟6：試驗結論,本案SN分析與均值分析的結果是相悖的。這并不影響做決定（更復雜更高級的策略參見“田口兩階段優(yōu)化程序”）田口設計的選優(yōu)標準是SN比，故工程推斷：,1）主次因子順序：B壓力C厚度A溫度2）最優(yōu)因子水平組合：A1-B2-C2,.,思考？,學習本章節(jié)，你怎樣理解田口方法的概念？田口乘積表與正表有什么不同？田口方法的建模和分析的基礎是什么？選優(yōu)的基準是什么？在什么情況下必須確定噪音因子及水平？,.,Minitab三步曲,1.根據問題選擇工具找對醫(yī)生,你準備好了么？從現在開始，就讓Minitab帶著我們，在DOE的天空里自由地翱翔吧！,2.按照圖標進行操作拿

18、脈檢查,3.解釋數據作出決策處方開藥,要做什么？到哪去？約束條件？數據準備好了嗎？,你了解路徑、限制條件、要求及要點嗎？經常提醒自己“我正在做什么？”不要因為機械的操作而忘記了目的。,需要何種形式的信息？哪些是重要的指標需要評估？評價的準則是什么？最后我要作出什么結論？,.,一項有效的試驗，必須滿足如下條件：正確確定因子及水平；確定合適的實驗計劃（選擇正交表）；確定每次試驗都在同樣的環(huán)境條件下進行；按照隨機原則安排實驗的順序；正確選擇實驗樣本并獲取實驗數據,如何有效安排試驗,.,正確合理的選擇因子及因子水平，是保證實驗能夠順利實現改進目標的最重要的基礎。確定因子及水平的方法的來源：工程師的經驗

19、及團隊知識對流程的調查和了解確定因子及水平的一般原則：可控因子數目應盡可能的多，一般6-8個因子水平數目一般2-3個因子水平間隔盡可能的大些,如何確定試驗因子與水平,.,案例1：利用頭腦風暴和魚刺圖,如何確定試驗因子與水平,品質不良,藥液濃度,溫度,速度,放置方式,壓力,溫度,能量,放置時間,放置方式,撕Mylar,速度,負荷量,放置時間,其他,曝光,顯影,壓模,底片,異物,透光不均,薄膜Mylar,水洗噴壓,風力,板面氧化,曝偏,皺紋刮傷,毛頭,板面清潔度,Ring大小,異物,氣泡,.,制程改善模式,7,借助頭腦風暴的成果，規(guī)劃完成實用的正交表和制造改善模式。,.,如何確定試驗因子與水平,案

20、例2：利用流程的原始數據2水準,3水準,.,實驗的樣本規(guī)模與度量,計量型數據最低限度樣本量：n計數型數據最低限度樣本量：n利特克量化尺度將屬性數據轉換為連續(xù)數據進行評分，定義為最好，為最差（反之亦可）量化后的樣本保持在個足夠管理領域的樣本度量譬如衡量顧客滿意度，或者某服務流程的績效，可以設計優(yōu)劣等級和評分標準，如百分制,.,案例3：晶片表面缺陷的量度,.,田口博士著名案例瓷磚制程設計20世紀50年代日本一家瓷磚公司向德國購買了一套磚窯，有一種型號的瓷磚存在嚴重品質問題：厚度要求100.15mm，約有30%超差，成為不良品。改善小組知道瓷窯內溫度的變異，引起瓷磚的變異瓷磚承受的“溫度”是噪音因素

21、。解決問題的兩種策略：A）重新設計磚窯，但需要額外花費50萬元B）采用穩(wěn)健設計，找到控制因素水準的最佳組合，以減少尺寸變異這家公司的工程師經過幾天頭腦風暴后，確定了影響品質的8個因素，他們應用田口試驗得到如下數據：,案例研究：,.,瓷磚制程設計控制因子設計值,原始設計,.,試驗計劃：L18（21*37）正交表（非對稱水平）,.,瓷磚制程設計試驗數據,Y值：厚度mm,.,瓷磚制程設計：試驗數據分析,S/N比效應圖表,均值效應圖表,Means,S/N,主次：EAHDC,主次：FHBEA,.,重要因子判定準則與分類,重要因子判定準則：（一半一半原則）一組因子中一半視為重要，一半視為不重要。S/N效應

22、排列：EAHDC均值效應排列：FHBEA因子四種分類：,1、對SN比和均值都有影響2、對SN比沒影響，但對均值有影響3、對SN比有影響，但對均值沒影響4、對二者均無影響的因子。,位置因子/調節(jié)因子,散度因子,.,第一步：最大化S/N比減小變異、降低噪音的敏感性選擇能使SN比最大化的控制因子水準；第二步：調整平均值到目標值上選擇調節(jié)因子，使平均值靠近目標值，而變異維持不變。,田口兩步優(yōu)化程序,.,瓷磚設計因子分類與優(yōu)化應用,瓷磚設計的可控因子分類與優(yōu)化策略,.,Tagdchi應用1：一線銅品質改善,改善前操作規(guī)范,.,運用L18（21*37）直交表，持續(xù)改善品質,因子水平表,望目,.,選擇L18

23、（21*37）直交表,根據需要，也可以選擇L12（28），全部使用2水平。,.,實驗數據,.,系統輸出,望目,.,實驗數據分析,因子影響次序：GECDHFBA顯著重要因子：GECDH最佳因子水平組合：A2B2C3D2E3F1G1H3,.,Tagdchi應用：一線銅品質改善,改善后操作規(guī)范,原標準,新標準,.,運用L18（21*37），持續(xù)改善品質；望目特性,Tagdchi應用2：整板電鍍改善項目,因子水平表,.,選擇L18（21*35）直交表,.,系統輸出,.,實驗數據分析,因子影響次序：BDAECF顯著重要因子：BDAE最佳因子水平組合：A1B2C2D3E2F2,.,案由及成果AT&T公司多

24、晶矽沉淀長期存在兩大困擾晶片厚度變異過大表面缺點計數太大成果厚度標準差減少到原來的1/4表面缺點數從600/c減少到10/c,案例分析：多晶矽沉淀實驗,.,案例分析：多晶矽沉淀實驗,控制因子及其水平（6因子3水平）,注：開始水準,.,實驗計劃：L18直交表,空列,空列,當然，你也可以選擇L27（36）直交表。,.,實驗樣本及數據記錄（表面缺點）,.,多晶矽沉淀實驗,顯著因素,開始值,增加20db,分析方法：將開始值與改善值進行比較。,A,B,C,D,E,F,.,多晶矽沉淀實驗,開始值,顯著因素,品質與效率的權衡,減少5db,A,B,C,D,E,F,.,最適化因子水平組合A1B2C1D3E2F2

25、,多晶矽沉淀實驗-結論,.,如果在一個田口設計中加入了信號因素，就變成了一個動態(tài)響應設計。信號因子至少須有2個水平。動態(tài)設計的目的：研究一個動態(tài)系統的信號與響應之間的關系。在正交表中加入信號因子后，其實驗的次數（行數）會成倍增加，并與信號因子的水平數成比例。,L4（22）,L4*信號水平數3=12次,田口動態(tài)設計,.,問題一位QE工程師正在嘗試提高一個測量系統的穩(wěn)健性。測量系統屬于動態(tài)的，因為輸入信號的改變會影響輸出的結果。在這里，信號因素是被測物的真值，而輸出響應則是測量所得的值，如果信號因素與輸出響應之間是1：1的關系，這個測量系統就是完美的。工程師已找到2個可控因素感覺（A）和報告（B），各有2各水平（1和2）；同時選了2個噪音Noise1、Noise2；另外選了1個信號因子，有3個水平（1、2、3）。信號因子的水平至少要選擇2個。,動態(tài)田口設計,.,菜單：