田口方法：质量管理利器、企业技术创新不可或缺的工具

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田口方法：质量管理利器、企业技术创新不可或缺的工具

• 1. 概念含义
  • 1.1. 产生与发展
    • 田口方法（Taguchi Methods）由日本田口玄一博士于20世纪50年代创立，其核心内容被日本视为“国宝”。该方法适用于产品设计、科学试验、技术革新、工艺改革、材料研制等开发性领域，以及质量评价和质量改进等方面。
    • 20世纪60年代初，田口方法获得质量应用戴明（Deming）奖。20世纪80年代后，美国AT&T、Ford、Xerox、Motorola、Kodak等公司陆续采用。田口方法是在费歇尔多元配置法试验设计基础上，由日本电讯研究所田口玄一为首的研究人员开发的正交试验技术，它将质量管理与经济效益相联系，融合工程经验与统计原理，运用数学方法从多视角综合研究质量管理理论和方法，形成了质量稳健性设计方法。
    • 田口理论认为产品目标特性与影响参数水平组合间存在非线性关系，利用这一特性，即便使用特征值波动大的三级品元件，也能获得较稳定的质量特性。日本技术人员常运用该方法改进产品和生产流程，降低零部件和装配容差，减少生产成本。据称，日本80%的质量改进收益得益于田口方法。此外，美国专门成立研究会推广该方法，我国原兵器工业部也曾大力推广，在武器研制开发与功能改进上取得一定成果。
  • 1.2. 基本思想
    • 田口方法是一种稳健性优化设计方法，它借助正交表安排试验方案，以误差因素模拟导致产品质量波动的各类干扰，把信噪比作为衡量产品质量稳健性的指标。通过对不同试验方案进行统计分析，找到抗干扰能力强、调整性好、性能稳定可靠的设计方案，并依据质量损失最小原则合理确定参数容差，从而实现成本最低、质量最优的技术经济综合效果。
    • 田口博士把产品设计分为系统设计、参数设计和容差设计三个阶段，也称为三次设计：
    • 系统设计：为产品挑选整个系统或配置，需找出多种不同系统，运用完备工程知识评估，选择能以最佳技术和最低成本满足顾客需求的设计。
    • 参数设计：找出生产流程中影响产品变异的主要变量，选择一套参数标准，确保产品性能稳定。该阶段利用非线性效应，通过正交试验法（内侧正交、外侧正交），采用信噪比（SN比）作为稳定性指标进行统计分析，通常使用波动范围宽的廉价原部件设计，兼顾产品质量和成本的改善。
    • 容差设计：在参数设计基础上，综合考虑产品质量和生产维修成本，确定产品生产时各种参数的最佳容差范围，运用质量损失函数和正交多项式回归分析进行再改进或再设计，实现经济效益最佳。
  • 1.3. 目的
    • 田口方法旨在使设计的产品质量稳定、波动性小，让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，在低成本条件下开发出高质量产品。田口方法认为，产品开发的效益可从企业内部效益和社会损失两方面衡量，企业内部效益体现为功能相同条件下的低成本，社会效益则以产品进入消费领域后对人们的影响为衡量指标。若产品功能波动偏离理想目标，给社会带来损失，说明其稳健性设计不佳，而田口式稳健性设计能在降低成本和减少产品波动方面发挥作用。
• 2. 应用分析
  • 2.1. 二次损失函数
    • 质量损失函数是田口方法的基础，它使决策者认识到顾客满意、偏好和期望决定质量损失，推动工程和技术人员从技术和经济两个方面同时分析产品设计与制造过程。
  • 2.2. 三次设计
    • 三次设计是产品研制或质量改进过程中经历的3个阶段，即系统设计、参数设计、容差设计，实际上是进行三次优化设计，后两次设计主要运用正交优化设计挖掘产品质量和成本潜力，追求投入少、效益高、利益大的效果。
    • 系统设计：即功能设计，依据市场规划的产品功能选择基本模型系统，确定产品特性值的目标与容差，使产品功能达标。此阶段主要运用专业技术理论与方法，确定系统的功能和结构，包括原材料、零件、部件及组装系统的选择。
    • 参数设计：是产品设计的核心环节，根据实际生产和产品使用情况改进和再设计系统模型，选择系统中所有参数（如原材料、零件、部件及组合件等）的最优水平组合，增强产品抗干扰性，使性能指标稳定在目标值附近。其本质是利用非线性效应，通过统计数学的正交试验法，并以信噪比作为产品质量特征值的稳定性指标进行统计分析。在该阶段，一般采用波动范围较宽的廉价原部件进行设计，实现质量和成本的双重改善。
    • 容差设计：在参数设计基础上，为产品生产时的各种参数确定最佳容差范围。综合考虑产品质量和生产维修成本，对产品进行再改进或再设计，以达到最佳经济效益。容差设计主要运用质量损失函数和正交多项式回归分析。
    • 可见，三次设计中，系统设计主要依靠专业技术，参数设计和容差设计属于通用技术范畴，依赖数学和统计知识。
  • 2.3. 应用步骤
    • 选定质量特性。
    • 判定质量特性的理想机能。
    • 列出所有影响此质量特性的因子。
    • 定出信号因子的水平。
    • 决定控制因子并定出它们的水平。
    • 决定干扰因子并定出它们的水平，必要时进行干扰实验。
    • 选定适当的直交表，并安排完整的实验计划。
    • 执行实验，记录实验数据。
    • 资料分析。
    • 确认实验。若有必要，可以重复以上步骤，直到达到最佳的质量及性能为止。
  • 2.4. 应用注意点
    • 最好能使误差因子复合为1 - 2个，最多三个。
    • 误差因子可根据其影响程度及实验目的来确定。
    • 一般选择2个水平。
• 3. 工具特点
  • 工程特色：田口方法用工程方法研究产品质量，将产品设计视为工程设计，以产品给社会造成的经济损失衡量其质量。
  • “源流”管理理论：该方法认为开发设计阶段是保证产品质量的源头，在质量管理中，抓好上游的设计阶段管理，下游的制造和检验阶段管理会更轻松。若设计质量不高，生产制造高质量产品难度较大。
  • 产品开发的三次设计法：产品开发设计（含生产工艺设计）分为系统设计、参数设计、容差设计三个阶段，其中参数设计是核心。传统设计多先追求目标值，通过筛选元器件减少波动，但可能因参数搭配不佳导致整机性能不稳定。田口方法则先追求产品稳定性，强调使用低级品元件使产品对非控制因素不敏感，通过分析质量特性与元部件的非线性关系，找出最佳稳定性组合。三次设计能从根本上解决内外干扰引起的质量波动问题，设计出的产品质量好、价格低、性能稳定。
  • 质量与成本的平衡性：引入质量损失函数，让工程技术人员能从技术和经济两方面分析产品的设计、制造、使用、报废等过程，使产品在整个寿命周期内社会总损失最小。在产品设计中采用容差设计技术，实现质量和成本的平衡，提高产品竞争力。
  • 新颖、实用的正交试验设计技术：运用综合误差因素法、动态特性设计等先进技术，用误差因素模拟各种干扰（如噪声），使试验设计更具工程特色，提高试验效率和科学性，试验设计出的最优结果在加工过程和顾客环境下都能达到最优，还可节约试验费用。
• 4. 工具作用
  • 田口方法在生产实践，尤其是产品开发设计中实用性强，具有以下显著优势：
  • 提高产品科技含量，促进技术创新：采用田口方法可改变企业单纯引进先进设备的状况，增强二次创新能力，提升产品开发能力。
  • 缩短产品开发周期，加速产品更新换代：在质量管理中应用田口方法能提高生产率，达到事半功倍的效果。
  • 应用田口方法创名牌：利用田口方法三次设计技术设计的产品稳健性好，抗干扰能力强，波动小，质量可靠，有利于创出知名产品，占领市场，打造品牌。
  • 应用田口方法创效益：田口方法能用廉价的三等品零件组装出一等品整机，实现价廉物美，提升企业经济效益。
  • 目前，田口方法在发达国家应用广泛，创造了可观收益，中国部分企业引进后也取得了良好效果。
• 5. 相关工具
  • 5.1. 谢宁方法
    • 5.1.1. 概念含义
      • 谢宁方法是20世纪80年代美国人多里安·谢宁（Dorian Shainin）历经四十余年研究开发的，用于解决产品制造及设计开发过程中质量和可靠性问题的系统方法和工具。该方法总结了七种新的DOE应用技术，包括多变图技术、零件搜索技术、成对比较技术、变量搜索技术、完全析因技术、改进效果检查及实验设计的回归分析，旨在寻找生产中的重要因素，并使其以最佳参数组合，大幅提高产品质量。
    • 5.1.2. 分析应用
      • 谢宁方法将7种方法（或技术）组合使用，各方法既可单独应用，也可组合运用。当试验因素较多（20个或更多）时，可采用多变图技术、零件搜索技术、成对比较技术、变量搜索技术。
      • 多变图技术：根据以往经验确定影响质量的可能要素，如工人班次、机床、原材料、工艺变量等。每隔一段时间抽取连续生产的几件产品，按要素的不同情况测试质量特性，绘制成图表进行比较分析，以确定引起波动的原因。多变图可归纳为单个工件上有严重变差型、工件到工件有严重变差型、工时到工时有严重变差型三类，通过多变图确定类型后，再用专业知识深入分析。
      • 零件搜索技术：依据以往经验确定影响产品质量的可疑零件，随机选取几个好产品和坏产品，将坏产品上的可疑零件与好产品上的对应零件交换，重新装配后测量、比较、分析质量特性参数，从而找出影响产品质量的主要零件。
      • 成对比较技术：随机选取5对以上好的和坏的产品，采用多种方法测试各种参数并比较差异，以此确定影响产品质量的主要原因。该技术适用于不可拆卸的产品。
      • 变量搜索技术：与零件搜索技术相似，都是逐个替换并测试比较，以查找引起产品质量波动的主要原因。不同的是，变量搜索针对变量，而零件搜索针对零件。
      • 完全析因技术：运用上述四项技术找出4个以下的主要因素，然后对这些因素按全部因素所有水平的一切组合逐次进行实验，研究因素的主效应和相互之间的交互作用，确定最佳的因素水平匹配方案。
      • 改进效果检查：设改进后的工序为B，改进前的工序为C。为验证改进效果，设定风险率a（第Ⅰ类风险）和b（第Ⅱ类风险），随机抽取B和C两种产品（样本量由风险率决定）进行假设检验，判断在规定风险率下，B产品是否优于C产品。
      • 实验设计的回归分析：对散布数据绘制散布图，运用回归理论诊断影响产品的大小因素，找出影响产品质量波动的主要原因，并根据波动大小确定各因素的目标值和容差。
    • 5.1.3. 经典方法、田口方法以及谢宁方法比较
      • 比较项目 经典DOE 田口DOE 谢宁DOE 方法 分析因法、响应曲面法 正交表 10多种方法 原因查找 猜测、头脑风暴法 猜测、头脑风暴法 和部件、工艺对话 效果 中度改进，成功率低 低度改进，成功率低 高度改进，高成功率 成本 高（30 - 60次试验） 高（50 - 100次试验） 低（2 - 30次试验） 复杂度 复杂 复杂 简单 试验准备时间 长时间（3 - 14天） 长时间（7 - 14天） 短（1天） 统计有效度 弱 非常弱 强 适用性 需要硬件，主要用于生产 结合计算机仿真，主要用于论文 需要硬件，通用于企业的经营活动 执行难度 难 难 易 干扰生产程度 试验期间要停止生产 试验期间要停止生产 思维创新中不停产，原因查找试验可以解决70%的长期问题