产品经理百宝箱第15讲:稳健设计

稳健设计(Robust Design)是在可控因素和不可控因素与设计值发生变差时仍能保证产品质量的一种工程方法。

稳健设计(Robust Design,又译:鲁棒设计)由田口健一博士(Dr. Genichi Taguchi)创造,通过调整设计变量及控制其容差,使可控因素和不可控因素与设计值发生变差时仍能保证产品质量的一种工程方法,以确保它们在客户手中始终如一地发挥作用。它允许设计人员评估系统使用中可能遇到的变化的影响,并在必要时(发现它很敏感时)重新设计系统,使其在各种因素的干扰下产品质量也是稳定的。

通常用于以下创新阶段:

  • 创建阶段(Creation phase)— 用于激发创造性思维并评估解决方案,以确保产品或过程设计能够以合理的成本水平充分满足客户的要求。
  • 生产阶段(Production phase)— 提供设计参数变化的信息,信息可用于质量功能部署控制图和过程参数设置。

设计的详细过程如图所示

为了确保获得最佳解决方案,必须使用系统工程,这需要充分理解客户需求所定义的问题。

优化系统包括两个活动。首先是表征设计,明确需要的设计参数、噪声系数、用户命令以及对客户至关重要的关键系统性能指标之间的数学关系。田口健一博士(Dr. Genichi Taguchi)将其减少到了以下图表:

决定系统输出的因素有三种:

  • 信号因子M(或用户命令)是用户设置的参数,用于设置或命令系统输出的预期值。
  • 控制因子Z(或设计参数)是设计者可以自由指定的参数。
  • 噪声因子N是设计师无法控制或选择不控制的因子或参数。它们会导致输出Y偏离信号因子M指定的目标。

设计人员的工作是确定设计参数(控制因子)的目标值,以使系统输出达到用户指定的水平,而不受噪声因素的影响。

稳健设计的第一步是确定与特定系统输出相关的所有设计参数、噪声因子和信号因子,而这些输出又与客户满意度相关。使用的工具称为参数图或P-图,它可以帮助设计人员(或设计团队)确定所有可能的因素。

确定了所有可能的因素后,接下来确定其中哪些至关重要。使用设计噪声矩阵对设计参数和噪声因子对系统输出的影响进行定量评估,以确定哪些是至关重要的。通常,目标是将设计和噪声系数的数量减少到10到20个之间。

但有时即使减少了设计和噪音因素的数量,之后的设计也可能会花费太长时间。这时候,可以进行DoE。

DoE是实验方法集合的名称,这些方法探索了改变多个系统参数对系统输出的影响。它提供了一种设计和分析实验结果的方法,以了解和量化多种因素对系统输出的影响。通常,当面对系统输出可能受多种因素影响的情况时,大多数工程师会选择一次只更改一个因素,更改两个或两个以上将被认为很困难。但是,DoE是一种实验性试验系统,其中每个试验都改变了几个因素,从而可以允许将各个因素的各种贡献区分开。

下图显示了一个L6设计阵列,可以在两个试验水平(以1和2表示)的八次试验中探索六个控制因素(设计参数)。

实验结果的分析可以通过立方体图进行绘制,如下图,显示了L6设计结果的立方体图。每个立方体的长度、宽度和深度与三个设计参数有关。左、右立方体分别与第四个、第一个和第五个立方体以及上下第六个立方体有关。

如果查看上图顶部的四个多维数据集,结果分别为7.00、8.00、7.00和8.00。这可能就是一个平稳的时期,而较低级别的多维数据集显示出很大的变化,并且在左后方多维数据集上的最大值为15.75。

对于大多数工程公司来说,稳健设计现已成为一种既定的方法,并且对产品质量做出了重大贡献。稳健设计适用于任何类型的系统,例如流程密集型或服务密集型系统,也可以将相同的原理应用于旅馆、饭店或银行的服务质量。

主要参考资料:
Harrington, H. James,Voehl, Frank. The Innovation Tools Handbook, Volume 2: Evolutionary and Improvement Tools that Every Innovator Must Know

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