基于并行质量工程的6σ公差设计方法的研究

摘要

基于并行质量工程的思想面向66 (Design for Six Sigma,DFSS)进行公差设计是66关键技术的难题之一,如何解决这一问题是本研究的主旨所在,目的是在产品开发的早期阶段有效地改进设计质量并降低成本.本文采用了基于响应曲面方法(RSM)的稳健优化方法作为66公差设计的技术支持,构建了涵盖从产品到过程设计同时优化参数和公差设计的模型来实现上述目的. 本文首先介绍了公差设计的一些基本理论和传统方法,阐明了并行质量工程的思想和DFSS的基本哲理及其实践模式.随后在技术方法上将66机械公差设计与实验设计(DOE)相结合,利用变异系数和方差百分比对田口公差设计进行了改进研究.在分析了利用RSM双响应进行并行参数和公差设计的必要性基础上,基于RSM双响应模型构建了应用于各种设计情况的66并行公差设计模型,基于RSM响应模型的最小过程方差置信域构建了面向噪声因子的并行参数和公差设计模型.本文针对RSM的中心复合设计--外切中心复合设计、嵌套中心复合设计和面心立方设计进行了比较评价,并给出了结合表实验设计的选择方法.最后,利用实例对所提出的各个方法进行了分析比较,得到如下结论: (1)结合DOE改进的66机械公差设计和田口公差设计方法更适用、更合理,过程能力指数为面向可制造性设计提供了更大的灵活性； (2)并行参数和公差设计比单独考虑参数设计或公差设计或者序贯设计所得到的方案更优、成本更低,从而有力地证明了并行质量工程的作用； (3)采用RSM稳健实验设计技术来减少变异效应是66公差设计的有效策略,考虑噪声因子会进一步降低成本、提高稳健性； (4)置信域约束给设计增加了柔性,可得到满足66水平的更经济的过程均值和公差； (5)66公差设计可以实现高质量和低成本,实例也表明这两个目标不是相互矛盾的,而是高质量必然会导致低成本,这与戴明博士的观点完全一致. 基于并行质量工程的思想和本文提出的联系产品设计和过程设计之间的数学模型,并行的产品和过程设计的可制造性将得到保证,66公差设计为实现DFSS的设计目标--经济稳健的产品设计和过程设计(同时优化参数和公差)提供了具有可操作性的系统方法.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1 6σ简介

1.2 6σ公差设计的必要性

1.3 6σ公差设计的内涵

1.4本文的研究意义和目的

1.4.1研究意义

1.4.2研究目的

1.5研究综述

1.5.1前言

1.5.2稳健公差设计研究综述

1.5.3并行公差设计研究综述

1.5.4总结

1.6研究问题的提出

1.7研究内容

1.8本研究的创新之处

第二章6σ公差设计的基本理论和方法

2.1 6σ设计

2.1.1 DFSS

2.1.2 DFSS流程及主要设计工具

2.1.3 DFSS与DMAIC的区别

2.2并行质量工程

2.3 DFSS的重要性及其哲理

2.4稳健设计

2.4.1稳健设计的思想

2.4.2稳健设计方法

2.5传统的公差设计方法

2.5.1极值法

2.5.2统计平方公差方法

2.5.3 6σ机械公差设计

2.6 Taguchi的公差设计

2.6.1质量损失函数

2.6.2 Taguchi的公差确定方法和公差设计的区别

2.6.3 Taguchi的公差设计

2.6.4 Taguchi公差设计的不足

2.7本章小结

第三章对传统公差设计方法的改进

3.1 6σ机械公差设计实例分析

3.1.1 6σ机械公差设计优化流程

3.1.2 6σ机械公差设计实例分析

3.1.3对6σ机械公差设计的几点说明

3.2对6σ机械公差设计的改进

3.2.1建立一般尺寸链的统计公差

3.2.2结合DOE的6σ机械公差设计

3.2.3改进的6σ机械公差设计的实例分析

3.2.4对改进的6σ机械公差设计的评价

3.3过程能力指数在公差设计中的作用及其形式

3.3.1过程能力指数在公差设计中的作用

3.3.2过程能力指数的假设条件

3.3.3过程能力指数的形式

3.3.4如何应用过程能力指数

3.4基于变异系数和方差百分比改进的Taguchi公差设计

3.4.1设计过程

3.4.2实例分析

3.4.3改进的Taguchi公差设计流程

3.5本章小结

第四章基于RSM双响应的并行公差设计

4.1成本函数的开发

4.1.1质量损失函数的形式

4.1.2总成本函数

4.2对并行参数和公差设计的理解

4.3各种设计情况的分类

4.3.1根据公差的表达形式进行分类

4.3.2根据响应的质量特性确定设计内容

4.3.3各种设计情况所采用的质量损失函数形式

4.4基于RSM的稳健设计方法进行6σ公差设计的必要性

4.4.1应用RSM的必要性

4.4.2应用RSM双响应稳健设计方法的必要性

4.5应用RSM来近似转换函数的并行参数和公差设计

4.5.1整合函数的构建

4.5.2稳健性验证及公差调整

4.5.3小结

4.6基于RSM方差模型的公差设计方法的开发

4.6.1方差分析

4.6.2均值的调整策略

4.6.3优化模型的开发

4.7考虑偏倚的公差设计方法的构建

4.7.1考虑偏倚的必要性和优势

4.7.2考虑偏倚的优化模型

4.8对于望大、望小特性优化模型的构建

4.8.1确定过程稳定点的稳健域

4.8.2建立望大、望小特性的优化模型

4.9公差作为参数时设计方法的研究

4.9.1基于RSM方差模型的公差设计方法的开发

4.9.2对优化模型1的实例分析

4.9.3均值有偏倚时的设计方法

4.9.4对望大、望小特性优化模型的建立

4.10 MSE标准的延伸——考虑预测稳健性

4.11基于VM双响应的并行公差设计的技术路线

4.11.1 6σ能力验证

4.11.2并行公差设计的步骤和技术路线

4.12本章总结

第五章面向噪声因子的并行公差设计

5.1产品稳健设计和过程稳健设计

5.2对噪声因子的理解

5.2.1在公差设计中对噪声因子的解释

5.2.2控制和噪声交互作用的重要性

5.3包含噪声因子的RSM响应模型的建模策略

5.3.1包含噪声因子的RSM响应模型

5.3.2均值和方差双响应模型的构建

5.3.3双响应模型的分析

5.3.4过程方差稳健域的构建

5.4基于最小过程方差置信域优化模型的建立

5.5面向噪声因子的并行公差设计步骤及技术路线

5.6本章总结

第六章实验设计的选择

6.1对稳健性的理解

6.1.1稳健性定义

6.1.2对变异的理解以及减少变异的策略

6.1.3对RSM设计稳健性的认识

6.2 CCDs设计的选择

6.2.1 CCDs及其主要类别简介

6.2.2主要的概念

6.2.3对三类设计的评价与比较

6.2.4实例分析

6.2.5 CCC、CCI和CCF异同点的比较和总结

6.2.6选择CCDs的指导原则

6.3结合表实验设计的选择

6.3.1田口内外表和RSM结合表的比较

6.3.2适于结合表的混级设计

6.4几个稳健性指标

6.5 小结

第七章应用研究

7.1整合方法

7.1.1问题描述

7.1.2模型求解

7.2对并行公差设计方法的验证

7.2.1验证流程

7.2.2模型

7.2.3实例分析与验证

7.3结论

结束语

结论

研究展望

参考文献

附录

附录1第2章和第3章中的符号说明

附录2第3章3.2.3中的试验数据

附录3第3章3.4.2中的实验数据

附录4第4章4.9.2中的实验数据

附录5第7章的实验数据

发表论文和科研情况说明

致谢