被日本奉为“国宝”的方法论——DOE试验设计之田口方法

“田口方法”不只是方法，它标志着品质改善的重点从生产过程控制向前提升至产品设计阶段，亦称稳健设计（Robust Design）。试验设计源于1920年代研究育种的科学家Dr.Fisher的研究， Dr. Fisher是大家一致公认的此方法策略的创始者，但后续努力集其大成，而使DOE在工业界得以普及且发扬光大者，则非Dr. Taguchi （田口玄一博士）莫属。

田口方法，其核心内容被日本视为“国宝”，在日本是所有工程师必修的技巧。田口方法认为，开发设计阶段是保证产品质量的源流，是上游，制造和检验阶段是下游。

在质量管理中，“抓好上游管理，下游管理就很容易”，若设计质量水平上不去，生产制造中就很难造出高质量的产品。参数设计是产品开发的核心，传统的参数设计是先追求目标值，通过筛选元器件来减少波动，结果是，尽管都是一级品的器件，但整机由于参数搭配不佳而性能不稳定。田口方法则强调找出稳定性达到最佳水平的配方，使产品对各种非控制因素不敏感，从根本上解决内外干扰引起的质量波动问题。

1试验设计DOE概述

DOE的重要作用

• 可同时变动和测试多个变量的影响；
• 实验次数少：
• L8（2）= 128 次（全部组合）；
• 效果最好最可靠；
• 实验周期最短；
• 成本最低。

DOE试验设计原理

实验设计是检测、筛选、证实原因的高级统计工具，是利用整个统计领域的知识来理解流程中普遍存在的复杂关系。它不仅能识别单个因素影响，而且能识别多个因子的交互影响。DOE通过安排最经济的试验次数来进行试验，以确认各种因素X对输出Y的影响程度，并且找出能达成品质最佳因子组合。DOE是进行产品和过程改进最有效的强大武器！

DOE的应用范围

DOE主要有以下类别：

1 正交实验设计

2 田口设计

3 全因子实验设计

4 分部因子设计

5 响应曲面设计

6 混料设计

DOE适用于：

1 新产品研制开发

2 产品设计参数优化

3 为产品选择最合理的配方

4 过程设计与优化

5 寻找最佳生产条件

6 提高老产品质量或产能

7 用于质量改进

8 解决长期质量问题

DOE的基本流程

DOE包含计划-实施-分析三个阶段8个步骤：

步骤1：明确目的

步骤2：选择品质特性（响应Y）

步骤3：选择确定因子及其水平

步骤4：选择试验计划

步骤5：实施试验，收集记录数据

步骤6：整理数据，建立分析模型

步骤7：分析数据，确定最优因子组合

步骤8：验证设计

如何根据DOE优缺点选择DOE工具？

1 DOE工具优缺点比较

2 如何选择DOE工具

考虑实验的目的和预算等因素来选择DOE

02 稳健参数设计（田口方法)的认识

稳健参数设计（田口方法)概念引入背景

日本的田口玄一（Genichi Taguchi）博士在参数设计方法方面贡献非常突出，他在设计中引入了“信噪比”（Signal to Noise Ratio, SN Ratio）的概念，并以此作为评价参数组合优劣的一种测度，以至于很多文献和软件都把稳健参数设计方法称为田口设计（Taguchi Design）。

田口设计（Taguchi design),或称稳健参数设计，是通过选择可控因子的水平组合来减少系统(或过程）对噪声变化的敏感性，从而减少系统性能波动的一种统计方法。

产品质量往往受到误差因素的影响，通常有两种方法减小变差：

1）直接减小噪声的变差

2）改变可控因子的水平组合

田口DOE是把“噪声因子”单独分离出来，先对可控因子排列组合，然后把噪声因子和已经排列好的组合相乘，进行试验，得出结果后研究各个因子/组合在"噪声中“的表现是否稳定（稳健），然后选择更稳定（稳健）的参数，从而达到优化设计的目的。

田口DOE基本术语——稳健性、信噪比

田口DOE把噪声因子独立来研究，产生了2个新术语：稳健性&信噪比

稳健的定义为：稳健表示一个状态，在这个状态下，技术、产品或过程性能对变异敏感度低，这也会减低单位制造成本，提升可靠性。它的衡量指标是性噪比。

有一点需要注意的是，相应有三个类型：望大、望小、望目。望目最适合田口方法。

信噪（SN)比是一个通信学中的一个概念，是指接收到的信号（其中含有噪声）之中，有用信号的功率同噪声功率的比值。

田口用信噪比来作为衡量稳健的指标，公式因为采取了对数，略显复杂，但是本质相似、可以理解成响应均值和均值波动之间的比值，信噪比越大越好。

针对响应的三个类型，望大、望小、望目

信噪比的计算方法也不尽相同，但是本质都是均值和标准差的比值。

每一个因子的每个水平都对应几个小的”直方图“，把几个小的”直方图“合成一个大的”直方图“，计算大的”直方图“对应的信噪比，就可以看出该因子水平条件下是否稳健。

区分可控因子

对影响位置（响应均值）的因子叫做位置因子，对影响散度（信噪比）的因子叫做散度因子。

利用区分后的的可控因子

通过对信噪（SN)比和平均值的分析，可以对因子进行分类调整，然后根据因子的特性对因子进行调整找到最佳的参数设置（设计）以下的图是针对望目型的，望大望小则应先调位置（均值）再调散度。

无统计障碍，实用-高效-稳健。

田口方法具有很强的抗干扰能力，因此又称为“稳健参数设计”——通过调整可控因子的水平，来降低或弱化噪音对Y的影响，从而提高设计方案的抗干扰能力。

田口方法的主要工具是正交表，信噪比 （S/N）。信噪比度量响应在不同噪声条件下相对于标称值或目标值如何变化。根据试验的目标，可以从不同的信噪比中进行选择。对于静态设计，Minitab 提供四种信噪比：

注意：望目（默认）信噪比对分析或确定比例因子很有用，这些因子的均值和标准差按比例变化。比例因子可用来调整目标的均值，而不会影响信噪比。

那么，接下来我们就来说说田口质量思想和田口设计思路。

03 田口质量管理思想

田口玄一的质量观涉及整个生产职能，共有以下5个要点：

• 在竞争性市场环境下，不断提高产品质量、削减成本是企业的生存之道。
• 衡量成品质量的一个重要标准是产品对社会造成的一切损失。
• 改变产前实验的程序。从一次改变一个因素到同时变化多个因素，提高产品和流程的质量。
• 改变质量定义。由"达到产品规格"改为"达到目标要求和尽量减少产品变异"。
• 通过检查各种因素，或参数素，对产品性能特色的非线性影响，可以减少产品性能（或服务质量）的变化。任何对目标要求的偏离都会导致质量的下降。

04 田口设计思路

田口设计之三阶段

田口博士认为，产品设计可以分为系统设计、参数设计和容差设计三个阶段。

• 系统设计主要是系统地提出初始的总体设计方案，对产品进行整体的系统和整个结构的设计，主要由专业技术人员来完成。
• 参数设计是探求最佳的参数组合，提高产品性能稳定性，决定系统中各参数的选择，使产品的性能既能达到目标值，又使它在各种条件下波动小，稳定性好。
• 容差设计主要是为关键件确定合理的容差（公差）范围，要使产品性能接近目标值，元件的容差应是多少为宜。

建模策略

① 乘积表

策略：位置建模（样本均值）、散度建模（样本方差）

定义：位置和散度的度量值关于可控因子主效应和交互效应的模型

望目型程序：先用散度因子使散度最小化，再用调节因子达到目标值

望大/小型程序：先用位置因子使位置最大/小化，再用非位置因子的散度因子使散度最小化。

②单一表

策略：响应建模

定义：将响应变量拟合为可控因子和噪声因子的函数

稳健性的质量——S/N比

质量稳定包括质量特征接近目标值和质量特征受噪声干扰波动小。

S/N（信噪比）既然考虑了质量特征的平均水平，又考虑了其波动情况，因此用S/N评价质量水平是比较合理的，S/N越大，说明质量水平越高。

综合误差法：在噪声表中选择3~4个能使误差达到最大的最具代表性的实验结果作为全部实验误差的代表；

最不利综合误差法：在噪声表中只选2个最不利情况（一个正偏，一个负偏）

田口设计流程

静态设计VS动态设计

动态稳健参数设计是：一个系统会受到一些可控因子的影响，也会受到一些非可控因子（噪声、误差的）影响

当该系统接收到某个信号作为其输入特性时，其输出会显示出与之相应的动态特性。我们所要研究的就是，只考虑可控因子的设置，如何选择可控因子的最佳设置以使这种对应关系更准确。

动态稳健参数设计与静态稳健参数设计的差别，其实就是动态多了个信号因子，信号因子可以取不同的值。静态稳健参数设计中没有信号因子，也可以抽象地说，静态稳健参数设计其实就是这个信号因子只取一个固定值罢了，响应也就只有一个。

05 稳健参数设计（田口方法)如何实现

那么，接下来我们就来说说稳健参数（田口方法)是通过哪些步骤实现的呢？

田口DOE基本步骤

步骤1. 了解问题

(1) 定义系统目标／范围：包含定义系统的目标、系统或子系统（subsystem）的范围、选择项目负责人及其成员、发展项目运作策略。

(2) 选择回应值：此步骤主要是确认主要功能、副作用和失效型态，建立想要达成的结果，选择回应值或理想机能（理想机能为信号因子与质量特性的理想关系式）及决定量测的方式。

步骤2. 选择因子和水平

(1) 发展信号因子和杂音策略：决定信号因子的范围、重要的杂音因子及其水平、发展杂音策略。

(2) 辨认控制因子及其水平：辨认所有的控制因子、选择重要的控制因子及其水平。

步骤3. 选择适用之直交表

选定适用之直交表并指派控制因子至直交表中。

步骤4. 准备及执行实验，收集数据：准备／规划实验，并执行实验，收集数据。

步骤5. 根据质量特性计算直交表中每一次实验的SN比与y 。

步骤6. 完成并解释各因子对于SN比与y 的效果图，执行二阶段最佳化程序。

步骤7. 决定控制因子的最佳水平组合，并预估其SN比和y 。

步骤8. 执行确认实验：田口建议要进行确认实验，如果确认实验结果与预估的结果不吻合（或不满意），那么表示实验的过程失败，必须重新规划实验。

步骤9. 结论与建议：当确认实验成功，将控制因子的最佳水平组合纳入系统中执行。

田口DOE实例分析（实例步骤）

某工程人员要确定温度、压力、厚度与封装强度的关系，利用田口设计寻求最佳参数组合，所确定的因子水平和响应目标如下：

响应：封装强度，望目特性（18kgf)

由于本次田口实验中采用了部分因子设计，没有收集所有组合的数值。当B2C2组合固定时，根据主效应叠加计算结果为：

结语

为什么DOE试验设计被日本奉为“国宝”？

田口玄一的DOE设计方法可以优选出最佳的参数组合，进而大大提高产品的性价比。据称，每年日本有数百家企业利用该方法完成10万余项研究，其质优价廉的产品在国际市场上畅销不衰，促使日本经济和技术飞速发展。因此，DOE试验设计被日本奉为“国宝”。

随着市场竞争的日趋激烈，企业只有牢牢把握市场需求，用较短的时间开发出低成本、高质量的产品，才能在竞争中立于不败之地。在众多的产品开发方法中，田口方法不失为提高产品质量，促进技术创新，增强企业竞争力的理想方法