品質管理之穩健性設計應用田口方法

工業工程與管理系教授楊 烈 岱98.11.10

內容綱要•工業工程的品質管理 (IE).•田口方法的需要性•模組 1—系統設計法 .•模組 2—參數設計法 .•模組 3—公差設計法 .

常用的品質工具 柏拉圖 魚骨圖 直方圖 管制圖 Run Chart etc.

QC 工具可以用來發現產品缺點

Causes Can be: Operator, Material, CNC programming,

Measurement,

…….etc.

在產品或製程設計階段強調品質問題Leads to a more robust and reliable product because quality is designed into the product instead of adding it in at a later stage.

方法 : 實驗設計、田口方法 .

實驗設計之策略 一次一因子 . 因子設計 .

一次一因子設計 改變進刀率 , 固定主軸轉速、 切削深度、刀具半徑、 材料、 … 等 .

缺點 : 無法考慮因子交互作用

因子設計 同時考量兩個以上因子

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

5 10Feed Rate

Ra

Depth of Cut = 0.06 in

Depth of Cut = 0.02 in

實驗設計 小結 全因子設計之成本過高，並非是一經濟的 好方法。 (45=1280 runs)

Plastics Injection Modeling Using Taguchi Method

塑膠射出成型應用田口方法

任何世界級企業均需應用田口方法找出降低變異的因子 .

Dr. James M. Cupello , President of Quality Engineering Associates, San Antonio, Texas, (1999) indicated that

企業應用田口方法的例子Successful Application Cases:

Companies: Sheller Globe Polaroid

Aerojet Ordnance General Electric

Allied Goodyear

Ford United Technologies

General Motors Diversi Tech General

Chrysler Xerox

General Tire AT&T

Johnson Controls Texas Instruments

Allen-Bradley Control Data

Eaton Corp. Flex Technologies

The Budd Co.

田口方法包括模組 1--系統設計法模組 2--參數設計法模組 3--公差設計法

模組 1—系統設計法 .

目的 : 設計一製程或產品系統可以產生一好產品符合顧客需求 .

衝模加工的系統設計是 ?

系 統

雜音因子 : 原料硬度 , 模具形狀 , 溫度 , 等等 .

可控因子 : 衝模間隙 , 衝模力量 , 衝程距離 , 潤滑油 , etc.

輸入 : 原料 ,

能源 輸出 : 產品

衝模系統圖

衝模設計

銑床操作系統設計

模組 1 了解到1. 輸入、可控、不可控等因子將會影響一個系統的功能表現。2. 系統功能的量測包括目標值與變異數。3. 系統可以正常工作，但它可以更好。

因此田口參數設計需要被介紹

設計製程或產品使之對雜因因子不敏感 (To design processes or products so

that they are robust to noise factors.)

田口參數設計

穩健性

製程原料

( 可控因子 )Feed rate,

speed, depth of cut

產品具一致性功能與特性 . Ex. Length.

(without affected by noise factors)

不可控雜因因子

模組 2 -- 參數設計法鋼板衝製田口參數設計

in000.0015.0

2

田口參數設計步驟1. 選擇品質特性

2. 選擇可控與不可控因子

3. 選擇直交表4. 執行實驗

5. 分析結果與最佳參數組合

獨立因子(A) 衝模間隙(B) 衝程距離(C) 衝擊力量(D) 材料厚度

(E) 材料硬度 相依因子 (Response)

鋼板長度大小

衝模設計參數

參數 水準 衝模間隙 (A) 7.5 in 15 in 22.5 in

衝程距離 (B) 0.5 in 1.0 in 1.5 in

衝擊力量 (C) 100 lb 300 lb 500 lb

材料厚度 (D) 1/16 in 1/8 in 3/16 in

材料硬度 (E) HRc<30 HRc>=30

實驗設定

完成品

in000.0015.0

2

田口直交表L9(34)

L9(34) A B C D1 7.5 0.5 100 1/162 7.5 1.0 300 2/163 7.5 1.5 500 3/164 15 0.5 300 3/165 15 1.0 500 1/166 15 1.5 100 2/167 22 0.5 500 2/168 22 1.0 100 3/169 22 1.5 300 1/16

E1 E2

y1 y2 y3 y4

Response Raw Data

A B C D y1 y2 y3 y4 1 7.5 0.5 100 1/16 35 38 30 372 7.5 1.0 300 2/16 56 57 60 553 7.5 1.5 500 3/16 64 66 63 684 15 0.5 300 3/16 78 79 84 835 15 1.0 500 1/16 58 63 66 72

6 15 1.5 100 2/16 67 75 69 737 22 0.5 500 2/16 83 95 87 908 22 1.0 100 3/16 98 105 92 1079 22 1.5 300 1/16 113 120 116 108

E1 E22.0035 in

y1 y2 y3 y4 Average S/N Ratio

1 35 38 30 37 35 19.852 56 57 60 55 55 28.433 64 66 63 68 65 29.374 78 79 84 83 81 28.795 58 63 66 72 64 20.88

6 67 75 69 73 71 25.787 83 95 87 90 88.78 24.888 98 105 92 107 100.5 23.329 113 120 116 108 114.3 27.08

反應平均值與 S/N比

Response-S/NFactor SS d.o.f. mean sq F

C 39.73 2 19.86D 35.56 2 17.78B 18.74 2 9.37A 1.17 2 0.59

Response-MeanFactor SS d.o.f. mean sq F

A 14424.38 2 7212.19 367.4C 1495.72 2 747.86 38.1B 1421.06 2 710.53 36.2D 880.06 2 440.03 22.4

error 530.00 27 19.63

ANOVA 表

因子 A 於水準 1 之平均效應

33.52

)]65()57()35[(31

因子 A 於水準 2 之平均效應

72

)]71()64()81[(31

因子 A 於水準 3 之平均效應

19.101

)]3.114()5.100()78.88[(31

因子 A 於水準 1 之 S/N 比效應

88.25

)]37.29()43.28()85.19[(31

因子 A 於水準 2 之 S/N 比效應

15.25

)]78.25()88.20()79.28[(31

因子 A 於水準 3 之 S/N 比效應09.25

)]08.27()32.23()88.24[(31

Response -Means

527292

112132

A B C D

Response -S/N

2224262830

A B C D

反應圖

最佳化因子與水準為DCBA 3231

A,B,C and D 因子均顯著影響鋼板長度

獨立因子(A) 衝模間隙(B) 衝程距離(C) 衝擊力量(D) 材料厚度

(E) 材料硬度 相依因子 (Response)

鋼板長度大小

衝模設計參數

最佳化操作條件A1: 衝模間隙 7.5 μin.

B3: 衝程距離 1.5 in.

C2: 衝擊力量 300 lbs.

D3: 材料厚度 3/16 in.

期望反應值

007584.284.7595.74*317.8243.8343.8367.51

33231

yDCBA

如何確認製程之最佳參數。 了解干擾因子可能影響製程功能如材料之硬度變異。 要持續降低變異。

模組 2 得知

因此需要進行田口公差設計

模組 3 –公差設計法田口公差設計

當參數設計法所產生之最佳化操作組合無法有效降低雜音效果時，則公差設計法就需要被應用。

決定材料硬度之差

Hole Plate (from sheet steel)

in000.0015.0

2

孔板長度之尺寸受鋼板硬度 (HRc)之影響假如 HRc變化一單位，則孔板長度之尺寸變化 7 in.

田口損失函數

Nominal

LSL USL

X 是硬度特性 , 而 是對孔板長度影響之效應，當 x 變化一單位時 .

損失函數如下

其中 m 是孔板硬度之目標值 .

22

0

0 )]([ mxL A

β

當硬度無法符合規格公差要求時已損失 A 取代 L

而

因此 ,

22

0

0 )]([ mxA A

)( mx

0

0

*AA

鋼板硬度之公差

硬度之公差以 表示

200,1$0 A300$A

in150 in 7

)(07.17

15*1200300 HRc

Module 3 得知 如何設定材料公差， 根據品質損失 函數。 例如 30 1.07 (HRc).

須於設計階段將品質設計入產品內 .

結論 田口方法是企業提升品質之重要技術。

系統設計是不足以應付精密工業之要求。 參數設計是可達成產品品質最佳化之 經濟方法。

敬請指導 !