田口方法的適用性研究

徐明釗，唐 昭，王 君，張 翔，林 楊，汪冰鳳

（1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2 北京航空航天大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100191）

1 研究背景

田口方法是一種通過設(shè)計(jì)過程和試驗(yàn)技術(shù)來增強(qiáng)產(chǎn)品穩(wěn)健性、同時(shí)降低產(chǎn)品研發(fā)成本的質(zhì)量工程方法，這與現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)所追求的低成本和高效益的目標(biāo)相契合。田口方法應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝的參數(shù)優(yōu)化提升質(zhì)量的效果可觀，證明田口方法具有高度適用性和優(yōu)越性，在經(jīng)濟(jì)實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用前景。

“田口方法”首先由田口玄一博士提出，田口方法結(jié)合了工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)管理的優(yōu)勢特征，使用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和矩陣統(tǒng)計(jì)分析法，應(yīng)用于質(zhì)量管理的實(shí)踐并加以創(chuàng)新［1］。田口方法的核心在于包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)的3 階段設(shè)計(jì)，可以同時(shí)進(jìn)行質(zhì)量和成本的控制，這使田口方法成為一種憑借低成本成就高效益的用于質(zhì)量設(shè)計(jì)的實(shí)用性方法,區(qū)別于傳統(tǒng)提高產(chǎn)品質(zhì)量的方法，田口方法將著眼點(diǎn)由檢驗(yàn)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移至設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)質(zhì)量的提高在于設(shè)計(jì)而非檢驗(yàn)。其原理是將產(chǎn)品的穩(wěn)健性納入產(chǎn)品和工藝制造過程，根據(jù)參數(shù)間的非線性關(guān)系和參數(shù)與環(huán)境及其他干擾因素之間的相互關(guān)系，以對源頭的質(zhì)量控制降低下游生產(chǎn)和使用等不可控因素的干擾，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品質(zhì)量特性波動(dòng)在預(yù)期范圍內(nèi)，對外界白噪聲因素不敏感。

田口方法對產(chǎn)品質(zhì)量與成本的平衡主要是通過引入質(zhì)量損失函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，和大眾對于質(zhì)量的認(rèn)知不同，田口博士認(rèn)為質(zhì)量是產(chǎn)品避免對社會(huì)造成損失的特征。運(yùn)用這一工具可以綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)層面，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、使用、報(bào)廢整個(gè)壽命周期內(nèi)社會(huì)總損失達(dá)到最小。由此質(zhì)量損失可以對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行定量描述，簡單來說，產(chǎn)品的質(zhì)量特性與目標(biāo)設(shè)定值偏差越大，損失就會(huì)越大，即質(zhì)量越差。田口方法提高產(chǎn)品的質(zhì)量沒有使用更高級的原材料或零部件，盡量選用低等級零件來完成優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)、性能穩(wěn)定和抗干擾性強(qiáng)的產(chǎn)品，最終設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能夠在具有穩(wěn)定性的同時(shí)縮減成本。田口方法提出的質(zhì)量損失函數(shù)對于設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝優(yōu)化大有裨益，成本與質(zhì)量的兼顧，高可靠性和短開發(fā)周期使其已經(jīng)成為企業(yè)生產(chǎn)和工程項(xiàng)目的重要方式［2］。

2 田口方法的發(fā)展

2.1 田口方法的淵源

田口方法在二戰(zhàn)后日本經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)和崛起中扮演了重要的角色，日本對田口方法的推廣使其經(jīng)濟(jì)在短期內(nèi)快速發(fā)展實(shí)現(xiàn)騰飛，并將產(chǎn)品深入美國市場打開全球的銷路。

田口方法由日本質(zhì)量工程學(xué)會(huì)名譽(yù)會(huì)長田口玄一博士提出，田口方法自建立及實(shí)施以來，共經(jīng)歷了3 個(gè)發(fā)展階段，如圖1 所示：

圖1 田口方法發(fā)展的三個(gè)階段

第一階段是田口方法建立階段。早在20 世紀(jì)50至70 年代，田口博士提出正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和信噪比建立了田口理論，成功地對豐田、松下等知名企業(yè)進(jìn)行了近百萬個(gè)項(xiàng)目的試驗(yàn)；美國三大汽車巨頭通用、福特和克萊斯勒公司使用田口方法作為操作指南。除此之外，日本重工業(yè)和IT 業(yè)企業(yè)集中地如名古屋、九州等分別成立了專門研究和推廣田口方法的小組，美國上千家知名企業(yè)如杜邦、柯達(dá)、IBM 等以及國防部等政府部門也廣泛對田口方法加以運(yùn)用。田口方法在當(dāng)時(shí)的實(shí)際中已經(jīng)頗有建樹，對工程領(lǐng)域的影響也越來越巨大，眾多研究學(xué)者逐漸認(rèn)識(shí)到田口方法在質(zhì)量計(jì)算方面的重要貢獻(xiàn)，紛紛對田口方法進(jìn)行了科研研究，使得田口方法不斷得到理論的支持和方法的改進(jìn)，應(yīng)用的產(chǎn)品領(lǐng)域也逐漸拓寬，從而推動(dòng)了新產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程。

第二階段是田口理論完善階段。在該階段，田口方法得到了拓展并與其他理論結(jié)合使用，使得最優(yōu)值更加精確也更接近預(yù)期值。首先，田口玄一博士在20 世紀(jì)末期提出的一種研究多維系統(tǒng)的方法——馬田系統(tǒng)（MTS），該方法在田口方法中加入了馬氏距離，并被廣泛應(yīng)用于疾病診斷、數(shù)據(jù)分類、模式識(shí)別以及樣本的診斷和預(yù)測分析。馬氏距離由印度統(tǒng)計(jì)學(xué)家P.C.Mahalanobis 于1936 年提出，用來表示數(shù)據(jù)之間的協(xié)方差距離。馬氏距離具體是由原始數(shù)據(jù)與均值的差值計(jì)算得出，與歐式距離不同，兩點(diǎn)之間的馬氏距離與原始數(shù)據(jù)的測量單位無關(guān)，這也為田口方法的理解和運(yùn)用提供了方便。其次，雙曲面響應(yīng)（DRSM）法是20 世紀(jì)90 年代初興起的結(jié)合田口參數(shù)設(shè)計(jì)思想和統(tǒng)計(jì)回歸模型發(fā)展起來的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法。李昭陽等［3］在2000 年通過正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)模擬噪聲因子變化的方法提高了雙曲面響應(yīng)法的精度，同時(shí)將田口方法和雙重曲面響應(yīng)（DRSM）法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，得出在實(shí)踐環(huán)境下依然有可能選擇田口參數(shù)方法的結(jié)論。在之后的研究中，很多學(xué)者通過將田口方法與其他方法相結(jié)合，對田口方法進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，企圖獲得更加精確的結(jié)果，如結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法、響應(yīng)面法、二叉蟻群優(yōu)化算法、有限元算法、基于嶺估計(jì)、多變量控制圖、FCM 聚類算法等對馬田系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化研究，并將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘、航空航天系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)管理、材料工藝等各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)踐的發(fā)展使得田口理論不斷改進(jìn)和完善，為田口方法在更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用提供了可靠的理論支持。

第三階段是田口方法應(yīng)用階段。近年來，隨著田口理論的不斷發(fā)展和完善，田口方法的應(yīng)用也在同步擴(kuò)展。復(fù)雜產(chǎn)品、工藝加工、數(shù)據(jù)挖掘等高新制造業(yè)領(lǐng)域的許多問題都利用改進(jìn)的田口方法并得到了很好的解決。例如，Ikuo 等［4］對田口方法進(jìn)行創(chuàng)新，首先對所有參數(shù)的所有杠桿進(jìn)行初步調(diào)查，然后利用軟件畫出線形圖表示出每個(gè)參數(shù)不同水平下的均值和偏差，從而對重要的控制因素和無意義的控制因素進(jìn)行評估并排序。此外，Pankaj 等［5］結(jié)合田口方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究出了兩步驟研究策略，由田口方法中正交陣列的離散性質(zhì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法即可從僅有的已知參數(shù)條件下獲得真正的最佳條件。該兩步驟研究策略為田口方法的應(yīng)用提供了一種新思路，眾多研究學(xué)者紛紛效仿兩步驟研究策略的得出方法，考慮將田口方法與其他方法相結(jié)合，逐漸拓寬了田口方法在諸多產(chǎn)品領(lǐng)域中的應(yīng)用。

由于馬田系統(tǒng)在理論完善方面優(yōu)于田口方法，為使其更好地應(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域，對馬田系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化研究也層出不窮。?？±诘龋?-7］提出了一種改進(jìn)的馬田系統(tǒng)優(yōu)化模型，該方法的提出旨在解決馬田系統(tǒng)信噪比和正交表分析結(jié)果的有效性問題，用模型的求解方式取代正交表和信噪比關(guān)鍵變量的篩選，以達(dá)到降低維度、提高數(shù)據(jù)分類精確度的目的。Huang 等［8］認(rèn)為馬田系統(tǒng)（MTS）算法在數(shù)據(jù)挖掘方面是成功和有效的，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）算法又可以解決動(dòng)態(tài)條件問題，因此在綜合MTS 和ANN 算法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了解決模式識(shí)別問題的新穎（MTS-ANN）算法，可用于構(gòu)建動(dòng)態(tài)環(huán)境下的制造檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒁詫?shí)例證明了MTS-ANN 算法可以成功應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘問題的動(dòng)態(tài)環(huán)境。Avishek 等［9］使用“健康”和“不健康”條件的馬氏距離（MD）計(jì)算錯(cuò)誤分類，并通過二進(jìn)制粒子群優(yōu)化（PSO）來解決特征選擇問題。而Edgar 等［10］將基于概率矩陣的二進(jìn)制蟻群優(yōu)化算法應(yīng)用到了解決馬田系統(tǒng)變量選擇的組合優(yōu)化問題中，并通過汽車實(shí)例將二進(jìn)制粒子群算法與二進(jìn)制蟻群算法的結(jié)果進(jìn)行了對比分析。常志朋等［11］則將馬田系統(tǒng)中的實(shí)數(shù)集改進(jìn)成了區(qū)間，并提出了基于區(qū)間數(shù)據(jù)的模糊測度計(jì)算方法，成功地拓寬了馬田系統(tǒng)在模糊積分多屬性決策領(lǐng)域中的應(yīng)用。

以田口方法體系為指導(dǎo)，自誕生以來就在質(zhì)量管控和工藝優(yōu)化等方面都有了良好的表現(xiàn)和特有的優(yōu)勢，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)形成鋪開應(yīng)用之勢。

2.2 田口方法與其他方法的交互

在田口方法與其他方法的比較和融合方面，何楨等［12］在考慮到響應(yīng)曲面模型(Response Surface Modeling，RSM)與田口方法具有相同的試驗(yàn)思想的基礎(chǔ)上，將二者進(jìn)行了比較，具有涇渭分明的特點(diǎn)：田口方法重在實(shí)踐，產(chǎn)生于實(shí)際生產(chǎn)過程，而響應(yīng)曲面模型重在理論，主要是嚴(yán)密的數(shù)學(xué)邏輯和推理。由此分析，何楨等指出如何將田口方法與響應(yīng)曲面模型有效結(jié)合應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)和工藝的參數(shù)優(yōu)化值得進(jìn)一步探究。Palanikumar［13］、Ansalam 等［14］于是在接下來的研究中進(jìn)行了田口方法和響應(yīng)面方法的結(jié)合應(yīng)用。

鄭稱德等［15］將同樣應(yīng)用在在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中的田口方法和可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較。在產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域，田口方法提出以前，占據(jù)主導(dǎo)地位的是可靠性設(shè)計(jì)，而到了70 年代田口方法提出以后，由于田口方法的簡單易操作和高效實(shí)用等特點(diǎn)，很快得到世界范圍內(nèi)的普遍認(rèn)同，因此作者認(rèn)為田口方法與可靠性的結(jié)合使用可以發(fā)揮出更大的潛能。趙新軍等［16］在文中闡釋了田口方法和創(chuàng)造性問題解決理論（TRIZ）在產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)過程中的異同，得出兩種理論的貫通融合在實(shí)踐中具有廣闊的發(fā)展前景。創(chuàng)造性問題解決理論與其他領(lǐng)域知識(shí)結(jié)合可以用于產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，田口方法能夠在實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性的同時(shí)完成成本的控制，最終達(dá)到物美價(jià)廉，從而田口方法與創(chuàng)造性問題解決理論的綜合應(yīng)用具備理論和實(shí)際中的價(jià)值。很多學(xué)者將田口方法與質(zhì)量工程展開（QFD）聯(lián)系在一起，如周亮等［17］進(jìn)行了田口方法與質(zhì)量工程展開結(jié)合應(yīng)用的可行性研究，金瑩等［18］集成質(zhì)量工程展開、創(chuàng)造性問題解決理論、田口方法，探究其組合價(jià)值，三者分別針對于做什么、如何做和具體的參數(shù)設(shè)計(jì)的連貫問題。TRIZ 主要是解決設(shè)計(jì)中的如何做的問題，使產(chǎn)品從理論雛形變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。孫麗麗等［19］在此研究基礎(chǔ)上將該理論應(yīng)用于汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)。此外，張黎［20］整合研究統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)、工程過程控制(EPC)和田口方法，潘爾順等［21］、潘爾順等［22］將田口方法與有限元進(jìn)行結(jié)合的應(yīng)用研究，后有譚廣斌等［23］、金天雄等［24］、朱武等［25］、丁日顯等［26］繼續(xù)此研究。薛躍等［27］探究了測量系統(tǒng)分析（MSA）和田口方法結(jié)合使用的可行性，發(fā)現(xiàn)田口方法與傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)分析存在互補(bǔ)關(guān)系，因此二者的結(jié)合使用有利于提高精準(zhǔn)測量領(lǐng)域的質(zhì)量管理水平。張斌等［28］及林琳等［29］分別進(jìn)行了田口方法與休哈特控制圖理論和SEA 的結(jié)合應(yīng)用問題。何楨等［30］將田口方法與和熵權(quán)理論結(jié)合，董小閔等［31］在傳統(tǒng)遺傳算法基礎(chǔ)上加入田口方法形成混合的田口遺傳算法。

在田口方法的改進(jìn)方面，范大祥［32］在論文中指出可以通過使用仿真軟件來簡化田口方法外表優(yōu)化功能參數(shù)的設(shè)計(jì)，鐘曉芳［33］在研究中提出了關(guān)于田口方法信噪比的改進(jìn)方案，潘爾順等［34］則針對田口方法的質(zhì)量損失函數(shù)進(jìn)行深入剖析并加以改進(jìn)和應(yīng)用，邴韶妮等［35］將田口方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)的正交表和分析模型加以改進(jìn)。此外，汪立國等［36］通過借助編程工具M(jìn)atlab 編寫穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的有關(guān)程序，借此減少和消除由于人工統(tǒng)計(jì)計(jì)算中可能造成的錯(cuò)誤，可以提高可靠性，也有利于田口方法應(yīng)用的推廣。

3 田口方法特征

3.1 田口質(zhì)量觀

田口博士將質(zhì)量定義為產(chǎn)品避免對社會(huì)造成損失的特征。設(shè)社會(huì)損失為L，產(chǎn)品的特性為y，產(chǎn)品特性的最佳值（目標(biāo)值），為m。則田口方法中定義的質(zhì)量損失函數(shù)為：

其中，k為一個(gè)常數(shù)。由質(zhì)量損失函數(shù)可知，產(chǎn)品的特性值離最佳值越遠(yuǎn)，產(chǎn)品造成的社會(huì)總損失越大；反之，產(chǎn)品特性值離最佳值越接近，社會(huì)總損失越小。當(dāng)時(shí)，社會(huì)損失達(dá)到最小值。一般而言，產(chǎn)品的特性很難達(dá)到最佳值，因此，設(shè)為產(chǎn)品可接受的誤差值，則區(qū)間即為產(chǎn)品特性y的合格范圍，超出該范圍視為產(chǎn)品不合格［37］。

田口質(zhì)量觀不僅極為重視產(chǎn)品的質(zhì)量，也考慮到經(jīng)濟(jì)成本。田口博士定義的質(zhì)量損失包括由于空氣污染、雜訊污染等帶來的直接損失和由于顧客對產(chǎn)品不滿意帶來的市場損失等間接損失，這使田口質(zhì)量觀追求產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、使用、報(bào)廢整個(gè)壽命周期內(nèi)社會(huì)總損失達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)適用性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一(Logothetis 等［38］、Juang 等［39］)。

3.2 田口方法的線下質(zhì)量控制

田口方法對質(zhì)量的管理可以劃為線上和線下兩個(gè)部分。線下質(zhì)量控制主要包括設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝優(yōu)化兩方面，通過質(zhì)量的嚴(yán)格把控也可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和工藝的創(chuàng)新。設(shè)計(jì)優(yōu)化重在符合市場的新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)，工藝優(yōu)化重在實(shí)現(xiàn)滿足新產(chǎn)品要求的規(guī)格參數(shù)。線下質(zhì)量控制中的三次設(shè)計(jì)方法是田口方法的核心。建立在試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)之上的三次設(shè)計(jì)方法將新產(chǎn)品的開發(fā)過程分為三個(gè)階段，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第一次設(shè)計(jì)）、參數(shù)設(shè)計(jì)（第二次設(shè)計(jì)）和容差設(shè)計(jì)（第三次設(shè)計(jì)）［40-41］。這是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行質(zhì)量管理，在專業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上用正交試驗(yàn)法對零件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，以求減少各種內(nèi)、外因素對產(chǎn)品功能穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而決定零件最佳組合和最合理的容差范圍，并盡量選用低等級零件來完成優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)、性能穩(wěn)定和抗干擾性強(qiáng)的產(chǎn)品的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法［40,42-43］。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一致，通過對元器件的篩選來減少質(zhì)量波動(dòng)追求目標(biāo)值，是進(jìn)行后續(xù)階段設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。但往往系統(tǒng)設(shè)計(jì)只根據(jù)專業(yè)知識(shí)推定出待考察的因素和水平，盡管多采用上乘的元器件，卻無法對產(chǎn)品的綜合性能和制造成本等進(jìn)行考量，會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)配比不佳造成性能不穩(wěn)或生產(chǎn)成本過高等問題，因此需要進(jìn)一步研究產(chǎn)品的參數(shù)組合。

參數(shù)設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上確定各參數(shù)值的最佳組合，使參數(shù)組合的綜合效應(yīng)最大。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中，會(huì)產(chǎn)生各種復(fù)雜的波動(dòng)現(xiàn)象，造成產(chǎn)品輸出的特性和參數(shù)組合呈現(xiàn)非線性相關(guān)，參數(shù)設(shè)計(jì)就往往需要在這種不確定的情況下來完成，通常使用一些數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法如正交試驗(yàn)、信噪比等，可以在將試驗(yàn)次數(shù)控制在較小的情況下的同時(shí)選定合乎設(shè)計(jì)目標(biāo)值并能夠保持高穩(wěn)定性的參數(shù)組合，因此也稱為參數(shù)組合的中心值設(shè)計(jì)。

容差設(shè)計(jì)是用來確定各參數(shù)最合理的容差范圍，在確定參數(shù)組合的中心值后，從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)一步考慮允許這些因素質(zhì)量特性值的波動(dòng)范圍。盡管完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但仍會(huì)有一些輸出特性存在較大的波動(dòng)范圍，要對波動(dòng)進(jìn)行更嚴(yán)格的控制，需要更換較好的元件，這也會(huì)導(dǎo)致成本的提高。在綜合考慮和平衡用戶體驗(yàn)感受與制造質(zhì)量費(fèi)用的情況下，在容差設(shè)計(jì)的過程中，一方面要使參數(shù)設(shè)計(jì)階段后的產(chǎn)品質(zhì)量損失減小，另一方面也要了解使某些元件容差減小將會(huì)增加成本，容差設(shè)計(jì)的目的在于通過質(zhì)量損失函數(shù)這一工具使社會(huì)總損失達(dá)到最小。

3.3 小結(jié)

田口方法將產(chǎn)品的穩(wěn)定性作為第一考量因素，分析產(chǎn)品的質(zhì)量與各元部件之間的交互關(guān)系，確定使產(chǎn)品穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)水平的組合，對產(chǎn)品質(zhì)量不敏感的非控制因素可以使用低級品原件替代從而降低產(chǎn)品成本。三次設(shè)計(jì)方法兼顧了由內(nèi)外干擾引起的產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)，通過低成本的層次與質(zhì)量水平的結(jié)合，可以滿足高質(zhì)量低成本的設(shè)計(jì)要求，因此對于產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)優(yōu)化非常有效。

4 田口方法的適用性

田口方法的線下質(zhì)量控制主要應(yīng)用于開發(fā)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。本文將搜集到的部分有關(guān)田口方法應(yīng)用的研究文獻(xiàn)從設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝優(yōu)化兩方面進(jìn)行了總結(jié)和歸納。

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高質(zhì)量

上世紀(jì)五六十年代，可靠性設(shè)計(jì)一直占據(jù)主導(dǎo)地位，70 年代以來，田口方法在以其高度的便捷性、實(shí)用性、高效性迅速在世界范圍內(nèi)得到普遍認(rèn)可并推廣至各領(lǐng)域，甚至被稱作“21 世紀(jì)的設(shè)計(jì)方法”，田口方法可以在產(chǎn)品獲得高性能穩(wěn)定性的同時(shí)降低成本，并在應(yīng)用上具有靈活實(shí)用的特點(diǎn)，這使其成為一門應(yīng)用性很強(qiáng)的新技術(shù)。與可靠性設(shè)計(jì)方法相比，田口方法不具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)依賴性，對于誤差因素僅僅要知道它的波動(dòng)水平，而不對其分布函數(shù)有要求，因此，田口方法的數(shù)據(jù)獲取相對便利。在新產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)中，田口方法進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)不必對于新產(chǎn)品的特性及分布及其了解，得出最優(yōu)解僅僅需要找出讓產(chǎn)品輸出的信噪比最大。

國際競爭中，產(chǎn)品的開發(fā)是提高產(chǎn)品競爭力的一個(gè)重要方面。我國正處于經(jīng)濟(jì)中高速發(fā)展的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展階段，在設(shè)計(jì)開發(fā)中使用田口方法，能夠在控制費(fèi)用的前提下在短周期內(nèi)開發(fā)出兼具高質(zhì)量于低成本的產(chǎn)品，這對提高我國的綜合國力大有裨益。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量層面進(jìn)行創(chuàng)新愈發(fā)受到企業(yè)的重視，將其視為產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的重要環(huán)節(jié)之一，將田口方法等新方法應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)階段,來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的管理。我國制造業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)品質(zhì)量控制方面也日益精進(jìn),然而在設(shè)計(jì)開發(fā)上卻有所遲滯,這也使得我國企業(yè)的競爭力在日益激烈的全球競爭中不容樂觀。面對我國企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力落于下乘的不利局勢,孫麗麗等［44］在文章中強(qiáng)調(diào)田口方法在產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)中的重要作用。

林琳等［45］在文章中闡述了以田口方法的質(zhì)量損失函數(shù)為基礎(chǔ)的SEA 模型設(shè)計(jì)方法,把質(zhì)量損失函數(shù)及容差成本函數(shù)兩個(gè)模型結(jié)合起來。該方法能夠使質(zhì)量系統(tǒng)更具穩(wěn)定性，效率也得到優(yōu)化，并以實(shí)例證明了該方法的有效性。邢天偉［46］利用田口方法實(shí)現(xiàn)了多工況下平順性參數(shù)的穩(wěn)健設(shè)計(jì),同時(shí)提出,多工況下汽車平順性評價(jià)的穩(wěn)健方法可以圓滿解決了剛度不匹配問題。張軍等［47］基于田口方法構(gòu)造多個(gè)目標(biāo)的規(guī)劃模型，改良綜合質(zhì)量特性和單個(gè)質(zhì)量特性,以此在效果有所改進(jìn)。

Singiresu［48］在設(shè)計(jì)階段使用田口方法，實(shí)現(xiàn)了渦輪機(jī)最大化的能量輸出，并考慮到公差的設(shè)計(jì)問題，能夠讓風(fēng)力渦輪機(jī)的性能波動(dòng)幅度在較小水平的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。Benardos 等［49］依據(jù)田口方法的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理在CNC 銑床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出的用于訓(xùn)練和檢查網(wǎng)絡(luò)性能的數(shù)據(jù)，提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法。Somayeh 等［50］在田口方法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的系統(tǒng)識(shí)別算法，具有識(shí)別多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)以及具有未知參數(shù)值范圍的系統(tǒng)的能力可以有效節(jié)省處理時(shí)間，并會(huì)導(dǎo)致更準(zhǔn)確的估計(jì)。Mohammad 等［51］采用田口方法研究了隨機(jī)振動(dòng)載荷作用下的電子汽車的疲勞壽命性能,提出用于最佳疲勞性能的最佳設(shè)計(jì)。Ying 等［52］基于MPPT 的光伏系統(tǒng)使用田口方法正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)，日照和溫度分別被視為輸入和噪聲。Ikuo 等［53］對使用田口方法的創(chuàng)新工具軟件開發(fā)進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)該工具可用于短期且低成本的開發(fā)并可以快速準(zhǔn)確地確定最佳冷卻條件。

在當(dāng)前,我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展還與發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體有較大差距,企業(yè)在生產(chǎn)設(shè)計(jì)、制造管理、技術(shù)創(chuàng)造等方面仍不夠成熟，同類產(chǎn)品質(zhì)量上居于下位,經(jīng)濟(jì)效益低，回報(bào)與投入難以相稱。在一定程度上，田口方法的使用可以改善我國技術(shù)創(chuàng)新和質(zhì)量改進(jìn)方面的落后面貌,在優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量提升方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。

4.2 優(yōu)化工藝以提高質(zhì)量

田口方法是通過正交試驗(yàn)以及各種評價(jià)指標(biāo)來有效地評定不同設(shè)計(jì)參數(shù)對相應(yīng)指標(biāo)單獨(dú)以及交互的影響作用，并給出最佳工藝參數(shù)組合［54］。該方法也被廣泛應(yīng)用于提高產(chǎn)品質(zhì)量的參數(shù)優(yōu)化研究中。

Nalbant 等［55］、Der［56］、Sudhir［57］使用田口方法的正交陣列、信噪比和方差分析，以此優(yōu)化車削表面粗糙度的3 個(gè)切削參數(shù)。Yu 等［58］將田口方法用于探索五個(gè)幾何參數(shù)的影響，從而獲得了PEC 的最優(yōu)因子組合。Jinn 等［59］在研究中提出了一種混合的田口遺傳算法（HTGA）可以解決具有連續(xù)變量的全局?jǐn)?shù)值優(yōu)化問題。同時(shí)，Jinn 等［60］采用混合田口遺傳算法（HTGA），將田口方法的系統(tǒng)推理能力整合到交叉操作中，以選擇更好的基因來實(shí)現(xiàn)交叉，從而增強(qiáng)遺傳算法。Satish 等［61］將田口方法的正交陣列用于兩種操作模式的傳熱和信噪比的計(jì)算，憑借實(shí)用程序的概念與田口結(jié)果的組合能夠得到一組最佳的控制變量水平。Aidin 等［62］使用田口方法評估噪聲因素的影響，優(yōu)化模擬軟件中的檢查次數(shù)，確定了當(dāng)前的能耗模式并將其轉(zhuǎn)換為組件類型的優(yōu)化選項(xiàng)。Ching 等［63］使用田口方法來計(jì)劃和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以與PCB 和機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)的參數(shù)作為控制因素，將與設(shè)備連接以進(jìn)行操作的外圍設(shè)備當(dāng)做噪聲因素,可以確定最佳參數(shù)組合。Abdullah［64］使用正交陣列研究加工參數(shù)的影響，使用信噪比確定最佳切割條件，闡釋了用田口方法來設(shè)計(jì)研究切削刀具涂層材料和切削速度對切削力和表面粗糙度的影響的實(shí)驗(yàn)。

張啟明等［65］在獲得神州系列某型號(hào)5A06 鋁鎂合金過濾器產(chǎn)品電子束焊端面最佳焊接參數(shù)時(shí)，利用田口方法可以減少試驗(yàn)次數(shù)，降低研發(fā)成本，并評定焊接因子及其交互作用對焊縫的影響，最終得出各焊接因子對焊縫質(zhì)量影響的主次，為焊接工藝優(yōu)化及熔池研究提供焊接工藝參數(shù)。田口方法可以通過對不同參數(shù)構(gòu)成的產(chǎn)品實(shí)行功能性評價(jià)，選擇出最佳設(shè)計(jì)方案，從而使產(chǎn)品更穩(wěn)健。朱武等［66］運(yùn)用田口方法及有限元分析的方法控制汽車板料包邊的邊界縮進(jìn)，通過對其參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的過程，選取出最優(yōu)的一組設(shè)計(jì)參數(shù)，該方法可以為優(yōu)化汽車板料包邊參數(shù)提供借鑒和參考。

孟志軍等［67］在文章中總結(jié)了部分關(guān)于Cu-Ag合金的研究，如文雪峰等［68］在田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，對 ADC12 鋁合金廢屑固相再生壓制(CSP)坯料質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究，并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。汪先送等［69］采用田口方法對 Al-Cu 合金擠壓鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并最終獲得了能夠制備優(yōu)良力學(xué)性能的最佳工藝參數(shù)。趙凱陽等［70］采用Magma 軟件對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱體低壓鑄造過程進(jìn)行了仿真，并利用DOE 田口設(shè)計(jì)方法分析了該鑄件局部出現(xiàn)的孔隙缺陷及其產(chǎn)生的原因，依據(jù)模擬結(jié)果對鑄造工藝進(jìn)行了優(yōu)化，取得了非常明顯的效果，工藝改進(jìn)使鑄件的缺陷率降低了98%。在發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于Cu-Ag 合金的研究缺少對母材的鑄造過程和鑄件質(zhì)量的研究，而Cu-Ag 合金鑄件或鑄坯的質(zhì)量將會(huì)直接影響到后期再加工成形件的質(zhì)量后，孟志軍在文章中采用田口方法以及數(shù)值模擬的方法對Cu-45Ag 合金金屬型鑄造工藝進(jìn)行研究，獲得了工藝參數(shù)對Cu-45Ag 合金鑄件質(zhì)量的影響，并對鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

在現(xiàn)實(shí)的加工過程里，工藝參數(shù)不僅會(huì)影響到加工的質(zhì)量與成本等指標(biāo)，也會(huì)影響到能量效率，適合的工藝參數(shù)的選取可以實(shí)現(xiàn)能耗節(jié)約。Zhou等［71］在地面熱交換器（GHE）的兩個(gè)重要設(shè)計(jì)因素鉆孔熱阻和內(nèi)部熱阻的研究中，使用田口方法來優(yōu)化對鉆孔熱阻和內(nèi)部熱阻值影響的八個(gè)參數(shù)（流速，管道尺寸，鉆孔直徑，管道距離，分層土壤，灌漿導(dǎo)熱率，管道導(dǎo)熱率和鉆孔深度），建立了L32 正交陣列，執(zhí)行田口方法可以獲得參數(shù)組合的最佳方案。李聰波等［72］基于田口法規(guī)劃優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，并基于響應(yīng)面法建立工藝參數(shù)與比能和加工時(shí)間的回歸方程，構(gòu)建了以銑削加工工藝參數(shù)為變量、以高能效和高效率為優(yōu)化目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型。鑒于國內(nèi)外欠缺有關(guān)3D 打印能耗的相關(guān)研究，而FDM 成型打印技術(shù)不僅具有成本低的優(yōu)勢，還能保持很高的可靠性，因此在實(shí)際中應(yīng)用廣泛。楊少遠(yuǎn)等［73］為研究工藝參數(shù)與FDM3D 打印機(jī)能效耦合的復(fù)雜機(jī)理，提出一種基于田口法的FDM3D 打印機(jī)工藝參數(shù)能效優(yōu)化方法。運(yùn)用田口方法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的搜集和使用信噪比方法建模，可以得出工藝參數(shù)對FDM3D 打印機(jī)加工能耗的影響，并給出了面向最高能效和最高打印效率的優(yōu)化工藝參數(shù)組合。對于帶鋸鋸切這種多影響因素的工序，賈寓真等［74］將田口方法引入到雙金屬帶鋸條鋸切調(diào)質(zhì)軸承鋼的鋸切參數(shù)優(yōu)化中，得到了在不同參數(shù)條件下對于鋸切面積和第一刀鋸切效率的影響規(guī)律。Aidin 等［62］在建筑物的設(shè)計(jì)和建造中旨在確定建筑圍護(hù)材料的最佳組合，為了優(yōu)化模擬軟件中的檢查次數(shù)，使用田口方法評估噪聲因素的影響，確定了當(dāng)前的能耗模式，并將其轉(zhuǎn)換為組件類型的優(yōu)化選項(xiàng)。這種新穎方法的結(jié)果提供了有關(guān)改進(jìn)的節(jié)能材料在建筑構(gòu)件中的性能的適當(dāng)信息，同時(shí)考慮了噪聲因素以實(shí)現(xiàn)更可靠的結(jié)果。

4.3 田口方法的局限性

沒有絕對完美的方法和理論，盡管田口方法具有簡單易操作、高效實(shí)用等諸多優(yōu)勢，同時(shí)也要注意其有一定的適用性和局限性。田口方法的核心在于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和質(zhì)量損失理論，其中對于因子的選擇、交互作用和質(zhì)量特性的確定是實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。茆詩松等［75］指出，田口方法對于因子和質(zhì)量特性的考慮極為重視，這是田口方法中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，不當(dāng)?shù)囊蜃雍唾|(zhì)量特性的選擇，極大可能會(huì)增加因子間的交互作用，從而使實(shí)驗(yàn)歸于失敗。

田口方法為提高實(shí)驗(yàn)的成功率提出了正交表和驗(yàn)證試驗(yàn)作為解決辦法，但通常難以彌補(bǔ)該缺陷，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的樂觀效果，驗(yàn)證試驗(yàn)只能在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)考慮到的因子內(nèi)進(jìn)行最優(yōu)水平的檢驗(yàn)，而無法包括未被列入試驗(yàn)的重要因子及其交互作用的考察［39］。

田口方法將因子劃分為可控因子和噪聲因子，可控因子的處理較為簡單，難點(diǎn)在于噪聲因子的控制。為使噪聲因子的波動(dòng)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，往往需要很大的花費(fèi)從而增加了成本，不能達(dá)到應(yīng)用田口方法減少成本的初衷。

5 總結(jié)

田口方法應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)和工藝參數(shù)的優(yōu)化實(shí)踐效果可觀，眾多田口方法的成功實(shí)例表明了低成本、高質(zhì)量及短開發(fā)周期的設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝優(yōu)化是可能的和極有成效的，這也證明田口方法具有高度適用性和優(yōu)越性。但田口方法仍有一定局限，需要與其他方法結(jié)合使用發(fā)揮其優(yōu)勢特征，解決實(shí)際中出現(xiàn)的復(fù)雜問題。

但田口方法的理論和思想為更多領(lǐng)域設(shè)計(jì)和工藝和優(yōu)化提供了思路。當(dāng)前加速發(fā)展的國際競爭使得各國創(chuàng)新進(jìn)程不斷加快，創(chuàng)新作為國家戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)，掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段質(zhì)量創(chuàng)新的先進(jìn)技術(shù)成為在競爭中取得成功的關(guān)鍵。在產(chǎn)品研發(fā)過程中，由于其自身的復(fù)雜性和關(guān)聯(lián)性，研發(fā)出高可靠性的產(chǎn)品系統(tǒng)已相當(dāng)困難，同時(shí)還要面臨低成本、需求多樣化等嚴(yán)苛要求。而選擇田口方法可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化，通過生產(chǎn)上游的管理實(shí)現(xiàn)成本和質(zhì)量的有效控制；通過質(zhì)量損失函數(shù)可以優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，解決產(chǎn)品系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理問題，并且對于信噪比的控制還能夠幫助降低白噪聲，提高研發(fā)質(zhì)量。在工程項(xiàng)目中田口方法可以優(yōu)化參數(shù)組合，企業(yè)應(yīng)用田口方法可以塑造良好口碑樹立品牌。同時(shí)，田口方法提倡應(yīng)用更低價(jià)的原件組合設(shè)計(jì)和制造出高品質(zhì)產(chǎn)品，并且以先進(jìn)的試驗(yàn)技術(shù)來降低設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用，這也使得田口方法成為增加項(xiàng)目和企業(yè)收益的一個(gè)新方向。