质量课程设计最终版.docx

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质量课程设计最终版

郑州航空工业管理学院

课程设计报告

2007届工业工程专业0705072班级

课程名称质量工程学课程设计

题目抛射器的性能设计与改进

姓名学号070507

指导教师刘玫职称教授

二О一0年十一月十九日

课程设计任务书

一、设计题目

抛射器的性能设计与改进

二、设计依据

1、抛射器的性能设计和改进要求：

抛射器一台，可任意设置每个因素的不同水平做抛球试验，如下图：

2、六西格玛改进流程DMAIC步骤及要求。

3、六西格玛改进流程DMAIC案例。

三、设计内容

根据给定的抛射器设计和制作要求，六西格玛改进流程DMAIC步骤及要求，及其相关案例，定义相关的性能指标，建立性能的测量方法，分析影响性能的原因，找出因素的最优设置，设计抛射器技术要求，对产品的质量进行抽样和控制评价。

目录

一课程设计概述2

1.课程设计简介2

2.课程设计的性质和目的2

3.课程设计的内容3

二．DMAIC的各个阶段3

1.界定阶段3

1.1.界定阶段任务4

1.2.选择项目4

1.3．项目确定5

1.4.项目实施5

1.5.课程设计小组成员任务分配表6

2.量测阶段7

2.1试验设计7

2.2.具体实验步骤7

3.分析阶段10

3.1分析实验结果10

3.2直观分析11

3.3计算分析12

3.4比较直观分析与计算分析的结果14

3.5画出趋势图进一步寻求好条件15

4.改进阶段17

5.控制阶段18

6.解释结果20

三总结20

参考文献23

抛射器的性能设计与改进

一课程设计概述

1．课程设计简介

（1）6σ管理实质上包括两个方面，即六西格玛设计（DFSS）和六西格玛改进（DMAIC）。

前者一般指全业务流程的重组与优化，即全局最优；后者一般指DMAIC改进流程，即局部优化。

（2）本课程设计主要针对六西格玛改进（DMAIC），对六西格玛设计（DFSS）不做过多要求。

2.课程设计的性质和目的

本课程设计是与《质量工程学》配套的实践环节之一。

在完成理论教学基础上，对学生进行一次全面的实操性锻炼，采用制造企业的实际案例和数据，要求学生完成某一方面的实际设计内容，包括统计过程控制、试验设计等内容。

通过本环节的设计锻炼，让学生加深对本课程理论与方法的掌握，同时具备分析和解决生产运作系统问题的能力，改变传统的理论教学与生产实际脱节的现象。

同时学生应掌握以下技能：

（1）能正确运用工业工程基本原理及有关专业知识，应用DMAIC改进流程和质量控制方法对产品的质量相关方面进行分析；

（2）通过本次设计，熟悉6σ质量管理工具MINITAB在DMAIC改进流程中的应用，学会怎样运用这个工具对产品性能进行分析，对生产流程进行改进；（3）通过此次课程设计，树立正确的设计思想，培养学生运用所学专业知识分析和解决实际问题的能力。

能正确运用质量工程基本原理及有关专业知识，应用DMAIC改进流程和质量控制方法对产品的质量相关方面进行分析。

通过本次设计，熟悉6σ质量管理工具MINITAB在DMAIC改进流程中的应用，学会怎样运用这个工具对产品性能进行分析，对生产流程进行改进。

3.课程设计的内容

质量工程课程设计的主要目标是：

培养学生运用所学专业知识进行分析，发现现有质量系统的问题所在，以及应采用何种方法对其进行改进，还要对改进的结果做出初步的预测。

本课程设计包括两个阶段：

一是认真阅读和学习知识准备部分；二是仔细完成课程设计的步骤和要求。

本次课程设计的主要内容有：

1、了解DMAIC流程五个步骤的含义；2、掌握DMAIC流程改进的方式和技术工具MINITAB；3、完成对所选案例的改进。

二．DMAIC的各个阶段

1.界定阶段

界定阶段是6σ项目DMAIC过程的第一个步骤，它确定顾客的关键需求并识别需要改进的过程

1.1.界定阶段任务

要为项目正式启动做好工作，必须明确这些问题：

（1）如何选择与确定项目？

（2）如何分析项目？

（3）如何描述项目？

而同时这些问题也正是界定阶段的基本任务。

1.2.选择项目

如图2-1为田口抛射实验的实验模型，为获取最远抛射距离，优化并简化实验程序，决定对此试验进行正交试验设计，进而用高效率高标准高质量获取最远抛射距离这一实验的设计目标。

图2-1抛射实验的实验设备

实验目标特性类同于产品目标特性通常为计量值，计量值的特性又分为望目、望大、望小、望稳健。

所谓望目性指有具体目标值要求的特性；望大特性指希望目标值越大越好的特性；望小特性指希望目标值越小越好的特性；望稳健特性指希望达成目标的这一系统或过程的稳定性值和健壮性值越高越好。

对此实验进行望大特性的正交试验设计，获取最远抛射距离这一实验的设计目标。

1.3．项目确定

根据三“M”原则（Meaningful（有意义的），Manageable（可管理的），Measurable（可测量的））、SMART原则（S，Simple（简单明了）；M，Measurable（可量化的）；A，Agreedto（达成一致意见）；R，Reasonable（合理考虑先进性和成功的可能性）；T，Time-based（在一定时间内完成））确定项目评价标准。

分析影响获取最远抛射距离这一试验设计目标的各种因素。

通过仔细观察，根据实验所提供的现有仪器设备和实际研究应用中的需要，每个因素的水平选取3个（实验仪器上的发射角的水平大于3个和另有终止位置和弹杆主轴的位置这两个因素）。

1.4.项目实施

利用选定的正交表安排实验计划，把前挂位置、侧挂位置、挂钩位置、延长臂、开始位置、结束位置、支点位置，这四个因素安放在上表列号分别标有1、2、3、4、5、6的位置。

然后,把L18（37）正交表第一列的1字码换成“高”,2字码换成“中”，3字码换成“低”。

第二列1字码换成“高”，2字码换成“中”，3字码换成“低”。

第三列1字码换成“高”，2字码换成“中”，3字码换成“低”。

第四列1字码换成“短”，2字码换成“中”，3字码换成“长”。

第五列1字码换成“长”，2字码换成“中”，3字码换成“短”。

第六二列1字码换成“长”，2字码换成“中”，3字码换成“短”。

第七列1字码换成“长”，2字码换成“中”，3字码换成“短”。

将球放置在弹射棒末端圆形底部支座内，依据正交表中实验号1所要求的分别将前挂的位置、侧挂位置、挂钩位置、延长臂、开始位置、结束位置、支点位置选在与高、高、高、短、长、长、长相对应的位置上。

然后发射，本实验号做三次实验，记录三次测量值并取平均值记录存档。

1.5.课程设计小组成员任务分配表

表1-1小组成员任务分配表

成员

职责

工作内容

统筹安排课程设计进

程负责控制阶段

设计正交实验，进行方差分析，制作控制图

负责界定阶段

界定性能指标，协助组员进行数据的录入算

负责量测阶段

对抛射器结构分析，测量方法和测量系统设计

负责分析和改进阶段

使用统计工具寻找问题原因，进行分析并寻找关键因素，统计全析因实验数据和控制图

2.量测阶段

2.1试验设计

为了测量七个因素对抛射器的抛射距离的影响程度，我们采用试验设计的手段来进行量测。

试验设计（DesignOfExperiments,DOE）是一种应用统计思想来处理变异从而达到改进产品质量和工艺过程的科学方法。

它广泛应用于教学实验和产品工艺参数稳健设计以及工艺过程的优化。

为获取最远抛射距离，优化并简化实验程序，决定对此试验进行正交试验设计，进而达到高效率高标准高质量获取最远抛射距离这一实验的设计目标。

2.2.具体实验步骤

2.2.1.明确实验目的和考核目标

实验目标特性类同于产品目标特性通常为计量值，计量值的特性又分为望目、望大、望小、望稳健。

所谓望目性指有具体目标值要求的特性；望大特性指希望目标值越大越好的特性；望小特性指希望目标值越小越好的特性；望稳健特性指希望达成目标的这一系统或过程的稳定性值和健壮性值越高越好。

对此实验进行望大特性的正交试验设计，获取最远抛射距离这一实验的设计目标。

2.2.2合理确定实验方案

合理确定实验方案即安排实验计划。

安排实验计划的程序如下：

（1）挑因素，选水平，制定因素水平表。

分析影响获取最远抛射距离这一试验设计目标的各种因素。

通过仔细观察，根据实验所提供的现有仪器设备和实际研究应用中的需要，每个因素的水平仅选取3个（实验仪器上的发射角的水平大于3个和另有终止位置和弹杆主轴的位置这两个因素）。

选取挂钩距底座的高度（A）的三个水平：

1、2、3,选取木销距底座的高度（B）的三个水平：

1、2、3，选取挂钩的高度（C）的三个水平：

1、2、3，选取延长臂（D）的三个水平：

1、2、3，选取开始位置（F）的三个水平：

1、2、3，选取结束位置（G）的三个水平：

1、2、3，选取支点（H）的三个水平：

1、2、3，把这些因素和水平列成因素水平表。

如表2-1所示。

表2-1因素水平表

水平

因素

前挂位置

A

侧挂位置

B

挂钩位置

D

延长臂

E

开始位置

F

结束位置

G

支点位置

H

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

3

3

3

3

3

3

3

3

表中：

1、2、3表示各因素的水平值

（2）选用合适的正交表

根据这个实验的因素是7个，每个因素都选了3个水平，由于用正交表安排实验时，一般不考虑三个因子以上的交互作用。

这是因为，三个因子以上的交互作用一般数值较小，另外在技术分析上也很困难。

抛射实验的因子数为7个，因此不考虑其交互作用。

选用L9（34）正交表来安排这个实验。

示意如下：

其中L是正交表的代号，下标18是表的行数，也就是用这张正交表安排实验时，实验的条件数，当每一条件只进行一次实验时，它也是实验的次数，当每一条件下只进行一次实验时，它也是试验的次数。

括号中的指数7表示这张表的列数，用这张表安排实验时所能考察的因素的最多数目；底数3表示数的主体仅由三个数字构成。

用表2-2安排实验时，表示因素所取的水平数。

（3）利用选定的正交表安排实验计划

吊钩与底座的垂距、木栓与底座的垂距、挂钩、弹球支座与底座的垂距、起始角、结束位置、支点这7个因素安放在上表列号分别标有数字相对应的位置。

将球放置在弹射棒末端圆形底部支座内，将橡皮筋两端的挂钩依据正交表所要求的实验号1分别挂在木栓距底座的高度为水平1处,弹射球支点距底座的高度为水平1处，挂钩距底座的高度为水平1处，发射角与底座水平夹角为水平1处。

然后发射，本实验做三次实验，记录三次测量值并取平均值记录存档。

同理，之后的实验以此类推。

在实验中为方便测量可将球表面涂抹白灰，同时，须有两名同学协助观测确切的落地点，还须有两名同学协助测量准确的抛射距离值。

表2-2L18（37）正交表

因素

试验号

A

B

D

E

F

G

H

1

1

1

1

1

1

1

1

2

1

2

2

2

2

2

2

3

1

3

3

3

3

3

3

4

2

1

1

2

2

3

3

5

2

2

2

3

3

1

1

6

2

3

3

1

1

2

2

7

3

1

2

1

1

2

3

8

3

2

3

2

1

3

1

9

3

3

1

3

2

1

2

10

1

1

3

3

2

2

1

11

1

2

1

1

3

3

2

12

1

3

2

2

1

1

3

13

2

1

2

3

1

3

2

14

2

2

3

1

2

1

3

15

2

3

1

2

3

2

1

16

3

1

3

2

3

1

2

17

3

2

1

3

1

2

3

18

3

3

2

1

2

3

1

表中：

1、2、3表示各因素的水平值

3.分析阶段

3.1分析实验结果

在对正交试验所获数据进行分析时，与采用计算贡献率代替F检验相似，我国学者林少宫等提出用极差分析法代替方差分析法。

极差分析比较简单直观，适于在生产现场使用。

采用这种方法时，忽略交互作用，直接根据因子水平的个数选择相应的正交表。

数据分析时，先求同一列相同水平的数据之和，然后根据它们之间的极大值与极小值之差（即极差），并结合结果最好的实验来确定各因子的最佳水平组合。

表2-3中最右边一栏是实验指标偏差量，待实验做完后，将其录入。

在18个实验全部完成之后，且将实验指标偏差量录入后，如何分析实验结果便是一个正交试验的重要内容。

一是通过直接比较18个实验的偏差量进行分析，即直观分析；二是通过简单的计算来进行分析，即计算分析，初选出较好的水平配合。

然后再通过画因素与指标关系图观察水平的变化趋势，展望可能更好的水平配合，经过进一步验证，确定较优的水平配合。

通过我们组全体人员参与的实验，我们相互之间进行合作，测出了每个因素每个水平下的实验数据，为了使结果更准确，我们进行了多次测量，并求其平均值，最终我们得到了如表2-3所示的结果，随后我们对表中的数据进行了分析和计算。

3.2直观分析

直接比较18次实验的实验结果，显而易见：

第16次实验的抛射距离最大值为147cm，其实验条件为A3B1D3E2F3G1H2,其次是第9次实验的抛射距离为128cm，实验条件为A3B3D1E3F2G1H2。

这些较好的实验结果是通过实验直接得到的，应该认为比较可靠。

但A3B1D3E2F3G2H2,是否就是最优的水平配合呢？

是否有更好的条件可以使抛射距离远一些呢？

此时还需进行简单的计算分析。

表2-3试验计划与结果分析综合表

A

B

D

E

F

G

H

实验结果

1

1

1

1

1

1

1

1

0

2

1

2

2

2

2

2

2

0

3

1

3

3

3

3

3

3

0

4

2

1

1

2

2

3

3

0

5

2

2

2

3

3

1

1

90

6

2

3

3

1

1

2

2

0

7

3

1

2

1

1

2

3

100

8

3

2

3

2

1

3

1

0

9

3

3

1

3

2

1

2

128

10

1

1

3

3

2

2

1

0

11

1

2

1

1

3

3

2

0

12

1

3

2

2

1

1

3

0

13

2

1

2

3

1

3

2

0

14

2

2

3

1

2

1

3

0

15

2

3

1

2

3

2

1

0

16

3

1

3

2

3

1

2

147

17

3

2

1

3

1

2

3

0

18

3

3

2

1

2

3

1

0

Ⅰ

0

247

128

100

0

365

90

Ⅰ

+Ⅱ

+Ⅲ

=465

Ⅱ

90

0

190

147

128

100

275

Ⅲ

375

128

147

218

337

0

100

R

375

247

62

118

337

365

185

表中：

1、2、3表示各因素的水平值

3.3计算分析

上表中的“Ⅰ”表示每列因素的三个水平1的实验结果之和。

“Ⅱ”表示每列因素的三个水平2的实验结果之和。

“Ⅲ”表示每列因素的三个水平3的实验结果之和。

每列因素的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和R计算方法具体如下：

如第一列的因素A吊钩与底座的垂距是“Ⅰ”：

表示每列因素的三个水平1的实验结果是所对应的实验号1、2、3、10、11、12的实验结果之和。

即:

“Ⅰ”=

（1）+

（2）+（3）+（10）+（11）+（12）=0cm。

同理：

“Ⅱ”=（4）+（5）+（6）+（13）+（14）+（15）=90cm。

“Ⅲ”=（7）+（8）+（9）+（16）+（17）+（18）=375cm。

第1列：

Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，水平3最好，选取吊钩与底座的垂距是水平3。

第2列：

Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ，水平1最好，选取木栓与底座的垂距是水平1。

第3列：

Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ，水平2最好，选取挂钩的垂距是水平2。

第4列：

Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，水平3最好，选取延长臂的水平是3。

第5列：

Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，水平3最好，选取开始位置的水平是3。

第6列：

Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，水平1最好，选取结束位置的水平是1。

第7列：

Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ，水平2最好，选取支点的水平是2。

极差R的大小用来衡量实验中相应因素作用的大小。

极差大的因素，意味着它的三个水平对于指标的影响较大，通常是重要因素；而极差小的因素往往是不重要的因素。

此实验中，对于抛射距离影响最重要的因素是前挂位置A，结束位置G次之，开始位置F第三，侧挂位置B第四，挂钩位置D、延长臂E、支点H为一般因素。

于是，因素的主次排序顺序是：

主A，G，F，B，H，E，D次

由计算得到的较好加工条件是A3B1D2E3F3G1H2。

3.4比较直观分析与计算分析的结果

从上述分析可知，直观分析的较好实验条件为A3B1D3E2F3G2H2,。

计算分析的较好实验条件为A3B1D2E3F3G1H2。

这个实验共有7个因素3个水平，可以产生37=2187个实验条件，由正交表选出的18个实验条件只是其中的一部分，即1／121.5。

然而，凭借正交表的正交性，这18个条件均衡分散在2187个实验条件之中，它们的代表性很强，所以直观分析的较好条件A3B1D3E2F3G2H2,在全体2187个实验条件中的效果会是相当好的。

即它可以使抛射距离较为理想化。

但是18个实验条件毕竟有限，即使不改进水平，也还有进一步获取更远抛射距离的可能。

计算分析的目的是为展望下一个更好的实验条件。

对大多数项目来说，当计算分析的好条件不在已经做过的18个实验条件之中时，将会超过直观分析的好条件。

本实验的计算分析的较好实验条件为A3B1D2E3F3G1H2就不含在已经做过的18个实验条件之中。

但对于少数项目来讲，计算分析的好条件都比不上直观分析的好条件。

由上分析可见，计算分析的好条件，只是一种可能好的配合而已。

因此必须补充试验分析一下计算分析的好条件。

经过实验证明，如果效果确实好，则用计算分析的好条件进行实际应用，如果实验后的较好条件比不上直观分析的较好条件，就说明该实验情况较为复杂，也可能在少数情形下，计算分析的好条件确实不如直观分析的好条件。

这时，可以继续验证，在实际生产生活中，可以先使用直观分析的好条件，也可以结合具体实际情况做些适当修改，以寻求更优效果。

3.5画出趋势图进一步寻求好条件

趋势图，又叫因素与指标关系图。

用因素的水平作横坐标，用同水平的实验结果之和作为纵坐标，画出趋势图。

对于定量因素用实线把各点连起来，对于定性因素，则用虚线表示每种水平实验结果之和。

见图2-1趋势图。

390

370

350

330

310

290

270

250

230

210

190

170

150

130

110

90

123123123123水平

（A）（G）（F）（B）

图2-1TendencyPlot（趋势图）

从趋势图可看出，A因素、G因素、F因素有改善的潜能，B因素和其它因素不容易改善，吊钩与底座的垂距A还可以增加两个水平4和5。

开始位置F和结束位置G也可以分别增加两个水平4和5。

这样又可进一步做探索实验。

因素水平表安排如表2-4：

表2-4探索实验的因素水平表

因素

水平

A

G

F

4

4

4

4

5

5

5

5

表中：

4、5表示各因素的水平值

这时，只要选用L4（23）正交表来安排实验就行了。

通过实验最终可能找到比直观分析的较好实验条件A3B1D3E2F3G2H2和计算分析的较好实验条件A3B1C2D3A3B1C2更好的水平配合，即可以使抛射器的抛射距离更远。

若找到后，则做几次重复的验证实验，实验证明效果很好，就可以作为一个理想的标准纳入实验规程之中。

若在生产中，这个结果就可以作为操作标准纳入工艺规程之中。

通过上表6知，因素A、G、F是比较关键的因素，同时也可以看出因素A和G可能是所有因素中最关键的因素。

为了验证此假设，为此我们又设计了正交试验来验证我们的假设，这次我们选择了三个最关键的因素进行试验，其他因素的水平选择依据直观分析结果中的最好的水平值，我们设计的正交试验表如下表，并通过进行实验得到了9次试验的抛射距离，见表2-5试验计划与结果分析综合表。

从下表可直观的看出，因素A确实是最关键的因素，与上面我们的猜想是吻合的。

也就是说抛射器的性能改进的最主要因素是A和G。

表2-5试验计划与结果分析综合表

因素

试验次数

A

F

G

试验结果

1

1

1

1

0

2

1

2

2

0

3

1

3

3

0

4

2

1

2

0

5

2

2

3

0

6

2

3

1

90

7

3

1

3

0

8

3

2

1

128

9

3

3

2

100

Ⅰ

0

0

218

Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ=318

Ⅱ

90

128

100

Ⅲ

228

190

0

R

138

62

118

4.改进阶段

本阶段通过几个重要的输入xi的改进，寻找优化过程输出y的方案，使过程的缺陷或变异降低。

改进阶段的步骤：

（1）寻找解决问题的改进措施，提出改进建议、目标和方法，充分应用统计技术、方法，提高解决问题的效率和效果。

（2）对改进方案进行综合比较分析，从中挑选优化的方案。

（3）对改进方案进行验证，确认有效性后努力实施取得成效。

根据上述分析，从分析阶段的趋势图我们可以看出，A因素、G因素、F因素有改善的潜能，我们又再次通过正交试验再次得出因素A和G是最关键的因素，所以我们需从这两个因素进行改进，以使抛射距离尽可能远，在现有的条件下，我们选择因素B的水平为1，选择因素D的水平为3，选择因素E的水平为2，选择H的水平为2，因素A、G、F的水平在1、2、3当中进行选择，以论证在哪个水平的抛射距离最远，经过试验得到如下表2-6。

表2-6试验计划与结果综合表

因素

次数

A

B

D

E

F

G

H

实验距离

1

1

1

3

2

1

1

2

0

2

1

1

3

2

2

2

2

0

3

1

1

3

2

3

3

2

0

4

2

1

3

2

1

2

2

50

5

2

1

3

2

2

3

2

0

6

2

1

3

2

3

2

2

90

7

3

1

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