葉順堅 梁 瑩 楊斯達 周鵬飛 錢 陳

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謝寧DOE在彈簧分離裝置研制中的應用研究

葉順堅 梁 瑩 楊斯達 周鵬飛 錢 陳

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

謝寧DOE是在較短時間內解決復雜問題的有效方法，某型號彈簧分離裝置面臨過低的一次交驗合格率，產品生產效率低、質量差。運用謝寧DOE中的部件搜索技術定位了彈簧分離裝置彈簧力輸出不合格的原因，運用成對比較技術找到了問題癥結。彈簧分離裝置產品的謝寧DOE實踐結果表明，該實驗方法能夠高效定位并確定影響因素，可在類似航天產品上推廣應用謝寧DOE方法，提升航天產品質量。

謝寧DOE；部件搜索；成對比較；彈簧分離裝置

1 引言

1935年，英國人羅納德·費雪出版了《The Design of Experiments》，首次系統(tǒng)介紹了實驗設計的原理和方法[1]。此后幾十年，陸續(xù)形成了經典DOE、田口DOE、謝寧DOE等實驗設計方法。DOE在產品質量控制與改進的過程中扮演了非常重要的角色，它是工藝參數優(yōu)化、制造流程改善、產品質量提高的重要保證。

謝寧DOE是美國人Dorian Shainin在20世紀80年代發(fā)明的一種實驗設計方法，相比經典DOE和田口DOE，謝寧DOE方法更加簡單、高效。謝寧DOE主要運用部件搜索、成對比較、變量搜索等技術實現(xiàn)與產品對話、與工藝對話，能夠快速提高產品質量。本文主要介紹了謝寧DOE的核心工具——部件搜索技術和成對比較技術，并將它們應用于某型號彈簧分離裝置合格率提升研究的實例中。

2 DOE介紹

2.1 經典DOE

經典實驗設計又名古典實驗設計，是最基本也是最標準的實驗設計，主要通過篩選實驗和析因法，對實驗組和對照組進行測量、激發(fā)，建立關鍵因子和關鍵特性之間的數據模型。最后，對比研究實驗組和對照組前后測量的變化，得出實驗結論。

2.2 田口DOE

田口實驗設計是一種聚焦于最小化過程變異或使產品、過程對環(huán)境變異最不敏感的實驗設計方法；是一種能設計出環(huán)境多變條件下能夠穩(wěn)健和優(yōu)化操作的方法。目前，應用最多的是正交試驗方法，通過正交試驗、極差分析等得出最優(yōu)的參數組合。

2.3 謝寧DOE

謝寧實驗設計采用從果到因的分析方法，以輸出結果為起點，反向開展搜索，主要通過部件搜索、成對比較、變量搜索、完全析因等10種技術實現(xiàn)“與部件對話”、“與工藝對話”，快速提高產品質量[2]。

2.4 DOE方法對比

上述三種實驗設計對比情況如表1所示。

表1 DOE方法比較

3 謝寧DOE詳解

3.1 謝寧DOE一般流程

圖1 謝寧DOE流程圖

謝寧實驗設計主要包含如下幾個步驟（如圖1所示）：

a. 問題定義，根據生產實際、質量提升要求等確定擬解決的問題；

b. 確定測量系統(tǒng)，并開展測量系統(tǒng)精準度的檢驗、測量系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析；

c. 列出可疑變量，采用部件搜索、成對比較、多變圖技術等方法縮減變量數目，再進一步確定變量因子；

d. 運用統(tǒng)計過程控制等技術對產品實現(xiàn)過程中的關鍵特性進行監(jiān)控（質量改進范疇）。

實踐中最常用的是部件搜索和成對比較技術，對于可拆裝產品通過部件搜索技術定位問題，通過成對比較技術找到問題癥結。

3.2 部件搜索技術

部件搜索主要用于可拆卸產品，其思路是通過采集極端情況的部件涵蓋整個變量的范圍[3]，然后用逐個交換零件的方式查找問題零件或裝配過程。實驗對象為兩個部件，分別為一個最好部件BOB（Best of Best）和一個最差部件WOW（Worst of Worst），部件搜索一般流程如下：

a. 選取一個最好部件BOB，一個最差部件WOW；

b. 拆卸和重新裝配BOB和WOW兩次；

c. 進行顯著性檢驗，由計算的/值定位裝配原因或零件原因（根據部件搜索規(guī)范，/值小于1.25，問題存在于裝配過程，反之，存在于零件[4]）；

d. 逐個交換BOB和WOW對應的零件，重新裝配，直至結果出現(xiàn)逆轉。

3.3 成對比較技術

成對比較的目的是以高置信度（≥90%）確定“好的”和“差的”產品之間的重復差異，用以確定影響問題的主要因素，其方法是基于6～8個BOB產品和6～8個WOW產品的參數數據[4]。當部件搜索濾出問題原因后，問題產品不能再拆解時，成對比較就是部件搜索的后續(xù)工作。成對比較一般流程如下：

a. 選取樣本，確定6～8個BOB產品和6～8個WOW產品，BOB產品和WOW產品相隔越遠越好；

b. 羅列所有可能影響因素，測量并記錄參數數據；

c. 進行圖基檢驗，確定終結計數及合計終結計數；

d. 由圖基檢驗的置信度確定導致問題的主要因子（當合計終結計數≥6時，說明質量參數在解釋“好的”與“差的”產品差別方面的重要性上，具有90%以上的置信度；如合計終結計數≤5，則不具有充分的置信度[4]）。

4 謝寧DOE應用實例

4.1 彈簧分離裝置

彈簧分離裝置是由若干零件組成的機械裝置，廣泛用于航天器產品的分離界面，其工作質量的可靠性，直接決定了航天器任務的成敗。如圖2所示的某型號彈簧分離裝置，通過彈簧力的輸出，用于分離航天器的作用。

圖2 彈簧分離裝置示意圖

該型彈簧分離裝置在實際研制過程中，面臨一次交驗合格率過低，生產效率低下的問題，迫切需要開展質量改進工作。

4.2 謝寧實驗設計

4.2.1 問題定義

型號研制團隊分析了近三個月以來所有返工返修的情況，發(fā)現(xiàn)彈簧力輸出不合格將近80%，為主要原因（見圖3）。因此，亟需找到彈簧分離裝置力輸出不合格的正真原因，提升質量與效率。

圖3 不合格品的帕累托圖

對于彈簧力測量系統(tǒng)，因測量設備均年檢合格、人員無差異、測量方法固定，認為測量系統(tǒng)精準度能夠滿足要求，測量系統(tǒng)穩(wěn)定。

4.2.2 問題分析

從所有合格品中選擇一個彈簧輸出力最優(yōu)的BOB彈簧分離裝置和一個輸出力偏差最大的WOW彈簧分離裝置。測量初始彈簧力BOB為398.3N，WOW為380.0N，分別將彈簧分離裝置拆卸并重新裝配兩次，彈簧力輸出如表2所示，彈簧力和初始測量情況基本一致，表明拆卸與裝配過程無異常。

表2 彈簧力部件搜索 N

注：——最好與最差間的中值差；——最好與最差間的范圍平均值。

經計算，/值為23.1，遠大于1.25，問題出在零件。按重要程度對零件進行羅列并做標簽（見表3），每次將一個BOB和WOW零件交換裝配，并記錄產品的輸出力，連續(xù)進行這個過程，直至彈簧分離裝置輸出兩個完全逆轉的結果。

表3 零件排序表

注：BOB和WOW每次只交換一個零件做實驗

圖4 部件搜索圖

在實驗過程中，當零件B（彈簧）交換后，BOB和WOW的力輸出結果完全逆轉，可知，彈簧零件的質量是導致彈簧分離裝置一次校驗合格率低的根本原因，分析結果如圖4所示。

4.2.3 根本原因分析

確定彈簧零件是引起問題的原因之后，進一步分析可能導致發(fā)生問題的彈簧零件質量特性。羅列可能引起彈簧力輸出異常的彈簧零件的質量特性，主要有彈簧直徑、高度、垂直度、重量四項。選擇8個BOB和8個WOW彈簧分離裝置產品，將全部彈簧拆解下來，研究比較所有16個彈簧的疑似變量，測量記錄每個參數，將測量值按降序排列，彈簧直徑和輸出力如圖5左側數據所示。

圖5 彈簧直徑的成對比較分析表

根據圖5左側數據，運用圖基檢驗方法，針對彈簧直徑因子將直徑由高到低重新排列得到圖5右側數據，可知，其頂端終結計數為1、底端終結計數為3，合計終結計數為4。同時，對于其他質量特性根據輸出力的結果進行成對比較，得到表4。其中只有垂直度特性的合計終結計數為10，對應置信度為99%[4]，因此可以確定彈簧垂直度是導致問題的根本原因。

表4 各質量特性的成對比較結果

5 結束語

通過謝寧DOE對某型號彈簧分離裝置產品合格率低開展了實驗研究，找到了問題癥結，后續(xù)通過提高彈簧成型質量，顯著提升了彈簧分離裝置的一次交驗合格率。

該型號產品的謝寧DOE實踐結果表明，該實驗方法能夠高效定位問題并確定影響因素，今后，可以在類似航天產品上推廣應用謝寧DOE方法，提升航天產品質量。

1 李逵，張志英. 謝寧實驗設計應用研究[J]. 河北工業(yè)科技，2008(4)：200～202

2 徐哲，張焱瑋. 基于謝恩/博特試驗設計的質量改進研究[J]. 航空標準化與質量，2006(6)：10～13

3 林昕，張秀梅，林復. 道林·夏寧方法及其應用[J]. 哈爾濱理工大學學報，2001(10)：49～52

4 凱克·博特，阿迪·博特. 世界級質量管理工具[M]. 北京：中國人民大學出版社，2004

Application of Shainin DOE in Manufacture of Spring Separation Device

Ye Shunjian Liang Ying Yang Sida Zhou Pengfei Qian Chen

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

Shainin DOE is an effective way to solve complex problems in a short time. Spring separation device is faced with a low pass rate, and low production efficiency and quality. By using the technique of component search positioned the reasons for the failure of spring force, and by using the technique of paired comparisons found the crux of the problem. The results of spring separation device showed that the Shainin DOE can locate the problem efficiently and identify influencing factors. In the future, Shainin DOE can be applied to similar aerospace products, and improve the quality of aerospace products.

Shainin DOE；component search；paired comparisons；spring separation device

葉順堅（1985），工程師，機械工程及自動化專業(yè)；研究方向：航天產品質量控制與質量管理。

2018-06-13