Методы Тагути: эволюция, концепция и межотраслевое применение. Методы тагути. Основные элементы философии качества тагути

Вы узнаете:

• что такое робастное проектирование параметров;
• чем характеризуются потери качества и как их оценивают количественно;
• каким образом использование элементов нечеткой логики повышает эффективность применения методов Тагути для проектирования продукции, характеризующейся многочисленными откликами.

Методы оптимизации проектирования продукции и производства были разработаны Гэнити Тагути — родоначальником технического обеспечения качества, успешно применившим эффективные прикладные статистические методы для повышения стабильности технологических процессов и увеличения их производственных возможностей.

Он предложил проактивный подход к проектированию продукции и процессов, основанный на измерениях, анализе, прогнозировании и профилактике и направленный на встраивание качества в продукцию и процессы, а не на их контроль. В методах Тагути значительный акцент делается на удовлетворенность потребителя.

Г. Тагути осознавал важность выпуска продукции, соответствующей заданным параметрам, и подчеркивал, что излишняя вариация показателей деятельности является корневой причиной низкого качества и контрпродуктивна для общества в целом.

В дальнейшем он пришел к выводу, что вариация, или отклонение от целевого значения, обернется неизбежными потерями в виде раннего износа продукции, проблемами при ее обслуживании и взаимодействии с другими изделиями, а также заставит создавать запасы «на всякий случай» и т. п. Ее игнорирование станет причиной неудовлетворенности потребителя и потери репутации компании. Иными словами, Тагути подчеркнул значимость уменьшения вариабельности процесса относительно целевых показателей и приведения его средних значений к заданным. Это возможно, только если сделать процесс нечувствительным к различным источникам шума. Данная процедура называется робастным проектированием параметров.

Вместо того чтобы уменьшить вариабельность отдельных составляющих, устанавливая жесткие границы допустимых отклонений от нормы, Тагути рассматривал вопрос тщательного отбора параметров проектирования, или факторов, результатом которого становится более надежная конструкция, способная противостоять вариациям, вызванным нежелательными причинами. Чтобы этого достичь, он предложил результативный метод определения параметров проектирования, сочетания которых могут уменьшить вариацию характеристик продукции. Таким образом, метод планирования эксперимента, предложенный Тагути, является эффективным подходом к оптимизации проектных решений с целью повышения качества, улучшения деятельности и сокращения затрат.

ЭВОЛЮЦИЯ

Концепция качества эволюционировала с течением времени. Сегодня качество, в работу над которым вовлечены все сотрудники организации, стало философским понятием, охватывающим различные аспекты. Качество — больше не результат простого контроля, это концепция общего менеджмента компании.

Следовательно, программы улучшения качества стали частью процесса стратегического планирования многих успешных компаний.

В прошлом инспекционный контроль был единственным способом обеспечения соответствия требованиям, однако рост производительности в ходе индустриальной революции показал, что необходимо обновить механизм контроля качества.

В 1911 г. концепция качества получила новое развитие благодаря Ф. Тейлору, который представил несколько важных концепций, таких как функциональная специализация, анализ времени протекания процесса и перемещений, которые совершает работник в ходе его выполнения, инспекционный контроль качества и др. . Ф. Тейлор делал акцент на повышении производительности, его идеи ознаменовали начало эволюции в управлении качеством.

В 20-х гг. прошлого столетия д-р У. Шухарт определил, что контроль качества должен быть встроен в процесс и иметь профилактическую функцию, а не быть результатом только приемочного контроля. Он применил теорию статистики к менеджменту качества, разработал первую контрольную карту и продемонстрировал, что устранение вариации процесса ведет к улучшению качества конечного продукта.

Чтобы устранить вариацию, прежде всего следует выявить ее источник, для чего необходимо изучить эффекты различных контролируемых факторов. Как правило, эффект конкретного фактора исследовался посредством изменения фактора во времени. Эта практика привела к фундаментальному прорыву, совершенному в 1920 г., когда английский специалист по статистике сэр Р.А. Фишер предложил при планировании эксперимента изменять все факторы (входные переменные) одновременно, чтобы можно было наблюдать соответствующие изменения на выходе, т. е. факторы отклика.

Предполагается, что все входные переменные взаимодействуют друг с другом . Таким образом, в эксперименте исследуются все возможные единовременные взаимодействия между входными переменными. Полученные данные затем анализируются для принятия обоснованных и адекватных решений. Метод также называется полным факторным экспериментом и включает проведение различных тестов. С целью уменьшения объема работ стал использоваться дробный факторный эксперимент, при котором реализуется только отобранная часть комбинаций условий, необходимых для проведения полного факторного эксперимента, однако экономия (два-четыре фактора) получалась несущественной. С изобретением в Англии в 1940 г. ортогональной матрицы, с помощью которой проверялась минимальная совокупность всех возможных комбинаций, объем вычислений значительно уменьшился.

Наконец в 50-х гг. Г. Тагути успешно применил план эксперимента, предложенный сэром Фишером, и ортогональные матрицы для эффективной разработки продукта, объединив преимущества обоих методов. Кроме того, он высказал идею учитывать в ходе эксперимента влияние факторов шума на продукцию или процесс, тем самым достигая их робастности .

КОНЦЕПЦИЯ РОБАСТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Считается, что продукция качественная, если потребитель ею удовлетворен. Тагути никогда не оценивал качество продукции только с точки зрения стоимости производства, числа дефект ных единиц, попадания ее характеристик в заданные пределы. Свои суждения он строил, исходя из наблюдаемых отклонений отклика продукции от целевых значений.

Данный отклик называется характеристикой качества. Если имеет место отказ продукции до конца срока службы или ее характеристики со временем ухудшаются, то речь идет о значительных потерях качества .

Потери качества — это затраты на переработку, затраты по гарантийному обязательству, временнЫе и финансовые затраты потребителя на ремонт, жалобы потребителей, их неудовлетворенность и, как следствие, — потеря рыночной доли и репутации компании. Для количественной оценки этих потерь используется функция потерь качества, зависящая от среднего квадратичного отклонения ó и отклонения характеристики продукции от целевого значения (μ - μ 0):

Q = K "[(μ - μ 0) 2 + σ 2 ]. (1)

Тагути утверждает, что если устранить отклонения характеристик продукции от их средних значений, то потери качества сократятся. Сокращение вариации достигается посредством регулирования среднего значения относительно целевого с помощью поправочного коэффициента:

Q п " = h = 10 Log 10 [μ 2 /ó 2 ], (2)

Выражение (μ/ó) 2 — показатель отношения «сигнал/шум», где μ — желаемое целевое значение, ó2 — вариация, т. е. шум. Показатель отношения «сигнал/шум» зависит от характеристик качества, которые необходимо оптимизировать в данном эксперименте .

Основные типы этого показателя следующие (рисунок):

. чем меньше, тем лучше (smaller the better — STB). Этот тип соответствует нежелательным характеристикам (дефектам), значение которых в идеале равно нулю.

n = -10 Log 10 [среднее значение суммы квадратов разности измеренного и оптимального значений];

. чем больше, тем лучше (larger the better —

LTB). Этот тип соответствует желательным характеристикам, чьи значения должны быть как можно больше.

n = -10 Log 10 [среднее значение суммы квад ратов обратной величины измеренных данных];

. оптимально заданное значение (nominal

the better — NTB). Соответствует характеристикам, для которых наиболее предпочтительно определенное значение.

n = -10 Log 10 [квадрат среднего/величина отклонения].

Тип STB (в противоположность типу LTB)

выбирается, когда необходимо, чтобы значения данных были как можно меньше предельного значения, а тип NTB — когда требуется, чтобы значения данных были как можно ближе к целевым. Данный тип наиболее предпочтителен, и для него характеристики качества должны определяться соответствующим образом .

Параметры, влияющие на характеристики качества, называются факторами. Они могут быть трех типов: сигнал, напрямую влияющий на заданное значение отклика продукта μ; шум, который сложно или дорого контролировать и который вызывает вариацию ó отклика; контролируемые факторы — выбор их оптимальных значений позволяет уменьшить чувствительность отклика продукции ко всем факторам шума (схема 1) .

Проекты, реализуемые в рамках робастного проектирования, в которых сигнал остается постоянным, называются статическими проектами, а проекты, в которых пользователь может варьировать сигнал, — динамическими.

Проектирование продукции или процесса происходит в три этапа.

Концептуальное проектирование . Подбор технического решения (для продукции) или технологии (для процесса) и изучение начальных условий.

Проектирование параметров . Определение оптимальных уровней контролируемых факторов для увеличения робастности и последующего улучшения показателей работы. Включает следующие этапы.

1. Выбор параметров для проведения эксперимента. Проводится анализ системы с целью отбора подходящих характеристик качества.

Они должны представлять собой непрерывную и неизменную функцию, быть легкоизмеримы и являться прямым индикатором передачи энергии в системе. Целевая функция (отношение «сигнал/шум») выбирается исходя из типа характеристики качества. Определяются контролируемые факторы, их уровни и факторы шума. Робастность продукции достигается путем выбора (в ходе испытаний) условий, которые сглаживают действие различных факторов шума. Соотношение «сигнал/шум» должно быть определено таким образом, чтобы оно включало не только средний уровень отклика, но и наблюдаемую на этом уровне вариацию вследствие действия факторов шума. Один и тот же эксперимент может быть повторен несколько раз для получения различных откликов, соответствующих преднамеренно созданной вариации в факторах шума. При этом учитываются старение и внешние шумы .

2. Выбор ортогональной матрицы для проведения эксперимента. Ортогональные матрицы позволяют производителю подбирать значения параметров при минимальном числе экспериментов. В столбцах ортогональной матрицы представлены изучаемые факторы, а в рядах — уникальное сочетание уровней фактора данного эксперимента . Если матрица ортогональна, то для любой пары столбцов все комбинации уровней фактора появляются одинаковое число раз, т. е. все факторы одинаково представлены во всех экспериментах. Для выбора подходящей ортогональной матрицы потребуется общее число степеней свободы.

Степень свободы — это совокупность значений параметра процесса, которые допускается варьировать для получения его заданного среднего значения.

В ортогональной матрице, необходимой для эксперимента, число рядов должно, как минимум, соответствовать сумме чисел степеней свободы всех факторов и общего среднего.

После выбора ортогональной матрицы проводятся эксперименты, для каждого из них вычисляется и записывается соотношение «сигнал/шум».

3. Анализ наблюдений, полученных в ходе эксперимента.

В ходе анализа средних (ANOM) для всех экспериментов определяется общее среднее значение m . Это сбалансированный показатель, поскольку все уровни каждого из факторов одинаково представлены в общей совокупности экспериментов. Для каждого влияющего фактора отдельно вычисляется эффект m i каждого его уровня. Эффект уровня фактора — это отклонение m i от общего среднего значения m . Уровень фактора, оказывающий больший положительный эффект на среднее, признается оптимальным . Таким образом, анализ средних используется для получения оптимальной комбинации всех воздействующих факторов.

Ортогональная структура эксперимента позволяет применять аддитивную модель для расчета отклика для любой отдельной комбинации факторов. Согласно аддитивной модели, совокупный эффект всех уровней фактора может быть получен путем суммирования отклонений, вызванных отдельными уровнями фактора, и общего среднего.

Дисперсионный анализ (ANOVA) — это совокупность экспериментов, схожих с разложением сигнала в ряд Фурье. Анализ Фурье позволяет определить соответствующую значимость различных гармоник, которые образует сигнал. При этом сигнал представляется как сумма различных независимых ортогональных гармоник. Согласно ANOVA общая дисперсия показателя отношения «сигнал/шум» является суммой дисперсий каждого фактора и дисперсии ошибки. ANOVA используется для расчета значимости каждого фактора. Для поддержания качества продукции наиболее значимые факторы должны строго контролироваться.

4. Верификационный эксперимент. После выбора оптимальной комбинации различных факторов проводится верификационный эксперимент для сравнения расчетных и полученных в результате наблюдения откликов. Если они согласованы, то оптимальные значения принимаются, в противном случае аддитивная модель признается несостоятельной и должна быть изучена общая зависимость между факторами;

5. Дальнейшая оптимизация с помощью метода итераций. В экспериментах, проводимых по методам Тагути, используются дискретные уровни факторов, что исключает возможность получить больше значений показателя отношения «сигнал/шум» на каком-либо промежуточном уровне между предварительно выбранными уровнями . Чтобы компенсировать это, далее выполняется эксперимент с выбором новых уровней относительно оптимального уровня, определенного ранее. Если начальный диапазон значений уровней фактора максимально широк, то такие итерации могут существенно улучшить показатель отношения «сигнал/шум».

Проектирование допустимых отклонений . Данный этап служит для уменьшения уязвимости продукции к действию факторов, наиболее влияющих на нее, посредством применения улучшенных материалов и включения дополнительных элементов для контроля этих факторов .

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ТАГУТИ

Благодаря своей простоте и робастности методы Тагути нашли применение в широком диапазоне различных областей, некоторые из которых представлены на схеме 2.

Производство . Методы Тагути хорошо зарекомендовали себя при робастном проектировании некоторых производственных процессов, один из которых — точечная контактная

сварка . Этот эффективный способ соединения металлических листов используется в автомобильной отрасли, при изготовлении бытовых электроприборов и др. В основе метода — воздействие электрическим током с целью локального повышения температуры, приводящего к плавлению металлических листов и соединению их краев.

Данные процесса робастного проектирования

Качество сварного соединения определяется его прочностью на разрыв и зависит от диаметра сварки. Метод робастного проектирования Тагути может быть применен к процессу точечной контактной сварки для улучшения качества сварки посредством выбора оптимальных значений контролируемых факторов. Данные процесса робастного проектирования могут быть представлены, как показано в таблице .

Таким образом, оптимизация процесса по методу Тагути позволила улучшить показатель отношения «сигнал/шум» на 4,16 дБ, т. е. примерно в два раза увеличить предел прочности благодаря использованию оптимизированных значений факторов. Для определения факторов, за которыми необходимо тщательно наблюдать, можно провести дисперсионный анализ .

Применение методов Тагути совместно с методами нечеткой логики (Fuzzy Logic) для проектирования продукции с множеством характеристик. В реальных условиях при проектировании продукции требуется оптимизация многих характеристик качества. Сочетание уровней контролируемого фактора, оптимальное для одной характеристики, необязательно будет таковым для других. Компромиссный выбор между несколькими оптимальными уровнями фактора, сделанный на основе инженерной оценки, может ухудшить некоторые характеристики качества. Метод Тагути эффективен только при оптимизации единичной рабочей характеристики. Поэтому после составления матрицы эксперимента для каждого эксперимента целесообразно преобразовать многочисленные итоговые значения отношения «сигнал/шум» в многооткликовый рабочий показатель (МРП). Эффективно выполнить такое преобразование поможет использование элементов нечеткой логики. Полученный показатель далее может быть рассмотрен как единичная рабочая характеристика, которую требуется оптимизировать . Аппарат нечеткой логики включает базу знаний (совокупность экспертных правил преобразования), необходимых для определения оптимального весового коэффициента различных рабочих характеристик в процессе их комбинирования.

Для каждой характеристики качества с помощью функций принадлежности определяются нечеткие множества: «малое», «среднее» и «большое». Значения отношения «сигнал/шум», полученные в ходе каждого эксперимента и соответствующие различным характеристикам качества, преобразуются через аппарат нечеткой логики в единый показатель (схема 3).

Схема 3. Преобразование множественных показателей «сигнал/шум» (с/ш) в единый МРП с помощью аппарата нечеткой логики

На первом этапе в ходе процедуры фаззификации определяется соответствие измеренных значений показателей отношения «сигнал/шум» значениям функции принадлежности нечетким множествам. Если значение показателя отношения «сигнал/шум», соответствующего характеристике, меньше по сравнению с наблюдаемым диапазоном его значений, то данный показатель получает большее значение принадлежности нечеткому множеству «малое» и меньшие значения в нечетких множествах «среднее» и «большое». Далее в рамках процедуры нечеткого логического вывода выполняются различные операции нечеткой логики.

С помощью базы правил значения функции принадлежности преобразуются в выходные нечеткие множества, в которых показатели МРП распределены по очень малым, малым, средним, большим и очень большим значениям. На заключительном этапе в процессе дефазификации значения принадлежности показателей МРП нечетким множествам преобразуются для каждого эксперимента в единое четкое значение, которое и необходимо оптимизировать .

Следует отметить, что ортогональная матрица, где МРП представлен как единственная характеристика, которую следует оптимизировать, может быть использована для проведения анализа средних и дисперсионного анализа.

Оптимальная комбинация уровней контролируемого фактора рассчитывается для максимального значения МРП.

Таким образом, при помощи элементов нечеткой логики можно расширить возможности применения методов Тагути и повысить их эффективность для проектирования продукции, характеризующейся многочисленными откликами.

Применение в телекоммуникациях . Радиосеть обеспечивается базовыми станциями, распределенными по небольшим географическим районам, называемым сотами. Планирование радиосети — настройка параметров этих станций, например регулировка угла антенны. При ограниченном диапазоне повторного использования частоты сложно настроить параметры всех сот, имеющих неодинаковые рельеф местности, площадь, неравномерную зону покрытия, а также найти для каждой базовой станции оптимальные значения параметров, которые улучшат заданные показатели работы.

Стандартными методами оптимизации при планировании радиосети являются алгоритм отжига и генетический алгоритм, основанные на локальном поиске. Однако для этих методов требуется эвристическое определение начальных значений параметров, которые зависят от смежной структуры текущих решений. Найти оптимальные значения без этой операции можно с помощью методов Тагути, в которых применяется ортогональная матрица, что значительно сокращает число экспериментов, экономит время и уменьшает затраты. Они могут быть использованы для оптимизации следующих типичных радиопараметров сети LTE 1:

1) мощность;

2) угол наклона передающей антенны;

3) ориентация передающей антенны по азимуту.

Поскольку методы Тагути дают возможность комбинировать любые типы параметров, они подходят для совокупной оптимизации различных параметров радиосети, например параметра управления уровнем мощности и ориентации антенны по азимуту. В ходе экспериментов было показано, что по сравнению с указанными выше алгоритмами, имеющими одинаковую сложность реализации и получаемую функцию оптимизации, методы Тагути позволяют достичь несколько лучшего решения постав ленной задачи .

Динамические системы. Системы, в которых требуется, чтобы отклик подчинялся уровням сигнального фактора по заранее уста нов ленному закону, называются динамическими. Управляющие системы, в которых выходная величина может скачкообразно переходить из одного состояния в другое (например, включено-выключено), называются релейными регуляторами. Примером может служить микро схема контроля температуры, как правило, состоящая из датчика, цепи управления и нагревательного элемента. Температурная характеристика датчика играет решающую роль в определении отклика нагревательного элемента, непостоянство температуры которого усложняет работу динамической системы. Метод Тагути может быть использован для решения задач такого типа. Для этого вычисляются уровни общего фактора шума, далее каждый уровень сигнального фактора испытывается на каждом из уровней общего фактора шума.

Проводится регрессионный анализ, и для начальных параметров контролируемых факторов рассчитывается показатель отношения «сигнал/шум». Подобная процедура повторяется для всех комбинаций контролируемых факторов в ортогональной матрице, и выбирается наилучшая из них, результатом чего становится значительное улучшение показателя отношения «сигнал/шум».

Искусственная нейронная сеть . Искусственная нейронная сеть (ИНС) — система обработки информации, состоящая из большого числа сильно взаимозависимых элементов, называемых нейронами, работающих синхронно для выполнения определенных задач. Нейроны имеют весовой коэффициент, показывающий степень влияния, которую каждый из нейронов оказывает на принятие решения. Метод Тагути может быть применен для обучения ИНС выполнению определенных задач, например распознаванию символов. Для этого весовые коэффициенты ИНС образуют элементы ортогональной матрицы.

Далее с помощью метода Тагути и анализа ошибок находится оптимальное сочетание весовых коэффициентов сети. Каждому нейрону предварительно присваивается определенный символ, и нейрон учат распознавать этот символ с минимальной ошибкой. Процесс распознавания инициируется, и на основании записанных результатов делается вывод о соответствии выбранной совокупности весовых коэффициентов заданным условиям.

Метод Тагути позволяет за гораздо меньшее время достигать требуемого результата по сравнению с другими алгоритмами, в частности решать общие задачи распознавания символов до 10 раз быстрее алгоритма обратного распространения. Кроме того, он предоставляет пользователям эффективные средства для анализа внутренних операций сети с помощью статистики и расчета взаимодействий различных элементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье был представлен подробный обзор методов Тагути с точки зрения их эволюции, философии, этапов реализации и возможностей межотраслевого применения. В этих эффективных методах интегрированы статистические инструменты управления качеством и приоритет отдается проектированию качества при создании продукции в противовес исследованию несоответствующей продукции на последующих стадиях. Они предполагают количественное решение задачи определения параметров проектирования с целью оптимизации качества и сокращения затрат. Их использование не ограничивается конкретной областью, например сферами производства или услуг. По сравнению с другими методами, интуитивными и более трудоемкими, методы Тагути — мощный инструмент, охватывающий большое число областей применения.

Имя японского ученого Гэнити Тагути в настоящее время в табеле о рангах по популярности не уступает К. Исикаве, Дж. Джурану, А. Фейгенбауму. Это объясняется тем, что его идеи и подходы при обеспечении качества нашли широкое применение в промышленности Японии, а затем и в других странах.

Они характеризуются тем, что забота о качестве начинается на ранних этапах его формирования - при проектировании изделий и технологических процессов.

Основные элементы подхода Г.

Тагути заключаются в следующих постулатах.

1. Важная мера качества изделия - это социальные потери, которые несет из-за него общество.

2. В конкурентной экономике постоянное улучшение качества и снижение затрат необходимы для выживания в бизнесе.

3. Программа постоянного улучшения качества включает в себя непрерывное уменьшение разбросов выходных характеристик изделия относительно их заданных значений.

4. Потери потребителя из-за разбросов выходной характеристики изделия пропорциональны квадрату отклонения этой характеристики от ее заданного значения.

5. Качество и цена изделия в значительной степени определяются инженерным проектированием изделия и процесса его изготовления.

6. Разброс выходных характеристик изделия или процесса может быть уменьшен путем использования фактора нелинейности влияния параметров изделия или процесса на эти характеристики.

7. Чтобы идентифицировать значения параметров изделия или процесса, которые уменьшают разброс выходных характеристик, можно использовать статистически планируемые эксперименты.

Прокомментируем приведенные выше элементы этой философии.

1. Г. Тагути считает, что качество - это потери, которые несет общество

с того момента, как изделие отправлено потребителю. Чем меньше социальные потери из-за недоработок изделия, тем изделие более желательно потребителю.

2. Постоянное улучшение качества и снижение затрат на протяжении жизненного цикла изделий - необходимые условия для выживания в глобальной экономике.

3. Постоянное улучшение качества невозможно без соответствующего уменьшения выбросов выходных характеристик изделия относительно их заданных значений. Чем меньше вариация выхода относительно заданного значения, тем выше качество. В свою очередь, заданное значение должно

быть определено как идеальное значение выходной характеристики.

Эти характеристики измеряются как по непрерывной шкале, так и упорядоченным категориальным распределением (плохой, приемлемый, хороший, отличный). Оценка по непрерывной шкале более эффективна, но выходные данные, требующие субъективной оценки, измерить по ней невозможно.

4. Любые разбросы выходной характеристики изделия относительно ее заданного значения приводят к потерям потребителя. Простейшая квадратичная функция потерь (рис. 5.9) имеет вид:

1(у) = к (у-т)2,

где k - константа, у - выходная характеристика, измеренная по непрерывной шкале; т - заданное значение у; 1(у) - потери, выраженные в долларах, которые несет потребитель в течение срока службы изделия из-за отклонения у от т. Очевидно, что чем больше отклонение выходной характеристики у от ее заданного значения т, тем больше потери потребителя 1(у).

Средние потери потребителя из-за вариации выхода получаются статистическим усреднением квадратичной функции потерь, связанной с возможными значениями у. В случае квадратичной функции потерь средние потери из-за вариации выхода пропорциональны средней квадратичной ошибке у относительно заданного значения т.

Концепция квадратичных потерь показывает важность непрерывного уменьшения вариации выхода.

5. В связи с увеличением сложности современных изделий проектирование изделий и процессов производства играет решающую роль (робастное

Рис. 5.9. Простейшая квадратичная функция потерь.

проектирование)*. В процессе производства отклонения от номинальных значений неизбежны, и они влияют на вариацию выхода изделий. Уменьшение влияния различных отрицательных факторов наиболее эффективно на стадии проектирования изделия и процессов.

Улучшение проектирования процессов, усиление контроля приведет к уменьшению разброса из-за влияния источников изменчивости.

6. Начиная с первой стадии цикла разработки изделия, контроль качества должен стать неотъемлемой частью проектирования и сопровождать все последующие стадии. При этом используются такие методы, как проверка чувствительности, испытания прототипа изделия, ускоренные испытания долговечности и испытания на надежность.

Г. Тагути ввел трехстадийный подход к установлению номинальных значений параметров изделия и процесса и допусков на них: системное проектирование, параметрическое проектирование и проектирование допусков. Системное проектирование - процесс применения научных и инженерных знаний к разработке модели изделия. Модель изделия определяет начальные значения параметров изделия или процесса. Системное проектирование включает учет как требований потребителя, так и производственных условий.

Параметрическое проектирование - процесс идентификации таких значений параметров изделия или процесса, которые уменьшают чувствительность конструкции к источникам изменения параметров. Проектирование допусков - процесс определения допусков вблизи номинальных значений, которые идентифицированы с помощью параметрического проектирования.

7. Для идентификации значений параметров изделия или процесса, которые уменьшают вариацию выхода, могут быть использованы статистически планируемые эксперименты. Г. Тагути разработал новый подход к использованию статистически планируемых экспериментов. Г. Тагути предлагает использовать критерий, который он назвал «отношение сигнал/шум» (s/n), в качестве выходной статистики.

Он определил три типа отношения s/n для трех типов функции потерь: как можно меньшее, как можно большее или некоторое конечное.

Г. Тагути применяет специальные планы эксперимента с использованием отношения «сигнал/шум». Подробнее о методах Тагути можно прочитать в .

В нашей стране методы Тагути получили известность после публикаций Ю. П. Адлера .

Робастность - устойчивость (от англ. robust).

218_СВ. Пономарев, СВ. Мищенко, В.Я. Белобрагин и др. «Управление качеством продукции»

Известный японский ученый Г. Тагути в 1950-1980-е годы предложил ряд методов оптимизации проектирования продукции и производства, которые позволяют существенно улучшить их качество и широко используются в ряде стран, особенно в Японии и США. К числу наиболее авторитетных фирм, использующих методы Тагути, относятся Toyota, Ford, General Electric.

Гэнити Тагути изучал вопросы совершенствования промышленных процессов и продукции. Он развил идеи математической статистики, относящиеся, в частности, к статистическим методам планирования эксперимента и контроля качества.

Гэнити Тагути в свое время разработал собственную систему, сочетающую инженерные и статистические методы, нацеленную на быстрое повышение экономических показателей компании и качества продукции путем оптимизации конструкции изделий и процессов их изготовления. Эта методология, включающая и общую философию, и набор практических инструментов управления качеством, получила название "Методы Тагути".

В основе методов Тагути лежат известные статистические методы (статистическое планирование экспериментов, метод оптимума номинала и др.). Не все математические предпосылки, лежащие в основе его методов, признаются специалистами бесспорными. Однако, поскольку методы Тагути являются многоступенчатыми, предполагают ряд проверок и корректировок, эти недостатки не снижают их эффективности.

К числу наиболее известных идей Тагути относятся следующие.

1. Качественными считаются только такие изделия, характеристики которых полностью совпадают с их номинальными значениями по чертежу. Любое отклонение приводит к потерям в стоимостном выражении, пропорциональным квадрату этого отклонения. Эта зависимость потерь от отклонений от номинала была названа функцией потерь качества (ФПК) и используется для выбора допусков на продукцию, обеспечивающих равенство потерь производителя и потребителя.

2. При проектировании, изделие и процесс производства можно сделать робастными , то есть устойчивыми , нечувствительными к различным помехам при эксплуатации и производстве изделия. Главная ответственность за качество лежит на разработчике изделия, а не на организаторах производства.

3. Критерием правильности проектирования является предсказуемость модели объекта проектирования, которая оценивается отношением сигнал/шум и минимизацией дисперсии выходной характеристики объекта (рассчитывается с помощью дисперсионного анализа).

4. Для оптимизации параметров изделий и процессов следует использовать материальное планирование эксперимента;

К числу наиболее важных принципов Тагути в области качества можно отнести следующие.

1. Важная мера качества изделия - общие потери, которые несет из-за него общество.

2. В конкурентной экономике условиями выживания в бизнесе являются одновременные непрерывные улучшения качества продукции и снижение затрат на ее производство и эксплуатацию.

3. Программа непрерывного улучшения качества включает непрерывное уменьшение разбросов выходных характеристик изделия относительно их заданных номинальных значений.

Функция потерь Тагути

Главная целевая направленность концепции Тагути – это повышение качества с одновременным снижением стоимости.

Традиционно качество и стоимость в статистических методах рассматривались раздельно, при этом качество было главным фактором. То есть, в начале проектирования определялись показатели качества и исследовался разброс; и если разброс не выходил за установленные пределы, то выбранные характеристики принимались. Затем на основании полученных характеристик устанавливалась стоимость. А если стоимость оказывалась выше заданной величины, то путем изменения уровня качества (т.е. показателей качества) снижали стоимость продукции. В отличии от вышеуказанного подхода при расчётах по методике Тагути главным считалась стоимость.

Тагути предложил измерять качество теми потерями, которые вынуждены нести общество после того как товар изготовлен Ученый не был согласен с общепризнанным определением качества: "нахождение параметров изделий в установленных пределах". Такое определение позволяет считать, что два изделия мало отличаются друг от друга, если параметры одного находятся вблизи границы допуска, а параметры другого - немного выходят за эти границы. Тем не менее первое из них считается "хорошим", а второе - "плохим". В отличие от традиционного подхода, методы Тагути нацелены на обеспечение минимальных отклонений параметров изделий от заданных, при которых не происходит роста затрат, обусловленных качеством. Тагути предлагает оценивать качество величиной ущерба, наносимого обществу, с момента поставки продукции - чем меньше этот ущерб, тем выше качество. Основу его концепции обеспечения качества составляет теория потерь или ущерба от ненадлежащего качества.

Тагути доказал, что стоимость отклонения от целевого значения (номинала) возрастает по квадратичному закону по мере удаления от цели и предусматривает наличие потерь за пределами допуска (рис. 38).

Рисунок 38 - Допусковое мышление

Тагути предложил характеризовать производимые изделия устойчивостью технических характеристик и объединил стоимостные и качественные показатели в так называемую функцию потерь , по которой качественными считаются только такие изделия, показатели качества которых полностью совпадают с их номинальными значениями, а всякое отклонение от номинала сопряжено с той или иной потерей качества продукции. Функция одновременно учитывает потери, как со стороны потребителя, так и со стороны производителя.

Функция потерь имеет следующий вид:

L(y)=k(y-m) 2 , (45)

uде L - это потери для общества (величина, учитывающая потери потребителя и производителя от бракованной продукции), выраженные в денежных единицах;

k - константа потерь, определяемая с учетом расходов производителя изделий (затраты на восстановление, ремонт, замену и т.п.);

y – значение параметра;

m - номинальное значение соответствующей функциональной характеристики;

(y-m) - отклонение от номинала.

Очевидно, что чем больше отклонение у от его номинала m, тем больше потери. Это концепция показывает важность непрерывного уменьшения вариаций, уменьшение разброса от номинального разброса. Она учитывается при проектировании продукции с учетом потерь.

Практическое применение функции потерь заключается в том, что она позволяет определить эффективность любого мероприятия, направленного на увеличение качества (рис. 39).

Рисунок 39 - Мышление через функцию потерь

Функция потерь качества является параболой с вершиной (потери равны нулю) в точке наилучшего значения (номинала ), при удалении от номинала потери возрастают и на границе поля достигают своего максимального значения - потери от замены изделия.

Если производится продукция, соответствующая целевым значениям, это приводит к снижению затрат на качество, уменьшению возможных затрат, связанных с приемочными испытаниями.

Потребитель всегда обращает внимание на качество товара. Очень часто это становится решающим фактором, определяющим выбор. Само собой, что при выборе между сходными продуктами из одной ценовой категории, выбор ляжет на более качественный. Именно поэтому, в наше время, всем производителям для удержания рынка и повышения прибыли необходимо бороться за улучшение качества.

Хирург, проводящий сложнейшую операцию должен действовать быстро, точно и без лишних движений. Любое отклонение от требуемой последовательности действий, лишнее или дополнительное движение забирает время и может стать фатальным. Производственный процесс, также должен соответствовать определенной технологии. Любое отклонение от технологической последовательности, приводит к получению продукта с отличными качествами. Все дополнительные мероприятия, направленные на приведение параметров продукта к требуемым или повышению его качества являются отклонением от технологии производства продукта и ведут к дополнительным затратам.

После Второй Мировой Войны производство в Японии пришло в упадок. Продукты, произведенные на японских предприятиях не могли конкурировать с импортируемыми ни по цене, ни по качеству. Для поднятия экономики страны на конкурентоспособный уровень было предложено ряд действий. В частности, создать исследовательскую организацию, по типу Bell Laboratories в США, для повышения качества телефонных систем и снижения количества их отказа. Так в Японии появилась Electrical Communication Laboratories, с доктором Гэнити Тагучи во главе одного из подразделений.

Доктор Тагучи сформулировал множество принципов, ставших впоследствии основой для организации системы качества многих японских компаний и мощнейшими статистическими инструментами оптимизации производственных процессов и улучшения качества продукции. Принципы и методы Тагучи были также оценены и внедрены рядом мировых компаний.

Существует две, абсолютно разные точки зрения о разработках Тагучи. Одни считают работы Тагучи величайшим открытием в области контроля качества за последние полвека. Другие – что его идеи были как не новы, так и не придуманы им самим. При написании данной статьи я не ставил перед собой цели развеять существующие мифы или предложить читателю парочку новых. Целью данной статьи является краткий обзор философии подхода к обеспечению качества, перевернувшей мировоззрения многих компаний.

Наиболее интересными все же являются не статистические приемы, использованные Тагучи, а формулировка понятий ставших своего рода «философией» улучшения качества. Его философия весьма многогранна, но попытаемся сформулировать основные положения:

1. Качественный продукт должен быть произведен, а не найден во время инспекции.

2. Наивысшее качество достигается при приближении к целевому значению. Дизайн продукта/процесса должен быть осуществлен таким образом, чтоб исключить влияние неконтролируемых факторов.

3. Цена качества, как функция отклонения от целевого значения должна исследоваться на протяжении всего жизненного цикла продукта.

Как известно, 85% всех потерь качества происходит по причине несовершенства процесса и лишь 15% - по вине работника. Разработка дизайна процесса/продукта, таким образом, чтоб исключить возможные дефекты – это лучший способ производства качественной продукции. Чаще всего дефекты возникают из-за колебаний факторов, влияющих на производственный процесс. Следовательно, приоритетом улучшения качества является создание продукта/процесса стойкого к влиянию изменчивых факторов – робастная инженерия.

На стадии разработки дизайна продукта/процесса следует также проводить контроль качества и апробацию продукта – стратегия повышения качества «вне производственной линии». Неоспоримым достоинством данной стратегии является возможность внесения корректировок на ранних стадиях планирования производства. Основным направлением повышения качества «вне производственной линии» является изучение и исключение влияния шумовых факторов.

Следуя принципам Тагучи, качество продукта не ограничивается строго пределами поля допуска. Максимальное качество достигается в центре поля допуска и постепенно понижается по мере удаления от целевого значения. Продукт, произведенный с отклонением от целевого значения, может прослужить меньше положенного времени. Производя продукт с заданным параметром можно значительно повысить его качество и продлить срок службы.

Тагучи рассматривал обеспечение качества как непрерывный процесс. Данные о качестве продукта должны собираться на протяжении всего времени производства и гарантийного обслуживания продукта. Рассматривая данные о продукте за длительный период можно обнаружить аномальное поведение процесса или отклонение заданного параметра от целевого значения. Сопоставляя результаты с информацией о затратах на контроль, брак, ремонт, возврат, замену, гарантийное облуживание и т.д. можно внести необходимые корректирующие действия при разработке новых продуктов/процессов и методов их контроля.

Разработку нового продукта следует проводить в следующем порядке:

· Разработка и/или дизайн производственного процесса/продукта – определение подходящих условий работы процесса и параметров продукта. Разработка и/или дизайн процесса/продукта предполагают изучение передовых технологий и научных открытий, а также, «уроков» и опыта сходных производств.

· Поиск оптимальных параметров процесса – подбор параметров, при которых качество продукта и выход процесса будут максимальными. Оптимальные параметры подбираются с учетом стойкости системы к влиянию шумовых факторов.

· Расчет поля допуска – определение наиболее критических параметров продукта, способных влиять на качество конечного изделия в целом и расчет диапазона, в котором качество продукта будет сохраняться.

Тагучи также разработал понятие о функции затрат, заставившее пересмотреть традиционные представления о контроле качества. Принцип прост, но весьма эффективен: стоимость качества – это все затраты, связанные с продуктом до момента его отгрузки заказчику/потребителю, включая само производство. Основные потери общества, связанные с продуктом происходят из-за загрязнения окружающей среды и чрезмерной вариации процесса. Таким образом, продукт со слабо разработанным дизайном начнет приноситьубытки обществу уже на ранних стадиях производства в виде ремонта или любых других мероприятий по повышению его качества.

Традиционно считается, что продукт имеет приемлемое качество, находясь в пределах поля допуска; за пределами поля допуска продукт становится полностью непригодным к использованию. Все вариации продукта внутри поля допуска не влияют на качество конечного изделия. Традиционно выход процесса рассчитывался как отношение количества изделий отгруженных заказчику к общему числу произведенных изделий; брак, при этом, рассчитывался как количество деталей, отбракованное в ходе ремонта к общему количеству произведенных деталей. Расчет показателей по такому принципу не указывает реальные данные о процессе, и скрывает все затраты на ремонт или другие мероприятия по повышению качества продукта. Рассматривая данные о процессе в разрезе традиционного подхода, мы не видим общей картины, часть информации, которую не указывают данные показатели, образно называют «скрытой фабрикой».

Подход Тагучи говорит, что нет четко ограниченных пределов, которые дают возможность судить о качестве продукта. Максимальное качество достигается в середине поля допуска. Соответственно, затраты, связанные с обеспечением качества в этой точке минимальные. Отклоняясь от целевого значения, качество продукта постепенно падает, а затраты по обеспечению качества, соответственно, растут. Следует также отметить, что функция потерь качества способна достигать значений более 100% - в тех случаях, когда потеря качества детали приведет к потере качества всего изделия. В отличие от традиционного подхода, функция затрат указывает на необходимость настройки процесса на целевое значение и приведение вариации к минимуму.

Итак, первым шагом на пути к повышению качества является установка процесса на целевое значение. Вторым – подбор параметров для снижения вариации процесса. Методика планирования экспериментов Тагучи нацелена на оптимизацию процесса с учетом показателя сигнал/шум. Таким образом, оценивается возможность повышения качества с учетом влияния шумовых факторов. Факторами шума принято считать факторы, влияющие на качество процесса, но при этом контролировать их невозможно или экономически не выгодно. Такие факторы как окружающая среда, износ оборудования и т.д. являются одними из основных причин вариации процесса. Оптимизация процесса с учетом их влияния разрешает создать робастный процесс.

Планирование экспериментов по методу Тагучи имеет широкую область применения, но чаще применяется для планирования качества «вне производственной линии», т.е. при разработке дизайна, параметров и поля допуска продукта/процесса. Оценка показателя сигнал/шум сделали эту методику весьма популярной среди практикующих инженеров.

Принципы Тагучи во многом идут вразрез с традиционными принципами качества. Подход Тагучи основан на том, что лучше повысить качество продукта/процесса, нежели системы контроля. Ни одна система контроля, какой бы точной она не была, не способна улучшить качество продукта. Тагучи также принял во внимание то, что очень много времени и ресурсов уходит на проведение производственных экспериментов. При этом, анализ результатов экспериментов почти не проводится из-за своей комплексности. В разработках планирования и управления процессом Тагучи использовал ряд статистических инструментов, упрощающих планирование и анализ результатов экспериментов.

Его величайшим внесением было не математическое формулирование планирования экспериментов, а формирование идеологии/философии. Его подход - это больше, чем метод планирования и проведения экспериментов. Это концепция построения нетрадиционной и мощной дисциплины по улучшению качества.

Тагучи придумал новый подход к обеспечению качества в производстве. Его подход абсолютно отличался от существующего. Фактически он дал начало новому подходу к обеспечению качества.

Японский ученый Г. Тагучи в 1960 г. высказал мысль, что качество не может более рассматриваться как мера соответствия требованиям проектной/конструкторской документации. Соблюдения качества в терминах границ допусков недостаточно. Необходимо постоянно стремиться к номиналу, к уменьшению разброса даже внутри границ, установленных проектом.

Г. Тагучи предложил, что удовлетворение требований допусков - отнюдь не достаточный критерий, чтобы судить о качестве. В конце концов, минимальными оказываются затраты на обслуживание продукта после его получения потребителем, т.е. минимизируются переделки, наладки и расходы по гарантийному обслуживанию.

Управление, нацеленное лишь на достижение соответствия требованиям допусков, приводит в своим специфичным проблемам. Вместе с тем, нельзя не отметить, что допуски служили верную службу на протяжении многих лет: они позволяли производить предметы, которые были достаточно хороши в свою эпоху.

• Метод Тагучи позволяет ранжироватьприоритеты в программе управления качеством
• Количественно оценить улучшение качества

Разберем, например, некоторые из проблем, которые могут возникнуть, если соответствие валов и отверстий не идеально. Если их сочленение соответствует более плотной посадке, в процессе работы машины возникнет избыточное трение. Для его преодоления потребуется большая мощность или расход топлива.

При этом возможно возникновения локального перегрева, могущего привести к некоторым деформациям и плохой работе. Если посадка слишком свободная, то может происходить утечка смазки, которая может вызвать повреждение в других местах. Самое малое - замена смазки - может оказаться дорогостоящей процедурой как из-за стоимости самого смазывающего состава, так из-за необходимости более частой остановки машины для проведения техобслуживания. Слабая посадка может также привести к вибрациям, вызывающим шум, пульсирующие нагрузки, которые, весьма вероятно, приведут к уменьшению срока службы из-за отказов, вызванных напряжениями.

Очевидно, необходим другой, качественно другой подход, который не требует искусственного определения годного и негодного, хорошего и плохого, дефектного и бездефектного. Такой подход, в свою очередь, предполагает, что существует наилучшее значение, и что любое отклонение от этого номинального значения вызывает некоторого вида потери или сложности в соответствии с типом зависимости, который был рассмотрен на примерах для диаметра валов и отверстий.

Функция потерь Тагучи как раз и предназначена для этого. Графически функция потерь Тагучи обычно представляется в форме:

Рис. 1. Графическая функция потерь Тагучи

Значение показателя качества откладывается на горизонтальной оси, а вертикальная ось показывает "потери", или "вред", или "значимость", относящиеся к значениям показателей качества. Эти потери принимаются равными нулю, когда характеристика качества достигает своего номинального значения.

Математический вид функции Тагучи представлен в заголовке графика, где x - измеряемое значение показателя качества; x0 - ее номинальное значение; L(x) - значение функции потерь Тагучи в точке х ; с - коэффициент масштаба.