三次設(shè)計(jì)法由田口博士提出，三次設(shè)計(jì)是指系統(tǒng)設(shè)計(jì)（System design）、參數(shù)設(shè)計(jì)（Parameter design）和容差設(shè)計(jì)（Tolerance design）。它是一種優(yōu)化設(shè)計(jì)，是線外質(zhì)量管理的主要內(nèi)容。它和傳統(tǒng)的產(chǎn)品的三段設(shè)計(jì)(方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì))有一定的交叉。通過(guò)三次設(shè)計(jì)使產(chǎn)品具有健壯性。三次設(shè)計(jì)中進(jìn)一步運(yùn)用正交設(shè)計(jì)的理論和方法研究考核指標(biāo)的穩(wěn)定性。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一次設(shè)計(jì)）

系統(tǒng)設(shè)計(jì)即傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它是依據(jù)技術(shù)文件進(jìn)行的。例如：化工生產(chǎn)過(guò)程選擇什么樣的原材料和工藝路線；生產(chǎn)電機(jī)選用何種導(dǎo)線，采用什么加工工藝等等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量取決于專業(yè)技術(shù)的高低。但對(duì)于某些結(jié)構(gòu)復(fù)、多參數(shù)、多特性值的產(chǎn)品，要全面考慮各種參數(shù)組合的綜合效應(yīng)，單憑專業(yè)技術(shù)往往無(wú)法定量地確定經(jīng)濟(jì)合理的最佳參數(shù)組合。盡管系統(tǒng)設(shè)計(jì)有這個(gè)不足，有時(shí)甚至由于時(shí)間限制，不可能對(duì)所有系統(tǒng)進(jìn)行研究，只能根據(jù)直覺(jué)或預(yù)測(cè)，從各個(gè)系統(tǒng)中挑選幾個(gè)重要的系統(tǒng)進(jìn)行研究。系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它為選擇需要考察的因素和待定的水平提供了依據(jù)。

2.參數(shù)設(shè)計(jì)（二次設(shè)計(jì)）

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，就該決定這些系統(tǒng)中各參數(shù)值的最優(yōu)水平及最佳組合。但由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)是憑專業(yè)知識(shí)推定出待考察的因素和水平，無(wú)法綜合考慮減小質(zhì)量波動(dòng)，降低成本等因素。而參數(shù)設(shè)計(jì)是一種非線性設(shè)計(jì)，它運(yùn)用正交試驗(yàn)、方差分析等方法來(lái)研究各種參數(shù)組合與輸出特性之間的關(guān)系，以便找出特性值波動(dòng)最小的最佳參數(shù)組合。因此，參數(shù)設(shè)計(jì)也稱參數(shù)組合的中心值設(shè)計(jì)。

實(shí)踐表明，整機(jī)質(zhì)量的好壞，既取決于產(chǎn)品整體的設(shè)計(jì)，又取決于零部件的質(zhì)量。一個(gè)系統(tǒng)功能好壞很大程度上取決于系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)。好的參數(shù)組合不一定是以每件零部件最優(yōu)為條件的，而是一種不同檔次、不同質(zhì)量水平的低成本的組合，從而實(shí)現(xiàn)低成本高質(zhì)量的設(shè)計(jì)要求。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的波動(dòng)情況是復(fù)雜的，很多產(chǎn)品的輸出特性與因素組合之間并不是線性關(guān)系。

例如，有一晶體管穩(wěn)壓電源，輸入為交流220V，要求輸出目標(biāo)值為直流110V，波動(dòng)范圍必須控制在±2V。決定穩(wěn)壓電路輸出特性的主要因素是晶體管的電流放大倍數(shù) hFE（其輸出特性呈非線性關(guān)系）以及調(diào)節(jié)電阻R的大小（電阻的輸出呈線性關(guān)系）。

通常專業(yè)設(shè)計(jì)人員看到電路輸出與目標(biāo)值發(fā)生偏離時(shí)，大多是調(diào)整晶體管 hFE的工作點(diǎn)，使輸出達(dá)到目標(biāo)值，但又產(chǎn)生了輸出電壓波動(dòng)偏大的問(wèn)題。例如原穩(wěn)壓電源的晶體管hPE工作點(diǎn)在A1（A1=20），對(duì)應(yīng)的輸出電壓為95V。這時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常是把hFE從A1調(diào)整到A2（A2=40），使輸出電壓達(dá)到110V。但是，晶體管的hFE總會(huì)有一定范圍的波動(dòng)。假定hFE的波動(dòng)范圍為±20，當(dāng)選定A2=40為設(shè)計(jì)中心值時(shí)，hFE就將在20-60（A1-A3）之間波動(dòng)，對(duì)應(yīng)的輸出目標(biāo)的波動(dòng)范圍將是95-120V。過(guò)去為解決這一問(wèn)題，都是進(jìn)一步嚴(yán)格挑選元件，以減小hFE的波動(dòng)范圍。這樣勢(shì)必增加制造成本。如何運(yùn)用參數(shù)設(shè)計(jì)的原理來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)呢？由此可知，當(dāng)A4=80這個(gè)工作點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出特性曲線變化的平坦區(qū)?，F(xiàn)在仍采用hFE波動(dòng)為±20的晶體管，但工作點(diǎn)選A4=80上，此時(shí)輸出電壓波動(dòng)范圍為120耀122V之間，波動(dòng)幅度大大減小。但這時(shí)的輸出電壓為121V，比目標(biāo)值110V高出一個(gè)M=11V的偏差。這個(gè)偏差可用線性元件電阻 R來(lái)校正，通過(guò)改變電阻R的大小來(lái)調(diào)整輸出電壓；使其達(dá)到110V。通過(guò)這項(xiàng)設(shè)計(jì)，我們找到了晶體管hFE與電阻的最佳參數(shù)組合為A4B4。

在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，常常是在關(guān)系未知的情況下進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)的，而不是象上例中的關(guān)系明確可鑒。這就必須通過(guò)試驗(yàn)的辦法，并借助于正交試驗(yàn)、方差分析、信噪比等數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，以較少的次數(shù)找出符合設(shè)計(jì)目標(biāo)值且穩(wěn)定性很高的參數(shù)組合。

3. 容差設(shè)計(jì)（三次設(shè)計(jì)）

系統(tǒng)要素的中心值決定后，便進(jìn)入決定這些因素波動(dòng)范圍的容差設(shè)計(jì)。由于某些輸出特性的波動(dòng)范圍仍然較大，若想進(jìn)一步控制波動(dòng)范圍，就得考慮選擇較好的原材料、配件，但這樣自然會(huì)提高成本。因此有必要將產(chǎn)品的質(zhì)量和成本進(jìn)行綜合平衡。容差是從經(jīng)濟(jì)角度考慮允許質(zhì)量特性值的波動(dòng)范圍。容差設(shè)計(jì)通過(guò)研究容差范圍與質(zhì)量成本之間的關(guān)系，對(duì)質(zhì)量和成本進(jìn)行綜合平衡。

例如：可以將那些對(duì)產(chǎn)品輸出特性影響大而成本低的零部件的容差選得緊一些，而對(duì)輸出特性影響小而成本又很高的零部件選得松一些。為此，必須要有一個(gè)質(zhì)量損失函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)質(zhì)量波動(dòng)所造成的經(jīng)濟(jì)損失。

仍以上述晶體管理穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)為例。當(dāng)輸出電壓正好等于110V時(shí)，質(zhì)量波動(dòng)最小。隨著質(zhì)量波動(dòng)的增大，引起的經(jīng)濟(jì)損失（包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失）也將增大。例如：質(zhì)量波動(dòng)造成零部件返工、報(bào)廢以及用戶由于質(zhì)量波動(dòng)也多付費(fèi)用等。

可見(jiàn)，容差設(shè)計(jì)是在決定了最佳參數(shù)組合的中心值后，根據(jù)質(zhì)量損失函數(shù)，在綜合平衡用戶與制造廠質(zhì)量費(fèi)用的情況下，選定合理的公差范圍。

以上通過(guò)穩(wěn)壓電源的參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)的例子，對(duì)三次設(shè)計(jì)的原理進(jìn)行概念性的介紹。實(shí)際計(jì)算往往要復(fù)雜得多，通常要運(yùn)用正式試驗(yàn)、方差分析和信噪比對(duì)質(zhì)量特性進(jìn)行綜合評(píng)定。