《实验设计(DOE)—培训教材(新)PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验设计(DOE)—培训教材(新)PPT课件（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验设计DesignofExperiment DOE 上海精玛睿企业管理有限公司ShanghaiLeanSigmaSagacityCorporationManagementCo Ltd 课程培训大纲 一 实验设计 DOE 概要介绍二 与实验设计 DOE 有关的术语和定义三 实验设计 DOE 的基本方法1 实验设计 DOE 的基本方法2 在实际应用中可能遇到的情况四 因素之间交互作用的正交实验设计 DOE 1 交互作用的实验设计方法和步骤2 在实际应用中可能遇到的几个问题的进一步说明 前言 面对竞争日益激烈的市场 您企业的产品设计开发能力是不是受到了威胁和挑战 如何加速产品的改进及新产品的开发
2、如何加速过程的发展 如何改善产品的质量 如何避免技术人员经验的断层 如何得到最佳生产条件且稳定操作 如何控制或模拟复杂的非线性系统 实验设计 DOE 质量工程是您正确的选择 产品质量的好坏很大程度上是由设计所决定的 因此在新产品的开发设计阶段就要十分重视 当然设计的好产品要成为真正的高质量的产品 在生产过程中还得有好的工艺参数 为此经常需要进行试验 从影响产品质量的一些因素中去寻找好的原材料搭配 好的工艺参数搭配等 这便是多因素的试验设计问题 多因素试验遇到的最大困难是试验次数太多 让人无法忍受 如果有十个因素对产品质量有影响 每个因素取两个不同状态进行比较 那么就有210 1024个不同的试
3、验条件需要比较 假定每个因素取三个不同状态进行比较的话 那么就有310 59049个不同的试验条件 要全部做试验在实际中是办不到的 因此我们只能从中选择一部分进行试验 选择哪些条件进行试验十分重要 这便是实验的设计 DOE 一个好的条件 可以通过少量试验获得较多的信息 达到试验的目的 实验设计的方法有许多 这里介绍的 正交实验设计 DOE 便是其中的一种常用方法 它利用 正交表 选择试验的条件 并利用正交表的特点进行数据分析 找出最好的或满意的试验条件 1 实验设计 DOE 的概念 指DesignofExperiment 实验设计 的英文简称 D Design 设计O of 的E Experi
4、ment 实验2 实验设计 DOE 的定义 一种用于控制过程输入以便更好地理解对过程输出影响的试验技术 指有计划地在某种条件下进行实验从而去获得能预测某种现象的统计资料 并且通过分析试验结果 从该现象中归纳出普遍性及再现性规则的一种有效方法 一项设计的试验是一个试验或试验序列 试验中根据描述的设计矩阵系统化地改变潜在影响过程的变量 一 实验设计 DOE 概要介绍 6 2人力资源 续 6 2 2 1产品设计技能组织必须确保负有产品设计职责的人员有能力达到设计要求 并熟练的掌握适用的工具和技术 组织必须识别适用的工具和技术 3 ISO TS16949 2002质量管理体系对实验设计 DOE 的要求
5、 产品和过程设计人员必须具备的最基本的工具和技术 1 几何尺寸和公差 GD T 2 质量功能展开 QFD 3 制造设计 DFM 装配设计 DFA 4 价值工程 VE 5 实验设计 DOE 6 失效模式及后果分析 DFMEA PFMEA等 7 有限元分析 FEA 8 实体造型 9 仿真技术 10 计算机辅助设计 CAD 计算机辅助工程 CAE 11 可靠性工程计划 4 实验设计 DOE 的来源 20世纪20年代 由英国R A Fisher等人最早提出实验设计技术 并首先应用于农业 以后逐渐被应用于生物学 遗传学等方面 1935年 R A Fisher的专著 实验设计 的出版标志着一门新的学科的诞
6、生 20世纪30 40年代 实验设计 DOE 方法在欧美盛行 应用到工业领域 第二次大战后 实验设计 DOE 方法在日本得到进一步的发展和应用 特别是以田口玄一为首的一批人员 将实验设计 DOE 方法应用于改进产品和系统的质量 成为第二次世界大战后推动质量管理的重要工具之一 田口方法介绍 产品质量的形成贯穿于产品寿命周期的全过程 包括设计 制造和使用过程 田口博士提出产品的三次设计思想 系统设计 参数设计和容差设计 同时 他将正交实验设计方法应用于产品研制阶段对参数的合理选择 为提高产品的设计质量提供了一套理论和方法 1950年 1960年 田口玄一将可以控制的要因 控制要因 配置在直交表上
7、研究在使用环境下 误差要因 亦即不可控制的要因 会使变异最小的过程 配方 条件 在美国称为稳健性设计 1970年 1980年 田口玄一将原本使用于测量系统的动态SN比扩张至对所有系统机能性的研究 脱离以数理统计为基础的实验计划法 而改用和技术本身十分密切的贺米特 Hermite 形式 亦即 光谱 Spectra 分解的观念 1980年 1990年 田口玄一到美国指导时 他将应用基本机能作为研究的重要性 因此主张使用试验片作为基本机能的研究 在无法充分改善时 才考虑进行允差设计 1990年 现在 田口玄一将SN比扩张至医疗 生物等特殊领域进行研究 5 实验设计 DOE 的目的 1 藉由有计划的进
8、行实验 以便达成未实验前的假设 2 由于不是采用 试误法 因此能提升产品研发的效率 3 利用特殊的分析方法 以求得除了平均值以外的数值 6 实验设计 DOE 适用对象 产品研究 设计和开发部门以及生产 技术 工艺部门 即 必須藉由实验以验证其假设或理论基础的单位最为适用 7 企业在质量管理中 经常会遇到多因素 有误差 周期长的这一类试验 希望通过试验能够解决以下几个问题 1 对质量指标的影响 哪些因素重要 哪些因素不重要 2 每个因素取什么水平为好 3 各个因素按什么样的水平搭配起来使指标较好 实践证明 正交实验设计 DOE 是处理这类试验问题的一种简便易行 行之有效的方法 8 实验设计 DO
9、E 所要研究和解决的问题 如何以尽可能少的试验次数获得足够有效的数据 并分析得出比较可靠的结论 汽车可靠性试验是一项周期长 费用高的工作 且影响可靠性试验结果的因素很多 有些因素单独起作用 有些因素则互相制约联合起作用 如果试验安排得好 通过少数几次试验 就能获得所需要的信息 得出明确的结论 如果试验方案安排得不好 花了大量的人力 物力 做了大量的试验 仍然得不到所需要的结论 因此 合理地安排可靠性试验 是一项十分重要的工作 它可以使试验工作者事半功倍 实验设计是统计数学的一个重要分支 它指导人们合理地设计实验方案 科学地分析试验数据 用尽可能少的试验次数 得到理想的结论 实验设计的方法很多
10、对于影响因素多 试验周期长的可靠性试验来说 用正交表设计实验方案的正交实验设计 DOE 法 是一种行之有效的工程方法 二 与实验设计 DOE 有关的术语和定义 1 以数值形式作分类 1 1计数值 测量数值不为连续量 一般用 个 代表 单纯计数值 将一个特性区分为良品或不良品 常用在外观等 例如 不良个数 故障台数 多重计数值 将一个特性区分为优 良 中 可 劣等 例如 外观可分为 好 有一些瑕疵 有很多瑕疵 1 2计量值 测量数值为连续量 制订规格时常用它 单一目标的特性 例如 某一规定的尺寸或电压或顏色 多重目标的特性 依据不同的需求 只要改变某一要因即可达成不同产品 例如 经由三原色加入量
11、的不同即可做出不同的顏色 此时对顏色而言是有无限多的目标 至于单一特性或者多个特性只在于最后找出最佳组合时会有影响 因此留在最适条件选取时時再谈 2 要因 会影响特性值的要因 配方 2 1控制要因 可由设计者或主事者变更的要因 用以得到最安定 最佳 的产品输出值 特性值 例如 工序过程条件 构成元件等 2 2误差要因 不可由设计者或主事者变更的要因 或者变更时所需成本相当高 例如 环境溫度对于产品的影响等 它适用来评估设计者找出的配方能否接受考验的重要要因 2 3信号要因 和特性值有一已知之函数关系 此要因只存在于多重目标特性中 藉由改变此一要因达成不同目的特性的需求 如 前例中的三原色的添加
12、量即为信号要因 3 水平 Level 水平值 或水准 水准值 3 1水平是该要因在能夠被设定的可能范围内 取得数个不同的设定值 此时该要因具有数个水平 而该设定值称为水平值 3 2常用的水平有 2水平 一般用于非连续的要因 3水平 一般用于连续的要因 例如 涂布时 温度 Temp 为控制要因 令为 其可能的加工范围为280 330 时 常将其取成3水平 其代号及水平值分別如下 1 280 2 300 3 330 注意 当 为连续性要因 其水平的间隔要大于6倍标准差温度 4 交互作用 定义之一 用以下2个变数A B 其分別可以设定为低 Low 高 High 假设会有以下情形产生 则称为没有交互作
13、用 亦即2者相互独立 5 交互作用 定义之二 用以下2个变数A B 其分別可以设定为低 Low 高 High 假设会有以下情形产生 则称为具有交互作用 亦即2者相互依存 6 交互作用的重点 用已研究2个变数间依存程度的大小 一般变数都会有一定程度的依存 因此可藉由它来判断其大小 如果不知道交互作用的大小 而给予了错误的假设 则可能造成实验失败 研究交互作用将使得实验规模无法减少 亦即实验次数将为 变数要因 变数个数 例如 2 2 4 有时为权衡2者 因此采用部分研究交互作用的方式 亦即不研究高次项的交互作用 7 实验的方式 7 1试误法 Try Error 依据每次实验结果加入自己专业判断 以
14、决定下一次实验的参数组合 此一方法需要很强的专业知识 亦即第六感要好 7 2单要因实验方法 一次只改变一个要因 以寻求该要因的最佳设定值 此一方法对于有两个以上要因会同时影响特性值的话将会有问题 7 3多要因 多元配置 实验方法 将所有的要因做排列组合 因此每一种可能的情形都将被做实验 依据此找出最佳组合 此一方法在要因个数很少时可以进行 但是一般即使重要要因也会有十几个 如此将使得实验完成日期遥遥无期 7 4正交表实验方法 藉由各要因在实验中出現相同次数 以平衡该要因的影响大小 此为目前可以同时解决上述两大缺点的方法 8 正交表表示方式解释 8 1正交表的符号意义 L代表 型正交表 a代表需
15、要做a次试验 b代表b水平 c代表可以摆放c个要因 即 La bc 例如 L9 34 表示 L代表 型正交表 9代表需要做9次试验 3代表3水平 4代表可以摆放4个要因 即 L9 34 常用的正交表种类有 2水平系列 L4 23 L8 27 L16 215 L32 231 L64 例 L4 23 表示做4次试验 3因子 因子指控制因素 其因子数 n 1 n为试验次数 2水平 3水平系列 L9 34 L27 313 L81 340 例 L9 34 表示9次试验 4因子 因子指控制因素 其因子数 n 1 2 n为试验次数 3水平 混合型系列 L12 211 L18 21 37 L36 23 313
16、 例 L18 21 37 表示18次试验 2水平1因子 3水平7因子 9 因子名称解释 9 1控制因子 在工序过程中 会影响产品质量特性的参数 其参数可自由控制的参数称为控制因子 例 材料种类 9 2误差因子 在工序过程中 会影响产品质量特性的参数 其参数不能或不太能改变的参数称为误差因子 例 外界的溫度 9 3调和因子 在工序过程中 会影响产品质量特性的参数 其参数不能或不太能改变质量特性的变差的参数称为调和因子 9 4信号因子 如同控制因子 但在工程上是容易作调整 且和输出间有其理想的线性关系 10 静态特性分析 10 1望小特性 测量结果越小越好 例如 不良率 表面粗糙度 噪音 10 2望大特性 测量结果越大越好 例如 强度 寿命 10 3望目特性 测量结果有一特定目标 越接近目标越好 例如 输出电流 输出电压 硬度 浓度 10 4零点望目特性 测量结果有其正负之值 其以越接近零越好 例如 弯曲 位置的偏移 11 动态特性 对于一个系统而言 希望通过调整设计参数来改善系统的效率 及此效率 的稳定性 效率 可定义为此系统所产生的输出 y 与输入的信号因子 M 之比 理想上 我们希望
