DOE 实验设计

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1、DESIGN OF EXPERIMENTS (DOE): 实验设计实验设计 DOE- 1Design of Experiments（DOE） 实验设计 Design of Experiments（DOE） 实验设计 DESIGN OF EXPERIMENTS (DOE): 实验设计实验设计 DOE- 2Design of Experiments（DOE） 实验设计 Design of Experiments（DOE） 实验设计 1. 定义和介绍 1. 定义和介绍 实验设计(Design of Experiments)或设计实验(Designed Experiments)是一系列试验及分析方法集

2、,通过有目的地改变一个系统的输入来观察输出的改变情况。图 1-1 示出一个系统示意图。图 1-1 中的系统既可以看作是一个产品开发过程，也可以看作是一个生产过程。对于一个生产过程, 一般它是由一些机 实验设计(Design of Experiments)或设计实验(Designed Experiments)是一系列试验及分析方法集,通过有目的地改变一个系统的输入来观察输出的改变情况。图 1-1 示出一个系统示意图。图 1-1 中的系统既可以看作是一个产品开发过程，也可以看作是一个生产过程。对于一个生产过程, 一般它是由一些机 图 1-1 一个系统示意图：Input 输入; Output 输出;

3、 Controllable input factors 可控的输入参数 X1,X2,Xp; Uncontrollable input factors 不可控的输入参数 Z1,Z2,Zq。 图 1-1 一个系统示意图：Input 输入; Output 输出; Controllable input factors 可控的输入参数 X1,X2,Xp; Uncontrollable input factors 不可控的输入参数 Z1,Z2,Zq。 DESIGN OF EXPERIMENTS (DOE): 实验设计实验设计 DOE- 3器、操作方法和操作人员所组成的,把一种输入原材料转变(加工)成某种输

4、出产品。这种输出产品具有一些可以观察的质量特性,也可叫响应(例如,产量、强度、硬度等)。一些过程参数（X1,X2,Xp）是可控的, 例如进给速度、淬火温度等; 而另一些（Z1,Z2,Zq）是不可控的, 它们有时被称为噪声参数,例如环境温度、湿度等。 实验设计的目的可能包括: (1)确定哪些参数对响应的影响最大; (2)确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使响应达到或尽可能靠近希望值(On target)； (3)确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使响应的分散度(或方差)尽可能减小。 (4)确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使不可控参数（噪声参数）对响应的影响尽可能减小。 因此, 在制

5、造过程的开发以及解决过程中出现的问题中都可以应用实验设计,以改善过程的性能,或者使过程对于外部波动源(干涉)不那么敏感，即得到一个“稳健”(Robust)的过程，同时还可节省时间和降低成本。所以,实验设计对于开发和改善制造过程,提高产品质量是一个非常重要的工程工具。 除此之处,实验设计还可以在新产品开发或现有产品改进中起到很大作用: (1)评价和比较不同设计方案; (2)评价代用材料; (3)确定影响性能的关键产品设计参数(KPC)。 在这些领域应用实验设计可以改善产品的制造工艺性、增强服役性能和可靠性、降低产品成本和缩短产品开发周期。 器、操作方法和操作人员所组成的,把一种输入原材料转变(加

6、工)成某种输出产品。这种输出产品具有一些可以观察的质量特性,也可叫响应(例如,产量、强度、硬度等)。一些过程参数（X1,X2,Xp）是可控的, 例如进给速度、淬火温度等; 而另一些（Z1,Z2,Zq）是不可控的, 它们有时被称为噪声参数,例如环境温度、湿度等。 实验设计的目的可能包括: (1)确定哪些参数对响应的影响最大; (2)确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使响应达到或尽可能靠近希望值(On target)； (3)确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使响应的分散度(或方差)尽可能减小。 (4)确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使不可控参数（噪声参数）对响应的影响尽可能减小。

7、因此, 在制造过程的开发以及解决过程中出现的问题中都可以应用实验设计,以改善过程的性能,或者使过程对于外部波动源(干涉)不那么敏感，即得到一个“稳健”(Robust)的过程，同时还可节省时间和降低成本。所以,实验设计对于开发和改善制造过程,提高产品质量是一个非常重要的工程工具。 除此之处,实验设计还可以在新产品开发或现有产品改进中起到很大作用: (1)评价和比较不同设计方案; (2)评价代用材料; (3)确定影响性能的关键产品设计参数(KPC)。 在这些领域应用实验设计可以改善产品的制造工艺性、增强服役性能和可靠性、降低产品成本和缩短产品开发周期。 DESIGN OF EXPERIMENTS

8、(DOE): 实验设计实验设计 DOE- 4应该指出,实验设计包括的内容很多,有关的著作很厚,例如, Design and analysis of experiments (Douglas C.Montgomery)有 538 页,本课程主要介绍在工业上得到较广泛应用的析因实验法、部分析因实验法(包括所谓正交实验法)应该指出,实验设计包括的内容很多,有关的著作很厚,例如, Design and analysis of experiments (Douglas C.Montgomery)有 538 页,本课程主要介绍在工业上得到较广泛应用的析因实验法、部分析因实验法(包括所谓正交实验法)Fact

9、orial experiments, Fractional Factorial, and Taguchi Method。 所以,在本课程中讲的实际上是狭义的实验设计,即析因实验法和部分析因实验法。 Factorial experiments, Fractional Factorial, and Taguchi Method。 所以,在本课程中讲的实际上是狭义的实验设计,即析因实验法和部分析因实验法。 2. 问题的提出2. 问题的提出用实验的方法改进质量 用实验的方法改进质量 在工程实践中经常碰到如下问题： (1)影响产品和产品制造过程性能的可能因素往往很多,如何确定到底哪些因素是最有影响性的?

10、 (2)如何调整这些因素才能获得最佳效果? 对于上述问题，工程计算和计算机模拟可以提供很有价值的结果,可以告诉为获得最佳效果一些影响参数应取的数值以及一些影响参数与响应之间的基本关系。但是,实际的产品及其制造过程都是很复杂的,为能进行上述计算和模拟往往需要进行必要的简化,这一般都会引入一定的分析误差。在这种情况下,分析结果一般又都需要得到专门设计的实验的验证。应该指出,进行上述计算和模拟的前提是要能找到描述影响参数与响应之间关系的工程方程(数学描述),否则便无法进行上述计算和模拟。即使在这种情况下,也可以应用实验的方法找到影响参数与响应之间的关系,达到改进质量的目的。 在工程实践中经常碰到如下

11、问题： (1)影响产品和产品制造过程性能的可能因素往往很多,如何确定到底哪些因素是最有影响性的? (2)如何调整这些因素才能获得最佳效果? 对于上述问题，工程计算和计算机模拟可以提供很有价值的结果,可以告诉为获得最佳效果一些影响参数应取的数值以及一些影响参数与响应之间的基本关系。但是,实际的产品及其制造过程都是很复杂的,为能进行上述计算和模拟往往需要进行必要的简化,这一般都会引入一定的分析误差。在这种情况下,分析结果一般又都需要得到专门设计的实验的验证。应该指出,进行上述计算和模拟的前提是要能找到描述影响参数与响应之间关系的工程方程(数学描述),否则便无法进行上述计算和模拟。即使在这种情况下,

12、也可以应用实验的方法找到影响参数与响应之间的关系,达到改进质量的目的。 DESIGN OF EXPERIMENTS (DOE): 实验设计实验设计 DOE- 5所以可以说,为获得高质量的产品,进行必要的实验是不可缺少的。 而进行实验是需要付出代价的,往往代价较高，需要花费较多的人力、物力和时间。所以,如何合理设计实验,以便能以最小的代价获得尽可能多、而且可靠的有关产品及其制造过程的知识,从而达到改进质量的目的,是很重要的,也是很有学问的。 下面以一个实例来引出如何合理设计实验的问题。 所以可以说,为获得高质量的产品,进行必要的实验是不可缺少的。 而进行实验是需要付出代价的,往往代价较高，需要花

13、费较多的人力、物力和时间。所以,如何合理设计实验,以便能以最小的代价获得尽可能多、而且可靠的有关产品及其制造过程的知识,从而达到改进质量的目的,是很重要的,也是很有学问的。 下面以一个实例来引出如何合理设计实验的问题。 实例: 制造弹簧 实例: 制造弹簧 制造弹簧有一个工序是淬火,而淬火过程会使一些弹簧中出现裂纹,如何解决这个质量问题? 图 2-1 示出弹簧的淬火示意图。 制造弹簧有一个工序是淬火,而淬火过程会使一些弹簧中出现裂纹,如何解决这个质量问题? 图 2-1 示出弹簧的淬火示意图。 图 2-1 弹簧的淬火示意图。 图 2-1 弹簧的淬火示意图。 DESIGN OF EXPERIMENT

14、S (DOE): 实验设计实验设计 DOE- 6这个问题的实质是要提高经淬火后不含裂纹弹簧的比例。影响这种响应的输入因素包括哪些参数呢?根据以往的经验,有意义的输入因素包括弹簧被加热的温度(T);弹簧钢的含碳量(C);淬火用油的温度(O)。 解决这个问题,就是要找到参数 T、C 和 O 的最佳值,以使不含裂纹的弹簧比例(响应)达到最高。这个问题的最终解决要靠实验。但是,在开始作实验以前,最好能知道有意义的影响参数的大致数值或范围。如果存在工程方程描述影响参数与响应之间的关系,可以用计算机模拟来确定这种数值或范围。但如果没有这种工程方程,便无法利用计算机模拟,这时可以靠找前人总结的有关工程经验来

15、确定这种数值或范围。教科书、专著、论文、工程手册等文献中便包含有很多这种工程经验。从有关的工程手册中查到,参数 T、C 和 O 应该取如下数值: T 1525F C 0.6% O 95F 但是，它们是最佳值吗?怎么回答这个问题?只能用实验来回答这个问题。为什么从工程手册中查到的经验数据不一定是最佳值呢?这是因为这些经验数据都在一定条件下得出的,而你当前的问题未必与那些条件完全相符。 为了用实验回答上述问题,就必须设计一个合适的实验方法。而这个设计是否合理,直接关系到能够从这种实验中得到的知识有多少，以及需要花费的人力、物力和时间有多少。 实验中的参数选择基于从工程手册中查到的经验数据,在此基础

16、之上,把数据增大一些及减小一些,看有什么情况发生. 这个问题的实质是要提高经淬火后不含裂纹弹簧的比例。影响这种响应的输入因素包括哪些参数呢?根据以往的经验,有意义的输入因素包括弹簧被加热的温度(T);弹簧钢的含碳量(C);淬火用油的温度(O)。 解决这个问题,就是要找到参数 T、C 和 O 的最佳值,以使不含裂纹的弹簧比例(响应)达到最高。这个问题的最终解决要靠实验。但是,在开始作实验以前,最好能知道有意义的影响参数的大致数值或范围。如果存在工程方程描述影响参数与响应之间的关系,可以用计算机模拟来确定这种数值或范围。但如果没有这种工程方程,便无法利用计算机模拟,这时可以靠找前人总结的有关工程经验来确定这种数值或范围。教科书、专著、论文、工程手册等文献中便包含有很多这种工程经验。从有关的工程手册中查到,参数 T、C 和 O 应该取如下数值: T 1525F C 0.6% O 95F 但是，它们是最佳值吗?怎么回答这个问题?只能用实验来回答这个问题。为什么从工程手册中查到的经验数据不一定是最佳值呢?这是因为这些经验数据都在一