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1、实 验 设 计 基 础Alexander MengSQA, SAE Magnetics Ltd.课程安排第一讲：实验设计中的正交试验第二讲：方差分析和2k因子、3k因子设计第三讲：正交试验的方差分析第四讲：稳健设计和产品的三阶段设计第五讲：可靠性设计第一讲：实验设计中的正交试验第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术第二节：进行实验设计的意义及其发展过程第三节：正交试验、正交表及其用法第四节：混合水平的正交试验设计第五节：有交互作用的正交试验设计第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术在掌握专业知识的基础上，一个优秀的工程师至少应当掌握以下的质量管理技术：1. Cpk (过程能力指数)2. G
2、R 技术上则由于产品结构的复杂化和新原理的采用，延长了开发周期。 而并行工程则为企业如何以尽可能短的开发周期推出顾客与社会需要 的产品提供了解决思想和方法。 并行工程是对产品及制造和辅助过程实施并行、一体化设计，促使开 发者始终考虑从概念形成直到使用后处置的产品整个生命周期内的所 有因素(包括质量、成本、进度和使用要求)的一种系统方法。 并行工程中普遍采用质量工程技术(如QFD、田口法、FMEA等)和计算 机技术。第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术9.水平比较 (Benchmarking)Benchmarking 是一个系统和连续的测量过程，这个过程就是要针 对世界范围内的领先企业和具体
3、的领先过程进行连续不断的测量和 比较，以获得帮助公司采取改进行动的有效信息。水平比较可分为：内部水平、竞争性水平、功能性水平、一般性水平比较。水平比较的内容：质量、生产率和时间(生产率和时间反映了成本问题)。 第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术10.失效模式和效果分析 (FMEA)FMEA被应用于产品设计和过程开发。它是一个重要的分析工具， 有助于防止代价高的失效。它为设计小组提供了一个预期并消除这 些失效的有效途径。 FMEA包括(设计)DFMEA和(过程)PFMEA。DFMEA应从列出设计 希望做什么以及不希望做什么开始，即设计意图。期望的特性的定 义越明确，就越容易识别潜在的失效模
4、式，采取纠正措施.PFMEA 应从整个过程的流程图/风险评估开始。流程图应确定与每个工序 有关的产品/过程特性参数。如果可能的话，还应根据相应的DFMEA 确定某些产品的影响后果。第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术11.制造设计(DFM)和装配设计(DFA)为优化设计功能、可制造性、易于装配之间关系所设计的同步工程 最主要的是要增进对工艺变量与产品结果之间的关系的理解。在此 基础上，设计者再在技术规范中确定必须在制造过程中加以控制的 产品特性及其限制，以实现其使用要求。这将有利于： 1)改进产品的投产； 2)改进现有制造过程能力； 3)提供可用于主管和工人培训的信息； DFM和DFA通常
5、由一个横向职能小组来应用，这可以防止工程师设 计超出装配技术或产量能力的制造或装配步骤。小组通常有其他领 域的专家和顾客参与，以解决设计人员知识不足或未领悟某一重要 设计特性。第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术12.实验设计(DOE)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. 实验设计的代表性方法包括传统方法和田口方法。田口方法的目的 是通过设计保证质量，它通过确定和控制造成过程 / 产品质量出现 偏差的关键变量(或噪音)来达到目的。其整个概念可描述为以下两 个基本点： 1)应该用相对于规定的目标值的偏差来衡量质量，而不应该由是否 满足预先设定的公差限度来衡量质量。 2
6、)质量不能先靠检验和返工来保证，必须通过适当的过程和产品设 计来实现。 设计循环分为三个阶段：系统设计、参数设计、公差设计。第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术13.运动/人机工程学分析通过对过程设计的评估，以确保与人的能力兼容。运动分析是指与 完成任务(如升、扭、延伸)有关的人的能力，以防止或减轻应变、 应力、过度疲劳等问题。有关影响因素包括工人的人体尺寸、设计 产品的布置、按扭 / 开关的位置，加在人身上的负荷，及诸如噪音 振动、照明和空间等方面的环境影响。第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术14.价值分析和价值工程(VA和VE)采用多种技术来正确地分析某一产品的功能，往往能够改进
7、产品的 性能，降低成本，因为这样可以找到并应用其它的代用材料生产方 法。这种功能评价的过程叫做价值分析。美国则将应用价值分析过 程以降低设计成本称之为价值工程。第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术15.可靠性工程计划通常一个可靠性项目要具备三个必要条件： 1). 产品设计：如果在产品设计中未对可靠性进行足够的考虑的话， 任何诸如检验和试验的其它的后续措施都不能弥补不足； 2). 零件：用于制造产品的零件必须满足功能要求，能够在经过制造 过程后而不致衰退，并且能够在其使用的环境条件下正常运行而不 至损坏； 3). 质量控制：必要的制造程序、过程和控制必须予以执行和保持；第一节：优秀工程师应当
8、掌握的质量管理技术16.蒙特卡洛方法Monte Carlo 方法也称为随机模拟方法，其基本思想是，为了求解 数学、物理、工程技术以及生产管理等方面的问题，首先建立一个 概率模型或随机过程，使它的参数等于问题的解；然后通过对模型 或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出所 求解的近似值。第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术17.计算机辅助设计(CAD)它们可以将产品的具体要求转化为最终的实物产品，可以使设计者 考虑许多不同的设计方案，并大大缩短工作时间。现在常被用于以 下领域： 1)可靠性：为改进的低温设计可靠性而进行的设备的热工设计； 2)可维修性：工件位置，可达到距离及其
9、它与设计相关的人体需要 图解； 3)可试验性：将试验策划考虑在设计过程中的总体试验要求的分析;第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术进行实验设计的意义:实验设计方法是数理统计学的应用方法之一，在很多学科中得到广 泛的应用。它的主要内容是讨论如何合理地安排试验、取得数据， 然后进行综合的科学分析，从而达到尽快获得最优方案的目的。 实验设计在工程学领域是改进制造过程的性能的非常重要的手段。 它在开发新工序中亦有着广泛的应用。在工序开发的早期应用实验 设计方法能得出以下成果： 1. 提高产量； 2. 减少变异性，与额定值或目标值更为一致； 3. 减少开发时间； 4. 减少总成本；第二节：进行实验设
10、计的意义及其发展过程前言: 实驗設計在生產/制造過程中的位置.生產生產/ / 制造制造 過程過程可控制因素可控制因素 不可控制因素不可控制因素 統計技術在統計技術在 生產生產/ /制造過程制造過程 中的應用是對中的應用是對 過程中輸入過程中輸入 的變量的變量 ( (人人, ,机机, ,料料, ,法法, ,環環) ) 進行有目的地优化進行有目的地优化, , 使輸出的結果更加理想使輸出的結果更加理想. . 实驗設計实驗設計 是其中較為有效的是其中較為有效的一种工程工具一种工程工具. .通過實驗 進行优化設計通過實驗通過實驗, ,控制其不良控制其不良 的影響程度的影響程度第二节：进行实验设计的意义及
11、其发展过程实验设计的发展过程:实验设计方法始于本世纪20年代，其发展过程大致可分为三个阶段： 1. 早期的方差分析法。这种方法是在本世纪20年代由英国生物统计学家、数学家费歇(Fisher)提出的，开始主要应用于农业、生物学、遗传学方面，取得了丰硕成果。二战期间，英、美采用这种方法在工业生产中取得显著效果； 2. 传统的正交试验设计法。以日本的田口玄一为代表； 3. 信噪比试验设计法与三阶段设计法。1957年，田口玄一提出信噪比设计法和产品的三阶段设计法。他把信噪比设计和正交表设计、方差分析相结合，开辟了更为重要、更为广泛的应用领域。为什么要进行正交试验:在实际生产中，影响试验的因素往往是多方
12、面的，我们要考察各因 素对试验影响的情况。在多因素、多水平试验中，如果对每个因素 的每个水平都互相搭配进行全面试验，需要做的试验次数就会很多. 比如对两 个7水平的因素，如果两因素的各个水平都互相搭配进行 全面试验，就要做73=343次试验，对6个7水平的因素，进行全面试 验要做76=117649次试验。这显然是不经济的。 我们应当在不影响试验效果的前提下，尽可能地减少试验次数。正 交设计就是解决这个问题的有效方法。 正交设计的主要工具是正交表。第三节：正交试验、正交表及其用法右圖是一個比較典型的正交表.“L”表示此為正交表 , “8”表示試驗次數, “2”表示兩水平, “7”表示試驗最多可以
13、有7個因素 (包括 單 個因素及其交互作 用).第三节：正交试验、正交表及其用法正交表:正交表的表示方法:一般的正交表记为Ln(Mk)，n是表的行数， 也就是要安排的试验次数; k 是表中的列数，表示因素的个数；m 是各因素的水平数；常见的正交表:2水平的有 L4(23), L8(27), L12(211), L16(215)等； 3水平的有 L9(34), L27(313)等； 4水平的有 L15(45); 5水平的有 L25(56);第三节：正交试验、正交表及其用法第三节：正交试验、正交表及其用法正交試驗所需要的正交試驗所需要的 試驗次數試驗次數. .普通試驗所需要的普通試驗所需要的 試驗
14、次數試驗次數為什么說正交試驗節約成本,提高效率:正交表的两条重要性质:1) 每列中不同数字出现的次数是相等的，如L9(34)中，每列中不同的数字是1，2，3，它们各出现3次；第三节：正交试验、正交表及其用法2) 在任意两列中，将同一行的两个数字看成有序数对时，每种数对出现的次数是相等的，如L9(34)中有序数对共有9个: (1,1), (1,2), (1,3)(2,1), (2,2), (2,3), (3,1), (3,2), (3,3), 它们各出现一次。 所以，用正交表来安排试验时，各 因素的各种水平的搭配是均衡的， 这是正交表的优点。例1：(单指标的分析方法) 某炼铁厂为提高铁水温度，需要通过试验选
