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1、DOEDOE实验设计培训实验设计培训12 345678P P2 2P:2Pg 2确认偏差来源确认偏差来源:探测性分析探测性分析取得突破的蓝图取得突破的蓝图优化输出变量优化输出变量控制控制 X和和 监控监控 Y确立长期确立长期质量管理质量管理控制控制明确项目定义明确项目定义确认输入及确认输入及输出指标输出指标分析测量系统分析测量系统确定工艺能力确定工艺能力测量测量确认偏差来源确认偏差来源:统计性分析统计性分析确认偏差来源确认偏差来源:方差分析方差分析规划试验设计规划试验设计分析分析筛选关键筛选关键输入变量输入变量(DOE)找寻交互作用找寻交互作用(DOE)确定确定 Y=f(X)改进改进6 Sig
2、ma 概论概论项目管理项目管理计算机应用计算机应用基础统计学基础统计学确定确定什麼是試驗設計？什麼是試驗設計？試驗設計是研究作用因素Xs與關鍵質量特性CTQs之間關係的方法論.X Xs sY=fY=f（x x）Y Y在工農業生產和科學試驗中,試驗是必不可少的.試驗安排得好,往往會達到事半功倍的效果.如何科學地組織試驗,包括許多環節：選題、確定因數及其水平、設計試驗組合,等等.這些環節,有的是屬於管理科學,有的是需要數學和統計學的方法來設計試驗方案,後者稱為統計試驗設計.DOE Training-4-DOEDOE的意义的意义1 1为什么需要试验设计为什么需要试验设计1、优化设计的必要性、优化设计
3、的必要性l提高产量；l减少变异性，与额定值或 目标值更为一致；l减少开发时间；l减少总成本；DOE Training-5-DOEDOE的意义的意义2 2基本研究基本研究1、发现相关问题2、明了技术要点产品设计产品设计1、灵敏度分析2、建立可靠性的公差3、特征组件4、特征结构5、包括低成本组件6、包括低等级物料7、最小的变化8、性能的改善工艺研发工艺研发1、变量研究2、变量的优化设置3、建立可靠公差4、发现降低成本的解决办法 2 2、实验设计的作用、实验设计的作用工艺研发工艺研发5、优化变化6、改善过程中心7、减少生产周期8、降低坏品率9、改善产品的可靠性工艺改善工艺改善1、解决问题2、明了变量
4、及过程之关系3、进行过程能力研究4、设备及方法比较计量计量1、进行测量系统研究2、判定误差的主要来源3、最小测量误差DOE術語响应變量响应變量Response:Response:试验输出的结果试验输出的结果因子因子Factor:Factor:试验过程中的不同输入变量如温度、时间、粘度等试验过程中的不同输入变量如温度、时间、粘度等水平水平Level:Level:试验中对因子的不同设定值如温度：试验中对因子的不同设定值如温度：1010度、度、2020度、度、3030度度干扰干扰Noise:Noise:人不可控制的事物人不可控制的事物主要影响主要影响Main Effect:Main Effect:对
5、单个因子而言对单个因子而言,从一个水平到另一个水平的变从一个水平到另一个水平的变化对输出的平均影响化对输出的平均影响交互作用交互作用InteractionInteraction：两个因子合起来对总输出的影响将高于两个单独：两个因子合起来对总输出的影响将高于两个单独的因子造成的影响的因子造成的影响62021/9/26DOE Training-7-Pg 7重复试验(replication)一个处理施加于多个试验单元。我们一定要进行不同单元的重复(replicate)，而不能仅进行同单元的重复(repetition):要重做试验，而不能仅重复观测或重复取样。随机化(randomization)：用完
6、全随机的方式安排各次试验的顺序和或所用的试验单元。防止那些试验者未知的但可能会对响应变量产生的某种系统的影响。划分区间(blocking)：按照某种方式把各个试验单元区分成组，每组内保证差异较小，使他们具有同质齐性(homogeneous)，则我们可以在很大程度上消除由于较大试验误差所带来的分析上的不利影响。如果分区组有效，则这种方法在分析时，可以将区组内与区组间的差异分离出来，这样就能大大减少可能存在的未知变量的系统影响。试验设计的基本原则策略一：篩選主要因子（使X型問題簡化成A型問題）策略二：找出最佳之生產條件（使A型問題簡化成T型問題）策略三：證實最佳生產條件有再現性全因子試驗計劃法全因
7、子試驗計劃法没有交互作用(平行的状态)YXXX有一点交互作用有很大的交互作用什么是交互作用什么是交互作用 表示2个因子的水平组合上,发生不期待的效果。3次以上的交互作用，技术分析不太容易，因此一般不考虑。交互作用图交互作用图A&B间没有交互作用定义：当有交互作用存在时,一个因素对回应的影响与其他各标准因素对回应的影响是不同的.A&B互相作用B的影响随着A的标准而变化.这里,B对低标准A有负面影响,对高标准A有正面影响.A&B互相作用这里,B的影响以与上述相同的方式随着A的标准而变化.低A低A高A高A低B高B低A低A高A高A低B高B低A高A低B高B試驗設計的步驟試驗設計的步驟1.工程選定2.測定
8、Y設定（盡量為連續型）3.測定系統分析(MSA)4.因子X設定5.因子水平設定（適當的）6.試驗種類選定7.試驗計劃設定8.試驗實施9.結果分析10.最終判定 END1.水平之間太小時會失敗，太大時也不可2.設定水平盡量間距相等3.確認設定的水平能否作業水平設定水平設定1.在評估因素的影響時它提供的信息不夠詳細2.常常得出無法再現的結論3.需要的數據量很大Y Y為離散型為離散型 DOE Training-12-陈述实际问题和实验目的陈述实际问题和实验目的选择选择选择选择“Y Y”响应变量响应变量响应变量响应变量陈述因子和水平陈述因子和水平陈述因子和水平陈述因子和水平选择选择选择选择DOEDOE
9、实施实验及收集数据实施实验及收集数据实施实验及收集数据实施实验及收集数据分析实验结果分析实验结果分析实验结果分析实验结果结论和计划结论和计划结论和计划结论和计划通过通过DOE 想想达达到到什么目的什么目的?Y是什么？计量型？计数型？是什么？计量型？计数型？如产出率如产出率,作业时间作业时间,清洁度等清洁度等 如温度如温度(100,150),重量重量(20,30,40kg)全因子全因子实验,田口田口设计,响响应曲面曲面设计等等 收集收集实验结果的果的数数据据 运运用用软件件进行行实验数数据分析据分析制定改善方案制定改善方案 DOEDOE的处方的处方必要时重复实验必要时重复实验DOE Traini
10、ng-13-陈述问题和实验目的陈述问题和实验目的选择选择“Y”响应变量响应变量陈述因子和水平陈述因子和水平选择选择DOE实施实验及收集数据实施实验及收集数据分析实验结果分析实验结果结论和计划结论和计划2 首先要明白实验的目的到底要什么？首先要明白实验的目的到底要什么？把握把握Vital Few Xs(Vital Few Xs(少数关键少数关键X X）的影响程度）的影响程度 把握选定的重要把握选定的重要X X之间的交互作用之间的交互作用 建立建立X X和和Y Y的预测模型的预测模型 决定决定Y Y最佳化的最佳化的X X的条件的条件:DOEDOE处方处方-1.-1.陈述实际问题和实验目的陈述实际问
11、题和实验目的DOE Training-14-2选择响应变量选择响应变量“Y Y”(特性值特性值)响应变量的定义响应变量的定义 -改善的目的是什么?目标值(平均)/散布水准(标准偏差)-响应变量随着时间变吗?响应变量是否具备正态分布?-希望能发现出多大的响应变量的变化程度?-MSAMSA（测量分析系统）是否可靠（测量分析系统）是否可靠?-希望得到多个输出响应变量吗?计数型与计量型数据的比较计数型与计量型数据的比较?计数型属性数据（合格/不合格率）的有效性不及计量型数据（连续测量数据），这表明需要大量的数据才能得出数据有效的统计结论。所 以尽量选择计量型数据作为Y,以避免收集大量数据 陈述问题和实
12、验目的陈述问题和实验目的选择选择“Y”响应变量响应变量陈述因子和水平陈述因子和水平选择选择DOE实施实验及收集数据实施实验及收集数据分析实验结果分析实验结果结论和计划结论和计划DOEDOE处方处方-2.-2.选择选择“Y Y”响应变量响应变量DOE Training-15-陈述问题和实验目的陈述问题和实验目的选择选择“Y”响应变量响应变量陈述因子和水平陈述因子和水平选择选择DOE实施实验及收集数据实施实验及收集数据分析实验结果分析实验结果结论和计划结论和计划DOEDOE处方处方-3.-3.陈述因子和水平陈述因子和水平2 决定因子决定因子选择选择“X X”因子，尽量为计量型，可以从以下来因子，尽
13、量为计量型，可以从以下来 ：-因果图 -头脑风暴法 -流程图 -专家意见 -供应商输入 -竞争性分析 -分析阶段结果 宁缺毋滥！宁缺毋滥！处理噪音变量（不可控因子）的方法处理噪音变量（不可控因子）的方法 -利用随机化 -试图把噪音变量维持为常数的方法 -利用Block化 -反复实验 DOE Training-16-陈述问题和实验目的陈述问题和实验目的选择选择”Y”响应变量响应变量陈述因子和水平陈述因子和水平选择选择DOE实施实验及收集数据实施实验及收集数据分析实验结果分析实验结果结论和计划结论和计划2 决定因子的水平决定因子的水平 按因子数及影响的特性选择水平数按因子数及影响的特性选择水平数
14、-因子多时,用2水平 -只有线形影响时,用2水平 -估计有曲线影响时,用3水平 水平的范围设定水平的范围设定:-选择选择“X X”变量，要有足够的范围以体现差异变量，要有足够的范围以体现差异。-不可脱离实现可能性的范围(但可以超出当前 Process的范围)。-对计量性数据的输入变量的水平设定,大体上 要考虑当前条件的界限。DOEDOE处方处方-3.-3.陈述因子和水平陈述因子和水平DOE Training-17-陈述问题和实验目的陈述问题和实验目的选择选择“Y”响应变量响应变量陈述因子和水平陈述因子和水平选择选择DOE实施实验及收集数据实施实验及收集数据分析实验结果分析实验结果结论和计划结论
15、和计划考虑实验的目的和预算等选择考虑实验的目的和预算等选择DOEDOEDOEDOE处方处方-4.-4.选择选择DOEDOE当设计一个实验时，要考虑如下关键当设计一个实验时，要考虑如下关键因素因素a)实验限制条件b)实验设计方法c)噪声变量d)随机化和分组e)重复和反复f)样本容量DOE Training-18-实验设计的关键因素实验设计的关键因素(1)(1)DOEDOE处方处方-4.-4.选择选择DOEDOE4a)确定实验限制条件确定实验限制条件确定实验可采用方案数与实验次数的限制条件。实验限制条件可以是时间，金钱，人力资源，物质限制等。决定你将做多少次实验。结合你的实验目的，选择最佳实验设计
16、及你可以采用的最多的实验次数。注意：注意：1.不要在第一次实验中用完你所有的资源2.成功的DOE是一个反复的过程，不是一次实验就能完成的！DOE Training-19-实验设计的关键因素实验设计的关键因素(2)(2)DOEDOE处方处方-4.-4.选择选择DOEDOE4b)4b)设计实验设计实验-确定实验设计方法确定实验设计方法筛选实验筛选实验6 6以上以上部分因子实验部分因子实验410410全因子全因子实验实验1515田口田口设计设计221 13 3DOE DOE 种类种类因子数量因子数量选别重要因子选别重要因子选别重要因子选别重要因子因子与因子与Y Y的关系的关系寻找因子的寻找因子的最佳
17、条件组合最佳条件组合目的目的区区分主效果分主效果主效果和主效果和部分交互作用部分交互作用所有主效果和所有主效果和交互作用交互作用(线性效果）线性效果）设计或工序或工序参数参数优化化作用作用低低现在现在工序知识工序知识状态状态高高响应曲面实验响应曲面实验2323设定因子的设定因子的最佳条件最佳条件反应变量的反应变量的预测模型预测模型(曲线效果）曲线效果）效果效果DOE Training-20-試驗設計的類別試驗設計的類別 試驗類別的選擇依據試驗類別的選擇依據在選擇試驗時，須至少考慮以下因素：1.研究目標：即通過試驗希望達到什麼目的，解決什麼問題2.因素和水平數：我們的調查、分析范圍3.每次的試驗
18、成本 試驗類別試驗類別根據不同的因素類，我們可以按以下分類：試驗類型目標1.全因子試驗（所有因素和水平的組合）1.尋找最有利於輸出的因素水平2.建立可評估所有交互影響的數學模型2.分部因子試驗（所有組合的一個子集）1.尋找最有利於輸出的因素水平2.建立可評估部分交互影響的數學模型DOE Training-21-試驗設計的類別試驗設計的類別 試驗類別試驗類別試驗類型目標3.篩選試驗從大量因素中發現少數關鍵因素（不評估因素的交互作用）4.响应曲面实验1.優化2.建立非線性影響存大時的數學模型（常用響應表面方法）5.田口設計1.優化2.優化產品或制造過程的函數3.使輸出地噪聲因素敏感性最小，對輸入因
19、素敏感性最大DOE Training-22-噪声变量噪声变量 噪声变量会影响实验结果，但是我们不能控制它或选择对其不进行控制。此类变量为已知或未知。范例：范例：-季节因素，温度、湿度-设备-操作人员-原材料实验设计的关键因素实验设计的关键因素(3)(3)DOEDOE处方处方-4.-4.选择选择DOEDOE通常可以通过分组和随机化来通常可以通过分组和随机化来降低噪声变量的影响！降低噪声变量的影响！DOE Training-23-实验设计的关键因素实验设计的关键因素(4)(4)4d)分组（分组（Blocking)将数据分成类似的几组，以将噪声或潜伏变量的影响降到最小。实例：在四把枪（A、B、C和D
20、)及四个战士测试枪好不好。A A A AB B B BC C C CD D D DA B C DB C D AC D A BD A B C战士1战士2战士3战士4造成改变的原因是枪还是战士？4d)随机化（随机化（Randomizing)通过分组方法对枪和战士进行独立测试减少包括噪声和潜伏变量在内的其他变量的影响。随机化：-运行顺序 -测量顺序DOEDOE处方处方-4.-4.选择选择DOEDOEDOE Training-24-簡單的比較型實驗簡單的比較型實驗 兩個均值的檢定兩個均值的檢定 1-和和2-樣本樣本t-檢定檢定 配對配對t-檢定檢定 1-和和2-變異檢定變異檢定 1-和和2-比例檢定比
21、例檢定單因子實驗單因子實驗:ANOVA檢定檢定統計的實驗設計統計的實驗設計 DOE 選擇實驗設計方案選擇實驗設計方案DOE Training-25-全因子試驗計劃法全因子試驗計劃法 因子水平A1A2A3A48.448.368.288.598.918.609.349.419.698.928.928.74試驗的反復隻選擇1個預計對一些特性值有影響的因子，實施試驗的最單純的試驗計劃法。認為紡紗生產工序上反應溫度影響紡紗產品的強度，因此為了了解按反應溫度的變化，強度怎樣變化，並且在怎樣水平下給最高的強度而做試驗，反應溫度為因子來取水平(A1:60,A2:65,A3:70,A4:75),在各溫度下3回，
22、把全體12回試驗按隨機順序來實施。其結果得到了下列數據，求最佳條件。按反應溫度(A)變化的強度(單位:kg/m)的試驗數據據單因子試驗計劃法DOE Training-26-全因子試驗計劃法全因子試驗計劃法 One-way ANOVA:A1,A2,A3,A4Analysis of VarianceSource DF SS MS F PFactor 3 1.9788 0.6596 31.19 0.000Error 8 0.1692 0.0211Total 11 2.1480 Individual 95%CIs For Mean Based on Pooled StDevLevel N Mean S
23、tDev -+-+-+-A1 3 8.3600 0.0800 (-*-)A2 3 8.7000 0.1819 (-*-)A3 3 9.4800 0.1852 (-*-)A4 3 8.8600 0.1039 (-*-)-+-+-+-Pooled StDev=0.1454 8.50 9.00 9.50單因子試驗計劃法STAT-ANOVA-ONE WAY(unstacked)DOE Training-27-2实施实验及收集数据实施实验及收集数据 确保进行实验前应设计好数据记录表。以保证在设计好的表格内记录所有数据。在实验进行过程中应一直在场一直在场，因为你无法预料会发生什么 样的情况！准备数据收集计
24、划.保留实验样本将会对你有所帮助，如果某一测量值出现问题，你可以重新测量该样本。训练数据收集者.有必要可以示范运营.实施实验并收集数据.陈述问题和实验目的陈述问题和实验目的选择选择“Y”响应变量响应变量陈述因子和水平陈述因子和水平选择选择DOE实施实验及收集数据实施实验及收集数据分析实验结果分析实验结果结论和计划结论和计划DOEDOE处方处方-5.-5.实施实验及收集数据实施实验及收集数据DOE Training-28-陈述问题和实验目的陈述问题和实验目的选择选择“Y”响应变量响应变量陈述因子和水平陈述因子和水平选择选择DOE实施实验及收集数据实施实验及收集数据分析实验结果分析实验结果结论和计
25、划结论和计划DOEDOE处方处方-6.-6.分析实验结果分析实验结果6a.为整个模型建立方差分析表 6b.简化模型（去除不显著的项或平方和影响低的项）3.进行残值诊断，保证模型适合 4.研究显著的交互作用（P-值0.05)-首先从高阶入手5.研究显著的主效果（P-值0.05)6.陈述获得的数学模型Y=f(X),计算%SS的影响和评估实际的重要性DOE Training-29-需回答的问题：需回答的问题：Y是否存在改善迹象？实验结果是否具有统计显著性？实验结果是否具有实际显著性？我们是否需要运行附加实验？重新验证实验，实验结果能够再现吗？以后应该如何应用实验结果控制该工程？总结与计划：总结与计划：利用所有已知的情报解释实验结果 设定对输出变量的预测模型并决定最佳因子水平 追加实验确认结论(再现性实验)没有得到较好的结果应制定对策(必要的话实施追加实验)将模型转换为真实的流程设置，下结论 对结论和改善方案制作成报告书 提议复制最佳状态，计划下一步实验并将变化制度化。结论和计划结论和计划陈述问题和实验目的陈述问题和实验目的选择选择”Y”响应变量响应变量陈述因子和水平陈述因子和水平选择选择DOE实施实验及收集数据实施实验及收集数据分析实验结果分析实验结果DOEDOE处方处方-7.-7.结论和计划结论和计划DOE Training-30-DOE Training-31-