工业工程上海交大

试验设计ExperimentalDesign奚教授机械工程学院工业工程系试验设计1、了解试验设计的概念及其作用2、掌握单因素试验设计常用的几种方法3、了解正交试验法的概念和基本方法；本章主要要求试验设计：本章主要内容定义Anyexperimentthathastheflexibilitytomakedesiredchangesintheinputvariableofaprocesstoobservetheoutputresponseisknownasexperimentdesign.Theprimarygoalsofadesignexperimentareto:Determinethevariable(s)andtheirmagnitudethatinfluencestheresponse.determinethelevelsforthesevariables.determinehowtomanipulatethesevariablestocontroltheresponse.2000.6.1试验设计的效果在质量管理中所遇到的，不论是设计新产品，还是改革旧工艺、提高产品质量、减低成本，大都需要做试验。如何安排试验，有一个方法问题不好的试验设计方法，即使做了大量的试验，也未必能达到预期的目的；一个好的试验设计方法，既可以减少实验次数，缩短试验时间和避免盲目性，又能迅速得到有效的结果。试验设计的由来试验设计是应用统计手法进行解决问题的方法，它在19世纪产生于英国.最早是在农地进行试验。如“最佳肥料”的依据。逐步应用到畜牧业。试验设计（例）一个烤漆工厂，针对喷漆后烤漆所使用的时间及温度各使用一元多次实验法进行实验，以了解哪一种条件下密着性（附着度）最好。先决条件：1、底材要一样；2、油漆要一样；3、溶剂要一样；4、粘度要一样；试验因素：1、烘烤温度；2、烘烤时间；2000.6.1附着度-温度02040608010060708090100110120130140150温度℃附着度结论：温度在130度及140度最理想2000.6.1附着度-时间020406080100102030405060708090附着度时间分结论：时间在40分到60分最理想试验设计（例）在上例中，将时间及温度以外的各条件予以固定，并将温度及时间予二元二次法作实验。时间温度40分50分130℃AB140℃CDA组：130℃×40分B组：130℃×50分C组：140℃×40分D组：140℃×50分将产品分为4组：在四组不同的样品中，经试验后何者为最佳的作业条件，即可制订为作业标准的条件。2000.6.1优选法概念：优选法是以较少的试验次数，迅速地找到生产和科学实验的最优方案的方法。适用范围：1、怎样选取合适的配方，合适的制作过程，使产品质量最好。2、怎样在质量标准下，使产品成本最低，生产过程最快？3、已有仪器怎样调试，使其性能最好？4、在合成配方、操作条件等方面应用2000.6.10.618法0.618是单因素试验设计方法，又叫黄金分割法。这种方法是在试验范围内（a,b）内，首先安排两个试验点，再根据两点试验结果，留下好点，去掉不好点所在的一段范围，再在余下的范围内寻找好点，去掉不好的点，如此继续地作下去，直到找到最优点为止。×abX2★X1×0.6180.3821－W=W2W1-W2000.6.10.618法×abX2★X1×0.6180.382X1=a+0.618(b-a)X2=a+b–X1第一点=小+0.618(大-小)第二点=小+大–第一点（前一点）第一点是经过试验后留下的好点；2000.6.10.618法（例）铸铝件最佳浇铸温度的优选试验。某厂铸铝件壳体废品率高达55%，经分析认为铝水温度对此影响很大，现用0.618法优选。优选范围在690℃~740℃之间。第一点=690+0.618(740-690)=721第二点=690+740–721=7092000.6.10.618法（例）×690740×709721第一点合格率低×690×709721702第三点=690+721–709=702第二点合格率低第四点=690+709–702=697×690×709702697第三点合格率低第五点=690+702-697=695×690702697×6952000.6.10.618法0.618法要求试验结果目标函数f(x)是单峰函数，即在试验范围内只有一个最优点d，其效果f（d）最好，比d大或小的点都差，且距最优点d越远的试验效果越差。这个要求在大多数实际问题中都能满足。abdxf(x)o2000.6.1对分法对分法也叫平分法，是单因素试验设计方法适用于试验范围（a,b）内，目标函数为单调（连续或间断）的情况下，求最优点的方法。使用条件：每做一次试验，根据结果可以决定下次试验的方向。2000.6.1对分法的作法每次选取因素所在试验范围（a,b）的中点处C做试验。计算公式：C=——————（a+b)2×abcd=——————（c+b)2d×★每试验一次，试验范围缩小一半，重复做下去，直到找出满意的试验点为止。2000.6.1对分法（例）某毛纺厂为解决色染不匀问题，优选起染温度，采用对分法。具体如下。原工艺中的起染温度为40℃，升温后的最高温度达100℃，故试验范围先确定在40℃~100℃。2000.6.1均分法均分法是单因素试验设计方法。它是在试验范围（a,b）内，根据精度要求和实际情况，均匀地排开试验点，在每一个试验点上进行试验，并相互比较，以求的最优点的方法。作法：如试验范围L=b–a，试验点间隔为N，则试验点n为：n=—+1=————+1LNb-aN2000.6.1均分法（例）对采用新钢种的某零件进行磨削加工，砂轮转速范围为420转/分~720转/分，拟经过试验找出能使光洁度最佳的砂轮转速值。N=30转/分n=————+1=——————+1=11b-aN720-42030试验转速：420，450，480，510，540，570，600，630，660，690，720★2000.6.1均分法这种方法的特点是对所试验的范围进行“普查”，常常应用于对目标函数的性质没有掌握或很少掌握的情况。即假设目标函数是任意的情况，其试验精度取决于试验点数目的多少。使用条件：2000.6.1双因素优选法如有两个因素需要考虑，一个含量是1000克到2000克，另一个温度5000~6000℃。1000克1500克2000克5000℃5500℃6000℃×○2000.6.1对数法（例）123456789101112678910111291011121112最佳2000.6.1正交试验的概念正交试验法就是利用正交表来合理安排和分析众多因素的试验方法。它可以用较少的试验次数获得较优的结果。影响因素全面试验次数正交试验次数选择三个不同的水平434910310=590492000.6.1正交试验的概念安排任何一项试验明确试验的目的是什么？用什么指标来衡量考核试验的结果？对试验指标可能有影响的因素是什么？为了搞清楚影响的因素，应当把因素选择在哪些水平上？2000.6.1正交试验法的名词注解试验指标：试验需要考察的效果称为试验指标；因素：对试验指标有影响的参数称为因素；水平：因素在试验中所处的状态和条件的变化可能引起指标的波动，把因素变化的各种状态和条件称为因素的水平。；2000.6.1正交表的格式与特点正交表是有规律的，按顺序排成现成的表格，是正交试验的工具，正交试验是通过正交表进行的。1231111212232124221列号试验号L4(23)L4(23)正交表代号正交表横行数代表试验次数因素水平表位级数正交表列数因素数2000.6.1正交表的格式与特点1、均衡分散性；每一列中各种字码出现相同的次数。1231111212232124221列号试验号L4(23)L9(34)1234111112122231333421235223162312731328321393321列号试验号2、整齐可比性；任意两列中全部有序数字都出现相同的次数。2000.6.1正交表（例）某轨枕厂试用减水剂以节约水泥。影响指标的因素有四个，每个因素选取三个水平。考察的试验指标仅为脱模强度，已知在节约水泥10%的条件下试用减水剂对脱模强度影响比较好，希望通过正交试验找出比较好的配方。2000.6.1正交表（例）水灰比含砂率减水剂用量水泥用量ABCD（kg/cm2）10.280.270.30%37020.300.280.50%38030.320.290.70%390因素水平表因素水平1试验目的和指标试验目的：水泥掺用减水剂以节约水泥考核指标：轨枕脱模强度2制订因素水平表-根据以往经验和资料分析制订2000.6.1正交表（例）3选用正交表用L9(34)L9(34)1234111112122231333421235223162312731328321393321列号试验号2000.6.1正交表（例）4设计试验方案水灰比含砂率减水剂用量水泥用量ABC(%)D（kg/cm2）11(0.28)1(0.27)1(0.3)1(370)21(0.28)2(0.28)2(0.5)2(280)31(0.28)3(0.29)3(0.7)3(390)42(0.30)1(0.27)2(0.5)3(390)52(0.30)2(0.28)3(0.7)1(370)62(0.30)3(0.29)1(0.3)2(280)73(0.32)1(0.27)3(0.7)2(280)83(0.32)2(0.28)1(0.3)3(390)93(0.32)3(0.29)2(0.5)1(370)列号试验号正交试验表2000.6.1正交表（例）5进行试验，并记录计算水泥轨枕脱模强度试验分析表水灰比含砂率减水剂用量水泥用量试验结果ABC(%)D（kg/cm2）（脱模强度）11(0.28)1(0.27)1(0.3)1(370)33321(0.28)2(0.28)2(0.5)2(280)36831(0.28)3(0.29)3(0.7)3(390)36242(0.30)1(0.27)2(0.5)3(390)36752(0.30)2(0.28)3(0.7)1(370)33662(0.30)3(0.29)1(0.3)2(280)33373(0.32)1(0.27)3(0.7)2(280)35883(0.32)2(0.28)1(0.3)3(390)34993(0.32)3(0.29)2(0.5)1(370)362K11063105810151031K21036105310971059K31069105710561078R3358247K=3168列号试验号2000.6.1正交表（例）6进行分析–计算极差水泥轨枕脱模强度试验分析表水灰比含砂率减水剂用量水泥用量试验结果ABC(%)D（kg/cm2）（脱模强度）11(0.28)1(0.27)1(0.3)1(370)33321(0.28)2(0.28)2(0.5)2(280)36831(0.28)3(0.29)3(0.7)3(390)36242(0.30)1(0.27)2(0.5)3(390)36752(0.30)2(0.28)3(0.7)1(370)33662(0.30)3(0.29)1(0.3)2(280)33373(0.32)1(0.27)3(0.7)2(280)35883(0.32)2(0.28)1(0.3)3(390)34993(0.32)3(0.29)2(0.5)1(370)362K11063105810151031K21036105310971059K31069105710561078R3358247K=3168列号试验号最好K1=333+368+362=1063K2=367+336+333=1036K2=358+349+362=1069RA=1069–1036=332000.6.1正交表（例）6进行分析确定主次因素顺序：R越大，说明该因素的水平变化对试验结果指标影响越大，因而这个因素对试验指标就愈重要。在本例中，