实验设计DOE简介

实验设计(DOE)简介MeasureAnalyzeImproveControl2学习目标本章中,我们将要讨论下列问题:•获得知识的方法•如何通过实验进行过程改进•如何更有效地通过实验以较少的资源进行过程改进•实验设计(DOE)与过程改进(MAIC)的关系学习本章后,你将会了解:•实验设计的概念•传统SPC与DOE的关系•实验的基本类型•不同实验方法的优缺点•实验设计(DOE)的本质3获得知识的方法?1.显著性事件2.他人的观察结果3.研究如何才能更有效的学习?4香槟的诞生葡萄酒--鲜葡萄汁发酵后制成的饮料,有史以来一直被饮用.香槟酒--葡萄酒再次发酵后制成的清澈发泡饮料,由一法国僧侣在16世纪后期发现其制作方法.5为确保自然发生的有效信息事件引起观察者的注意应改进观察方法以增加发现有效事件的概率,从而采取进一步措施6实验是主动促成有效信息事件产生的手段!实验设计实验--通过可控因素(独立变量)在不同水平上的运行来观察其对输出响应(非独立变量)的效应有效信息事件的产生及导入71.试凑法2.一次一因素法3.析因设计4.分式析因设计5.其它实验类型•实验方法的使用由来已久,优劣并存•早期的各种实验方法可分下列类型:8问题:汽车每加仑汽油行程为20公里,希望能达到30公里以上解决方法:换汽油品牌改变辛烷含量降低车速清洗上蜡换新胎改变车胎压力去除车盖装饰以及外置天线如果上述方法凑效意味着什么?不凑效又意味着什么?试凑法举例9一次一因素法举例问题:汽车每加仑汽油行程为20公里,希望能达到30公里以上要找到最佳变量组合,还需运行多少次?如何解释上述结果?如果实验变量很多,为得到理想结果,共需运行多少次?如果最佳结果由2个或多个变量的特定组合获得,该方法是否可行?SpeedOctaneTirePressureMilesperGallon5585302565853023559130275585352710行程:是速度和胎压的函数18232626201726261830354045505560657026283032343638胎压(lbs.)速度(mph)35最佳点11虽然OFAT能简化结果分析,但这是以大量牺牲实验效率为代价:实验包含不必要的运行.寻找有效因素(影响输出响应的因素)的时间长.不能确定当多个因素水平同时改变时的输出效应,而这一点正是在实际场合中我们所感兴趣的.无法了解或确定各因素及其共同作用对输出响应的影响程度.一次一因素法(OFAT)我们是否还知道其它因素组合的输出响应?如果一因素X1对于响应输出Y的效应取决于另一因素X2的水平,则说明X1和X2存在互交作用Y=f(X1,X2)例如:蛋糕烘烤的温度设置取决于烘烤时间互交作用(Interactions)蛋糕质量Temp=800degreesTime=20minutesTemp=800degreesTime=45minutesTemp=100degreesTime=45minutesTemp=100degreesTime=20minutes时间100800要获得好的烘烤质量应如何设置温度?你应如何安排实验以确定互交作用的大小?13析因设计(DOEFullFactorial)所谓析因设计是指,在实验的每一次完全试验或每一次重复中,各个因素的所有可能的水平组合都被研究到.借助析因设计,我们能:–确定各因素的主效应–确定各因素之间的互交作用效应–估计获得最佳结果的因素水平14析因设计OFAT中试验运行问题:汽车每加仑汽油行程为20公里,希望能达到30公里以上试说明你的结论?该设计中包含多少个运行?每一水平设置中包含多少个观察值?SpeedOctaneTirePressureMilesperGallon5585302565853023559130276591302355853527658535245591353265913525我们能否认为32是最佳值?MPG=f(Speed,Octane,TirePressure)15析因设计7332,187因素数水平数符号运行次数2222432238722712815221532,768233293333277优点•确定所有因素的主效应•确定所有因素之间的互交作用效应•量化各因素对输出响应的影响,即确定Y=f(x)缺点•实验资源限制我们如何应付实验资源限制?16分式析因设计(FractionalFactorial)仅对析因设计中所有因素组合的一部分组合进行考察如实验包含的因素较多,借助分式析因设计能:以较少的投入获得所需的信息控制实验资源缺点放弃了部分互交作用效应对实验者的统计技术要求较高统计信息损失优点经济快速实验运行次数较少放弃部分信息,控制实验资源投入17分式析因设计问题:汽车每加仑汽油行程为20公里,希望能达到30公里以上SpeedOctaneTirePress.Mileage(A)(B)(C)(Y)55853025659130236585352455913532该设计中共有多少个运行?该设计中包含多少信息?实验设计概念实验设计包含一系列系统的试验,通过有目的地改变输入变量(X’s)的大小来考察其对输出变量(Y’s)的影响.通过实验设计,可以确定哪一X对Y的影响最大确定作用变量X的水平,使输出变量Y对中确定作用变量X的水平,使输出变量Y的波动最小确定作用变量X的水平,使噪声变量对输出变量Y的影响最小一个精心设计的实验,即使在噪声背景下也能找出因素效应.实验设计有助于确定...影响均值偏移的因素影响方差波动的因素影响均值偏移及方差波动的因素无效应的因素A1A2D1=D2B1B2C1C2实验设计的应用•重要因素筛选(Screening)–找出起作用的因素及互交作用–关键是减少需分析和控制的因素数量•过程特征定义(Characterization)–确定哪一变量X对输出Y的影响最大–确定可控变量及不可控变量–确定关键过程变量及噪声变量–确定需严格控制的变量–指导控制导向,由控制输出变量转为控制输入变量•过程优化(Optimizing)–确定关键输入变量的设置水平–确定合理的公差•产品设计(Design)–有助于在设计初期认识各输入变量对产品特性的影响–为产品稳健设计提供参数设置水平实验设计分类筛选设计优化设计特征化设计举例分式析因设计Plackett-Burman设计析因设计参数设计公差设计中心复合设计Box-Behnken设计实验设计是一序贯渐进过程22建立联系桥梁...实际问题统计答案统计问题实际答案y=f(x1,x2,…,xk)具体流程是什么?实验设计的现实意义过程测量X1X2X3可控变量N1N2N3输入:原料,零件等不可控变量Y1,Y2,etc.质量特性输出LSLUSL确定能力基准水平ProcessStep/InputPotentialFailureModePotentialFailureEffectsSEVPotentialCausesOCCCurrentControlsDETRPNActionsRecommendedLoadDMF/DMFLoadAccuracyMischargeofDMFViscosityoutofspec7SOPnotFollowed5OperatorCertification/ProcessAudit5175FoolproofthisprocessusinginputfromTQLTeamSteamtoDICY/ScaleAccuracyScaleNotZeroedMischargeDMF3FaultyScale2None954IncludeDailysign-offofScalefuntioninShiftset-upverification.LoadDMF/DMFLoadAccuracyMischargeofDMFViscosityoutofspec7EquipmentFailure2MaintenanceProcedure(SOP5821)/VisualCheck342SteamtoDICY/ScaleAccuracyScale0LowDMFCharge3WaterinJacket2VisualCheckofJacket(SOP5681)424SteamtoDICY/ScaleAccuracyScaleInaccurateHighDMFCharge3TankHangingUp2VisualCheck(SOP5681)424过程X1X2X3可控变量N1N2N3输入:原料,零件等不可控变量Y1,Y2,etc.质量特性输出LSLUSLKeyOutputs:VariableHowMeasuredWhenMeasured123NoiseVariables:VariableHowMeasuredWhenMeasured12345ControllableInputsVariableHowMeasuredWhenMeasured12345OverallSamplingPlan:RunTemperaturePressure1HiHi2HiHi3LoHi4LoHi5HiLo6HiLo7LoLo8LoLo3.52.51.5CapabilityHistogram43213.02.52.01.5XbarandRChartSubgrMeansMU=2.376UCL=2.568LCL=2.1830.90.60.30.0RangesR=0.5162UCL=0.9621LCL=0.070274321Last4Subgroups3.02.52.01.5SubgroupNumberValues412.919581.83175Cp:2.76CPU:2.99CPL:2.53Cpk:2.53CapabilityPlotProcessToleranceSpecificationsStDev:0.181306IIIIII3.52.51.5NormalProbPlotCapabilityusingPooledStandardDeviation过程分析过程过程改进不可控变量X1X2X3可控变量N1N2N3输入:原料,零件等Y1,Y2,etc.质量特性输出LSLUSLLSLUSLScrewRPMPrimWdthNipFPMThreeFactorDesign关键X关键X关键X过程过程控制X1X2X3可控变量输入:原料,零件等N1N2N3不可控变量Y1,Y2,etc.质量特性输出LSLUSL检查表防错措施SOP’s5S’s过程计划设计操作分析确认实验流程实验流程序贯渐进的特性实际问题转化为统计问题统计答案转化为实际答案…控制28管理层是否支持?受益程度多大?对当前情况即下列要素(基准水平)的了解程度...波动,对中,缺陷率关键质量特性(产品及过程)测量系统?波动来源?是否为当务之急?实验目的是什么...确定关键参数?确定目标值?减少波动?过程对中?确定波动来源?过程或产品稳健设计?响应变量是什么?如何测量响应变量?是否有多个响应变量?是否有客户参与?是否能达到目标?前期考虑问题进行实验利益何在?实验动机如何?实验目标值是否确定?如何验证是否达标?实验前应能提出尽可能多的问题同时也必须提出尽可能多的问题1111111111111111DCBA1-11-11-11-1FactorialDesign思考点•选择X’s及N’s•选择需固定的因素(SOP’s)•选择因素水平(区分度应大)•实验目的•推理空间(大,小)•日程及资金•健康,安全及环境•管理层支持•测量系统能力计划•实验类型–分式析因设计-筛选–析因设计-建模–其它•样本量SampleSize•区组化Blocking•中心点CenterPoints•重复Replication•反复Repetition设计•随机化Randomization•区组化Blocking•纪律!–遵守SOP’s–遵守实验流程•记录操作思考点1-11-1TirePreOctaneSpeed1-11-1Interacti