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实验设计基础AlexanderMengSQA,SAEMagneticsLtd.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.GR&R(重复性和再现性)3.Correlation(相关性)4.SPC(统计过程控制)技术就是利用统计技术对过程中的各个阶段进行监控，从而达到改进与保证质量的目的。SPC强调全过程的预防。居QC七工具核心地位的控制图是SPC的重要工具，它包括计量值控制图和计数值控制图。第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术5.CUSUM控制图和EWMA控制图CUSUM(累积和)控制图的设计思想就是对数据的信息加以积累.它的理论基础是序贯分析原理中的序贯概率比检验，通过对信息的累积，将过程的小偏移累加起来，达到放大的效果，提高检测过程小偏移的灵敏度。CUSUM控制图分别可用于计量性数据(正态分布)不合格品数(泊松分布)，不合格品率(二项分布)。EWMA(指数加权滑动平均)控制图中控制统计量同样利用了历史数据,而且它可以对不同阶段的数据取不同的权重，距今越近的数据权重越大，反之则越小。EWMA控制图设计的本质就是寻找最优参数(入，K)组合的过程，所依据的原则是：对给定的稳态ARL(0)，使过程出现设定偏移量的偏移时具有最小失控的ARL。第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术6.稳健设计技术产品、工艺过程的稳健设计方法和技术开发阶段的稳健技术开发方法统称为稳健设计技术，它是开发高质量低成本产品最有效的方法.在实际生产中，任何一种产品都存在一些噪声因素影响其质量，对待这些因素一般可以有两种态度：一是尽可能消除这些因素，但实际上往往很难实现，即使可能也需要花费很大的代价，这是不值得的；二是尽量降低这些因素的影响，使产品特性对这些因素的变化不十分敏感。基本功能的性能稳健取决于两点：一是输出质量特性本身的波动小；二是该质量特性应尽可能接近设计目标值。S/N可以比较准确地反映这两个目标。稳健设计主要包括损失模型法、响应面模型法、容差模型法和随机模型法等。第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术第一节：优秀工程师应当掌握的质量管理技术7.质量机能展开(QFD)QFD产生于日本，是一种在开发阶段就对产品的适用性实施全方位保证，在产品的设计阶段就确定制造过程中的质量控制要点，以减少生产初期大量错误发生的系统方法。它从市场要求的情报出发，将其转化为设计语言，继而纵向经过部件、零件展开至工序展开；横向进行质量展开、技术展开、成本展开的可靠性展开。形式上以大量的系统展开表和矩阵图为特征，尽量将生产中可能出现的问题提前揭示，以达到多元设计、多元保证的目的。最常用质量功能展开的文件有：顾客要求策划矩阵；设计矩阵；最终产品特性展开矩阵；生产、采购矩阵；过程计划和质量控制表；作业指导书；8.并行工程(或同步工程)现代企业面临的主要课题是如何做好创新，但创新又面临着两个风险:市场不确定性和技术不确定性。市场因顾客需要的变化和技术进步引起的竞争态势的变化，要求产品的寿命周期缩短和更新换代速度加快;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)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：优秀工程师应当掌握的质量管理技术16.蒙特卡洛方法MonteCarlo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/制造過程可控制因素不可控制因素統計技術在生產/制造過程中的應用是對過程中輸入的變量(人,机,料,法,環)進行有目的地优化,使輸出的結果更加理想.实驗設計是其中較為有效的一种工程工具.通過實驗進行优化設計通過實驗,控制其不良的影響程度第二节：进行实验设计的意义及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試驗次數.普通試驗所需要的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