（系统工程专业论文）面向冷轧辊和电子类产品的试验设计案例研究.pdf

j j at h e s i si ns y s t e me n g i n e e r i n g c a s es t u d yo n d e s i g no fe x p e r i m e n tf o r c o l d - r o l l e r sa n de l e c t r o n i c sp r o d u c t s b yy a n gy a n x u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rt a n gj i a f u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 。一 f i ? 一 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：锄拗太多 签字e l 期：矽刀7 牛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导帅i n 恿恻上爻流的时i 司为作者获得学位后： 半年口一年一年半口两年口 学位论文作者签名：卡批 导师签名：一一芦石五l 。 签字 日 期：w 1 7 7 。y签字日期：汐吖，7 1 一 j 一 - 、 。k _ 东北大学硕士学位论文摘要 面向冷轧辊和电子类产品的试验设计案例研究 摘要 随着社会进步和物质文明的日益丰富，人们对于产品或服务的质量要求越来越高， 质量管理已经越来越受到人们的重视。但是，目前我国大多数企业的产品质量差、档次 低，在激烈的全球市场竞争中处于劣势，而造成这种情况的直接原因就是企业技术创新 能力差、质量改进水平低。试验设计就是这样一种对技术创新和质量改进有非常重要作 用的工具，应用领域十分广泛。因此，在企业中大力推广试验设计是增强企业的技术创 新能力，改善产品质量的一项重要举措。 本文作为企业技术合作项目“冷轧辊质量评价与改善系统”和企业管理咨询合作项 目“达峰电子质量管理咨询项目”中的一部分，根据不同行业中产品的不同特点，将试 验设计的两种不同方法一析因法和响应曲面法分别应用到了钢铁和电子类行业。通过 在b y 公司冷轧辊分厂实施部分析因法试验设计和在达峰电子有限公司实施综合析因法 和响应曲面法的试验设计，使得两家公司在生产过程中的相关工艺得到了改善，有关工 艺参数得到了优化，试验设计在这两家公司得到了成功的应用，取得了良好的改善效果。 本文首先对试验设计的基本理论和方法进行了研究，并对统计分析软件m i n i t a b 在 试验设计中的应用进行了详细的介绍；接着，针对b y 公司冷轧辊产品中存在的较为突 出的质量问题，并结合冷轧辊产品生产的特点，构建了在冷轧辊产品生产过程中的热处 理工艺环节使用部分析因法试验设计的总体方案，并在实际生产中具体实施了这一方案， 取得了良好的成效；针对达峰电子有限公司微控制器产品中存在的焊点焊接不良率较高 的问题，结合电子类产品生产的特点，在微控制器产品生产过程中的波峰焊焊点焊接工 艺环节设计并实施了综合析因法和响应曲面法的试验设计方案。本文分别在冷轧辊产品 和微控制器产品的生产过程中应用了两种不同的试验设计方法，并都取得了试验成功， 对这两家企业产品的质量的改善起到了积极的推动作用，同时也为试验设计在钢铁行业 和电子类行业其它企业中应用起到了很好的推广和借鉴作用。 关键词：试验设计；质量改进；冷轧辊；微控制器；析因法：响应曲面法 一i i i 东北大学硕士学位论文 摘要 一i v c a s es t u d yo nd e s i g no fe x p e r i m e n t f o r c o l d r o l l e r sa n de l e c t r o n i c sp r o d u c t s a b s t r a c t w i mt h es o c i a lp r o 铲e s sa n dt h ei n c r e a s i n g l yr i c hm a t e r i a l ，i ti sg e t t i n gl l i g h e r a n di l i g h e r q u a l i 坶r e q u i r e m e n t sf o rp r o d u c t so rs e r v i c e sb yp e o p l e ，a n d s oq u a l i t ym 觚a g 踟n tt l a sb e e n r e c e i v i n gi n c r e a s i n g a t t e n t i o n h o w e v e r , b e c a u s e o ft h e i rp o o r 。q u a l i t y a n dl o * 则1 e p r o d u c t s ，t h em a j o r i t yo fe n t e r p r i s e si nc h i n aa r e a tad i s a d v a n t a g ei nt h ef a c eo f 缸e r c e c o m d e t i t i o ni nt h eg l o b a lm a r k e t t h i s s i t u a t i o ni sd i r e c t l yd u et op o o rt e c h n o l 0 9 1 c a l i n n o v a t i o na n di o wl e v e lo fq u a l i t yi m p r o v e m e n t d e s i g n o fe x p e r i m e n ti sak i n do ft o o lm t e c h n o l o 西c a li n n o v a t i o na n dq u a l 埘i m p r o v e m e n ta n dh a s aw i d e 砌g eo f 印p 1 1 c 撕o n t h e r e f o r e ，i ti s a 1 1i m p o r t 锄ts t r a t e g i cm o v et op r o m o t ed e s i g no fe x p e n m e n t mt h e 跚舱r p r i s e s , a s i tc a l lc h a n g et h ea s p e c t s o fb a c k w a r d n e s st o s o m ee x t e n tmc n l n a s t e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o na n dq u a l i t yi m p r o v e m e n t m st h e s i si sap a r to f t h ep r e l i m i n a r yt e c h n i c a lc o o p e r a t i v ep r o j e c t “c o l d 。r o l l 盯sq u a l i y i m p r o v e m e n ta n d e v a l u a t i o ns y s t e m a n db u s i n e s sm a n a g e m e n tc o n s u l t l n g c o o p e r a t l o n p r o j e c t ”d a f e n g e l e c t r o n i c sq u a l i t ym a n a g e m e n tc o n s u l t i n gp r o j e c t ”a c c o r d i n g t ot h e d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fp r o d u c t si n d i f f e r e n t s e c t o r s ，t h i st h e s i sa p p l l e st w od l t t e r e n t m e t h o d so fd e s i g no fe x p e r i m e n t f a c t o r i a ld e s i g na n d r e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g yd e s l g n t ot h es t e e la n de l e c t r o n i c s i n d u s t r i e s t h r o u g ht h ei m p l e m e n t a t i o no f 。f a c t o n a l d e s l g nm c o l d - r 0 1 1 e rp l a n to ft h eb yc o m p a n ya n dt h ei m p l e m e n t a t i o n o fr e s p o n s es u r f a c em e t n o d d e s i g ni n d a f e n ge l e c t r o n i c sc o ，l t d ，t h er e l a t e dt e c h n o l o g yi nt h ep r o d u c t l o n p r o c e s so f 恤觚c o m p 越e s h a sb e e ni m p r o v e d a n dt h e p r o c e s s p a r a r n e t e r s h a v eb e e n o p t i m i z e d 1 l 他r e f o r e ，d e s i g n o fe x p e r i m e n th a sb e e na p p l i e d t ot h et w oc o m p a m e s s u c c e s s f u l l ya n d t h eq u a l i t yo ft h e i rp r o d u c t so b t a i n e sm u c hi m p r o r e m e n t f i r s t l v t h i st h e s i ss 姗m a r i z e s t h eb a s i ct h e o r ya n dd i f f e r e n tm e t h o d so fd e s l g n o f e x p e m e n t ，a n d h o wt oa p p l yt h es t a t i s t i c a la n a l y s i s s o f t w a r em i n i t a bt 0d e s i g n o f e x p e r i m e n ti nd “1 t h e n ，t h i st h e s i sf o c u s o nt h ep r o m i n e n ti s s u e so f t h eq u a l i t y 讹c he x l s t i nc o l d r 0 1 1 e rp r o d u c t so fb yc o m p a n i e sa n dp r o p o s e sap l a n o fd e s i g no fe x p e n m e n tm h e a t t r e a t m e n tp r o c e s sc o m b i n e d w i t hc h a r a c t e r i s t i c s o fc o l d - r o l e r lp r o d u c t s 。i 。h r o u 班也e v 一 _ 一一 ， l，-ll-li_一iri卜i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t i m p l e m e n t a t i o no ft h i sp l a ni np r o d u c t i o np r o c e s s ，t h ep l a na c h i e v e sg o o dr e s u l t s t h e na g a i n ， i nv i e wo ft h ei s s u e sa b o u th i g hr a t eo f s p o tw e l d i n gn o n p e r f o r m i n g t h a te x i s t i n m i c r o - c o n t r o l l e rp r o d u c t so fd a f e n ge l e c t r o n i c sc o ，l t d ，t h i st h e s i sp r o p o s e sap l a no f d e s i g no fe x p e r i m e n ti nt h ep r o c e s so fs p o tw e l d i n gp r o c e s sa b o u tt h ep r o d u c t i o no ft h e m i c r o c o n t r o l l e ra n d a p p l i e s t h i s p l a n t ot h e p r o d u c t i o np r o c e s s ，c o m b i n e d 晰t h t h e c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o n i cp r o d u c t s t h i st h e s i sa p p l i e st w od i f f e r e n tk i n d so fd e s i g no f e x p e r i m e n tt ot h ep r o d u c t i o np r o c e s so fc o l d r o l l e ra n dm i c r o c o n t r o l l e rp r o d u c t sa n dh a s a c h i e v e ds u c c e s s d e s i g no f e x p e r i m e n tn o to n l yh a sp l a y e dap o s i t i v er o l ei np r o m o t i n gt h e q u a l i t yo fp r o d u c t si nt h et w oc o m p a n i e s ，b u ta l s oh a sp l a y e dag o o dr o l ei na p p l y i n gd e s i g n o f e x p e r i m e n tt ot h eo t h e re n t e r p r i s e so fs t e e la n de l e c t r o n i c si n d u s t r y n t r o u e r ； _ ， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 1 1 研究背景一l 1 1 2 研究的意义一2 1 2 研究目标与内容2 1 2 1 研究目标3 1 2 2 研究的内容3 1 3 研究方法与技术路线3 1 4 本文的主要工作4 第2 章试验设计基础和m i n i t a b 软件在试验设计中的应用7 2 1 试验设计概述7 2 1 1 试验设计的定义与发展7 2 1 2 试验设计的原理与基本原则8 2 2 试验设计的必要性与基本步骤9 2 2 1 试验设计的必要性1 0 2 2 2 试验设计的基本步骤1 0 2 3 析因法试验设计介绍1 1 2 3 1 析因试验设计概述1 1 2 3 2 析因试验设计法的实施流程1 2 2 4 响应曲面法试验设计研究15 2 4 1 响应曲面法基本概念15 一v i i 东北大学硕士学位论文目录 2 4 2 响应曲面法的模型构建1 6 2 5m i n i t a b 软件中d o e 模块介绍l7 2 ，5 1m i n i t a b 在设计试验中的应用1 7 2 5 2m i n i t a b 在分析试验时的应用2 0 2 6 ，j 、结2 4 第3 章析因法试验设计在冷轧辊产品的应用2 5 3 1 应用背景的描述和热处理工艺介绍2 5 3 1 1 应用背景描述2 5 3 1 2 冷轧辊工艺介绍2 5 3 1 3 冷轧辊存在的质量问题2 6 3 2 针对最终热处理工艺的试验实施方案的准备2 7 3 2 1 试验设计的确定2 7 3 2 2 试验前的准备2 8 3 3 针对热处理工艺的析因法试验方案的构建2 8 3 4 针对热处理工艺的试验实施的具体内容3 0 3 4 1 考核指标的确定和主要因素的选取3 0 3 4 2 设计矩阵的构造3 2 3 4 3 试验的实施和数据的获取3 3 3 4 4 试验数据的分析和模型的建立3 3 3 4 5 试验最终结果及结果分析3 8 3 5 最佳试验条件的验证3 9 3 6 实施试验设计的效果4 0 3 7 本章小结4 0 第4 章析因法和响应曲面法试验设计在电子类产品中的应用4 1 4 1 综合析因法和响应曲面法的试验设计研究4 1 4 1 1 综合析因法和响应曲面法进行试验设计的理论依据4 l 4 1 2 综合析因法和响应曲面法试验设计的实施流程4 2 4 2 应用背景的描述和波峰焊工艺介绍4 2 4 2 1 应用背景描述4 2 一v l i i 东北大学硕士学位论文 目录 4 2 2 波峰焊工艺介绍4 3 4 2 3 现行波峰焊工艺存在的问题4 5 4 3 针对波峰焊工艺的试验实施方案的准备4 7 4 3 1 试验设计的确定4 7 4 3 2 实施试验前的准备4 7 4 4 试验设计实施流程的构建4 8 4 5 针对波峰焊工艺的试验实施的具体内容4 9 4 5 1 实施部分因子法进行试验及结果分析4 9 4 5 2 全因子法进行试验及结果分析5 8 4 5 3 响应曲面法进行试验及结果分析6 3 4 5 4 试验最佳条件的确定和最佳试验条件的验证7 0 4 6 针对试验当中发现的相关问题进行的整改措施7 1 4 7 试验取得的成效7 3 4 8 本章小结7 3 第5 章结论与展望7 5 5 1 本文的结论7 5 5 2 未来工作展望7 6 参考文献7 7 致谢81 作者从事科学研究和学习经历的简历8 3 一i x 东北大学硕士学位论文 目录 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 当代质量管理大师j m j u r a n 在美国质量学会( a m e r i c a ns o c i e t yf o rq u a l i t y 。a s q ) 1 9 9 4 年会上指出：2 0 世纪以“生产力的世纪 载入史册，未来的2 1 世纪将是“质量 的世纪 。随着社会进步和物质文明的日益丰富，人们对于产品或服务的质量要求越来 越高，有关质量管理的研究也日益受到重视【l 】。 1 1 1 研究背景 目前，我国经济与世界发达国家相比还比较落后，多数企业的生产、技术和管理落 后，产品质量差，经济效益低。造成这种现象有许多原因，要想从根本上扭转，将是一个 长期而艰巨的任务。技术创新能力差、质量改进水平低是一个十分突出的重要原因，它 直接影响着企业的新产品设计开发、生产率、市场竞争和经济效益，影响着整个国家经 济的发展。例如我国纺织、机械、电子、冶金、化工、制药、塑料、陶瓷、水泥等产品 在世界上的产量都名列前茅，但因产品档次低、质量差而在市场竞争中一直处于劣势， 最直接的原因就是技术创新能力差、质量改进水平低【2 1 。在这个走向经济化、信息化和 知识化的高科技时代，为了增强我国技术创新的能力和提高质量改进的水平，急需一条 高速度、高效益的捷径。出路何在? 试验设计就是迎合这种需求的一个工具，它对技术创新和质量改进有非常重要的作 用，应用领域十分广泛。虽然这项技术在我国曾得到一定程度的推广应用，但是，它的潜 力和效益远未得到较好地开发利用。目前，大力推广试验设计可以在一定程度上改变我 国技术创新和质量改进方面的落后面貌，是一个有重要意义的战略举措【3 】o 现在，试验设计在各个领域都有不同程度的应用。它使产品更容易制造，提高了产 品适应现场条件的性能，提高了产品的可靠性，降低了产品成本，缩短了产品设计和开 发的时间【3 j 作者分别通过在山西b y 有限公司和浙江达峰有限公司长达半年多的研究工 作实习和调研，分别以这两家公司的产品现阶段存在的突出质量问题为背景，结合公司 的实际生产条件，针对最终影响产品质量的核心工艺，运用试验设计的方法进行分析和 改进。其中，山西百一有限公司( 以下简称b y 公司) 是我国不锈钢冶金设备、备件制 造企业，该公司在多年从事轧辊生产过程中，已经在国内冷轧辊产品的市场上占有了一 席之地。但是，随着冷轧辊市场的开发，客户对b y 公司冷轧辊的质量水平也提出了更 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 高的要求，所以不断的对生产工艺进行改进，从而不断提高产品的性能和质量对b y 公 司来说显得尤为重要。浙江达峰有限公司是国内一家较早从事空调，冰箱，洗衣机等家 用电器微电脑控制器开发、生产的国家高新技术企业。公司主要为三星，l g ，松下，海 尔等国内外知名企业生产配套产品，有着较高的市场占有率。但是，由于家电类企业市 场竞争加剧，利润空间的压缩，公司面临着如何减低生产成本和提高产品质量的压力。 1 1 2 研究的意义 本文根据不同行业中产品的不同特点，将试验设计的两种不同方法析因法和响 应曲面法分别应用到了钢铁和电子类行业。通过在b y 公司冷轧辊分厂实施部分析因法 试验设计和在达峰电子有限公司实施综合析因法和响应曲面法的试验设计，使得两家公 司在生产过程中的相关工艺得到了改善，有关工艺参数得到了优化，试验设计在这两家 公司得到了成功的应用，取得了良好的改善效果。 本文当中的第一个案例作为企业技术合作项目“冷轧辊质量评价与改善系统”中改 善系统的主要设计部分，以b y 公司冷轧辊产品的质量改进问题为背景，设计了冷轧辊 热处理工艺环节中实施部分析因法试验设计的总体方案，并将此方案应用到了企业的实 际工艺改善当中。这个案例的目标旨在通过在冷轧辊热处理工艺环节中实施试验设计， 找出热处理环节中的最佳工艺参数以改善过程产品的质量，同时也为企业在改进活动中 能够及时发现生产过程存在的问题提供途径。 本文的第二个案例作为企业管理咨询合作项目“达峰电子质量管理咨询项目 中质 量改善子项目的主要设计部分，以达峰电子有限公司的具体需求为导向，立足实际，设 计了在电子类产品生产的核心环节波峰焊焊接工艺环节实施综合析因法和响应曲 面法的试验设计方案，并在企业中得到了成功的实施，取得了良好的效果。本案例的研 究工作始终是面向企业的实际需求，首先，对公司目前存在的主要质量问题以及造成质 量问题的因素进行了调研和归纳总结；接着，针对企业的实际需要和试验设计的特点和 应用范围，从众多问题中选择了波峰焊焊点焊接不良问题作为试验设计的改善对象，设 计了总体的试验方案；再接着，实施试验方案，收集数据并进行相关分析，得出模型和 优化参数；最后，将在验证性试验中验证合理的优化参数用于后续生产，进行生产的改 善。 1 2 研究目标与内容 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 1 研究目标 ， 本文总体目标是针对不同行业的不同产品如何正确选择和使用试验设计的方法来 解决企业当中实际存在的问题以及如何应用统计和分析软件m i n i t a b 中d o e 模块来进行 试验的设计和分析。并分别在b y 公司冷轧辊生产过程中的热处理环节实施部分析因法 和在达峰电子公司微控制器生产过程中的波峰焊焊点焊接环节实施综合析因法和响应 曲面法试验设计方案，对不同试验设计方法在不同行业的不同产品中的应用进行了探 索，为在钢铁行业和电子行业应用试验设计进行了有益的尝试。 1 2 2 研究的内容 本文分别以冷轧辊产品和电子类产品的质量改善项目为背景，将两种不同的试验设 计方法分别应用于冷轧辊生产过程中的热处理工艺环节和微控制器生产过程中的波峰 焊焊接工艺环节当中作为主体内容。首先，本文介绍了试验设计的基本理论知识和统计 分析软件m i n i t a b 在试验设计中的应用；接着，对部分析因法试验设计在冷轧辊热处理- 工艺环节中的设计方案进行了实施和分析；再接着，详细阐述了综合析因法和响应曲面 法试验设计在波峰焊焊接工艺环节中的应用方案的构建、实施和分析，最后是全文的总 结和展望。 全文具体安排如下： 第一章，绪论。主要是阐述本文研究的背景、目的和意义等，合理确定了研究的主： 要内容。 第二章，试验设计基础和m i n i t a b 软件在试验设计中的应用。其中详细阐述了本文 的两个案例要用到的两种方法一一析因法和响应曲面法，并且介绍了统计分析软件 m i n i t a b 在试验的设计和分析阶段中的应用。 第三章，析因法在冷轧辊产品试验设计中的应用。具体包括试验背景描述、试验方 案的构建和实施、试验结果分析和试验取得的成效。 第四章，析因法和响应曲面法在电子类产品试验设计中的应用。包括综合析因法和 响应曲面法的介绍、部分析因法进行显著因子筛选、应用完全析因法进行调优设计、应 用响应曲面法进行最终模型拟合和试验取得的成效。 第五章，总结和展望。 1 3 研究方法与技术路线 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 本文主要沿着理论研究、实地调研，通过理论联系实际发现问题、分析问题，提出 解决方案、最后解决问题的路线展开研究。 文章分别以冷轧辊和微控制器的质量改善项目为背景，以项目的实际设计需求为立 足点，以试验设计的理论为基础，对不同的试验设计方法在钢铁和电子行业中的应用进 行了深入的研究。在查阅国内外文献的基础上，针对不同行业企业的实际情况，分别将 部分析因法试验设计应用到了冷轧辊产品生产过程中热处理工艺环节当中；将综合析因 法和响应曲面法的试验设计应用到了微控制器产品生产过程中的波峰焊焊点焊接工艺 环节当中，构架了两个不同的试验设计方案，并分别在两家企业当中进行了实施，取得 了良好的试验效果，为企业的质量改进打下了良好的基础。 厂= 兰兰望竺 茎 给出试验模型和优化参数 茎 图1 1 本文的技术路线图 f i g1 1t e c h n i c sa n dm e t h o d sf o rt h ep r o j e c t 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作是将有关试验设计的理论和方法应用到实践当中进行展开，在对试 验设计基础理论进行研究和对统计分析软件m i n i t a b 在试验设计中的应用深入学 - - j 的同 时，深入两家不同企业进行实际调研，在理论联系实践的基础上完成了冷轧辊热处理工 艺试验设计和微控制器波峰焊焊接工艺试验设计方案的设计和实施。 ( i ) 查阅试验设计相关文献和书籍，研究了国内外关于试验设计的各种方法在实际 生产中的应用情况，在对这些方面现有的基础理论、先进技术和实施方法进行系统深入 的学习的同时，对统计分析软件m i n i t a b 如何在试验设计中的应用进行了系统的学 - j 。 ( 2 ) 针对b y 公司冷轧辊产品中存在的较为突出的质量问题，并结合冷轧辊产品生 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 产的特点，构建了在冷轧辊产品生产过程中的热处理环节使用部分析因法试验设计的总 体方案并在实际生产中实施了这_ 二方案。 ( a ) 在对冷轧辊生产工艺进行实地调研和分析的基础上，结合公司目前产品存在的 问题，设计了一个针对冷轧辊生产过程中热处理工艺环节中实施的部分析因法试验设计 方案。 ( b ) 严格按照试验设计方案的流程，在热处理环节实施了部分析因法试验设计，并 收集相关数据进行分析，给出了试验的拟合模型和热处理环节的最佳优化参数，用于指 导后续生产。 ( 3 ) 针对达峰电子有限公司微控制器产品中存在的焊点焊接不良率较高的问题，结 合电子类产品生产的特点，在波峰焊焊点焊接工艺环节设计并实施了综合析因法和响应 曲面法的试验设计方案。 ( a ) 在对微控制器的生产过程进行实地调研和分析的基础上，设计了针对波峰焊点 焊接工艺环节的试验设计方案。 ( b ) 实施了部分析因法试验设计，对可能影响最终焊点焊接质量的因素进行显著性 的筛选。 ( c ) 实施完全析因法试验设计，并进行调优运算，以寻找生产中工艺参数的最优化 区域。 ( d ) 实施响应曲面法试验设计，拟合试验模型，给出最终的工艺优化参数并进行验 证。 一5 一 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 东北大学硕士学位论文 第2 章试验设计基础和m i n i t a b 软件在试验设计中的应用 第2 章试验设计基础和m i n i t a b 软件在试验设 计中的应用 2 1 试验设计概述 在实施六西格玛管理过程中，许多项目在形成改进方案时面临的一个重要问题是： 哪些自变量x 显著的影响了y ，怎样去改变这些变量x 或者这些自变量x 取什么值时将 会使y 值达到最佳。这时，我们可以使用最主要和最有效的工具就是试验设计( d e s i g no f e x p e r i m e n t ，d o e ) - 计划安排一批试验，并严格按照计划在设定条件下进行这些试验， 获得新数据，然后进行分析，获得我们需要的数据，从而获得改进的途径。试验设计， 就是这样一门科学，它是研究如何以最有效的方式安排试验以获得含有最大量信息的数 据【4 1 。 2 1 1 试验设计的定义与发展 试验设计是统计学的重要分支，它属于一般研究方法中的科学试验方法的范畴，它 是由试验方法与数学方法，特别是统计方法相互交叉而形成的- f - j 科学【5 】o 2 1 1 1 试验设计的定义 试验设计是以概率论与数理统计为理论基础，经济地、科学地制定试验方案以便对 试验数据进行有效的统计分析的数学理论和方法1 6 1 。其基本思想是英国统计学家r a f i s h e r 在进行农田试验时提出的。他在试验中发现，环境条件难于严格控制，随机误差 不可忽视，故提出对试验方案必须作合理的安排，使试验数据有合适的数学模型，以减 少随机误差的影响，从而提高试验结论的精度和可靠度，这就是试验设计的基本思想【7 1 。 2 1 1 2 试验设计发展 近代试验设计可追溯到2 0 世纪2 0 年代，2 0 世纪2 0 4 0 年代可以说是农业试验阶段。 那时，现代统计学的主要奠基人之一从田间试验设计研究入手，发展了统计试验设计的 基本思想和方法，并且推动了整个数理统计学的发展【8 1 。 第二次世界大战以后至2 0 世纪7 0 年代，由于工业尤其是化学工业发展的需求，试 验设计进入了工业试验阶段。这个阶段试验设计的理论包括设计的构造和数据的分析， 产生了一些重要的思想和方法。2 0 世纪8 0 年代至今，是工业统计、质量工程蓬勃发展 阶段。这一阶段试验设计的理论和应用都得到了快速的发展。其中特别突出的是田口玄 一7 一 东北大学硕士学位论文 第2 章试验设计基础和m i n i t a b 软件在试验设计中的应用 一提出的三次设计和质量工程的思想，这些思想已在工业界广泛应用，并且获得巨大成 功同时也为试验设计提出了许多新的研究课题【9 】。 2 1 2 试验设计的原理与基本原则 2 1 2 1 试验设计的原理 试验设计可以设计看作是一系列试验及分析方法集，它通过有目的的改变一个系统 的输入来观测输出的改变情况【i o 】。图2 1 是一个的系统的试验设计原理示意图。图2 1 中系统既可以看作是一个产品开发过程，也可以看作一个生产过程。对于一个生产过程， 一般它是由一些机器、操作方法和操作人员组成的，把一种输入原材料转变( 加工) 成 各种输出产品。这种输出的产品具有一些可观测的质量特性，也可叫响应( 例如，产量、 硬度、强度等) 。一些过程参数( ，屯，) 是可控的，例如速度、淬火温度等；而 另一些( z l ，z 2 z 口) 是不可控的，他们有时候成为噪声参数，例如环境温度、湿度等。 试验设计的基本原理就是通过试验的方法来获得“如何改变影响结果的因素来获取最好 的结果”的信息。 ，蠢出 图2 1 试验设计原理不葸图 f i g2 1t h es k e t c hm a po fd e s i g no fe x p e r i m e n t 下面结合这个系统图，给出一些有关试验设计的基本概念的描述。 ( 1 ) 响应变量：图中的“输出 是我们关心的输出变量，称为“响应变量 或“指 标”。一般情况下，常常要考虑多方面的指标，这就使问题变得复杂，我们常常设法将 多指标转化为单个指标进行处理。 ( 2 ) 因子：影响响应变量的那些变量称为试验问题中的因子( f a c t o r ) 。其中，而， 而x 。是人们在试验中可以加以控制的因子，所以称为可控因子。他们在试验当中是输 入变量，是影响过程最终结果的。这些变量可以是连续的，也可以是离散的。毛，乞z 口 是一些影响过程或结果但是不可控的因子，称为非可控因子。它们通常包括环境状况、 操作员、材料批次等等。这些变量可以是连续的，也可以是离散的。对于这些变量，通 一r 一 东北大学硕士学位论文 第2 章试验设计基础和m i n i t a b 软件在试验设计中的应用 常很难将它们控制在某个精确值上，实际问题中它们确实也可能取不同值。我们也把这 些非可控因子称为噪声因子，因为常把它们当误差来处理。 ( 3 ) 水平：为了研究因子对响应的影响，需要用到因子的两个或更多个不同的取值， 这些取值称为因子的水平或设置。 ( 4 ) 处理：各因子皆选定了各自的水平后，其组合被称为处理。一个处理的含义是： 按照设定因子的水平组合，我们就能进行一次试验，可以获得一次响应变量的观测值， 因此处理也可以称为一次“试验”。 ( 5 ) 试验单元：指对象、材料和制成品等载体，处理应用其上的最小单位称之为试 验单元。例如，按因子组合规定的工艺条件所生产的一件产品，接受治疗的一个病人等。 2 1 2 2 试验设计的基本原则 试验设计的主要作用是减低试验次数、提高试验精度，使研究人员从试验结果中获 得无偏的处理效应及试验误差的估计，进行正确而有效的比较【5 】。为了控制干扰因子引 起的差异，降低试验误差，在试验设计中要遵循三条基本原则。 ? ( 1 ) 重复性 重复性是科学调查结论的基本要求。相同处理设置试验单元重复后就可研究在试验 单元间的变异。设置重复主要作用在于估计试验误差降低试验误差，提高试验精度。通 常的显著性检验都是拿不同处理间形成的差别与随机误差相比较，只有处理间的差别比 随机误差显著地大时，我们才说“处理间的差别是显著的。没有随机误差就无法进行 ； 任何统计推断，因此试验设计中安排重复试验是必不可少的。 ( 2 ) 随机化 随机化是指试验中每一个处理都有相等的机会实施安排在任何一个试验单元上，即 以完全随机的方式安排各次试验的顺序或所用试验单元。随机可以消除任何人为的主观 偏性及各种干扰因子的影响，以保证获得处理效应及误差变异的有效无偏估计。 ( 3 ) 区组化 区组化是将试验单元按系统干扰因子的环境控制因子进行区组划分，实施区组控 制，使同一区组内的单元间环境因子保持一致，保证同一区组中局部范围内单元间误差 的同质性。通过在同一个区组内比较处理间的差异，就可以使区组效应在各处理效应的 比较中得以消除，从而使对整个试验分析更为有效。 2 2 试验设计的必要性与基本步骤 一9 一 东北大学硕士学位论文 第2 章试验设计基础和m i n i t a b 软件在试验设计中的应用 2 2 1 试验设计的必要性 人类在认识自然界的过程中，进行着各方面的探索。试验是构成学习过程的一个要 素。通过试验的学习是一种综合了人们的期望、需要、知识和资源的复杂过程。在试验 的统计设计方法开始形成的2 0 世纪2 0 年代以前，科技工作者在试验中走了不少弯路。 那时人们是在边试验边分析后确定下次试验该如何做的。这种方法速度太慢，而且只能 从已经得到的偶然出现的好结果出发，摸索着继续前进，而无法形成理论上的知识，无 法预测何处将有更好的成果。这种凭直观猜测逐步探索的方法已经无法适应时代的发展 需要了【4 】o 另一种在多因子分析试验中常用的方法是“单因子变化法”或称“一次一因子法”。 其做法是：多个因子中，每个因子依此改变，而其他因子则保持在固定的或选定的水平 上。这样做有很多缺点：与统计试验设计方法相比，要达到同样的效应估计精度，需要 更多的试验次数；不能估计交互效应；不能在试验区域内进行系统而全面的搜索，因而 它的分析结论缺乏普遍性；它最后的结论对于固定因子的初始值的选定太敏感，因而可 能错过最优因子的设置。 试验设计的统计分析方法不但能从试验结果中得到最优值，而且可以判明那些因子 影响显著，那些因子影响不显著，还可以得到有关的变化规律，预测将要达到的最佳值 是多少和这个最佳值将在什么范围内波动，而这个最佳值可能根本没有出现在我们选定 的条件中试验过。这些都是试验设计的优势所在，也是进行试验设计的必要性所在。 2 2 2 试验设计的基本步骤 粗略的说，试验设计与实施应该包含计划、实施及分析三阶段 4 1 。 ( 1 ) 计划阶段 这里有可以分为下面几个步骤： ( a ) 阐述目标。所有改善项目组中的成员都要参加讨论，明确进行试验设计的目标 及要求。 ( b ) 选择响应变量。在一个试验中若有多种响应，则要选择起关键