DOE实战务实PPT课件

1 实验设计 讲师 施荣2011 09 DesignofExperiments DOE 先科六西格玛培训课程 2 26年企业管理及咨询培训经验 早期在国内外大中型制造企业从事生产质量管理 历任生产品质经理 生产技术总监及副总等职 现从事培训咨询服务10余年 担任多家知名企业管理顾问 是中国企业界最早 90年代 接触和推广TQC 正交实验设计的人士 擅长六西格玛 流程改进和精益管理 有多年六西格玛 精益生产项目辅导经验 结合我国企业管理实践 融入多年管理心得 博览众长 研究并开发出独具风格 实战 实用 实效 的管理课程体系 精于排解学员理论和实践运用的困惑 善于透过独特的促导技巧 深入浅出 启发学员思维 善于提供解决方案 主打课程 实验设计DOE SPC 精益生产实战培训 DMAIC实战训练 六西格玛统计课程 谢宁DOE技术 Minitab软件运用 现场管理与改善 6Sigma代表客户 美的集团 惠州三星手机 上汽通用五菱汽车 上海江南造船厂 湖南长丰汽车集团 南玻集团 中山华帝燃具股份有限公司 安费诺电子装配 美资 英国摩迪 讲师介绍施荣伟工商管理学硕士实战型资深顾问六西格玛 精益专家 3 怎样学习本课程 DOE是门复杂的统计技术 反诘互动的方式来学习 提倡多提问 不要质疑统计学 你可以问 为什么 这样 带者问题学习 能事先准备工厂数据最佳 携带电脑 安装MINITAB 4 教学方式 讲解原理 适用范围 前提条件 应用机制 案例演示 小组讨论 或练习 反馈 纠正指导 学习消化 逐层推进 5 课程设置 第一讲实验设计概述第二讲正交实验设计第三讲田口方法简介第四章Minitab应用第五讲田口设计讨论答疑 6 第一讲实验设计概述 7 1 1什么是实验设计 实验设计 DesignofExperimentsDOE 定义 是一种安排试验和分析试验数据的统计方法 计划安排一批试验 并严格按照计划在设定的条件下进行这些试验 获得新数据 然后对之进行分析 获得我们所需要的信息 从而得出科学的结论 8 实验设计由来与发展 1920年 试验设计技术最早是由英国统计学大师费歇尔 R A Fisher 所创立 首先将其应用在农业试验 目的是为提高农业产量 1947年劳博士 Rao D R 建议使用正交表规划具有数个参数的实验计划 二战以后 田口玄一博士 将试验设计方法应用于改进产品和系统质量 并研究开发出 田口品质工程方法 简称田口方法 从而提升了日本产品品质及日本产业界的研发设计能力 成为日本战后质量管理的重要工具之一 1962年 田口博士获得戴明个人奖 其主要贡献就是发明了 稳健设计 方法 9 1 2DOE的目标 DOE的目的主要有两个 检测自变量X对指标Y的影响程度 哪些因素重要 哪些因素不重要 确定因素及水平搭配的最佳组合 这些自变量X取什么值时使Y达到最佳值 10 实验设计 检测复杂的因果关系 实验设计是筛选 证实量化原因的高级统计工具 是利用整个统计领域的知识来理解流程中普遍存在的复杂关系 DOE通过安排最经济的试验次数来进行试验 以确认各种因素X对输出Y的影响程度 并且找出能达成品质的最佳因子组合 不仅能识别单个因素影响 而且能识别交互作用 与传统的方法不同 它可以同时测试多个元素的影响 11 DOE的优势 与传统的实验方法比较 传统方法 每次实验只能变动一个因素DOE 每次实验同时测试多个因素的影响DOE优势实验次数少L8 2 128次 全部组合 实验时间最短效果最好成本最低 7 12 1 3DOE的作用 产品设计开发 进行参数设计和选材 缩短设计开发周期 为原材料选择最合理的配方 用于过程设计 以确定最佳工艺参数 用于质量改进 解决长期 顽固的品质问题 为新设备或现有设备选择合理的参数 进行系统 当然也包括服务领域 的优化 DOE是进行产品和过程改进最有效的强大武器 13 1 5DOE基本术语 实验计划实验计划是实验中产生结果的一项经济有效的方法 实验设计是一项安排 以便于实验的进行 而实验 则是一项研究方法 择定数项独立变量做随机变动 从而确定其效应 一项良好的实验 可以使实验的结果获得简明的解释 可以确定各项因素的主效应 也可据以确定个因素间的互动 一般情况下 实验计划是由正交表来实现的 14 基本术语 响应 亦称指标 质量特性 是在实验设计中可以测量的系统输出 一般以Y表达 15 因子与水平 因子 指系统或过程输入变量 是工程师需要研究或设定的对象 借以说明响应的大小 因子有两种分类方法 1 定性因子和定量因子2 可控因子和噪音 将在田口方法中介绍 定性因子的水平被限制为个数 没有什么固定顺序 如操作者或材料等 定量因子则可取连续值 如温度 压力 的因子 16 基本术语 水平 在进行每一次实验时 每一因子至少应从两个层次进行研究 称其为因子的水平 例如温度可能其应用的范围是210 230 这两个值可以作为因子温度的水平 重要提示 因子的水平数至少应取2个 这是DOE最关键的特殊要求 表达方式 若是2个水平 高水平 低水平 若是3个水平 由低至高 依次用1 2 3表达 17 术语 主效应与交互作用 主效应 一个因素对输出响应值的影响 交互作用 两种或以上的因素对输出响应值的影响 18 1 6正确筛选试验因子与水平 正确筛选和确定因子及水平 是确保实验结果有效性的重要前提 如何正确的选择因子及水平 完全依赖于工程师的经验以及他对过程的理解 在流程分析的基础上 选择所有主要的因子 而放弃哪些显然不重要的因素 必须慎重确定因子水平 它会直接影响到实验结果 一般情况下 把注意力放在可控因子的选择上 而不是噪音 除非你期望做稳健设计 不同的DOE方法 对因子及水平的个数有不同的限制 19 1 7实验设计的阶段及程序 DOE包含计划 实施 分析三个阶段 8个步骤 步骤1 明确改善目标或试验目的 步骤2 选择品质特性 起关键作用的 步骤3 寻找并筛选所有影响品质的因子 步骤4 确定可控因子及它们的水平 步骤5 选择确定试验计划 步骤6 执行设计 收集数据 包括响应数据和环境数据 步骤7 分析数据 确定最优因子组合 步骤8 验证设计 20 1 8实验设计的种类 实验设计主要有 正交实验设计田口设计全因子实验设计分部因子设计响应曲面设计混合设计 析因设计 回归设计 稳健设计 21 第二讲正交实验设计 22 什么是正交实验设计 正交试验设计法是研究与处理多因素试验的一种科学方法 它利用一种规格化的表格 正交表 挑选试验条件 安排试验计划和进行试验 并通过较少次数的试验 找出较好的生产条件 即最优或较优的试验方案 23 什么是正交实验设计 正交实验设计是日本战后质量管理的重要工具 上世纪70年代传如我国 在冶金 化工 电子 机械 纺织 医药等行业得到广泛应用 主要手段是运用正交表 目的 进行工艺参数设计与优化及其质量改进条件与约束 运用范围广 因子及水平数不受约束 方法简单易行 可手工操作 24 2 1正交表 25 正交表 正交表是一种规格化的表格 对于解决问题来说 只要掌握正交表的运用方法就可达到目的 正交表的表达方式 正交表的优势 对于L34 全因子设计需要81次 3 3 3 3 而正交实验只需要9次 大大减少实验次数 26 正交表的正交性质 在任意一列中 各水平出现的次数相同 对任意列的任一水平 其他列的水平1 2 3与之在同行上相遇的次数相同 这两个性质称为正交表的整齐可比性 也就是正交表的正交性性质 因此 虽然是局部试验 但仍有可靠的代表性 27 2 2正交表的选择与运用 工程师应根据实验的因子数目及水平选择适当的正交表 常用的正交表列示说明如下 L4 23 4次试验 2水平 3个因子的正交表 L8 27 8次实验 2水平 7个因子的正交表 L9 34 9次实验 3水平 4个因子的正交表 L16 45 16次实验 4水平 5个因子的正交表 L18 2 37 18次实验 2 3组合水平 8个因子 28 L4 23 29 L8 27 30 L9 34 31 L16 45 32 L18 2 37 33 2 4正交实验案例演练 范例2 1 磁鼓电机是彩色录象机的关键部件之一 国外同类产品的力矩指标规定大于210g cm 某厂以这个水平做依据 对电机质量进行调查 不合格率为23 决定利用试验设计 提高电机的输出力矩 下面以这个例子介绍实验设计的一般步骤 34 正交实验设计 步骤1 明确品质改善和试验目的本例中的试验目的是提高磁鼓电机的输出力矩 步骤2 选择响应变量 即品质特性 要注意正确区分指标的三种情形 望小望大望目本例中直接用输出力矩作为考察指标 是一个望大特性 要求越大越好 35 正交实验设计 步骤3 确定可控因子及水平工程人员分析认为 影响输出力矩的3个因素及数据 A充磁量 900 1300 B定位角度 10 12 C线圈匝数 60 100 表2 1因子水平表 36 正交实验设计 步骤4 选择正交表 制定实验计划表可选择L9 34 按规定 A B C三个因子分别放在正交表的1 2 3列 根据需要 可以填写因子的水平值 其实 因子的水平数可以直接应用默认的形式 步骤5 进行试验 测定试验结果按照上述拟订的方案进行试验 一般 在进行试验时 各试验的顺序应当随机化 以尽量避免由于系统干扰造成的试验误差 做完试验 记录在试验结果一栏中 见表3 2 37 表2 2设计方案及实验结果 38 步骤6 数据分析 数据分析包含两部分 建立模型 均值分析解释数据 工程推断 39 均值分析 计算各因子每一个水平对Y的贡献 均值 得到如下表格 均值分析表 极差大 则说明该因子的影响是越大 40 工程推断 结论 1 B是显著因子 主次排列顺序是 B A C 2 最优因子水平组合 A2B2C3即最佳工艺设置 充磁量1100 定位角度11 线圈匝数80判断原则 若是望大特性 则取最大均值所对应的水平 若是望小特性 则取最小均值所对应的水平 若是望目特性 则取适中均值所对应的水平 41 第三讲田口方法 42 3 1什么是田口方法 二战之后 日本的田口玄一博士 将试验设计方法应用于改进产品和系统质量 并研究开发出 田口品质工程方法 简称田口方法 从而提升了日本产品品质及日本产业界的研发设计能力 成为日本战后质量管理及设计开发的核心工具 田口方法具有很强的抗干扰能力 因此又称为稳健参数设计 1962年 田口博士获得戴明个人奖 其主要贡献就是发明了 稳健设计 方法 由于田口方法在实验设计技术显示出的稳健性和巨大优势 田口方法在欧美乃至全球得到广泛应用 43 3 2田口的质量哲学观念 定义 质量是产品出厂后给社会带来的损失 品质不是检验出来的 品质必须设计到产品中去 品质的目标是 最小化与目标值的偏差 且能免于噪音 随机因素 的影响 趋近目标 抗干扰 品质成本应当用与标准值偏移的函数关系来衡量 田口博士首次提出了信噪比 S N比 概念 以S N比作为分析改善对象和评价方案的指标 以寻求最优及稳定性好的参数组合 44 设质量特性为y 目标值为m 质量损失函为L y 当产品性能恰好为趋近目标时 质量损失最小 产品性能偏离目标值越远 质量损失越大 45 田口方法术语 参数分类对于一个产品或者制程 我们可以用参数图来表示 如图2 3所示 其中y表示此过程输出的产品或制程的品质特性 响应值 影响y的参数可分为可控因子 Z 噪音因子 X 和信号因子 M 三类 46 田口方法术语 可控因子 是指能为设计工程师可自由设定和调整的参数 包括材料特性和过程特性 噪音因子 有许多参数非为设计工程师所能控制的因子 噪音因子可归纳如下三类 1 外部噪音 由于环境因素与使用条件的变化或变异 如温度 湿度 位置 粉尘 电压 电磁干扰 震动以及操作者人为错误等 47 基本术语 2 内部噪音 产品在库存和使用过程中 产品本身的零件 材料会随着时间的推移发生质量变化 例如 绝缘材料的老化 零件在使用过程中的磨损 蠕变等 3 零件间的变异 由于构成产品的材料 零件存在变异 制程中由于操作 设备 工艺参数以及环境因素的变化形成的变异 会造成零件间的变异 48 基本术语 信号因子 是指产品使用人设定的参数 是动态特性中输出变量的因素 举例说 一台电扇的转速 是使用人期望风量的信号因子 在一个测量系统中 零件真值是信号因子 其测量值是响应变量 静态设计 在一个系统中 如果没有信号因子或者信号因子表现为一常数值 以寻求 点 的最佳设计 便称为静态设计 动态设计 在一个系统中 如果加入了信号因子 以寻求 线 的最佳设计 便称为动态实验设计 49 3 5田口正交表 田口方法建立实验计划也是使用正交表 所不同的是 使用内外正交表 将可控因子安排在内表 控制表 正交设计做法将噪音因子安排在外表 噪音表 同时考虑可控因子及噪音对响应的影响 是田口方法的特点 田口方法的优势 通过调整可控因子的水平 来降低或弱化噪音的影响 寻求最优工艺方案 提高设计方案的抗干扰能力 稳健设计因此而得名 50 田口正交表样式 实验次数 9 8 72次 噪音表 控制表 试验观察值 51 田口正交表样式 简化 实验次数 9 2 18次 52 3 6信噪比 S N 实施稳健设计的目的 输出响应本身的变异很小 该质量特性平均值尽可能接近设计目标值 田口方法使用S N比综合反映上述两个特性 即关于响应位置和离散度的信息 在田口方法中 S N比是评价产品及过程功能品质的核心指标 53 在通讯工程里 常以电讯的输出 信号 与 噪音 之比作为品质指标 以此值越大表示通讯品质越好 S N比的原始定义是指信号噪音比 可用以下公式表示 S N 信号 噪音该比值越达 表明品质越好 单位以分贝 db 表示 S N比 54 S N的基本表达式 设实际测量值y与目标值m之偏差为y1 y2 yn 则有 总误差ST 平均误差Sm 误差方差Ve S N 10log 3 0 55 S N的应用公式 望目 S N 10log y2 s2 3 1 望大 S N 10log 3 2 望小 S N 10log 3 3 56 3 7田口方法的选优准则 田口博士将S N做为实验设计的优选评价标准 S N比极大化 无论特性是什么情形 望小 望大 望目皆是如此 57 3 9田口方法的类型 田口方法 静态设计 动态设计 望大特性 望小特性 望目特性 加入了信号因子 58 3 10田口方法的运用步骤 步骤1 明确品质改善和试验目的 步骤2 选择品质特性并判定品质机能 步骤3 寻找所有影响品质的因子 步骤4 确定可控因子及它们的水平 步骤5 制定实验计划 根据因子及水平的数目选择正交表 步骤6 执行设计 收集数据 步骤7 分析数据 确定最优因子组合 步骤8 验证设计 为什么 慎重正确的筛选因子及其水平 将决定实验结果的可信性与成败 在田口方法中 还需要识别确定噪音 59 3 11田口方法与正交实验的区别 相同 都使用正交表 但田口使用内外表 区别 使用的分析评价标准不同正交实验设计 极差分析法田口实验设计 信噪比分析 S N 60 第四讲Minitab应用 61 Minitab是美国MINITAB公司发明的当今世界功能最为强大的统计软件 MINITAB统计软件为质量改善和概率应用提供准确和易用的工具 MINITAB被许多世界一流的公司所采用 包括通用电器 福特汽车 通用汽车 3M LG 东芝 诺基亚 以及SixSigma顾问公司 作为统计学入门教育方面技术领先的软件包 MINITAB也被4 000多所高等院校所采用 MINITAB应用简介 62 MINITAB 实现六西格玛改进的工具打开统计奥秘之门的钥匙使用软件让DOE变得更简单 63 统计其实很简单 Minitab三步曲1 选择适用工具 根据问题选用菜单 2 依法输入数据 正确的操作步骤 3 正确解读结果 对软件输出的利用 P值 0 05拒绝H0 因子有显著性 P值 0 05接受H0 因子无显著性 64 65 主菜单共9项 它包含 File 文件 Edit 编辑 Manip 数据 Calc 计算 Stat 统计 Graph 图表 Editor 编辑 Windows 窗口 Help 帮助 66 程序 数据 图表 程序窗口 项目管理器窗口 数据窗口 绘图输出窗口 67 Minitab的统计分析功能 Stat 基本统计 回归分析 方差分析 试验设计 控制图 质量工具 可靠性分析 多元分析 时间序列分析 列表 非参数统计分析 探索性数据分析 势与样本大小 68 Stat 质量工具 QualityTools 69 Minitab的图形功能 Graph 策划散点图时间序列图图表 分类数据的条形图 线图 直方图箱线图矩阵图草图等高线图3D三维图3D3D点图饼图边际图概率图茎叶图字符 70 Minitan提供的实验设计功能 实验设计 因子设计 响应曲面设计 混合设计 田口设计 71 田口设计的步骤 实验前规划 确定实验目的 影响因子 可控 噪音 及水平 建立田口设计 菜单Stat DOE Taguchi CreateTaguchiDesign 修改设计 因子命名 设置水平值 加入信号因子或忽略 菜单Stat DOE ModifyDesign 执行设计 收集响应数据 并将数据输入工作表 分析实验数据 菜单Stat DOE Taguchi AnclyzeTaguchiDesign 对实验结果进行预测 菜单Stat DOE Taguchi PredictTaguchiResults 72 田口设计 主对话框 DOE 田口设计 建立田口设计C T D 从工作单创建设计DCTD分析设计A T D 预测结果P T R 修改设计显示设计 73 第五讲田口设计 74 一 望大田口设计 问题 磁鼓电机是彩色录象机的关键部件 国外同类产品力矩指标规定大于210g cm 为提高电机的输出力矩 需要进行实验 因子水平表 75 望大田口设计 1建立设计 菜单 Stat DOE Taguchi CreateTaguchiDesign 主对话框 选择设计类型 子对话框Deslgns 是L9 34 点OK 2 因子数选3 1 选择3水平的设计 3 确认所选定的设计 预览实验计划 英文因子命名 水平设置 76 望大田口设计 1建立设计续 得到 正交表L9 34 实验计划9次实验 77 2修改设计 中文因子命名 适合于所有DOE方法 菜单Stat DOE ModifyDesign 修改因子命名 水平设定 中文因子命名 水平值设置 数字间留空格 如果 用英文或拼音命名 可省略此步骤 78 望大田口设计 3 执行设计 进行实验 将响应值Y输入工作单 79 望大田口设计 4 分析设计 菜单 Stat DOE Taguchi AnalyzeTaguchiDesign 双击 1 输入响应y 2 确定S N比 3 本例属望大选 Lar 80 望大田口设计 4 分析田口设计 Options 根据设计目的和问题选择S N比 望大 望目 望目 望小 默认 81 望大田口设计4 程序输出窗口 对S N比影响最大的因是 角度 对平均数影响最大的因素是 角度 ResponseTableforSignaltoNoiseRatios S N LargerisbetterLevelA充磁量B角度C匝数145 278944 168945 2975245 846546 780744 6925344 358544 534445 4939Delta1 48802 61180 8014Rank213ResponseTableforMeans 均值 LevelABC1185 000161 667185 0002198 000218 667174 3333167 333170 000191 000Delta30 66757 00016 667Rank213 得尔他统计量 等级 82 望大田口设计 绘图窗口1 工程推断 1 显著因素顺序 B A C 2 最优因素组合 充磁量A2 角度B2 厚度C3 信噪比S N主效应图 充磁量 角度 匝数 田口方法 根据S N做决策 83 望大田口设计 绘图窗口2 平均数主效应图 分析 显著因素 角度 充磁量 匝数 正交实验设计采用的方法 充磁量 角度 匝数 84 望大田口设计5 预测结果 菜单 Stat DOE Taguchi PredietTaguchiResults 选择 使S N比最大的因素组合为 充磁量2 角度2 匝数3水平值为 1100 11 90 3 2点下拉表 选择最优因子水平值 1 点T选项 2 点L选项 3 1点选 只分析主效应ABC 85 望大田口设计 5 预测结果程序输出 Predictedvalues信噪比均值S NRatioMean47 7985240 778Factorlevelsforpredictions 最优因子水平组合 充磁量角度线圈匝数11001190 86 望大田口设计 6 验证实验 DOE的第6步 为了验证模型是否有效 你就得利用这组因素组合设定以及预测结果值 进行一轮新的实验 来检验模型的再现性 所有的DOE方法均应进行这一步骤 87 二 望目田口设计 问题 产品工程师要评估影响装货用塑料袋密合强度的因素 有3个可控因素温度 压力 厚度 它们分别有3个水平 另外识别出有2个噪音条件 Noise1和Noise2 密合强度Y属于望目特性 规格要求定为18 因子水平表 88 望目田口设计 1建立设计 菜单 Stat DOE Taguchi CreateTaguchiDesign 主对话框 选择设计类型 子对话框Deslgns 是L9 34 点OK 2 因子数选3 1 选择3水平的设计 3 确认所选定的设计 89 望目田口设计 2 执行设计 可控因子 噪音 内表 外表 实际试验次数每组实验应分别在两个噪音条件下做2次实验 因此 全部实验次数是9 2 18次 进行实验 将响应值Y输入工作单 望目设计至少有2个噪音 2组Y值 否则系统不响应 90 田口设计 望目 3 分析设计 菜单 Stat DOE Taguchi AnalyzeTaguchiDesign b 确定S N比 本例属望目选 默认项 a 输入响应 2组数字 双击 望大 望目 望目 望小 c 选择图表工具 点选 标准差 见次页 可不选 91 Graphs Tables 此步骤可缺省 标准差 标准差 92 田口设计 望目 程序窗口 ResponseTableforSignaltoNoiseRatiosNominalisbest 10 Log Ybar 2 s 2 Level温度压力厚度129 421921 919128 25