实验设计计划

1、1 实验设计计划实验设计计划AnalyzeImproveMeasureControl2 学习目标学习目标l浏览实验设计的应用场合与优点及常用术语浏览实验设计的应用场合与优点及常用术语 l讨论实验设计计划中的步骤及思考点讨论实验设计计划中的步骤及思考点 l提供实验设计计划样表提供实验设计计划样表 3 实验设计实验设计.是一产生是一产生有效信息事件有效信息事件的系统的方法的系统的方法 输入输入输出输出产品或过程产品或过程X1X2X3Y1Y2 有目的地改变输入以有目的地改变输入以研究它们对输出的效应研究它们对输出的效应 4 举例举例 ( (弹射器弹射器 DOE)DOE)81804rubber X1

2、= X1 = 后拉距离后拉距离 X2 = X2 = 销子高度销子高度X3 = X3 = 小球类型小球类型 Y1= Y1= 弹射距离弹射距离 设计安排设计安排这是哪一类设计这是哪一类设计? ?处理组合或处理组合或试验运行试验运行 试验顺序试验顺序(标准顺序标准顺序) )后拉后拉距离距离销子销子高度高度小球小球类型类型11602Nerf21802nerf31604nerf41804nerf51602rubber61802rubber71604rubber弹射5 实验设计术语实验设计术语l响应变量响应变量( (Response VariableResponse Variable )- )- 被测量或

3、观测的输出变量被测量或观测的输出变量 l因素因素( (Factor)Factor) - - 可控或不可控的输入变量可控或不可控的输入变量 l水平水平( (Level)Level) - - 一因素的规定数值或设置一因素的规定数值或设置 l效应效应( (Effect)Effect) - - 一因素从一个水平变为另一水平时响应变量的变化一因素从一个水平变为另一水平时响应变量的变化量量 l互交作用互交作用( (Interaction)Interaction) - - 一因素对响应变量的效应取决于另一因一因素对响应变量的效应取决于另一因素的水平设置素的水平设置 l重复重复( (Repetition)Re

4、petition) - - 在同一试验条件设置下进行多次采样在同一试验条件设置下进行多次采样( (见后例见后例) ) l反复反复( (Replication)Replication) - - 按时间顺序重复整个试验序列按时间顺序重复整个试验序列 ( (见后例见后例) ) l随机化随机化( (RandomizationRandomization)- )- 通过随机数决定试验运行顺序通过随机数决定试验运行顺序6 252015105130120110100IndexYield重复重复( (Repetition)Repetition)Pull Back: LLLH HHLL LHHH LLLH HHL

5、L LHHHPin Height: LLLL LLHH HHHH LLLL LLHH HHHHBall Type: LLLL LLLL LLLL HHHH HHHH HHHH Test Sequence重重 复复7 反复反复( (Replication)Replication)252015105130120110100IndexYieldTest Sequence第二次第二次反复反复 第一次第一次反复反复Pull Back: LHLH LHLH LHLH LHLH LHLH LHLH Pin Height: LLHH LLHH LLHH LLHH LLHH LLHHBall Type: LLL

6、L HHHH LLLL HHHH LLLL HHHH8 实验设计涉及的典型问题实验设计涉及的典型问题l哪一因素对响应的效应最大哪一因素对响应的效应最大? ? l哪些因素影响响应均值哪些因素影响响应均值? ? l哪些因素影响响应方差哪些因素影响响应方差? ? l输入变量的最佳设置是什么输入变量的最佳设置是什么? ? l哪些因素无效应哪些因素无效应? ? l输入变量与输出变量的关系如何输入变量与输出变量的关系如何? ? Y = Y = f(X)f(X)筛选筛选特征化特征化优化优化9 对实验设计计划的建议对实验设计计划的建议l团队合作团队合作 l充实知识充实知识l用绩效指标来定义问题用绩效指标来定义

7、问题( (RTY, COPQ, Cp, etc.) RTY, COPQ, Cp, etc.) l目标值应能明确度量目标值应能明确度量n. . 提高产量提高产量20%20%n. . 达到达到6s 设计标准设计标准n. . 确定材料波动对产品可靠性的影响确定材料波动对产品可靠性的影响n. . 确定廉价材料对产品性能的影响确定廉价材料对产品性能的影响 l实验计划应包含所有阶段的执行方案实验计划应包含所有阶段的执行方案( (包括确认阶段包括确认阶段) ) l对数据采集及分析分配足够的资源对数据采集及分析分配足够的资源 l样本量应正确样本量应正确l记录各方建议并讨论记录各方建议并讨论10 实验设计计划样

8、表实验设计计划样表section 1Date:Product:Team Leader:Process(es):Expected Start:Expected Completion:section 2Problem Statement:Objective:section 3 Response(s) Type? Anticipated Range? Msmt. System?123section 4Input Variables LevelsSpecifications How Measured?12345678910section 5Noise VariablesMeasurable?12345

9、section 6Brief Outline of the Experimental Design to be used: 11 举例举例 ( (弹射器弹射器 DOE)DOE)section 1Date:5/5/98Product:CatapultTeam Leader:Joe BlackbeltProcess(es):LaunchingExpected Start:7/10/98Expected Completion: 7/20/98section 2Problem Statement:Launched balls are not landing at the target distance

10、, resultingin $200,000 in customer returns annually.Objective:Determine the critical variables affecting launch distance andvariation and find optimal settings for these variables.section 3 Response(s) Type? Anticipated Range? Msmt. System?1 downrange distance2 crossrange distance3QuantitativeQuanti

11、tative 0 300 inches 30 ft. tape measuresection 4Input Variables LevelsSpecifications How Measured?1 Pull Back Angle160, 180160-180 scale on catapult2 Front Pin Height2,42-4 pin position3 Stop Pin Position3,43-5 pin position4 Ball MaterialNerf,rubberNerf or rubber visual5 Cup Attachment5,64-6 pin pos

12、ition6 Arm Attachment3,41-5 pin position78910section 5Noise Variables Measurable?1Operator (“new”, “expert”) Yes? (years of service, certification, etc.)2Rubber Band Age (new, 2 weeks old) Yes (time log)345section 6Brief Outline of the Experimental Design to be used: 16 run fractional factorial scre

13、ening design with 6 factors, 2 replicates, using “old”rubber bands12 定义输出定义输出( (响应响应) )变量变量l输出变量是定性数据还是定量数据输出变量是定性数据还是定量数据? ? ( (建议采用定量数据建议采用定量数据, ,为什么为什么?)?)l所测量的输出变量是否是客户要求的或关心的所测量的输出变量是否是客户要求的或关心的? (? (不只是因为它容易测量不只是因为它容易测量) )l目标是什么目标是什么: :对中对中, ,减少波动减少波动, ,还是两者兼有还是两者兼有? ?l当前的基准水平是什么当前的基准水平是什么? (?

14、 (均值与标准差均值与标准差) )l输出变量是否统计受控输出变量是否统计受控? ?l输出变量是否稳定输出变量是否稳定? ?l希望能检测出多大的输出变量波动希望能检测出多大的输出变量波动? ?l如何测量输出变量如何测量输出变量? ?l测量系统能力是否足够测量系统能力是否足够? ?l预期的输出变量波动是多大预期的输出变量波动是多大? ? l是否是多变量输出是否是多变量输出? ? 他们的优先权如何他们的优先权如何? ? 13 因素选择因素选择l如何选择实验因素如何选择实验因素?l因素来源因素来源:n流程图流程图 n因果表因果表nFMEAFMEAn多变量分析结果多变量分析结果n文献文献n脑力激荡脑力激

15、荡n科学原理科学原理n操作工经验操作工经验n客户客户/ /供应商输入供应商输入n评价方法评价方法l回顾各个变量回顾各个变量, ,并选择实验因素并选择实验因素14 因素分类因素分类l因素可分为因素可分为: :n噪声因素噪声因素 ( (Ns) -Ns) -不受控因素不受控因素, ,不可控或控制成本很高的因素不可控或控制成本很高的因素 m例如例如: :天气天气, ,班次班次, ,供应商供应商, ,用户机器寿命等用户机器寿命等. .n可控因素可控因素 ( (Xs) - Xs) - 这些因素改变时这些因素改变时, ,能相应的观察到对输出能相应的观察到对输出的效应的效应n常定因素常定因素 ( (Cs) C

16、s) 或或 标准操作程序标准操作程序( (SOPs) - SOPs) - 是对标准流程是对标准流程的描述的描述, ,包括在实验时需固定包括在实验时需固定, ,监控及保持的因素水平设置监控及保持的因素水平设置15 因素水平选择因素水平选择l确定了最终的实验因素表后确定了最终的实验因素表后, ,下一步就是确定每个因素的水平下一步就是确定每个因素的水平l因素水平选择时常见的两类错误因素水平选择时常见的两类错误: :n因素水平太接近因素水平太接近m不能产生足够的波动或差异用于分析不能产生足够的波动或差异用于分析 ( (测量系统分辨率不足测量系统分辨率不足以识别这种差异以识别这种差异) )m高高, ,低

17、水平结果混杂在一起低水平结果混杂在一起, ,无法分离无法分离n因素水平间距太大因素水平间距太大 m会产生不现实的波动或差异会产生不现实的波动或差异m每一因素都有可能被认为是显著的每一因素都有可能被认为是显著的, ,导致错误结论导致错误结论m会因忽略非线性关系而导致错误会因忽略非线性关系而导致错误l通常通常, ,水平数越多水平数越多, ,产生的信息也越多产生的信息也越多, ,各个水平之间的距离应相等各个水平之间的距离应相等. . 16 因素水平选择因素水平选择( (基于不同实验目的基于不同实验目的) )l筛选筛选 n目的目的: : 从众多输出变量中确定少数关键输入从众多输出变量中确定少数关键输入

18、n水平距离相对而言较大水平距离相对而言较大m当输入变量设置为极端值时当输入变量设置为极端值时, ,如果其确有效应如果其确有效应, ,就会从输出上反就会从输出上反映出来映出来 m风险风险 - - 会夸大波动会夸大波动, ,无法检测较复杂的关系无法检测较复杂的关系, ,其它其它? ?m通常每个因素选择通常每个因素选择2 2个水平个水平n大水平距离举例大水平距离举例m定性因素定性因素: : 方法方法 A A对方法对方法 B;B;材料材料1 1 对材料对材料2 2m定量因素定量因素: 300: 300 F F对对 400 400 F; F; 每日曲线对每日曲线对3 3日曲线日曲线n通常选用分式析因实验

19、用于筛选目的的实验设计通常选用分式析因实验用于筛选目的的实验设计17 因素水平选择因素水平选择( (基于不同实验目的基于不同实验目的) )l特征化特征化 n目的目的: : 进一步了解输入变量与输出变量的关系以及因素间的互交进一步了解输入变量与输出变量的关系以及因素间的互交作用作用n建议按前期实验的结果确定相应的因素水平建议按前期实验的结果确定相应的因素水平n一旦确定关键输入变量一旦确定关键输入变量, ,通常应缩小水平间距通常应缩小水平间距n通常选用析因实验或高分辨度分式析因实验用于特征化目的的实通常选用析因实验或高分辨度分式析因实验用于特征化目的的实验设计验设计l优化优化n目的目的: : 确定

20、过程输出优化所对应的各输入变量的运行位置和范围确定过程输出优化所对应的各输入变量的运行位置和范围, ,即确定最优值对应的实验空间即确定最优值对应的实验空间n因素水平通常很接近因素水平通常很接近n通常实验因素数量较少通常实验因素数量较少, ,但是各因素的水平数会增加但是各因素的水平数会增加 (3 (3个或个或3 3个个以上以上) )n通常选用析因设计或其它特殊的优化设计通常选用析因设计或其它特殊的优化设计 ( (如中心复合设计或如中心复合设计或Box-Behnken Box-Behnken 设计设计) ) 18 实验计划需考虑的问题实验计划需考虑的问题n实验结果如何度量实验结果如何度量? ?是否

21、与企业运作绩效指标相关是否与企业运作绩效指标相关? ?n实验成本是多少实验成本是多少? ?n如何确定样本容量如何确定样本容量? ?n如何考虑随机化如何考虑随机化, ,重复及反复重复及反复? ?n随机化是否受限制随机化是否受限制 ( (有些因素要实现随机化很困难有些因素要实现随机化很困难)?)?n是否与内部客户讨论过是否与内部客户讨论过? ?n实验时间多大实验时间多大? ?n如何进行数据分析如何进行数据分析? ?n是否安排是否安排“预运行预运行”? ?m可发现实验流程可发现实验流程, ,数据登录表的错误数据登录表的错误, ,并确保每一实验参与者完全了并确保每一实验参与者完全了解各自的任务解各自的

22、任务n实验中是否要其它实验方法实验中是否要其它实验方法? (? (分式析因分式析因, ,析因等析因等) )n实验中是否要安排中心点运行实验中是否要安排中心点运行? ? ( (所有因素水平位置为中点时的实验运所有因素水平位置为中点时的实验运行行) ) 目的是什么目的是什么? ?n实验建议实验建议19 建议表内容建议表内容l问题描述问题描述n与绩效指标相关与绩效指标相关 ( (RTY, COPQ, Cp, etc.)RTY, COPQ, Cp, etc.)l目的目的l输出变量输出变量n测量系统分析测量系统分析m精度精度m重复性与再现性重复性与再现性m稳定性稳定性m偏差偏差l输入变量输入变量n可控变

23、量可控变量: :水平水平n噪声变量噪声变量: : 如何处理如何处理? ?l设计与流程回顾设计与流程回顾l资金与期限资金与期限l组员与各阶段任务组员与各阶段任务20 总体建议总体建议l不要试图通过一次实验回答所有的问题不要试图通过一次实验回答所有的问题, ,应进行一系列逐步深入的实应进行一系列逐步深入的实验验l初期实验用初期实验用2-2-水平设计水平设计l计划和设计实验的最佳时机是在前一次实验完成后计划和设计实验的最佳时机是在前一次实验完成后. . l首次实验的费用应小于首次实验的费用应小于25% 25% 的总费用的总费用l后序实验中每一步都要确认结果数据后序实验中每一步都要确认结果数据l需有主

24、动精神需有主动精神 - - DOEDOE是用于主动探索的工具是用于主动探索的工具, ,并不是每一实验都能产并不是每一实验都能产生惊天动地的发现生惊天动地的发现, ,但是你总会有所获益但是你总会有所获益. . 没有糟糕的实验没有糟糕的实验, ,只有糟只有糟糕的实验计划和操作糕的实验计划和操作. .21 总结总结lDOE DOE 是将数据转变为信息是将数据转变为信息的关键工具的关键工具特点特点: :n扩大知识扩大知识n系统系统n高效高效实验计划是关键实验计划是关键! !再好的统计分析也不能挽救计再好的统计分析也不能挽救计划或设计得很差的实验划或设计得很差的实验. .Designed Experim

25、ent Planning SheetYour Team Name HerePage 1 of 2Date Printed: June 19, 1997Date:ProductNameOrg / LocationProcess(es)Team LeaderExpected StartTeam MembersCompletionEstimated CostCustomerInformed Yes NoPilot StudyProblem Statement (Business Problem): Business Opportunity/Implications: Experimental Obj

26、ective: Experimental Hypothesis: List of Experiment Parameters (KPOVs)Response 1Type:QuantitativeTarget Unit QualitativeSpecificationBaseline MeanMeasurement SystemBaseline Std. Dev.% R&RMin. Required Effect Size (s)% P/TResponse 2Type:QuantitativeTarget Unit QualitativeSpecificationBaseline Mea

27、nMeasurement SystemBaseline Std. Dev.% R&RMin. Required Effect Size (s)% P/TResponse 3Type:QuantitativeTarget Unit QualitativeSpecificationBaseline MeanMeasurement SystemBaseline Std. Dev.% R&RMin. Required Effect Size (s)% P/TDesigned Experiment Planning SheetYour Team Name HerePage 2 of 2Date Printed: June 19, 1997Controllable Input Variables (Factors)Current SettingExperi