DOE与Miniab经典培训定义管理资料

DOE（实验设计）与Minitab培训Roc.Luo2011.01.26课程目录有关DOE与定义DOE的一般模式DOE的意义DOE的分类DOE常见术语DOE处方DOE方法演示1.陈述问题和实验目标2.选择“Y”-响应变量3.陈述因子和水平4.选择DOE5.实施实验及收据数据6.分析实验结果7.结论和计划6a.为整个模型建立方差分析表

●统计>DOE>因子>分析因子设计…6b.用简化模型重新分析实验6c.进行残值诊断，保证模型适合

●统计>回归>回归…

●统计>DOE>因子>分析因子设计-图形6d.研究显著的交互作用（P-值<0.05)-首先从高阶入手

●统计>DOE>因子>因子图…

●统计>方差分析>交互作用图…6e.研究显著的主效果（P-值<0.05)

●统计>DOE>因子>因子图…

●统计>方差分析>交互作用图…6f.获得的数学模型Y=f(X),计算%SS的影响和评估实际的重要性DOE的关键因素a)确定实验限制条件b)设计实验--确定实验设计方法●统计>DOE>因子>创建因子设计…c)噪声变量d)分组与随机化e)重复与再现f)确定样本容量DOE:即实验设计(DesignofExperimental)--是对实验方案进行优化设计、以降低实验误差和生产费用，减少实验工作量并对实验结果进行科学分析的一种科学研究方法；是一种藉用实验的手段来决定最佳设计或生产的方法。Minitab软件：是为DOE、质量改善、教育和研究应用领域提供统计软件和服务的先导。MINITAB被许多世界一流的公司与四千多所院校所采用。有关DOE与定义爱迪生的助手尼古拉.特勒撒说：“我非常同情他的工作状况，如果有一点点理论和计算能帮助他的话，就将节省他90%的精力。”爱迪生是靠苦干拼出来的，他是在边试验边分析后确定下次试验该怎幺做的。这种方法速度太慢，已经无法适应快速发展的需求了。天才靠的是1%的灵感和99%的汗！--ThomasEdison爱迪生的汗水DOE的一般模式因子的来源考虑:因果图(鱼骨图),FMEA,柏拉图,头脑风暴法…每个因子存在不同的水平(level)观测值可能受到噪音的影响,DOE将通过不同的试验,以得到实际的X和Y的关系.<工程或系统的一般模型>DOE的意义1为什么需要试验设计1、优化设计的必要性提高产量；减少变异性，与额定值或

目标值更为一致；减少开发时间；减少总成本；DOE的意义2基本研究1、发现相关问题2、明了技术要点产品设计1、灵敏度分析2、建立可靠性的公差3、特征组件4、特征结构5、包括低成本组件6、包括低等级物料7、最小的变化8、性能的改善工艺研发1、变量研究2、变量的优化设置3、建立可靠公差4、发现降低成本的解决办法2、实验设计的作用工艺研发5、优化变化6、改善过程中心7、减少生产周期8、降低坏品率9、改善产品的可靠性工艺改善1、解决问题2、明了变量及过程之关系3、进行过程能力研究4、设备及方法比较计量1、进行测量系统研究2、判定误差的主要来源3、最小测量误差DOE的分类全因子实验2K

因子设计2K因子与中心点

随机化区组实验

部分因子实验设计响应曲面设计田口设计混料设计过程参数设计优化选择最佳的参数组合使产品对杂音最不敏感；应用直交表进行原因检测和平均值的处理；应用直交表使变异最小；最低成本田口试验是运用最多的好方法DOE常见术语1我们假定过程的结果当中，y1，y2，y3……是我们关心的输出变量，这些我们常常称之为响应（response）我们将影响响应的那些变量称为实验问题中的因子。其中x1,x2,x3是人们在实验中可以控制的因子，我们称为可控因子（controlledfactor）在影响过程和结果的因子中除了控制因子还包括一些不可控因子（uncontrolledfactor）：u1,u2……,他们通常包括环境、操作员、材料批次等，对于这些变量我们通常很难把它们控制在某个精确值上。不可控因子-噪音U响应Y可控因子X可控因子是影响过程最终结果（响应）的输入变量。DOE常见术语2响应（Response):实验输出的结果，即因变量，通常用“Y”表示。因子（Factor):影响实验输出结果的不同输入变量，即自变量，通常用“X”表示。水平（Level):实验中对因子的不同设定值。噪音（Noise):不可控制的因子/因素。分组（Blocking):也叫做模块化，将噪音的干扰最小化的方法。随机化（Randomization)：以一种随机的次序做试验。（消除噪音变量或随机误差的影响）编码（Code）:用简单的符号或数字来代替“X”的时间的水平的方法。通常把计量型

因子的高水平设定为“+1”，低水平设定为“-1”，中心水平设定为“0”。重复（Repetition):一种组合的反复，以得到相同水平的多个结果。也即在一个实验配置组

合条件下测试数个样品（揭示短期有效性）再现(Replication):

以随机的次序重复整个实验，而不是按同样的次序把实验再做一次。

（降低系统误差和随机误差）。也即在一个时间序列上重做整个实验（揭示长期有效性）主效果（MainEffect):对单个因子而言，从一个水平到另一个水平的变化对输出的平均影响交互作用（Interaction):即一个因子A对Y的影响的影响，依赖于因子B所处的水平。

则称A与B有交互作用。DOE常见术语3实验次数:多水平实验次数=K1*K2*K3…(K1,K2,K3为第K个因子的水平数）。

两水平实验次数=2K;三水平实验次数=3K。计量特性的种类（田口试验）望目特性：此特性具有一特定的目标值(愈近目标值愈好)，例如尺寸、换档压力、间隙、

粘度等。望小特性：目标的极端值是(值愈小愈好)，例如磨耗、收缩、劣化、杂音水准等望大特性：目标值为无限大(值愈大愈好)，例如强度、寿命、燃料效率等。附：品质特性可分为二类计量特性：能以连续尺度量测。如厚度、浓度、时间等。计数特性：不能以连续尺度量测，但能按不连续分级尺度分类。常依主观而判定，如

好、更好、最好、不合格、不合格品数等。DOE常见见术术语语4-正交交表表正交交表表（（直直交交表表））特特点点：：每一一列列都都是是自自我我平平衡衡，，即即每每一一列列中中各各水水准准出出现现的的频频率率相相同同。。每两两列列间间都都是是互互相相平平衡衡，，即即在在某某一一列列中中出出现现某某水水准准的的所所有有实实验验组组，，在在另另一一列列中中出出现现各各水水准准的的频频率率相相同同。。陈述述实实际际问问题题和和实实验验目目的的选择择““Y”—响应变量量陈述因子子和水平平选择DOE实施实验验及收集集数据分析实验验结果结论和计计划通过DOE想达到什么目的的?Y是什么？？计量型型？计数数型？如产出率率,作业时间间,清洁度等等如温度(100℃,150℃℃),重量(20,30,40kg)全因子实实验,田口设计计,2K因子实验验或响应应曲面设设计等收集实验验结果的的数据运用Minitab进行实验验数据分分析制定改善善方案DOE的处方必要时重重复实验验陈述问题题和实验验目的选择“Y”—响应变量量陈述因子子和水平平选择DOE实施实验验及收集集数据分析实验验结果结论和计计划首先要明明白实验验的目的的到底要要什么？？▶把握VitalFewX’s(少数关键键X）的影响响程度▶把握选定定的重要要X之间的交交互作用用▶建立X和Y的预测模模型▶决定Y最佳化的的X的条件:DOE处方-1.陈述实际际问题和和实验目目的选择响应应变量““Y”(特性值)▶响应变量量的定义义-改善的目目的是什什么?[目标值(平均)/散布水准准(标准偏差差)]-响应变量量随着时时间变吗吗?响应变量量是否具具备正态态分布?-希望能发发现出多多大的响响应变量量的变化化程度?-MSA（测量分分析系统统）是否否可靠?-希望得到到多个输输出响应应变量吗吗?▶计数型与与计量型型数据的的比较?计数型属属性数据据（合格格/不合格率率）的有有效性不不及计量量型数据据（连续测测量数据据），这这表明明需要大大量的数数据才能能得出数数据有效效的统计结论。。所以以尽量选选择计量量型数据据作为Y,以避免收收集大量量数据陈述问题题和实验验目的选择“Y”—响应变量量陈述因子子和水平平选择DOE实施实验验及收集集数据分析实验验结果结论和计计划DOE处方-2.选择“Y”响应变变量陈述问题题和实验验目的选择“Y”—响应变量量陈述因子子和水平平选择DOE实施实验验及收集集数据分析实验验结果结论和计计划DOE处方-3.陈述因子子和水平平决定因子子选择“X”因子，，尽量为为计量型型，可以以从以下下来：-因果图-头脑风暴暴法-流程图-专家意见见-供应商输输入-竞争性分分析-分析阶段段结果宁缺毋滥滥！▶处理噪音音变量（（不可控控因子））的方法法-利用随机机化-试图把噪噪音变量量维持为为常数的的方法-利用Block化-反复实验验陈述问题题和实验验目的选择”Y”——响应变量量陈述因子子和水平平选择DOE实施实验验及收集集数据分析实验验结果结论和计计划决定因子子的水平平▶按因子数数及影响响的特性性选择水水平数-因子多时时,用2水平-只有线形形影响时时,用2水平-估计有曲曲线影响响时,用3水平▶水平的范范围设定定:-选择“X”变量量，要有有足够的的范围以以体现差差异。-不可脱离离实现可可能性的的范围(但可以超超出当前前Process的范围)。-对计量性性数据的的输入变变量的水水平设定定,大体上要考虑当当前条件件的界限限。DOE处方-3.陈述因子子和水平平陈述问题题和实验验目的选择“Y”—响应变量量陈述因子子和水平平选择DOE实施实验验及收集集数据分析实验验结果结论和计计划考虑实验验的目的的和预算算等选择择DOEDOE处方-4.选择DOE当设计一一个实验验时，要要考虑如如下关键键因素…a)实验限制制条件b)实验设计计方法c)噪声变量量d)随机化和和分组e)重复和反反复f)样本容量量实验设计计的关键键因素(1)DOE处方-4.选择DOE4a)确定实验验限制条条件确定实验验可采用用方案数数与实验验次数的的限制条条件。实验限制制条件可可以是时时间，金金钱，人人力资源源，物质质限制等等。决定你将将做多少少次实验验。结合你的的实验目目的，选选择最佳佳实验设设计及你你可以采采用的最最多的实实验次数数。注意：1.不要在第第一次实实验中用用完你所所有的资资源…2.成功的DOE是一个反反复的过过程，不不是一次次实验就就能完成成的！实验设计计的关键键因素(2)DOE处方-4.选择DOE4b)设计实实验--确定实实验设设计方方法筛选实实验6以上部分因因子实实验4~10全因子子实验验1~5田口设设计2~13DOE种类因子数数量选别重重要因因子选别重重要因因子因子与与Y的关系系寻找因因子的的最佳条条件组组合目的区分主主效果果主效果果和部分交交互作作用所有主主效果果和交互作作用(线性效效果））设计或或工序序参数优优化作用低现在工序知知识状态高响应曲曲面实实验2~3设定因因子的的最佳条条件反应变变量的的预测模模型(曲线效效果））效果4c)噪声变变量噪声变变量会影响响实验验结果果，但但是我我们不不能控控制它它或选选择对对其不不进行行控制制。此此类变变量为为已知知或未未知。。范例：：-季节因因素，，温度度、湿湿度-设备-操作人人员-原材料料实验设设计的的关键键因素素(3)DOE处方-4.选择DOE通常可可以通通过分分组和和随机机化来来降低低噪声声变量量的影影响！！实验设设计的的关键键因素素(4)4d)分组（（Blocking)将数据据分成成类似似的几几组，，以将将噪声声或潜潜伏变变量的的影响响降到到最小小。实例：：在四把把枪（（A、B、C和D)及四个个战士士测试试枪好好不好好。AAAABBBBCCCCDDDDABCDBCDACDABDABC战士1战士2战士3战士4造成改改变的的原因因是枪枪还是是战士士？4d)随机化化（Randomizing)通过分分组方方法对对枪和和战士士进行行独立立测试试减少包包括噪噪声和和潜伏伏变量量在内内的其其他变变量的的影响响。随机化化：-运行顺顺序-测量顺顺序……DOE处方-4.选择DOE实验设设计的的关键键因素素(5)4e)重复（（Repetition)在不重重新设设置的的情况况下，，对每每次实实验运运行测测量多多个样样本。。如AABBCC-更好地地估计计短期变差再现（（Replication)完全重重新设设置整个实验，，以得得到相相同水水平的的多个个结果果。如ABCABC-更好地地估计计长期变差压力：：LLLLHHHH温度：：LLHHLLHH压力：：LLHHLLHH温度：：LHLHLHLHDOE处方-4.选择DOE实验设设计的的关键键因素素(6)DOE处方-4.选择DOE4f)确定样样本容容量因为观观测值值会有有变化化，我我们知知道不不能总总相信信测试试一个个样本本得出出的结结果。。考虑以以下因因素：：Y的标准准差（（σ），通通常通通过历历史数数据得得到。。实验结结果要要得到到的重重要的的差异异的大大小（（δ），δ=目标值-现在值确定适当样样本数量的的置信水平平（α，β）通常取α=0.05，β=0.10.成本（﹩﹩）测试大数量量样本可能能耗费较高的的资金和时时间成本。有时较大大量的样本本也不容易易（或不可能））收集。目标是以较较低成本测试足量的的样本，以使结果果拥有充分的置信信度。同时达到到两个目标并不总总是可能。。样本量的收收集几乎总总是在精确确度和成本本之间进行行权衡。通常经验做做法是实验验Replication的次数取2次以上。实施实验及及收集数据据▶确保进行实实验前应设设计好数据据记录表（（可以利用Minitab），以保证在设设计好的表表格内记录录所有数据据。▶在实验进行行过程中应应一直在场，因为你无无法预料会会发生什么么样的情况！！准备数据据收集计划划.▶保留实验样样本将会对对你有所帮帮助，如果果某一测量量值出现问问题，你可以重新新测量该样样本。▶训练数据收收集者.▶有必要可以以示范运营营.▶实施实验并并收集数据据.陈述问题和和实验目的的选择“Y”—响应变量陈述因子和和水平选择DOE实施实验及及收集数据据分析实验结结果结论和计划划DOE处方-5.实施实验及及收集数据据陈述问题和和实验目的的选择“Y”—响应变量陈述因子和和水平选择DOE实施实验及及收集数据据分析实验结结果结论和计划划DOE处方-6.分析实验结结果6a.为整个模型型建立方差差分析表●●统计>DOE>因子>分析因子设设计…6b.简化模型（（去除不显显著的项或或平方和影影响低的项项）3.进行残值诊诊断，保证证模型适合合●统计>回归>回归…4.研究显著的的交互作用用（P-值<0.05)-首先从高阶阶入手●统计>DOE>因子>因子图…●统计>方差分析>交互作用图图…5.研究显著的的主效果（（P-值<0.05)●统计>DOE>因子>因子图…●统计>方差分析>交互作用图图…6.陈述获得的的数学模型型Y=f(X),计算%SS的影响和评评估实际的的重要性DOE处方-6.分析实验结结果进行残差诊诊断，保证模型适适合四合一图的的判断方法法：1)正态概率图图：观察残差差的正态性检验验图：是否符符合正态分分布.2)残差与拟合值图：观察残差对对于以各自变量为横轴的散散点图：是是否有弯曲曲趋势。3)直方图：观察残差差对于以响应变量拟拟合预测值值为横轴的散散点图：等等方差性，，即是否有“漏斗型”或“喇叭型”。4)残差与顺序图：观察残差差对于以观测值顺序为横轴轴的散点图图：是否随随机波动。。需回答的问问题：▶Y是否存在改改善迹象？？▶实验结果是是否具有统统计显著性性？▶实验结果是是否具有实际显著性？▶我们是否需需要运行附附加实验？？▶重新验证实实验，实验验结果能够够再现吗？？▶以后应该如如何应用实实验结果控控制该工程程？总结与计划划：▶利用所有已已知的情报报解释实验验结果▶设定对输出出变量的预预测模型并并决定最佳佳因子水平平▶追加实验确确认结论(再现性实验验)▶没有得到较较好的结果果应制定对对策(必要的话实实施追加实实验)▶将模型转换换为真实的的流程设置置，下结论论▶对结论和改改善方案制制作成报告告书▶提议复制最最佳状态，，计划下一一步实验并并将变化制制度化。结论和计划划陈述问题和和实验目的的选择”Y”—响应变量陈述因子和和水平选择DOE实施实验及及收集数据据分析实验结结果DOE处方-7.结论和计划划DOE方法演示--热处理实例例一名工程师师想要了解解合金钢硬硬度随着热热处理工艺艺变化的变变化。他设计了一一个实验，，用两种不不同的温度(低和高)，两个时间(短和长)，来自两个不同制制造商的炉子。但但他只有足够做做一次复制制实验的资源。步骤1:陈述实际问问题该工程程师想要了了解合金钢钢的硬度。。步骤2:选择择”Y””——响应应变变量量合合金金钢钢的的硬硬度度HRC步骤骤3:陈述述重重要要的的因因子子和和水水平平温温度度:1&2；时时间间:1&2；炉炉子子:A&BDOE方法法演演示示--热处处理理实实例例步步骤骤4：设设计计实实验验选择择样样本本尺尺寸寸已已知知:重复复一一次次(有多多少少种种实实验验组组合合?)DOE方法法演演示示-热处处理理实实例例步步骤骤4：设设计计实实验验（续续））DOE方法法演演示示-热处处理理实实例例步步骤骤4：设设计计实实验验（续续））DOE方法法演演示示-热处处理理实实例例步步骤骤4：设设计计实实验验（续续））数据据附附在在本本培培训训资资料料的的文文件件夹夹目目录录下下（根据据上上表表安安排排8组实实验验）DOE方法法演演示示-热处处理理实实例例步骤骤6：分析析实实验验结结果果（先先打打开开Minitab软件件，，从从文件件\打开开工工作作表表\...打开开））6a.为整整个个模模型型建建立立方方差差分分析析表表DOE方法法演演示示-热处处理理实实例例步骤骤6：分析析实实验验结结果果（续续））6a.为整整个个模模型型建建立立方方差差分分析析表表DOE方法法演演示示-热处处理理实实例例步骤骤6：分析析实实验验结结果果（续续））6a.为整整个个模模型型建建立立方方差差分分析析表表DOE方法法演演示示-热处处理理实实例例步骤骤6：分析析实实验验结结果果（续续）6a.为整整个个模模型型建建立立方方差差分分析析表表DOE方法法演演示示-热处处理理实实例例步骤骤6：分析析实实验验结结果果（续续））6a.为整整个个模模型型建建立立方方差差分分析析表表DOE方法法演演示示-热处处理理实实例例步骤骤6：分析析实实验验结结果果（续续））6b.用简简化化模模型型重重新新分分析析实实验验(去除除不不显显著著的的项项或或平平方方和和影影响响低低的的项项））DOE方法法演演示示-热处处理理实实