DOE培训资料专业知识讲座

DOE（试验设计）与Minitab培训Roc.Luo2023.01.26第1页课程目录有关DOE与定义DOE一般模式DOE意义DOE分类DOE常见术语DOE处方DOE办法演示1.陈说问题和试验目标2.选择“Y”-响应变量3.陈说因子和水平4.选择DOE5.实行试验及收据数据6.分析试验成果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试验6c.进行残值诊断，确保模型适合

●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.取得数学模型Y=f(X),计算%SS影响和评定实际主要性DOE关键原因a)确定试验限制条件b)设计试验--确定试验设计办法●统计>DOE>因子>创建因子设计…c)噪声变量d)分组与随机化e)反复与再现f)确定样本容量第2页DOE:即试验设计(DesignofExperimental)--是对试验方案进行优化设计、以减少试验误差和生产费用，减少试验工作量并对试验成果进行科学分析一种科学研究办法；是一种藉用试验伎俩来决定最佳设计或生产办法。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先导。MINITAB被许多世界一流公司与四千多所院校所采取。有关DOE与定义爱迪生助手尼古拉.特勒撒说：“我非常同情他工作情况，假如有一点点理论和计算能帮助他话，就将节省他90%精力。”爱迪生是靠苦干拼出来，他是在边试验边分析后确定下次试验该怎幺做。这种办法速度太慢，已经无法适应迅速发展需求了。天才靠是1%灵感和99%汗！--ThomasEdison爱迪生汗水第3页DOE一般模式因子起源考虑:因果图(鱼骨图),FMEA,柏拉图,头脑风暴法…每个因子存在不一样水平(level)观测值也许受到噪音影响,DOE将通过不一样试验,以得到实际X和Y关系.<工程或系统一般模型>第4页DOE意义1为何需要试验设计1、优化设计必要性提升产量；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；第5页DOE意义2基本研究1、发觉有关问题2、明了技术重点产品设计1、敏捷度分析2、建立可靠性公差3、特性组件4、特性构造5、包括低成本组件6、包括低等级物料7、最小变化8、性能改善工艺研发1、变量研究2、变量优化设置3、建立可靠公差4、发觉减少成本处理措施2、试验设计作用工艺研发5、优化变化6、改善过程中心7、减少生产周期8、减少坏品率9、改善产品可靠性工艺改善1、处理问题2、明了变量及过程之关系3、进行过程能力研究4、设备及措施比较计量1、进行测量系统研究2、判定误差主要起源3、最小测量误差第6页DOE分类全因子试验2K

因子设计2K因子与中心点

随机化区组试验部分因子试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处理；应用直交表使变异最小；最低成本田口试验是利用最多好办法第7页DOE常见术语1我们假定过程成果当中，y1，y2，y3……是我们关怀输出变量，这些我们经常称之为响应（response）我们将影响响应那些变量称为试验问题中因子。其中x1,x2,x3是人们在试验中能够控制因子，我们称为可控因子（controlledfactor）在影响过程和成果因子中除了控制因子还包括某些不可控因子（uncontrolledfactor）：u1,u2……,他们一般包括环境、操作员、材料批次等，对于这些变量我们一般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后成果（响应）输入变量。第8页DOE常见术语2响应（Response):试验输出成果，即因变量，一般用“Y”表达。因子（Factor):影响试验输出成果不一样输入变量，即自变量，一般用“X”表达。水平（Level):试验中对因子不一样设定值。噪音（Noise):不可控制因子/原因。分组（Blocking):也叫做模块化，将噪音干扰最小化办法。随机化（Randomization)：以一种随机次序做试验。（消除噪音变量或随机误差影响）编码（Code）:用简单符号或数字来替代“X”时间水平办法。一般把计量型

因子高水平设定为“+1”，低水平设定为“-1”，中心水平设定为“0”。反复（Repetition):一种组合反复，以得到相同水平多种成果。也即在一种试验配备组

合条件下测试数个样品（揭示短期有效性）再现(Replication):

以随机次序反复整个试验，而不是按同样次序把试验再做一次。

（减少系统误差和随机误差）。也即在一种时间序列上重做整个试验（揭示长期有效性）主效果（MainEffect):对单个因子而言，从一种水平到另一种水平变化对输出平均影响交互作用（Interaction):即一种因子A对Y影响影响，依赖于因子B所处水平。

则称A与B有交互作用。第9页DOE常见术语3试验次数:多水平试验次数=K1*K2*K3…(K1,K2,K3为第K个因子水平数）。

两水平试验次数=2K;三水平试验次数=3K。计量特性种类（田口试验）望目特性：此特性具有一特定目标值(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、更加好、最佳、不合格、不合格品数等。第10页DOE常见术语4-正交表正交表（直交表）特点：每一列都是自我平衡，即每一列中各水准出现频率相同。每两列间都是互相平衡，即在某一列中出现某水准所有试验组，在另一列中出现各水准频率相同。第11页陈述实际问题和实验目选择“Y”—响应变量陈说因子和水平选择DOE实行试验及搜集数据分析试验成果结论和计划通过DOE想达到什么目?Y是什么？计量型？计数型？如产出率,作业时间,清洁度等

如温度(100℃,150℃),重量(20,30,40kg)全因子试验,田口设计,2K因子试验或响应曲面设计等

搜集试验成果数据

利用Minitab进行试验数据分析制定改善方案

DOE处方必要时反复试验第12页陈述问题和实验目选择“Y”—响应变量陈说因子和水平选择DOE实行试验及搜集数据分析试验成果结论和计划

首先要明白试验目标究竟要什么？

▶把握VitalFewX’s(少数关键X）影响程度

▶把握选定主要X之间交互作用

▶建立X和Y预测模型▶决定Y最佳化X条件:DOE处方-1.陈述实际问题和实验目第13页选择响应变量“Y”(特性值)

▶响应变量定义

-改善目标是什么?[目标值(平均)/散布水准(标准偏差)]-响应变量伴随时间变吗?响应变量是否具有正态分布?-希望能发觉出多大响应变量变化程度?-MSA（测量分析系统）是否可靠?-希望得到多种输出响应变量吗?

▶计数型与计量型数据比较?

计数型属性数据（合格/不合格率）有效性不及计量型数据（连续测量数据），这表白需要大量数据才能得出数据有效统计结论。所以尽可能选择计量型数据作为Y,以避免搜集大量数据

陈述问题和实验目选择“Y”—响应变量陈说因子和水平选择DOE实行试验及搜集数据分析试验成果结论和计划DOE处方-2.选择“Y”响应变量第14页陈述问题和实验目选择“Y”—响应变量陈说因子和水平选择DOE实行试验及搜集数据分析试验成果结论和计划DOE处方-3.陈说因子和水平

决定因子选择“X”因子，尽可能为计量型，能够从下列来

：

-因果图-头脑风暴法

-流程图-专家意见

-供应商输入-竞争性分析-分析阶段成果

宁缺毋滥！

▶处理噪音变量（不可控因子）办法

-利用随机化

-试图把噪音变量维持为常数办法

-利用Block化

-反复试验

第15页陈述问题和实验目选择”Y”—响应变量陈说因子和水平选择DOE实行试验及搜集数据分析试验成果结论和计划

决定因子水平

▶按因子数及影响特性选择水平数

-因子多时,用2水平

-只有线形影响时,用2水平

-估计有曲线影响时,用3水平

▶水平范围设定:

-选择“X”变量，要有足够范围以体现差异。-不可脱离实现也许性范围(但能够超出目前

Process范围)。

-对计量性数据输入变量水平设定,大体上要考虑目前条件界限。DOE处方-3.陈说因子和水平第16页陈述问题和实验目选择“Y”

—响应变量陈说因子和水平选择DOE实行试验及搜集数据分析试验成果结论和计划考虑试验目标和预算等选择DOEDOE处方-4.选择DOE当设计一种试验时，要考虑如下关键原因…a)试验限制条件b)试验设计办法c)噪声变量d)随机化和分组e)反复和反复f)样本容量第17页试验设计关键原因(1)DOE处方-4.选择DOE4a)确定试验限制条件确定试验可采取方案数与试验次数限制条件。试验限制条件能够是时间，金钱，人力资源，物质限制等。决定你将做多少次试验。结合你试验目标，选择最佳试验设计及你能够采取最多试验次数。注意：1.不要在第一次试验中用完你所有资源…2.成功DOE是一种反复过程，不是一次试验就能完成！第18页试验设计关键原因(2)DOE处方-4.选择DOE4b)设计试验--确定试验设计办法筛选试验6以上部分因子试验4~10全因子试验1~5田口设计2~13DOE种类因子数量选别主要因子选别主要因子因子与Y关系寻找因子最佳条件组合目辨别主效果主效果和部分交互作用所有主效果和交互作用(线性效果）设计或工序参数优化作用低目前工序知识状态高响应曲面试验2~3设定因子最佳条件反应变量预测模型(曲线效果）效果第19页4c)噪声变量

噪声变量会影响试验成果，不过我们不能控制它或选择对其不进行控制。此类变量为已知或未知。范例：-季节原因，温度、湿度-设备-操作人员-原材料试验设计关键原因(3)DOE处方-4.选择DOE一般能够通过度组和随机化来减少噪声变量影响！第20页试验设计关键原因(4)4d)分组（Blocking)

将数据提成类似几组，以将噪声或潜伏变量影响降到最小。实例：在四把枪（A、B、C和D)及四个战士测试枪好不好。AAAABBBBCCCCDDDDABCDBCDACDABDABC战士1战士2战士3战士4造成变化原因是枪还是战士？4d)随机化（Randomizing)通过度组办法对枪和战士进行独立测试减少包括噪声和潜伏变量在内其他变量影响。随机化：-运行次序-测量次序……DOE处方-4.选择DOE第21页试验设计关键原因(5)4e)反复（Repetition)在不重新设置情况下，对每次试验运行测量多种样本。如AABBCC-更加好地估计短期变差再现（Replication)完全重新设置整个试验，以得到相同水平多种成果。如ABCABC-更加好地估计长期变差压力：LLLLHHHH温度：LLHHLLHH压力：LLHHLLHH温度：LHLHLHLHDOE处方-4.选择DOE第22页试验设计关键原因(6)DOE处方-4.选择DOE4f)确定样本容量由于观测值会有变化，我们懂得不能总相信测试一种样本得出成果。考虑下列原因：Y标准差（σ），一般通过历史数据得到。试验成果要得到主要差异大小（δ），δ=目标值-目前值确定合适样本数量置信水平（α，β）一般取α=0.05，β=0.10.成本（﹩）测试大数量样本也许花费较高资金和时间成本。有时较大量样本也不容易（

或不也许）搜集。目标是以较低成本测试足量样本，以使成果拥有充足置信度。同步达成两个

目标并不总是也许。样本量搜集几乎总是在精确度和成本之间进行权衡。一般经验做法是试验Replication次数取2次以上。第23页实行试验及搜集数据

▶确保进行试验前应设计好数据统计表（能够利用Minitab），

以确保在设计好表格内统计所有数据。▶在试验进行过程中应始终在场，由于你无法预料会发生什么

样情况！准备数据搜集计划.▶保存试验样本将会对你有所帮助，假如某一测量值出现问题，

你能够重新测量该样本。

▶训练数据搜集者.▶有必要能够示范运行.▶实行试验并搜集数据.陈述问题和实验目选择“Y”—响应变量陈说因子和水平选择DOE实行试验及搜集数据分析试验成果结论和计划DOE处方-5.实行试验及搜集数据第24页陈述问题和实验目选择“Y”—响应变量陈说因子和水平选择DOE实行试验及搜集数据分析试验成果结论和计划DOE处方-6.分析试验成果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.简化模型（清除不显著项或平方和影响低项）3.进行残值诊断，确保模型适合●统计>回归>回归…4.研究显著交互作用（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…5.研究显著主效果（P-值<0.05)

●统计>DOE>因子>因子图…

●统计>方差分析>交互作用图…6.陈说取得数学模型Y=f(X),计算%SS影响和评定实际主要性第25页DOE处方-6.分析试验成果进行残差诊断，确保模型适合四合一图判断办法：1)正态概率图：观测残差正态性检查图：是否符合正态分布.2)残差与拟合值图：观测残差对于以各自变量为横轴散点图：是否有弯曲趋势。3)直方图：观测残差对于以响应变量拟合预测值为横轴散点图：等方差性，即是否

有“漏斗型”或“喇叭型”。4)残差与次序图：观测残差对于以观测值次序为横轴散点图：是否随机波动。第26页需回答问题：▶Y是否存在改善迹象？▶实验结果是否具有统计显著性？▶实验结果是否具有实际显著性？▶我们是否需要运行附加实验？▶重新验证明验，实验结果能够再现吗？▶以后应当如何应用实验结果控制该工程？总结与计划：▶利用所有已知情报解释实验结果▶设定对输出变量预测模型并决定最佳因子水平▶追加实验确认结论(再现性实验)▶没有得到较好结果应制定对策(必要话实行追加实验)▶将模型转换为真实流程设置，下结论▶对结论和改善方案制作成报告书▶提议复制最佳状态，计划下一步实验并将变化制度化。结论和计划陈述问题和实验目选择”Y”—响应变量陈说因子和水平选择DOE实行试验及搜集数据分析试验成果DOE处方-7.结论和计划第27页DOE办法演示--热处理实例

一名工程师想要理解合金钢硬度伴随热处理工艺变化变化。他设计了一种试验，用两种不一样温度(低和高)，两个时间(短和长)，来自两个不一样制造商炉子。但他只有足够做一次复制试验资源。

步骤1:陈说实际问题该工程师想要理解合金钢硬度。

步骤2:选择”Y”—响应变量合金钢硬度HRC

步骤3:陈说主要因子和水平温度:1&2；时间:1&2；炉子:A&B第28页DOE办法演示--热处理实例步骤4：设计试验选择样本尺寸已知:反复一次(有多少种试验组合?)第29页DOE办法演示-热处理实例步骤4：设计试验（续）第30页DOE办法演示-热处理实例步骤4：设计试验（续）第31页DOE办法演示-热处理实例步骤4：设计试验（续）数据附在本培训资料文献夹目录下（根据上表安排8组试验）第32页DOE办法演示-热处理实例步骤6：分析试验成果（先打开Minitab软件，从文献\打开工作表\...打开）6a.为整个模型建立方差分析表第33页DOE办法演示-热处理实例步骤6：分析试验成果（续）6a.为整个模型建立方差分析表第34页DOE办法演示-热处理实例步骤6：分析试验成果（续）6a.为整个模型建立方差分析表第35页DOE办法演示-热处理实例步骤6