实验设计简介

实验设计简介Thepurposeofanexperimentistobetterunderstandtherealworld,nottounderstandtheexperimentaldata进行一个实验的目的是为了更好的了解真实的世界，而不是了解实验数据。WilliamDiamondIBM-RetiredStatisticianIBM-已退休的统计员LearningObjectives

学习目的Uponcompletionofthischapter,theparticipantswillbeableto结束对本章的学习后，学员将能够ExplainwhatDOEis. 解释什么是DOE.UnderstandwhyuseExperimentDesign 理解为什么使用DOEExplainsometerminologyofDOE. 解释一些DOE的术语LearningObjectives

学习目的

DescribestepsofDOE

描述DOE的基本步骤DescribethebarrierstoeffectiveDOE

描述有效实验设计的一些阻碍UnderstandtheLimitationofOFAT

了解OFAT实验设计的局限性.WhatisDesignofExperiments(DOE)

什么是实验设计DOEconsistsofpurposefulchangesofinputvariables(Factors)toaprocess(oractivity)inordertoobservethecorrespondingchangesintheoutputvariables(Responses).试验设计通过有目的地改变一个过程(或活动)的输入变量(因子)，以观察输出变量(响应量)的相应变化.Itisascientificapproachwhichallowstheresearchertogainknowledgeinordertobetterunderstandaprocessandtodeterminehowtheinputs(factors)affecttheoutput,orresponse(s).它是一种科学的方法，使研究者更好地了解一个过程并确定输入(因子)是如何影响输出(响应量)。WhatisDesignofExperiments(DOE)

什么是实验设计Product产品Or或者Process过程Factors因子(controlledvariables可控制的变量)X1X2:XnResponse响应变量(measuredoutcome可测量的输出)YNoise噪音(uncontrolledvariables非可控制变量)

~NID(0,²)^Y=Y+

^WhyUseDOE.

为什么使用试验设计Itisthemosteffectivemethodforidentifyingthekeyinputvariables(Factors).

试验设计是识别关键输入因子的最有效方法。Itisthemostefficientwaytogainanunderstandingoftherelationshipbetweentheinputfactorsandresponse(s).

试验设计是帮助我们了解输入因子和响应变量关系的最高效途径.Itisamethodforbuildamathematicalmodelrelatingtheresponsetotheinputfactors.

试验设计是建立响应变量与输入因子之间的数学关系模型的方法.WhyUseDOE.

为什么使用试验设计Itisameansofdeterminingthesettingsoftheinputfactorswhichoptimizetheresponseandminimizecosts.

试验设计是确定优化输出并减少成本的输入设定值的途径.Itisascientificmethodforsettingtolerance.

试验设计是设定公差的科学方法.BenefitofDOE

实验设计的益处ThebenefitsofDOEare：实验设计的益处如下 a)Processperformanceimprovement 改善过程绩效水平。 b)Costsreduction 降低成本. c)Shorteningproductdevelopmentandproductiontime. 缩短产品开发时间和生产时间.BasicTerminology

基本术语Response响应变量ameasurableoutcomeofinterest,e.g.yield,strength,etc所关注的可测量的输出结果，如良率、强度等。Factors因子controllablevariablesthataredeliberatelymanipulatedtodeterminetheirindividualandjointeffectsontheresponse(s),e.g.temperature,time,etc可控的变量，通过有意的变动，可确定其对响应变量的影响，如温度、时间等。BasicTerminology

基本术语Level水平avalueorsettingofafactor,因子的取值或设定，如： e.g.Level1fortime=2hr Level2fortime=3hr 举例：时间因子的水平1＝2小时 时间因子的水平2＝3小时BasicTerminology

基本术语Treatment处理（组合）asetofspecifiedfactorlevelsforanexperimentalrun某次实验的整套因子e.g.Treatment1:time=2hrandtemperature=175°C Treatment2:time=3hrandtemperature=225°C举例：处理1：时间＝2小时，温度＝175℃ 处理2：时间＝3小时，温度＝225℃BasicTerminology

基本术语Repetition 重复meansthatallofthedataforatestcombinationiscollectedwithoutresettingtherun.重复指在不重新组合实验设定的情况下，连续进行实验并收集数据。Replication 复制meansthateachdatavalueiscollectedafterresettingthetestcombination.复制意谓每个数据值在重新设定测试组合之后收集。BasicTerminology

基本术语Randomization 随机化Referstosequenceinwhicheveryrunhasanequalchanceofbeingselectedforaparticularposition适当安排实验次序，使每个实施被选出的机会都相等StepsofDOE

实验设计步骤I.Statementoftheproblem陈述问题II.SettheobjectiveoftheDOE 设立目标III.Determinetheoutputresponse(s) 确定输出变量（尽量用计量型数据）IV.Identifyinputfactors(controlfactorsandnoisefactors) 识别输入因子(可控因子/噪声因子)Selectthelevelsforeachfactors

选定每个因子的水平.—改善阶段开始（一般I阶段开始DOE）VI.SelectthetypeofDOE选择实验设计类型—用MINTABVII.Planandpreparetheresourceforconductingtheexperiments 计划并为实施实验做准备.VIII.Conducttheexperimentsandrecordthedata 实施实验并记录数据.IX.Analyzethedataanddrawconclusion. 分析数据并得出结论.--用MINTABRunconfirmatoryexperiments,ifnecessary.

必要时进行确认实验.StepsofDOE

实验设计步骤StepIII:DeterminetheResponse(s)

步骤三:确定响应变量Usecontinuousresponseswheneverpossible

尽量使用连续数据作输出变量. -Continuousdataprovidemoreinformation

连续数据提供更多的信息. -Attributedataneedslargersamplesize

计数型数据需要大样本量.Useresponsewhichcanbemeasuredprecisely,accurately,andwithstability.

尽量使用可精确，稳定测量的输出变量.StepIV:IdentifyInputFactors

步骤四:识别输入因子Generally,inputfactorscanbeidentifiedthrough:通常可通过以下工具识别输入因子: -Fishbonediagram 鱼骨图 -C&Ematrix 因果矩阵 -FMEA 潜在失效模式及效果分析

ControlFactorsvs.NoiseFactors

可控因子与噪声因子

Controllable(Control)factorsarefactorsforwhichwecansetandmaintainadesiredlevelduringaprocess’normaloperation.

可控(控制)因子是我们在工序的正常操作时能设定并且维持在期望水平的因子。

Noisefactorsarefactorsthatvaryduringnormaloperation,andwecannotcontrolthem.Or,weprefernottocontrolthembecausedoingsowouldbeveryexpensive。

噪音因子是在正常的操作期间变化的因子，而且我们不能够控制他们；或者我们宁愿不控制他们，因为这麽做会很昂贵。StepV:SelectLevelsforEachFactor

步骤五:选择输入因子的水平Levelscanbeeitherquantitativeorqualitative.因子水平可以是定量的，也可是定性的.Quantitativeexample-定量举例 Temperatureat100Cvs.120C温度：100℃和120℃ Pressureat20psivs.25psi压力：20psi和25psi Rotationat3000RPMvs.3500RPM 旋转度：3000RPMvs.3500RPMQualitativeexample-定性举例 MachineAvs.MachineB 机器A和机器B ShiftA,B,C 曲线A、B、C Materialtype:Newvsold 材料类型：新和旧StepV:Selectlevelsforeachfactor

步骤五:选择输入因子的水平LevelsareselectedbasedonDOEobjective.因子水平的选择是基于实验目的.Objective#1:Determinevitalfewinputsfromalargenumber ofvariables(Screening)目标1:

从大量的变量中确定出重要的少数输入因子（筛选）Set“Bold”levelsatextremesofcurrentcapabilities

将当前能力的极限值设定为“大胆”水准StepV:Selectlevelsforeachfactor

步骤五:选择输入因子的水平

Objective#2:Tounderstandfactorrelationshipsand interactions目标#2:

了解因素关系及交互作用Oncecriticalinputsareidentified,reducedspacingofthelevelsisusedtoidentifyinteractionsamongInputs

一旦确定重要的输入因子，通过减小水平间距来确定输入因子间的交互作用Objective#3:Toidentifytheoperatingwindowofasetof

inputvariables(ProcessOptimization)目标#3:

确定一组输入变量的操作窗口（过程最优化）Closesettingsareagainused

水平设定进一步接近StepVI:SelectthetypeofDOE

步骤六:选择DOE类型

CommonTypes实验的常用类型Objectives

目的TypicalNumberofControllableFactors可控因子的多少FullFactorial全因子实验法Tofindthefactorlevelsthatprovidethebestresults.

发现提供最好结果的因子和水平Tobuildamathmodel(evaluatesallinteractions)

建立数学模型(可评价所有交互作用)4orfewer4或更少FractionalFactorial部分因子法Tofindthefactorlevelsthatprovidethebestresults

发现提供最好结果的因子和水平Tobuildamathmodel(evaluatessomeinteractions)

建立数学模型(评价部分交互作用)5ormore5个或更多StepVI:SelectthetypeofDOE

步骤六:选择DOE类型

CommonTypes实验的常用类型Objectives

目的TypicalNumberofControllableFactors可控因子的多少Screening筛选法Totestalargenumberoffactorstofindthevitalfew.

通过测试大量的因子来发现关键的因子(evaluatesnointeractions)

(不评价交互作用)7ormore7个或更多CentralCompositeDesign(CCD),orBox-Behnken中心合成法或Box-BehnkenOptimization最优化Tobuildamathmodelwhen

non-lineareffectsarepresent

(ResponseSurfaceMethodology

isoftenused)

当存在非线性影响时建立数学模型（经常使用响应曲面方法）3ormore3或更多StepVII:Planconductingtheexperiment

步骤七:实施实验的计划Planningforconductingtheexperimentsshouldaddressthefollowingquestions:实施实验的计划应解决以下问题:Whatwillitcost? 费用如何？Havewetalkedtointernalcustomersaboutthis? 我们已经与内部客户讨论过吗？Howlongwillittake? 需要多长时间？StepVII:Planconductingtheexperiment

步骤七:实施实验的计划Isapilotrunnecessary?

有必要做试运行吗？Doweneedaproposalandpermission?

我们需要提案及许可吗？Whowillruntheexperiment?

谁来进行实验？StepVIII&IX:Conductexperiments,Obtaindataandanalyzedata 步骤八和九:实施实验,获取数据并分析数据Obtainthedata 获取数据-Validatethedatacollectionanddatavalues 确认数据收集与数据值-Validatethatspecialconditionsdidnotinfluence 确认特别情况不会产生影响AnalyzethedatausingMinitab 用Minitab分析数据 Wewillcoverthisinlatermodules.我们将在接下来的课程里讲解.BarrierstoEffectiveDOE

实施实验的阻碍Problemnotclear 问题不清Objectivesnotclear 目标不明Inadequatebrainstorming 集体讨论不充分Resultsoftheexperimentunclear 实验结果不清DOEistoocostly 实验设计费用过高DOEistootimeconsuming 实验设计耗时过长Lackof