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1DOE及Minitab初级知識介绍上(基础概念）DOE2內容提要•DOE術語概念•實驗計劃表•交互作用及极差分析•实验设计类别和用途概述•如何達成成功試驗DOE3什么是實驗設計(DOE)•实验设计方法是一种同时研究多个输入因素对输出的影响，确定影响结果的关键因素及其最有利于结果的取值方法。•试验设计是对实验方案进行优化设计，以降低试验误差和生产费用，减少试验工作量并对结果分析的一种科学方法DOE4試驗設計目的•评估显著因子最佳设置改变响应均值•评估显著因子最佳设置降低响应变异•评估最佳显著因子设置减少噪声因子对因变量的影响•评估影响指标显著因子DOE5OneFactorAtATime•最通用的传统模式•允许每个因素的两个水平对比优点：•便于操作和分析•逻辑性缺点：•不能代表真实的条件•不知道结果是否显著的•不知道结果是否因其它因子水平变化•变异的存在引起结论的误导RunFactorsNumberABCDEFGResponse123456781112222211112222111112221111112211111112123456781222222211222222DOE6DOE应用范畴•OFFLINE–技術開發–產品設計–製程設計–系統選擇–參數設計﹝決定參數之中心值﹞–允差設計﹝決定參數之公差﹞•ONLINE–生產製造DOE7技術累積的要件•建立技術（製程）評估指標–建立產品（製程）的初期管制圖及Cp&Cpk，作為判斷技術（製程）穩定程度的指標•正確易懂的操作手冊–藉由QC工程表，建立製造過程中確保品質的基本保證。其中兩大重點為作業標準書及製程用管制圖。•技術的正確性–確實可行的配方、製程條件，不單只是滿足特定要求（需求）的生產條件，而應該是它的趨勢圖，以便日後進行局部修正（規格改變）的依據。–對誤差（不可控制原因）的抵抗程度，因為誤差是被用來評估技術穩定度。因此了解其對誤差的抵抗程度將有助於日後新技術的開發。DOE8要因FACTOR•要因：會影響特性值的要因(配方)。•控制要因：可由設計者或主事者變更之要因，用以得到最安定(最佳)之產品輸出值(特性值)。例如:製程條件、構成元件等。•誤差要因：不可由設計者或主事者變更之要因，或者變更時所需成本相當高。例如；環境溫度對於產品的影響等。它適用來評估設計者找出的配方能否接受考驗的重要要因。•信號要因：和特性值有一已知之函數關係，此要因只存在於多重目標特性中，藉由改變此一要因達成不同目的特性的需求。如前例中的三原色的添加量即為信號要因。DOE9水準LEVEL和水準值•水準乃是該要因在能夠被設定之可能範圍內，取得數個不同之設定值，此時稱該要因具有數個水準。而該設定值稱水準值。•常用之水準為–2水準：一般用於非連續之要因。–3水準：一般用於連續之要因。•例如：塗佈時Temp為控制要因(令為Ａ)，其可能之加工範圍為280~330時，常將其取成3水準，其代號及水準值分別如下Ａ1＝280，Ａ2＝300，Ａ3＝330•注意：當Ａ為連續性要因，其個水準之間隔要大於6倍標準差DOE10水平设置DOE11特性值Output•望目值•望小值•望大值輸出變量目标分类合适輸出變量•計量型數據•測量與過程功能目標相關的量•定性指標量化•多考核指標的公式評分法.輸出變量数值形式分类•计数值•计量值•多特性DOE12特性值Output•以數值形式作分類：–計數值：量測數值不為連續量，一般用“個”代表。-單純計數值：將一個特性區分為良品或不良品，常用在外觀等，例如：不良個數、故障台數....-多重計數值：將一個特性區分為優、良、中、可、劣，例如：外觀可分為好、有一些瑕疵、有很多瑕疵。–計量值：量測數值為連續量。訂定規格時常用它。-單一目標之特性。Ex:某一規定的尺寸或電壓或顏色....-多重目標之特性，依據不同的需求，只要改變某一要因即可達成不同產品。Ex:經由三原色加入量的不同即可做出不同的顏色，此時對顏色而言是有無限多的目標。–至於單一特性或者多個特性只在於最後找出最佳組合時會有影響，因此留在最適條件選取時再談DOE13正交实验表•正交实验表Ln(ji)L为正交实验表代号n为正交实验表次数N=jij为正交实验的水平数i为正交实验的因素数1.正气可比性2.均衡分散性DOE14实验方案选择流程DOE15实验设计一般步骤•确定目前过程能力•确立试验目标•确立输出特性•确立可控因素和噪声因素•确立个因素水平数和水平值•选择实验表•验证测量系统•实验资源准备•进行实验•测量实验单元•分析数据表示主要影响因素•确认最佳因素水平组合•优化组合因素和水平值的重复实验验证•标准化作业并进行应有控制•重新评估过程能力嫩里DOE16实验设计计划表•建立实验目标•列出相关关键特性•确定可影响输出特性的可控因素•确定可影响输出特性的噪声因素DOE17实验计划表DOE18可控因子表DOE19噪声因子表DOE20試驗結果手動分析•交互影響•极差分析DOE21•用以下2個因素A,B,其分別可以設定為Low,High。假使會有以下情形則稱為沒有交互作用，亦即2者相互獨立。ABData-1LowLow3LowHigh4HighLow5HighHigh6B-LowB-HighA-Low34A-high56A-LowA-HighB-LowB-High交互作用1DOE22•假使會有以下两条线不平行的情形則稱為具有交互作用，亦即2者相互依存。A-LowA-HighB-LowB-HighABData-2LowLow3LowHigh5HighLow6HighHigh4B-LowB-HighA-Low35A-high64交互作用2DOE23交互作用重点•用已研究2變數間依存程度之大小。一般變數皆會有依定程度之依存，因此可藉由它來判斷其大小。•如果不知交互作用之大小，而給予錯誤假設，則可能造成實驗失敗。•研究交互作用將使得實驗規模無法減少，亦即實驗次數將為：變數要因^變數個數(Ex:2^2=4)•有時為權衡2者，因此採用部份研究交互作用的方式，亦即不研究高次項的交互作用。DOE24极差分析•反映各因素对指标的贡献度•R=K1-K2DOE25实验类别和用途概述•研究目标•因素和水平数•试验次数(成本)根据不同目标和因素数,实验设计可分为下表6个中类:实验类别目标可控因素数1.全因子实验(所有因素和水平的组合)1.寻找最有利于输出的因数水平.2.建立可评估所有交互影响的数学模型4因素以内DOE26实验类别目标可控因素数1.全因子实验(所有因素和水平的组合)1.寻找最有利于输出的因子水平.2.建立可评估所有交互影响的数学模型4因素以内2.部分因子实验(所有组合的一个子集)1.寻找最有利于输出的因子水平.2.建立可评估部分交互影响的数学模型5因素以上3.筛选实验从大量因素中发现少量关键因素(不评估因素间的交互作用)7因素以上4.中心复合设计1.优化2.建立非线性影响存在时的数学模型(常用响应表面法)3因素以上5.可靠设计1.优化2.存在噪声因素变化的场合,寻找输出变异最小时的因素水平5因素以上6.田口动态可靠设计1.优化产品制造过程函数2.使输出对噪声因素敏感性最小,对输入因素敏感性最大7因素以上DOE27因子实验DOE28全因子实验DOE29全因子实验所有可能的因子组合都被研究N=2k优点：能够對各因素影嚮及因素間的交互作用影響進行全方位評估缺点：操作不切实际代价高可选择分部因子实验，以较少的花费得到较好的效果。RunFactorsABCDEFGResponse12345678910111213141516........1261271281111111111111111........2221111111111111111........2221111111111111111........2221111111122222222........2221111222211112222........2221122112211221122........1221212121212121212........212DOE30分部实验2水平最多15因子DOE312水平3因子的全因子实验设计表因素间交错:混淆度ABC=-1ABC=1ABC同号,无法评估;A因素影响=BC交互作用影响;B因素影响=AC交互作用影响;C因素影响=AB交互作用影响DOE32影响混淆•只要不是全因子实验设计,就存在因素及其交互作用之间的混淆一定存在.•要求清楚区分主因素影响和交互作用影响(特别是存在2因素交互作用的场合,慎重选择实验表)DOE33分部实验设计的分辨率DOE34筛选实验设计---Plackett-Bruman•分辨率为III级的分部实验•因子水平2•因子数2~47个.•无法区分因素间交互作用•用于筛选关进少数因数DOE35响应曲面设计___中心复合实验•通过对2水平增加一个设计点,从而评估指标对因素间的非线性关系.用于怀疑或确信因素对指标存在非线性影响时.•因素2~6,次数在14~90之间•所有因素均为计量值•实验三步骤:–2水平全因子或分部实验设计–加上中心点进行非线性测试–如果非线性显著,加轴向点进行补充测试得到非线性预测方程.DOE36响应曲面设计___Box-Behnken实验设计•用于研究指标和因素间的非线性影响.•因素3~7•试验次数15~62•因素均为计量值•没有将所有试验因素同时设为高水平的组合,队友安全要求的试验较合适.DOE37田口实验设计•是一种分部设计法•因素可达31,水平可达5,可以进行混和水平设计.•引入信噪比概念产品特性Y在多个输入变量的作用下为随机变量,其数学期望为,方差为2.变异系数y=2/,表示世纪之偏离目标值的程度.信噪比’表示产品特性稳定性,’=2/2=10lg’=S/N,取对数后,接近正态分布,便于分析.•静态田口设计:找出信噪比最高的因素水平设置,时输出变量变差最小.指标一般为固定值DOE38如何达成成功的实验设计•实验设计的环境•实验设计流程图响应变量目标定义问题清楚，简明，可测量噪声因子可控因子恒量独立因子有影响的可测量的可控的LowBHighBLowAHighAResponseLowBHighBLowAHighAResponseInteractionNointeractionLowAHighA5643LowAHighA55.243LowBHighB交互作用可控變量試驗次數DOE實驗表定性／定量望大／望小／望目排序水平设置設計環境Inputs/factorsSettings/levels篩選實驗优化實驗VariablesdfSVFS’PABErrorTotal1111329.31.476.31.410729.31.476.31.435.620.453.127.174.14.326704分析變量CPlan/do:what,when,who重复次數,隨機性,穩定性,,資料整理……………………………...DOE39如何达成成功的实验设计•关键步骤定义问题-清除要解决问题的现状-邀请有助的适当人选加入定义目标-确定输出品质特性(依赖响应变量)-定义测量系统定义设计关键参数-脑力激荡所有独立的变量-分类(可控l/常量/噪声因素)和优先顺序-评估交互作用选择参数-变量的数量和它们的值达成一致设计实验表-对独立变量选择最好（最少）的正交试验表-排列各变量和交互列到实验表的各列计划试验进行-建立制程稳定的实验计划，取得计量值-回答问题;what,when,who,where,andhow-准备随即或重复的实验-确定对常量因素的控制DOE40实验设计常犯的错误水平设置太接近均值，响应差异没有被发现设置太宽，非线性影响没有被发现噪声因素的考虑没有辨识和考虑噪声因素EmphasisOnCurvatureBeliefincomplexityratherthansimplicity渴望最优在优化之前需要杜绝“至关重要几个”和“取决定作用几个变量”的想法非随机实验使用标准运行模式导致产生噪声影响的趋势