DOE试验设计

DOE试验设计—培训内容交流•为什么要进行试验设计？试验设计有哪些好处？•如何进行试验设计？有哪些方法？•焊接参数：焊接速度、激光源功率、SOUKA轮压力、SEEM压力等哪个因素对焊接产品质量影响最大？•这些参数应如何确定目标值，目标值为多少为最佳水平？交流之前，请大家考虑如下问题？第一章第一章试验设计的概念试验设计的内容试验设计的作用目录试验设计的基本原理第二章第二章第三章第三章第四章第四章试验设计的方法第五章第五章第一章第一章试验设计的概念•试验设计(designOfeexxppeerriimmeenntt，，DDOOEE))，，也也称称为为实实验验设设计计•试验设计是以概率论和数理统计为理论基础，经济地、科学地安排试验的一项技术。试验设计自20世纪20年代问世至今，其发展大致经历了三个阶段：即早期的单因素和多因素方差分析，传统的正交试验法和近代的调优设计法。•从20世纪30年代费希尔（R.A.Fisher）在农业生产中使用试验设计方法以来，试验设计方法已经得到广泛的发展。20世纪纪6600年年代代，，日日本本统统计计学学家家田田口口玄玄一一将将试试验验设设计计中中应应用用最最广广的的正交设计表格化，在方法解说方面深入浅出，为试验设计的更广泛使用作出了众所周知的贡献。•本次交流的重点也就是如何用正交表进行试验设计。试验设计的内容第二章第二章产品质量高低主要是设计决定，一个好的试验设计包含几个方面的内容。1.试试验验指指标标：：明明确确衡衡量量试试验验指指标标，，也也称称为为响响应应变变量量或或输输出出变变量量。。2.影影响响因因子子：：寻寻找找影影响响试试验验指指标标的的可可能能因因素素（（ffaaccttoorr))，，也也称称为为影影响响因子和输入变量。因素变化的各种状态称为水平，要求报据专业知识初步确定因素水平的范围。3.选选择择试试验验设设计计方方法法：：根根据据实实际际问问题题，，选选择择适适用用的的试试验验设设计计方方法法。。试验设计的方法有很多，每种方法都有不同的适用条件，选择了适用的方法就可以事半而功倍，选择的方法不正确或者根本没有进行有效的试验设计就会事倍而功半。4.科科学学地地分分析析试试验验结结果果：：包包括括对对数数据据的的直直观观分分析析、、方方差差分分析析、、回回归归分析等多种统计分析方法，这些工作可借助Minititab软件完成。试验设计的作用↑产量↓试验周期↑质量↓成本↑产品寿命试验设计的作用第三章第三章试验设计的作用第三章第三章试验设计在工业生产和工程设计中能发挥重要作用，主要有：1.2.3.4.5.提高产量；减少质量的波动，提高产品质量水准；大大缩短新产品试验周期；降低成本；试验设计延长产品寿命。在工农业生产和科学研究中，经常需要做试验，以求达到预期的目的。例如在工农业生产中希望通过试验达到高质、优产、低消耗，特别是新产品试验，未知的东西很多，要通过试验来摸索工艺条件或配方。如何做试验，其中大有学问。试验设计三个基本原理重复性随机化区组化试验设计的基本原理第四章第四章试验设计的基本原理第四章第四章••所谓重复性，意思是试验重复地进行。重复性有两条重要的性质。第一，允许试验者得到试验误差的一个估计量。这个误差的估计量成为确定数据的观察差是否是统计上的试验差的基本度量单位。第二，如果样本均值用作为试验中一个因素的效应的估计量，则重复允许试验者求得这一效应的更为精确的估计量。重复性试验设计的基本原理第四章第四章所谓随机化，是指试验材料的分配和试验进行的次序，都需要随机确定。统计方法要求观察值(或误差)是独立分布的随机变量。随机化通常能使这一假定有效。把试验进行适当的随机化也也也有有有助助助于于于“““均均均匀匀匀”””或或或“““平平平均均均”””可可可能能能出出出现现现的外来因素的效应。随机化试验设计的基本原理第四章第四章区组化是用来提高试验精确度的一种方法。一个区组就是试验材料的一个部分，相比于试验材料全体它们本身的性质应该更为类似。区组化牵涉到在每个区组内部对感兴趣的试验条件进行比较。区组化目录试验设计的方法第五章第五章第一节第一节无交互作用的正交试验设计及直观分析法第二节第二节有交互作用的正交试验设计及直观分析法第三节第三节正交试验的方差分析法第四节第四节正交表的灵活运用试验设计的方法第五章第五章常见的试验设计方法，分为二类，正交试验设计法和析因法•析析因因法法定定义义：：析析析因因因法法法又又又称称称析析析因因因试试试验验验设设设计计计、、、析析析因因因试试试验验验等等等。。。它它是研究变动着的两个或多个因素效应的有效方法。许多试验要求考察两个或多个变动因素的效应。例如，若干因素：对产品质量的效应；对某种机器的效应；对某种材料的性能的效应；对某一过程燃烧消耗的效应等等。将所研究的因素按全部因素的所有水平的一切组合逐次进行试验，称为析因试验，或称完全析因试验，简称析因法。•析析因因法法用用途途：：用用用于于于新新新产产产品品品开开开发发发、、、产产产品品品或或或过过过程程程的的的改改改进进进、、、以以以及及安装服务，通过较少次数的试验，找到优质、高产、低耗的因素组合，达到改进的目的。试验设计的方法第五章第五章常见的试验设计方法，分为二类，正交试验设计法和析因法•正正交交试试验验设设计计法法定定义义：正正交交试试验验设设计计法法是是研研究究与与处处理理多多因因素素试验的一种科学方法。它利用一种规格化的表格——正交表，挑选试验条件，安排试验计划和进行试验，并通过较少次数的试验，找出较好的生产条件，即最优或较优的试验方案。•正正交交试试验验设设计计法法用用途途：正正交交试试验验设设计计主主要要用用于于调调查查复复杂杂系系统统(产品、过程)的某些特性或多个因素对系统(产品、过程)某些特性的影响，识别系统中更有影响的因素、其影响的大小，以及因素间可能存在的相互关系，以促进产品的设计开发和过程的优化、控制或改进现有的产品(或系统)。下面，将重点介绍正交试验设计的内容。第一节第一节无交互作用的正交试验设计及直观分析法•试验按照因素多少，分为单因素试验和多因素试验两类。•单因素试验：只考虑一个因素对生产的影响，优选法是解决单因素试验的有效方法。•多因素试验：同时考虑几个因素对生产的影响。各因素又有不同的水水平平(((即即即不不不同同同的的的状状状态态态)))交交交织织织在在在一一一起起起影影影响响响生生生产产产的的的指指指标标标。。。这这这时时时，，，我我我们们们要要要了了解的是：????因素（又称因子）水平的哪一种搭配最好？????哪哪一一个个因因素素对对生生产产、、质质量量指指标标等等要要考考察察的的目目标标值值影影响响最最大大？？一、试验为什么要设计？在工农业生产中，要提高产品的产量和质量，做到优质高产低消耗，就要进行试验。通过试验摸索生产过程中的客观规律，以便制订合理的生产方案。第一节第一节无交互作用的正交试验设计及直观分析法一、试验为什么要设计？正交试验法是解决多因素试验的有效方法，先看一个例子：例1：某化工厂生产一种试剂产品，收率较低，经分析研究决定考察反应温度、反应时间和搅拌等几三个因素对生产的影响，并分析按具体情况选出每个因素的三个不同水平进行试验，希望通过试验找出最佳水平组合，并了解各因素对生产指标影响的主次，以达到提高生产的目的，因素水平如下表：表1：因素水平表因素水平反应温度(℃)A反应时间(小时)B搅拌速度C130℃1快240℃1.5中350℃2慢第一节第一节无交互作用的正交试验设计及直观分析法一、试验为什么要设计？这是三个三水平因素的试验，所有可能搭配共有：3×3×3=33=27种显然，对27种可能搭配都进行试验，再进行比较，就能找出最佳水平组合，但是若要对六个五水平因素进行试验，则全部试验就要做：5×5×5×5×5×5=56=15625种。这一般是不可能做到的。而正交试验设计，是应用正交表来安排试验条件和分析试验结果的一种数学方法。因此只能从中选择一部分进行试验。选择哪些条件做试验十分重要，这便是试验的设计。一个好的设计，可以通过少量试验获得较多的信息，达到试验目的。试验设计的方法很多，这里介绍的正交试验便是其中的一种常见方法。应用正交试验法是利用“正交表”选择试验的条件，并利用正效表的特点进行数据分析，找出最好或最满意的试验。第一节第一节•正交表：二、正交设计与试验表2：L4（23）正交表列号水平1231112212132124221是已经制作好的规格化的表，是正交试验的基本工具，最简单的正交表是L4（23），如右表2。L4（23）表是4个横行和3个纵行。由字码““111””和““222””组成。它具有正交性即有如下两个特性：•每一纵列字码““111””和““222””出现的次数相等。•任意两个纵列，其横方向形成的有序数对(1，1)，(1，2)，(2，1)，(2，2)出现的次数相等。即任意两个纵列字码““111””和““222””间的搭配是均衡的。第一节第一节无交互作用的正交试验设计及直观分析法•正交表：表2：L4（23）正交表列号水平1231112212132124221L4（23）的含义：L→正交表代号；4→正交表的横行数。表示要做4次试验；2→字码数。表示每个因素只有两个水平““111””和““222””；3→正交表的纵列数。表示最多允许安排3个因素。二、正交设计与试验第一节第一节①、一类正交表的行数n，列数p，水平数q之间有如下关系：nn==qqqk，kk==22,,33,,44,,………………pp==((nn---111)))///(((qqq---111)))或nn---111===ppp**((qq---111)))在选用正交表时，应保证试验次数n≥≥列列列数数p。如这类正交表可按水平分类如下：3715)31二水平正交表：L4(2)，L8(2)，L16(2，L32(2)；413）；56三水平正交表：L9（3），L27（3四水平正交表：L16（4））；；五五水水平平正正交交表表：：L25（5）；二、正交设计与试验•正交表：常用的有两大类。若记一般的正交表为Ln(qpp))),则:不仅可考察各因子对试验指标的影响，有的还可考察因子间的交互作用的影响。②、另一类正交表的行数、列数水平之间不满足上述两个关系，往往只能考察各因子的影响，不能用这些正交表来考察因子间的交互作用。如二水平正交表L12(211)，L20(219)等；三水平正交表有L18(37)，L36(313)等，混合水平正交表L18（2×37），L36（23×313）第一节第一节二、正交设计与试验•几种常见的正交表表3：L8（27）正交表列号水平12345671111111121112222312211224122221152121212621221217221222182212112组123第一节第一节二、正交设计与试验列号水平1234111112122231333421235223162312731328321393321•几种常见的正交表表4：L9（34）正交表第一节第一节二、正交设计与试验列号水平12345678910111213111111111111112111122222222231111333333333412221112223335122222233311161222333111222713331113332228133322211133391333333222111102123123123123112123231231231122123312312312132231123231312142231231312123接下页•几种常见的正交表表5：L27（313）正交表第一节第一节二、正交设计与试验•正正交交表表：：几几种种常常见见的的正正交交表表表5：L27（313）正交表水平列号1234567891011121315223131212323116231212331223117231223112331218231231223112319313213213213220313