DOE实验设计管理规范.doc

分發對象管制編號分發對象管制編號總經理1行政部7管理代表2工程部8品保處3生技部9代管部4文管中心10資材部5采購課11製造部6IE課12修 訂 記 錄修訂日期修 訂 內 容 摘 要頁次版本生效日期2006.03.01三合一整版後第一次發行12頁C/002006.03.302008.10.10修改文件封面13頁D/002008.10.152009.07.15統一升版並修改相應內容13頁E/002009.08.10制/修定者審核生技部工程部行政部製造處資材部代管部品保處采購課管理代表總經理1. 目的明确實驗進行方式及其實驗觀測值解析法以提高情報獲得效率、使實驗成本最低。2. 適用範圍制程中所有需作DOE实验的项目的試驗均适用之。3. 名詞定義3.1 DOE: Design of experiment实验设计，亦称“田口方法”；3.2指標：明確試驗目的,確定考核指標；3.3因素：影響試驗指標有關因子與條件,統稱為因素；3.4水平：每個因素所取的或所處的狀態,簡稱為因素的水平(位級,試驗點)。4. 職責4.1 工程部：对实验进行可行性评估并主导DOE試驗作業；4.2 製造部：配合实验要求，提供必要实验所需之资源；4.3 品保處：对现行制程能力或参数进行量测、分析找出需解决之问题，界定进行何种实验并对实验过程进行监控，对实验结果进行确认。5. 作業內容 5.1 實驗設計的基本策略：5.1.1確定問題：為解決何種問題，需要進行何種實驗，應做到心中有數，有的放矢。5.1.2建立實驗目標：實驗要達到何種目的，要達到怎樣的指標，應從實際出發，根據當時當地的實情，確定實驗目標。5.1.3選擇因變量Y：實驗中因子隨自變量X的變化而變化的變量叫因變量。因變量和自變量的關係為Y=f(X1，X2Xn)。5.1.4選擇自變量：實驗中因子不能隨因變量變化而變化的變量叫自變量，也叫受控變量。5.1.5選擇因子水平：不同的因子水平必然會引起不同的實驗結果，根據實驗要求，確定因子水平，也是實驗成功與否的關鍵一環。5.1.6收集數據：實驗要用數據說話，一切的實驗數據從實驗中來。5.1.7分析數據：需認真分析數據，進行科學運算，以找出實驗本質性的可以代表實驗結果的東西。 5.1.8作出結論：有實驗數據，給問題下一個令人信服而又真實的結論，找出問題的症結所在。 5.1.9達到目標：通過實驗解決品質中存在的問題，使過程能力得到上升，对制程参数进行标准化。5.2确定实验类别：不同程度成分辨率DOE設計，對應不同產品設計要求。根據具體要求選擇DOE實驗方法DOE實驗設計分級表ITEM程度或分辨率級應用特點Screening Designs篩選DOE設計III級1.因子數較多2.兩個水平Screening Designs篩選DOE設計IV級或V級1. 因子數較多2.兩個或兩個以上水平Optimization Designs優化設計DOEV級或更高級1.兩個或三個因子2.用精確的數字方法進行處理5.3选择实验方法：根据实验因素及指标，选择具体的实验方法，下表供参考：实验方案类别试验点选择方法方案名称适用范围方法名称适用范围一.单因素优选法一个实验因素1.均分法试验点介于一个范围内(A,B)2.对分法试验点是朝一个方程方向选取的3.黄金分割法试验点对称分布，试验结果目标函数f(X)是单峰函数4.分数法试验点不能在一个区间連续取值，试验范围按整数变动二.正交试验法两个或两个以上的因素优选正交表1.每個列號中各個數字出現的次數一樣多;2. 每兩個列號橫向組成的數字對,搭配齊全,而且每對出現的次數一樣多三.多指标分析法试验：多因素、多指标1.综合平衡法各指标对应不同的水平组合2.综合评分法用评分的办法，将多个指标综合成一个单一的得分指标3.方差分析法重试验情形，偏重试验误差的大小对试验结果影响的程度5.4单因素优选法之运用：以下对单因素优选法进行举例应用5.4.1均分法：原理：假設因素的試驗範圍為(A.B),按等間隔H設試驗點,則試驗點數:N=1+(B-A)/H,對這N個試驗點進行試驗后,經比較可選取最優試驗結果.应用：例1 某毛紡廠為解決色染不勻問題,優選起染溫度,原工藝中的起染溫度為40,升溫后的最高溫度達100.(選取80)A=420(轉/分),B=720(轉/分),若取H=30(轉/分)則N=1+(720-420)/30=11,這11個試驗點為:420, 450, 480, 510, 540, 570, 600, 630,660,690,720.對該零件按上述轉速進行削加工,分別將所得光潔度進行比較,發現砂輪轉速為600轉速600(轉/分)時,該零件光潔度最佳.5.4.2對分法：原理：有一類試驗其試驗點是朝一個方程方向選取的,則在試驗範圍內可用對分選取試驗點,即在試驗範圍內選取中點為試驗點.应用：例1 A=40,B=100,第1試驗點 X1=(40+100)/2=70,用70為起染溫度,試驗后發現外紅里淺現象大有好轉,起染溫度還可以增高,于是第2試驗點X2=(70+100)/2=85,用85為起染溫度,試驗后發現紅里透黑,染色太深,起溫應降低,那么第3試驗點X3=(85+100)/2=92.5,試驗后發現色染深淺適度,里外勻稱,比較滿意,為今后操作方便,最后選定80為起染溫度.5.4.3 “0.618”法(黄金分割法)：原理：0.618的作法是：第一個試驗點X1安排在試驗范圍(a,b)的0.618處，第二個試驗點X2安排在試驗范圍(a,b)的0.382處，即0.618處的對稱點，這時X1與X2在試驗范圍(a,b)內互為對稱點，這兩點的位置可用對稱公式表示如下：X1=a+0.618(b-a) X2=a+b-X1公式中a為試驗的小頭，b為試驗范圍的大頭，上面對稱公式也可以寫成：第一點=小+0.618(大-小) 第二點=小+大-第一點(前一點)注：前一點是經過試驗後留下的好點。使用這種方法，一是要記住一個常數0.618，二是要記住兩個公式即前面的兩個公式，用對稱原理找新試驗點直到滿意為止。应用：例2 因短路、空焊不良率達55%，波峰爐錫波溫度優選范圍在250270，優化過程如下：第一點X1=a+0.618(b-a)=250+(270-250)X0.618=262第二點X2=a+b-X1=250+270-262=258兩點相比，第一點合格率低故去掉262270這一段，在258262間優選，進行比較後若無差異則設定在258262 備注：0.618法要求試驗結果目標函數f(x)是單峰函數，如下圖所示:即在試驗范圍內(a,b)內只有一個最優點d,其效果f(d)最好，比d大或小的點都差，且距最優點d越遠的試驗效果越差。這個要求在大多數實際問題中都能滿足。但也有不能滿足的情況，此時不能用0.618法。5.4.4分数法：原理：有些試驗項目的因素不能在一個區間連續取值,即因素的試驗範圍是按整數變動。費波那(Fibonacci)利用整數序列1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144.建立分數序列Cn:1/2,2/3,3/5,5/8,8/13,13/21,21/34,34/55,55/89該序列的極限為0.618,如用F1,F2Fn代表這個數例，則費波那奇數滿足下列遞推關係：Fn=Fn-1+Fn-2(n2)分數法是選擇某個分數Cn,起到0.618的作用,確定第1個試驗點,然后按對稱原理繼續選點,選擇分數Cn的原則是:分母為不小于K的最小整數.应用：例3 機床轉速(轉/分),按12檔選取各檔之間不能連續取值.若需用0.618法的原理進行優選,則用相關聯的分數法選取試驗點.12345623轉/分32轉/分48轉/分67轉/分95轉/分135轉/分789101112190轉/分240轉/分350轉/分485轉/分690轉/分1000轉/分該例的試驗範圍有K=12個檔級,于是選擇C5=8/13,這個分數有兩個方面的作用:一是第8檔為第1個試驗點,二是該項試驗的次數(試驗點數)為5,第1點X1=8,第2點X2=(1+12)-8=5,利用這兩檔轉速加工零件,若用第8檔優于第5檔,則第3試驗點為: X3=(5+12)-8=9用第9檔轉速加工零件,同第8檔作比較,若還是第8檔為優,則第4試驗點為: X4=(5+9)-8=6用第6檔轉速加工零件,同第8檔作比較,此時不論第6,第8哪個優,最多再做一點X5=7,用第7檔加工零件,試驗結束,最佳轉速也已確定.從上例可得出分數法的一般步驟：第1步：根據試驗范圍確定試驗次數。如果試驗范圍有K個等級，則從序列(Cn中找出不小於K的最小分母相應的Cn，則試驗次數等於n。第2步：第一個試驗點取在Cn的分子上。第3步：以下的點按照0.618法找對稱點繼續作試驗。5.5正交試驗法： 5.5.1何谓正交試驗設計: 用正交表編制多因素試驗方案的方法,稱為正交試驗設計,正交表的列號中的數字可作為因素的試驗點(位級,水平)序號,因此每個因素前選定若干個試驗點(位級,水平)參與試驗. 5.5.2什么是正交表：兩條直角邊夾角為90度,即兩條線相互垂直,又稱正交,利用正交性編制的供多因素試驗設計使用的一張數字表,稱為正交表,它有兩個特點:1).每個列號中各個數字出現的次數一樣多;2).每兩個列號橫向組成的數字對,搭配齊全,而且每對出現的次數一樣多. 5.5.3应用：例4某工廠生產一種檢查某種疾病用的碘化鈉晶體,要求應力(用Y表示) 愈小俞好,希望不超過2度. 退火工藝是影響產品質量(應力)的重要環節,在這一環節中有升溫速度(A),恆溫溫度(B),恆溫時間(C)等重要因素.各因素的試驗範圍,由專業知識及實踐經驗知: A:30/小時100/小時 B:450600 C:26(小時)第1步：编写正交试验表每個因素在其試驗範圍內選定三個水平,即三因素三水平的試驗項目正交試驗方案表第2步：对试验结果作直观分析：利用極差R值分清因素的主次,尋找更優的試驗方案由于該指標Y愈小愈好,于是優水平組合為A2B2C1 ,上表中的第5試驗號:Y5 =0.5為第1名，由此可知,因素A為主要因素.5.6多指標分析方法： 5.6.1何谓多指标分析法：在生產實踐、質量改造等課研究中,常常需要兩個或多個指標來衡量其試驗效果,稱之為多指標試驗項目,在多指標試驗項目中,選取優水平組合時,各個指標之間可能存在一些矛盾,這個指標好了,那個指標可能不符合要求,如何兼顧各個指標,尋找出符合每個指標要求的試驗方案(生產條件、水平組合),這就是多因素多指標分析中要解決的問題,常用的方法有兩種, 即綜合平衡法和綜合評分法. 5.6.2多指标分析-綜合平衡法：原理：分別對各項指標進行獨立分析,同單指標的分析方法完全一樣,找出適合各個指標的优水平组合。 將各項指標對應的優水平組合進行綜合平衡,找出兼顧各項目指標都盡可能好的試驗方案.綜合平衡的一般原則是:當各項指標的重要性不一樣時,應選取保證重要指標的水平,當各項指標的重要性相當時,選取水平則應優先考慮主要因素,或從多數指標的要求考慮.应用：例5某橡膠廠為提高某一種橡膠配方的質量,選定考察三項指標,伸長率(%),變形(%),屈曲(萬次),試優選配方方案,滿足三項指標要求.第1步：明確試驗目的,確定試驗指標試驗指標是伸長率(%)越大越好,變形(%)越小越好,屈曲次數(萬次)越多越好.第2步：制定因素水平表 由專業知識及實踐經驗,考察四個因素.因素水平表第3步：运用正交表L16(45)試驗方案及試驗結果 第4步：对每个试验结果作直观分析第5步：兼顧各指標的綜合平衡分析1因素A對伸長率,屈曲起主要作用,對變形的作用排在第三位,確定取A1(2.9). 2因素B在伸長率,屈曲中處于第二位,對變形處在第三位,確定取B1(1) 3因素C對變形起主要作用,對伸長率,屈曲起次要作用,確定取C1(25%) 4因素D對三個指標而言都是次要因素,取哪個水平都相當,確定取D1(34.7%)5.6.3多指标分析-綜合评分法原理：是用評分的辦法,將多個指標綜合成一個單一的得分指標,以此來判定試驗結果,對試驗結果的分析,歸納為對每個試驗方案得分的多少進行分析. 綜合評分的關鍵在于評分,評分既能反映各項指標的要求,也能反映出各個指標的重要程度,常用的方法有兩種,公式評分和排隊評分。应用：例6 調試三角底膠的配方,降低三角帶的生產成本,保證產品質量。 第1步：明確試驗目的,確定試驗指標 國家規定的試驗及其質量標準如下:硬度(邵爾度)y1在72+5之間,扯斷強度(kg/cm2)y2120;扯斷伸長率(%)y3300. 第2步：制定因素水平表由專業知識及實踐經驗選取四個考察：因素水平表第3步：运用L9(34)正交表安排实验并得出结果 注：先制订試驗結果各項指標之評分标准 第4步：对实验结果作直观分析 第5步：對各个指標用線性組合綜合評分綜合評分中重要的因素的指標,權系數大。通過對計算選優的水平組合A1B3C2 D2進行試驗,同A1B2C2 D2進行對比,說明A1B2C2 D2為優,因此通過試驗及分析確認最優水平組合為：A1B2C2 D25.6.4多指标分析方差分析法- 略：因其计算较复杂，不便举例6.參考文件 6.1 預防與改善措施程序 QEH-2-Q-0047.引用表單7.1 FAILURE MODE AND EFFECT ANALYSISQEH-4-Q-054