Taguchi田口实验设计培训

1、Introduction to Design of Experiments (DOE)-Taguchi实验设计介绍实验设计介绍田口方法田口方法适用于适用于Minitab 15中文版中文版杨海峰杨海峰浙江九洲药业股份有限公司浙江九洲药业股份有限公司2010.01.152实验设计实验设计 Design of Experiments (DOE)?试验设计是一种研究与处理多因子试验的科学方法。和传统的分试验设计是一种研究与处理多因子试验的科学方法。和传统的分析方法采用多次单因子试验相比，试验设计方法允许在同一试验析方法采用多次单因子试验相比，试验设计方法允许在同一试验中包含多个变量，大大提高试验效率并

2、降低成本。中包含多个变量，大大提高试验效率并降低成本。X1X2X3X4X5Y1Y2Process生产过程生产过程Inputs输入输入Process过程过程Outputs输出输出温度温度时间时间pHpH压力压力原料配比原料配比收率收率杂质杂质以上反应共有以上反应共有5个关键因子（变量），假定每个因子有两个水平个关键因子（变量），假定每个因子有两个水平（取值）。传统方法进行试验需要进行（取值）。传统方法进行试验需要进行2532次。而试验设计次。而试验设计方法只需要进行方法只需要进行8次试验就可以得出较高置信度的结论！次试验就可以得出较高置信度的结论！3传统试验析方法和试验设计比较传统试验析方法和试

3、验设计比较 传统试验方法：传统试验方法： 将应影响输出的众多输入变量（因子）在同一时间只允许有将应影响输出的众多输入变量（因子）在同一时间只允许有一个变量变化，其他相对固定。一个变量变化，其他相对固定。 试验周期长，浪费时间，可能导致试验成本大幅提高，并拖试验周期长，浪费时间，可能导致试验成本大幅提高，并拖延产品上市时间。延产品上市时间。 试验方法粗糙，因为无法考察因子间的交互影响，得到的结试验方法粗糙，因为无法考察因子间的交互影响，得到的结论可能和实际不符导致质次价高。论可能和实际不符导致质次价高。 试验设计：试验设计： 试验次数少，成本低，时间快。试验次数少，成本低，时间快。 能考察因子间

4、的交互影响。明确给出哪个因子是关键的，哪能考察因子间的交互影响。明确给出哪个因子是关键的，哪个是非关键的。个是非关键的。 让我们更了解自己的工艺和如何进行优化控制。让我们更了解自己的工艺和如何进行优化控制。 较高的置信度。较高的置信度。4传统试验方法传统试验方法多次单因子试验多次单因子试验(1) 以烤箱烤蛋糕为例：以烤箱烤蛋糕为例： 假定烤箱温度和烘烤时间是两个关键输入因子。假定烤箱温度和烘烤时间是两个关键输入因子。 烤好的蛋糕厚度作为关键输出结果来衡量。烤好的蛋糕厚度作为关键输出结果来衡量。 试验方案如下：试验方案如下： 先固定烘烤时间，试验不同烘烤温度的影响。先固定烘烤时间，试验不同烘烤温

5、度的影响。 再固定烘烤温度，试验不同烘烤时间的影响。再固定烘烤温度，试验不同烘烤时间的影响。 最终确定最佳烘烤时间和温度。最终确定最佳烘烤时间和温度。5传统试验方法传统试验方法多次单因子试验多次单因子试验(2)先固定烘烤时间为先固定烘烤时间为3030分钟，实验不同烘烤温度下的蛋糕厚度分钟，实验不同烘烤温度下的蛋糕厚度优化的温度为优化的温度为200实例实例: : 烤蛋糕烤蛋糕6实例实例: : 烤蛋糕烤蛋糕优化的时间为优化的时间为30 mins先固定烘烤温度为先固定烘烤温度为200200，实验不同烘烤时间下的蛋糕厚度，实验不同烘烤时间下的蛋糕厚度传统试验方法传统试验方法多次单因子试验多次单因子试验

6、(3)71501601701801902002102202302402507.51530601201084?结论最优化参数在这！结论最优化参数在这！最终看起来最佳烘烤温度为最终看起来最佳烘烤温度为200200，最佳烘烤时间为，最佳烘烤时间为3030分钟！分钟！实例实例: : 烤蛋糕烤蛋糕传统试验方法多次单因子试验传统试验方法多次单因子试验(4)81501601701801902002102202302402507.51530601201081214166“真正的真正的”最佳点在这！最佳点在这！为什么我们没能找到为什么我们没能找到“真正的真正的”最优化点最优化点? ?传统试验方法多次单因子试验传

7、统试验方法多次单因子试验(5)实际上：最佳烘烤温度和烘烤时间都和我们前面推测的不同！实际上：最佳烘烤温度和烘烤时间都和我们前面推测的不同！9为什么我们没能找到为什么我们没能找到“真正的真正的”最优化点最优化点? 因为传统试验方法因为传统试验方法没有考察各因子间的交互影响没有考察各因子间的交互影响，导，导致试验结果和实际存在偏差。致试验结果和实际存在偏差。 各因子间存在交互影响，日常实践中有很多例子：各因子间存在交互影响，日常实践中有很多例子： 众所周知：农产品施肥时，氮肥、磷肥、钾肥施用量之间就众所周知：农产品施肥时，氮肥、磷肥、钾肥施用量之间就有明显的交互影响。有明显的交互影响。 刚才提到的

8、烤蛋糕问题。刚才提到的烤蛋糕问题。 合金配方中多种元素含量配比导致的合金性能差别。合金配方中多种元素含量配比导致的合金性能差别。 合成反应中温度、压力、时间、物料配比、催化剂等等之间合成反应中温度、压力、时间、物料配比、催化剂等等之间也往往存在非常显著的交互影响。也往往存在非常显著的交互影响。 传统试验方法无法解决这一难题！传统试验方法无法解决这一难题！10常用的试验设计方法常用的试验设计方法 全因子试验设计全因子试验设计 分部试验设计分部试验设计 筛选试验设计筛选试验设计 中心复合试验设计中心复合试验设计 Box-Behnken试验设计试验设计 田口试验设计田口试验设计 事实上，每种试验设计

9、都各有优缺点，适用于不同的事实上，每种试验设计都各有优缺点，适用于不同的应用领域。应用领域。11田口正交实验设计法简介田口正交实验设计法简介 Taguchi(田口田口)实验设计是利用正交表来挑选实验条实验设计是利用正交表来挑选实验条件和安排实验的实验方法件和安排实验的实验方法. 此实验设计方法最早是由日本质量管理专家田口玄一此实验设计方法最早是由日本质量管理专家田口玄一(Genechi Taguchi)提出提出, 由此又深化发展出参数优由此又深化发展出参数优化设计化设计, 公差设计和稳健设计公差设计和稳健设计(Robust Design). 日本人认为不懂田口正交实验设计的工程师，就不能日本人

10、认为不懂田口正交实验设计的工程师，就不能被称为合格的工程师，可见其广泛应用的程度。被称为合格的工程师，可见其广泛应用的程度。 田口方法在日本田口方法在日本“质量立国质量立国”的战略中起到巨大的作的战略中起到巨大的作用，被用到从造航天器到烤面包寻找最佳配方的角角用，被用到从造航天器到烤面包寻找最佳配方的角角落落，使用它的公司也因此获得从几万元至上亿元的落落，使用它的公司也因此获得从几万元至上亿元的收益。收益。 细节可参考细节可参考质量工程师手册质量工程师手册一书。一书。12Taguchi方法的基本概念方法的基本概念（1）质量损失函数质量损失函数(Quality Loss Function) 田口

11、方法认为田口方法认为, 质量的定义是产品由于质量的缺陷对带来的质量的定义是产品由于质量的缺陷对带来的损失损失. 其损失可以用一个质量损失函数来表示其损失可以用一个质量损失函数来表示: L= K (y-m)2 L为损失为损失 y为特定的质量特征的实际值为特定的质量特征的实际值 m为质量特征的目标值为质量特征的目标值 K为损失函数的比例常数为损失函数的比例常数田口给质量下了如下定义：田口给质量下了如下定义：“所谓质量就是产品出厂后给社会带来的损失所谓质量就是产品出厂后给社会带来的损失”。 质量好，社会损失小；质量差，社会损失大。质量好，社会损失小；质量差，社会损失大。13Taguchi方法的基本概

12、念方法的基本概念（2）正交表：正交表是正交实验设计的基本工具正交表：正交表是正交实验设计的基本工具. 是在运用组合数学理论的正交是在运用组合数学理论的正交拉丁方的基础上构造的一种规格化的表格拉丁方的基础上构造的一种规格化的表格. 其符号为其符号为Ln(ji) 其中其中: L 正交表的代号正交表的代号 n - 正交表的行数正交表的行数, 即实验次数即实验次数 j - 正交表中的数码正交表中的数码, 即因素的位级数即因素的位级数 i - 正交表的列数正交表的列数, 即实验因素的个数即实验因素的个数 一个一个 L8(27)的结构为的结构为: 列号 实验号 1 2 3 4 5 6 7 1 1 1 1

13、2 2 1 2 2 2 1 2 2 1 1 1 3 1 2 2 2 2 2 1 4 2 2 1 2 1 2 2 5 1 1 2 1 1 2 2 6 2 1 1 1 2 2 1 7 1 2 1 1 1 1 1 8 2 2 2 1 2 1 2 14Taguchi方法的基本概念方法的基本概念（3）信噪比信噪比(Signal to Noise Ratio) ：信噪比和稳健：信噪比和稳健(Robustness)的概念紧密相关的概念紧密相关, 稳健的概念追求产品或流程的表现在受到因素稳健的概念追求产品或流程的表现在受到因素的波动时候的稳定性的波动时候的稳定性. 这个比用这个比用S/N来表示，来表示，S/N

14、可以是可以是: 望目值望目值 某个目标值某个目标值 望大值望大值 比如合格率比如合格率 望小值望小值 比如维修时间比如维修时间15用用Minitab进行进行Taguchi实验的实例实验的实例 (1)一个接触器的使用寿命的实验设计示例一个接触器的使用寿命的实验设计示例 （四因子两水平）（四因子两水平） Y = 寿命寿命 (衡量指标为衡量指标为: 次次) 因子因子: A = 触片形状触片形状 (标准标准, 长长) B = 支撑长度支撑长度 (全长全长, .25mm间隙间隙) C = 材料厚度材料厚度(0.012英尺英尺, 0.011英尺英尺) D = 方向方向 (标准标准, 横向横向) 在在Min

15、itab中中, 统计统计DOE田口田口 创建田口设计创建田口设计按设计键按设计键 选正交表选正交表 16用用Minitab进行进行Taguchi实验的实例实验的实例 (2)按因子键按因子键 输入因子输入因子的名称和的名称和水平水平 录入收集的三次重复实验的数据录入收集的三次重复实验的数据 设计方案完成设计方案完成 17用用Minitab进行进行Taguchi实验的实例实验的实例 (3)分析：统计分析：统计 DOE 田口田口 分析田口设计分析田口设计 选信噪比、均值和标准差选信噪比、均值和标准差18用用Minitab进行进行Taguchi实验的实例实验的实例 (4)19用用Minitab进行进行

16、Taguchi实验的实例实验的实例 (5) 交互影响项分析中选中所有的可用项：交互影响项分析中选中所有的可用项：20用用Minitab进行进行Taguchi实验的实例实验的实例 (6)长标准7200069000660006300060000.25mm间隙全长0.011英尺0.012英尺7200069000660006300060000横向标准触片形状均均值值 的的平平均均值值支撑长度材料厚度方向均均值值 主主效效应应图图数据平均值长标准10000800060004000.25mm间隙全长0.011英尺0.012英尺10000800060004000横向标准触片形状标标准准差差 的的平平均均值值支撑长度材料厚度方向标标准准差差 主主效效应应图图数据平均值长标准97.096.596.095.5.25mm间隙全长0.011英尺0.012英尺97.096.596.095.5横向标准触片形状信信噪噪比比 的的平平均均值值支撑长度材料厚度方向信信噪噪比比 主主效效应应图图数据平均值信噪: 望大对分析的结果来看，当需要提对分析的结果来看，当需要提高接触器的寿命时，各因素的高接触器的寿命时，各因素的设置为较长的长度，设置为较长的长度，.25毫米的毫米的支撑间隙，支撑间隙，0.11英尺的材料厚英尺的材料厚度和标准方向。度和标准方向。21用用