实验设计与田口法介绍课件

1、實驗設計與田口法介紹DOE & Taguchi MethodReporter: Raymond ChangDate: April 24, 2006Professor: April 24, 2006 NTHU1Raymonds PresentationAgendaWhat is DOE & Taguchi MethodHow to do DOE?How to use Taguchi Method?SummaryApril 24, 2006 NTHU2Raymonds Presentation1. What is DOE & Taguchi MethodDOE: Design Of Experim

2、ent在一個或連串的試驗中刻意地改變製程輸入參數值, 以便觀察並找出影響製程輸出變數之因素提升製程良率、降低製程變異、改善產品品質、降低研發時間、降低總體成本、評估各種可行之設定值、評估各替代原料、確定影響產品特性之因素Taguchi Method: 田口法1950年代，G.Taguchi利用實驗設計方法，以規格化的直交表，進行直交實驗設計，使得工業界使用實驗設計的可行性增高以工程觀念的產品研發過程；系統設計，參數設計及公差設計等所謂的三次設計，進行有系統的實驗設計。April 24, 2006 NTHU3Raymonds Presentation1.1 DOE的專門術語Response:實驗

3、結果, Y如純度, 濃度, 長度, 重量, 強度, 壽命, 磨耗率, 縮收率, 噪音, 硬度, 收率, 電壓, 電阻, 電流, 不良率, 缺點數Factor: 因子, Xs可控因子( Controllable) : Ex: 溫度、壓力、配方成份。不可控因子(Uncontrollable) : Ex: 如環境溫度、濕度。信號因子(Signal) : Ex:人的血壓隨年齡的不同而改變，Level：水準考量某個 X所處之定量或定性的狀態或條件Ex. 溫度(X1)：以 80、90、100, 人員(X2)：早、中、晚班Treatment (實驗組數)實驗中因素之間水準組合為一個可單獨進行實驗的觀測條件，

4、稱之一個處置April 24, 2006 NTHU4Raymonds PresentationY(品質特性)靜態動態計量計數望目特性望小特性望大特性計件計點感官視覺, 聽覺, 嗅覺, 味覺, 觸覺, 偏好1.1.1 Responses, YsApril 24, 2006 NTHU5Raymonds Presentation1.1.2 Factors, Xs對Y有影響的一系列原因中，稱為X如品質問題中影響產品品質特性的原因，數學關係式的自變數(Independent Variables) X1,X2,Xk； Y=f(X1,X2,Xk) X可以是定性或定量例如定量以 來表示溫度，rpm表示轉速；定

5、性以 A、B、C表示不同供應商，以早、中、晚班表示不同班別的人員。一個實驗中可以只考慮一個因素或同時考慮多個因素。 April 24, 2006 NTHU6Raymonds PresentationProcess Step輸入輸出X1X2X3X4X5純 度濃 度長 度重 量強 度壽 命磨耗率縮收率噪 音硬 度收 率電 壓電 阻電 流不良率缺點數Y2Y3C : Controllable 速度 , 溫度 , 壓力U : Uncontrollable 環境溫度 , 濕度 , 作業員Y1Y=f(X1,X2,Xk) April 24, 2006 NTHU7Raymonds Presentation1.3

6、 DOE 的進行方式Try-and-error (試誤法)One Factor a time (一次一因子法)Full factorial experiment (全因子法)Taguchis orthogonal arrays(田口法)April 24, 2006 NTHU8Raymonds Presentation1.3.1 One Factor a timeApril 24, 2006 NTHU9Raymonds Presentation1.3.2 二因子實驗設計之模式April 24, 2006 NTHU10Raymonds Presentationk個因子，每個因子2個水準(+,-)

7、，共2k次實驗（當 n = 1 時）在因子數不多的狀況下，常用於實驗初期，來了解因子對反應變數之可能影響。1.3.3 2k因子階層設計April 24, 2006 NTHU11Raymonds Presentation1.4 Taguchi Method發展縮小變異方法的新名稱，配合直交表使用田口品質工程不以傳統實驗設計的概念為主軸。S/N ratio處理資料與數據田口法可在短期間產出最優值的實驗結果田口品值觀點：品質定義損失函數穩健設計的觀念美國: 統計學基礎的DOE, 日本: 田口法的DOEApril 24, 2006 NTHU12Raymonds Presentation1.4.1 直交

8、表Ln(tk)L：拉丁方格(Latin Squares)的字頭。n：直交表的列數，實驗的組數。k：直交表的行數，實驗因子數。t：直交表行可考慮的水準數，即配置因子的水準數。 較少實驗次數，研究更多的因子。可以類似傅立葉分析進行統計分析。直交表中任意兩行，所有的因子水準組合出現的次數相同。April 24, 2006 NTHU13Raymonds Presentation1.4.2 品質定義TyA0L(y)偏離目標值損失近離目標值損失最佳品質變異最小傳統品質定義田口品質定義產品規格內(m+0 和m-0 之間)的產品都一樣的好April 24, 2006 NTHU14Raymonds Presen

9、tationm0mmyA0L(y)m0mm +0yA0L(y)Nominal the best00ySmaller the betteryA0L(y)m0mm +0yA0L(y)Asymmetric00yyA0L(y)Larger the better望目型望小型望大型 不對稱型1.4.3 損失函數種類April 24, 2006 NTHU15Raymonds Presentation1.4.4 S/N Ratio平均品質損失可以直接做為一批產品的品質指標田口博士將平均品質損失排除係數k後, 以對數轉換、乘以10、並取反號, 並將它們稱為S/N比, 做為品質的同義字MSD: Mean Squa

10、re deviationApril 24, 2006 NTHU16Raymonds Presentation1.4.5 干擾因子April 24, 2006 NTHU17Raymonds Presentation1.5 實驗次數比較April 24, 2006 NTHU18Raymonds Presentation1.6 資料分析方法資料分析數據檢定：t test, F test, pair t, ANOVA圖形分析：Box plot, QC chart, etc軟體應用Minitab, SPSS, SAS等等April 24, 2006 NTHU19Raymonds Presentation

11、1.7 田口方法直交表的使用沒有討論干擾因子仍是傳統實驗設計，並非田口方法損失函數非線性關係的利用S/N比April 24, 2006 NTHU20Raymonds Presentation2.HOW to Do DOE? Define Ys: 問題的認知及陳述Find Critical Xs：選擇因子Set Levels：選擇水準Design Treatments：選擇適當的實驗設計Experiments：進行實驗Data Analysis：資料分析Repeat Experiment： 重覆試驗Summary & Suggestion：結論及建議April 24, 2006 NTHU21Ra

12、ymonds Presentation2.1 Define Y (煮咖啡為例)April 24, 2006 NTHU22Raymonds Presentation2.2 Find Critical Xs評分分數 = (X1 x Y1) + (X1 x Y2) + (X1 x Y3) + (X1 x Y4)April 24, 2006 NTHU23Raymonds Presentation2.2 Find Critical XsApril 24, 2006 NTHU24Raymonds Presentation2.3 Set Level of XsApril 24, 2006 NTHU25Ray

13、monds Presentation實驗組對照組2.4 Design Treatments若因子 A 有二個水準，因子B 有三個水準，因子C 有四個水準，則一個實驗同時考慮 A、B、C 三個因素進行觀測共有 23424 組實驗。最簡單的實驗組數April 24, 2006 NTHU26Raymonds Presentation2.4 Design TreatmentsApril 24, 2006 NTHU27Raymonds Presentation2.5 ExperimentsX Factors & TreatmentsY Experiment ResultsApril 24, 2006 N

14、THU28Raymonds Presentation不同因素的水準因素的水準主效應圖交互影響圖2.6 資料分析April 24, 2006 NTHU29Raymonds Presentation2.7 Others挑選出最佳口感的咖啡 (Data analysis)再煮一次 (Repeat Experiment)賣咖啡 (Summary)April 24, 2006 NTHU30Raymonds Presentation3. 田口法實驗設計重點穩健設計中有三個主要工具：S/N比：穩健性之單一之判斷指標，S/N比愈大愈好直交表：以最少之實驗次數獲得最佳之水準組合ANOVA分析：以統計手法找出具顯著性之因子在既定的研發資源下，田口方法之直交表實驗設計可以研究更多的因子，使得產品製程更穩健。田口方法最佳化產品製程設計就是決定最佳可控因子的水準和允差。April 24, 2006 NTHU31Raymonds Presentation3.1 實驗設計的利益以最少之資源獲得最多的資訊。實驗設計可知影響平均值、變異或無影響之因子。可以建立輸入參數與輸出訊號間之實驗模型（ empirical model ）。April 24, 2006