DoE-基础篇-非常好的入门教程

实验设计（DesignOfExperiment）

------基础篇Version:2016-03精选课件ppt学习内容这里有27个球，其中有且只有一个球质量为9克,其它26个都为10克。给你一架天平，请找出重为9克的那个球。请问，你至少要称几次？引子1:精选课件ppt学习内容引子2:这里有9框球(每框100个)，其中有且只有一框里的球质量全为9克,其它8框里的球都为10克。给你一架天平，请找出里面的球重为9克的那个框。请问，你至少要称几次？精选课件ppt学习内容精选课件ppt第一节

实验设计的概述1.什么是实验设计？实验设计（DesignofExperiments)：简称DOE，是一种应用数理统计学的基本知识，讨论如何合理地安排试验、取得数据，然后进行综合科学分析，从而尽快获得最优组合方案的方法。实验设计主要对实验进行合理安排，以较少的实验次数、较短的实验周期和较小的实验成本，获得理想的实验结果和正确的结果。实验设计是研究因子X与关键质量特性CTQ’s之间的关系.输入Y=f（x)过程/制程输出X1X2XnU1U2U3不可控因子可控因子精选课件ppt第一节实验设计的概述2.实验设计的意义实验设计的目的是用最少的实验次数（或成本）获得如下期望：1.缩短研究开发的时间；2.建立指标与因素的关系；3.选择工艺参数或配方；4.提高产量；5.改进质量；6.降低成本；………………精选课件ppt第一节实验设计的概述3.实验设计的发展历程精选课件ppt第一节实验设计的概述4.实验的分类试验目的试验类型1.找出关键影响因子---筛选试验(Screeningexperiment)

=部分析因试验(Fractionalfactorial)

=田口试验(Taguchi)=Placket-Burman2.找出因子的最佳水平---优化试验(Optimization)=全因子试验(Fullfactorial)=响应曲面法(RSM)=田口稳健设计求S/N比(Taguchirobust)精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表1.基本术语-因子输入Y=f（x)过程/制程输出X1X2XnU1U2U3考核指标：又称响应，在实验中我们要衡量的量，通常用Y表示。如尺寸、良率（或不良率）、外观、功能……过程/制程：将输入转化为输出的一组或一系列活动。例如注塑、电镀、回流焊、波峰焊、FCT……因子(factor)：又称因素，指影响实验考核指标的量。如左图的X1,X2……，U1,U2……温度，时间，压力，速度，不同班别，不同作业员，不同机器……因子分两类：可控因子和不可控因子可控因子，为工程师可以自由设定的参数。例如温度（设为100~200度）回流炉拉的速度（设为70~80CM/MIN）不可控因子，又称为杂音因子，工程师不能控制或控制成本很高。例如湿度，灰尘，电磁干扰等可控因子不可控因子精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表1.基本术语-水平水平(Level):为了研究因子对响应的影响，需要用到因子的两个或多个不同取值，这些取值称为因子的水平。一个因子的水平至少取2个通常用符号表示：＋、－；1、2、3；－1、0、＋1处理(treat)：按照设定因子水平的组合，我们就能进行一次实验，可以获得一次响应变量的观测值，也称为一次“实验”或一次“运行”实验单元(experimentunit)：对象，材料或制品等载体，处理应用上需要的最小单位。精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表1.基本术语-主效应主效应(MainEffect):某因子处于不同水平时响应变量的差异。B的正面影响总体平均值A的负面影响4.454.604.754.904.30响应温度压力容量低A高A低B高B低C高CC的正面影响某一因子的效应计算公式：主效应＝{某水平所有观测值的最大平均值}-{某水平所有观测值的最小平均值}精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表1.基本术语-交互作用交互作用(Interaction)：如果A在因子B所处的不同水平时产生的效应不同，我们称因子A与B有交互作用。

3个因子及以上的交互作用，技术分析不太容易，因此一般不考虑没有交互作用(平行的状态)YXXX有一点交互作用有很大的交互作用精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表1.基本术语-交互作用没有交互作用的例子：用以下2个因子A,B其分別可以设定为Low,High。假使会有以下情形則稱為沒有交互作用，亦即2者相互獨立A-LowA-HighB-LowB-High精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表1.基本术语-交互作用有交互作用的例子：用以下2个因子A,B其分別可以设定为Low,High。假使会有以下情形則稱為有交互作用，亦即2者相互影响A-LowA-HighB-LowB-High精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表交互作用表（以正交表L8(27)为例）：用正交表安排有交互作用的试验时，我们把两个因素的交互作用当成一个新的因素来看，让它占有一列，叫交互作用列。1.基本术语-交互作用表精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表2.正交表(OrthogonalArray)右图是一个典型的正交表。“L”代表正交表；“8”代表实验的次数；“2”代表各因子的水平是两水平；“7”代表最多可安排7个因子（包括单个因子和交互作用）精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表2.正交表(OrthogonalArray)正交表的表示方法：一般的正交表记为Ln(mk)，n是表的行数，也就是要安排的试验数;k是表中的列数(也表示因素的个数)；m是各因素的水平数；常见的正交表:2水平的有L4(23),L8(27),L12(211),L16(215)等；3水平的有L9(34),L27(313)等；4水平的有L15(45);5水平的有L25(56);混合水平混合水平正交表就是各因素的水平数不完全相等的正交表。譬如：L8(41x24)就是一种混合水平的正交表。精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表2.正交表(OrthogonalArray)正交表的特点：1.任一列中各水平出现的次数相等。如L9(34)中，每列中不同的数字是1，2，3，它们各出现3次。2.表中任意两列,把同一行的两个数字看成有序数字对时,所有可能的数字对出现次数相同.凡是不满足上面这两个条件就不能称为正交表精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表3.正交表的用法例1：(单指标的分析方法)某炼铁厂为提高铁水温度，需要通过试验选择最好的生产方案经初步分析，主要有3个因素影响铁水温度，它们是焦比、风压和底焦高度，每个因素都考虑3个水平，具体情况见表。问对这3个因素的3个水平如何安排，才能获得最高的铁水温度?精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表3.正交表的用法例1：解：如果每个因素的每个水平都互相搭配着进行全面试验，必须做试验33=27次。现在我们使用L9(34)正交表来安排试验。精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表3.正交表的用法我们按选定的9个试验进行试验，并将每次试验测得的铁水温度记录下来。为了方便计算把铁水温度都减去1350，填入表中，并计算各因子的主效应。因素123铁水温度（℃）铁水温度值减去1350编号ABC111113651521221395453133138535421213904052231395456231138030731313904083211390409332141060K1

95

K2

115

K3

140

k1(=K1/3)

k2(=K2/3)

k3(=K3/3)

极差

最优方案

手动计算各因子的主效应：根据前面讲的公式：主效应＝{某水平所有观测值的最大平均值}-{某水平所有观测值的最小平均值}1.分别算出各因子各水平的观测值和，故因子A在第“1”水平的观测值和为15+45+35＝95因子A在第“2”水平的观测值和为40+45+30＝115因子A在第“3”水平的观测值和为40+40+60＝140精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表3.正交表的用法用同样方法可以计算因子B与因子C各水平观测值的和（见右表）2.计算各因子各水平的平均值，故因子A在第“1”水平的观测平均值95/3＝31.7因子A在第“2”水平的观测平均值115/3＝38.3因子A在第“3”水平的观测平均值140/3＝46.7用同样的方法计算因子B与因子C各水平观测值的平均值（见右表）因素123铁水温度（℃）铁水温度值减去1350编号ABC111113651521221395453133138535421213904052231395456231138030731313904083211390409332141060K1

95

95

85

K2

115

130

145

K3

140

125

120

k1(=K1/3)

31.7

31.7

28.3

k2(=K2/3)

38.3

43.3

48.3

k3(=K3/3)

46.7

41.7

40.0

极差

最优方案

精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表3.正交表的用法3.计算各因子的效应（即极差）因子A的主效应（极差）＝46.7-31.7＝15因子A的主效应（极差）＝43.3-31.7＝11.6因子A的主效应（极差）＝48.3-28.3＝20因素123铁水温度（℃）铁水温度值减去1350编号ABC111113651521221395453133138535421213904052231395456231138030731313904083211390409332141060K1

95

95

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K2

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K3

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k1(=K1/3)

31.7

31.7

28.3

k2(=K2/3)

38.3

43.3

48.3

k3(=K3/3)

46.7

41.7

40.0

极差

15

11.6

20

最优方案

A3

B2

C2

通过右表的数据分析，我们可以得出：因子对试验指标（铁水温度）的影响按大小次序应当是C（底焦高度）、A（焦比）、B（风压）；又因为我们需要是最大铁水温度，所以最好的方案应当是C2A3B2。此结果与第9号试验接近，为了最终确认上面找出的试验方案是不是最好的，可以按现在这个方案再试验一次，并同第9号试验相比，取效果最佳的方案精选课件ppt例2：(多指标的分析方法----综合平衡法)为提高某产品质量，要对生产该产品的原料进行配方试验。要检验3项指标：抗压强度、落下强度和裂纹度，前2个指标越大越好，第3个指标越小越好。根据以往的经验，配方中有3个重要因素：水分、粒度和碱度。它们各有3个水平。试进行试验分析，找出最好的配方方案。第二节实验设计的术语与正交表精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表解：我们选用正交表L9(34)来安排试验。精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表精选课件pptA水分B粒度C碱度k3k3k3k3k3k3k3k3k3k1k1k1k1k1k1k1k1k1k2k2k2精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表分析：1)粒度B对抗压强度和落下强度来讲，极差都是最大的，说明它是影响最大的因素，而且以取8为最好；对裂纹度来讲，粒度的极差不是最大，不是影响最大的因素，而且也以取8为最好；2)碱度C对三个指标的极差都不是最大的，是次要的因素。对抗压强度和裂纹度来讲，碱度取1.1最好；对落下强度，取1.3最好，但取1.1也不是太差，综合考虑碱度取1.1；3)水分A对裂纹度来讲是最大的因素，以取9为最好；但对抗压强度和落下强度来讲，水分的极差都是最小的，是影响最小的因素。综合考虑水分取9；最后较好的试验方案是B3C1A2精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表例3：(多指标的分析方法----综合评分法)某厂生产一种化工产品，需要检验两下指标：核酸统一纯度和回收率，这两个指标都是越大越好。有影响的因素有4个，各有3个水平。试通过试验分析找出较好的方案解：这是4因素3水平的试验，可以选用正交表L9(34)。试验结果如表。精选课件ppt总分=4

x

纯度+1x回收率第二节实验设计的术语与正交表精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表分析：1)根据综合评分的结果，直观上第1号试验的分数最高，应进一步分析它是不是最好的试验方案；2)通过直观分析法可以得知，最好的试验方案是A1B3C2D1。A，D两个因素的极差都很大，是对试验影响较大的两个因素；3)分析出来的最好方案，在已经做过的9个试验中是没有的。可以按这个方案再试验一次，看能不能得出比第一号试验更好的结果，从而确定出真正最好的试验方案；综合评分法是将多指标的问题，通过加权计算总分的方法化成一个指标的问题，使对结果的分析计算都比较方便、简单。精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表例4：(直接利用混合水平正交表)某农科站进行品种试验，共有4个因素：A(品种)、B(氮肥量)、C(氮、磷、钾比例)、D(规格)。因素A是4水平的，另外3个因素是2水平的。试验指标是产量，数值越大越好。精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表解：分析结果见下表。精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表例5：(拟水平法)今有一试验，试验指标只有一个，它的数值越小越好，这个试验有4个因素，其中因素C是2水平的，其余3个因素都是3水平的，试安排试验。解：我们从第1、第2两个水平中选一个水平让它重复一次作为第3水平，这就叫虚拟水平。一般应根据实际经验，选取一个较好的水平。精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表分析结果见下表。精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表总结：拟水平法是将水平少的因素归入水平数多的正交表中的一种处理问题的方法。在没有合适的混合水平的正交表可用时，拟水平法是一种比较好的处理多因素混合水平试验的方法。它不仅可以对一个因素虚拟水平，也可以对多个因素虚拟水平。精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表例6：(水平数相同)我们用一个3因素2水平的有交互作用的例子来说明某产品的产量取决于3个因素A，B，C，每个因素都有两个水平。每两个因素之间都有交互作用，试验指标为产量越高真好。具体如下：精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表解：这是3因素2水平的试验。3个因素A,B,C要占3列，它们之间的交互作用AxB,BxC,AxC又占3列。可用正交表L8(27)。精选课件ppt第二节实验设计的术语与正交表分析：从极差大小看，影响最大的因素是C，以2水平为好；其次是AxB，以2水平为好，第3是因素A，以1水平为好，第4是因素B以1水平为好。列出A和B进行组合的几种效果表：从此表可知，A和B的最佳组合为A1B2。AxC和BxC的极差很小，对试验的影响很小，忽略不计。综合分析，最好的方案应是A1B2C2，这与试验4相吻合。1216973.527265.5BAAXB精选课件ppt第三节如何做DOE1.应用DOE的简要步骤一般可以分为三步：筛选实验-------从众多因子中找出一个或几个有重要影响的因子最佳化-------找出重要因子中找到最佳水平验证最佳化实验-------验证第二步的最佳水平是否适合目前的生产精选课件ppt第三节如何做DOE1.应用DOE的简要步骤--有效试验的障碍目标不正确试验结果不清楚DOE很花时间缺乏对DOE工具了解缺乏管理支持缺乏合适技术支持问题不清楚不适当头脑风暴DOE成本很高缺乏对DOE策略了解早期阶段没有信心马上需要结果精选课件ppt第三节如何做DOE1.应用DOE的简要步骤——试验的目的是更好理解真实过程，而不是理解数据本身。1)明确试验目的，确定要考核的试验指标；2)根据试验目的，确定要考察的因素和各因素的水平；要通过对实际问题的具体分析选出主要因素，略去次要因素；3)选用合适的正交表，安排试验计划；4)根据安排的计划进行试验，测定各试验指标；5)对试验结果进行计算分析，得出合理的结论；6)若最佳组合方案在试验中未出现，如果条件允许，应安排一次验证试验，进行确认。精选课件ppt题目:

PCBASMT回流焊参数优化定义:

PCBA过程改进

选择理由:

SMT的回流焊是PCBA的关键参数。过程的参数直接影响焊接品质，影响直通率.范围:

XXXPCBA拉.第三节如何做DOE—实际案例精选课件ppt发起者:XXXX小组组长:XXXXX小组成员:

XXXXX

第三节如何做DOE—实际案例开始日期:2012/8/15结束日期:2012/9/28

精选课件ppt包装离线修理检查DDC测试ICT测试OK功能测试開始插机波峰焊修理OKOKOKOKNGNGNGNGNVA终检贴片上料打胶锡膏印刷回流焊PCBAprocessflow第三节如何做DOE—实际案例精选课件pptPCBZ1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8Z9Z10Z11Z12Z13预热

保温焊接

冷却区回流焊过程示意图:

备注：从回流焊的流程图中可以看出，回流焊过程分成四个阶段。每个阶段的温度都会影响产出率。Z1-Z13代表了13个温区，这些温区的温度可调。我们通过调节这些温区的温度来提高产出率。同时，传送带的速度也是一个影响因子。第三节如何做DOE—实际案例精选课件ppt对于SMT生产来说，一个非常优化的回流温度曲线是得到高质量的焊点的最重要的因素之一。得到最优的炉温参数是这次DOE的目的。第三节如何做DOE—实际案例精选课件ppt第三节如何做DOE—实际案例目标设定:

目前平均不良率是155DPMO

最少不良率是20DPMO

需要减少70%=(155-20)*70%=95这次减低的目标=155-95=60DPMODPMO日起8/158/158/168/168/178/178/188/188/208/208/218/218/228/228/23优化前153161157160151156155153153154155151155156157项目开始前收集数据精选课件ppt焊接后温度分布决定焊接质量状况。我们选择了不同的参数和对应的不良数（单位是百万分之，该数越小，表示质量越好）。计数：DPMO=

注明：Dmodel

541point/pcs.610x总数不良的数量第三节如何做DOE—实际案例精选课件pptABCDEFGHJKLMNO根据分析，有14个因素为影响简介（焊接质量）的烤箱温度。他们是13温区的温度A~H和J~N（单位：°C）O输送链速度和设定（单位：厘米/分钟）

Therefore,wechoosethe14factorsasDOE’sfactors.第三节如何做DOE—实际案例精选课件ppt第三节如何做DOE—实际案例因子水平表水平1水平2A:温区1(℃)100110B:温区2(℃)120130C:温区3(℃)130140D:温区4(℃)150160E:温区5(℃)160170F:温区6(℃)160170G:温区7(℃)170180H:温区8(℃)190200J:温区9(℃)220230K:温区10(℃)255265L:温区11(℃)255265M:温区11(℃)240250N:温区11(℃)230240O:传送带速度(厘米/分钟)7080回流因子及水平选择精选课件ppt共有14个因子，2水平，所以我们选择2k因子设计正交表初步计划安排16次实验，根据焊接后的不良数决定最佳水平。实验设计第三节如何做DOE—实际案例精选课件ppt第三节如何做DOE—实际案例标准顺序运行顺序中心店区组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因子和水平—实验安排精选课件ppt第三节如何做DOE—实际案例标准顺序运行顺序中心店区组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我们可以得到以上16次的实验数据，利用Minitab进行针对性的分析。实验执行结果和数据分析精选课件ppt根据16次实验和数据分析以及各因素的主效应图显示，L（温度zone11）、C（温度3区）和F（温度6区）这是主要影响因子，对实验结果产生明显影响。第三节如何做DOE—实际案例主要影响因素确认精选课件ppt第三节如何做DOE—实际案例Factorslevelsheet水平1水平2水平3O:传送带速度(厘米/分)7080L:温区11(℃)255260265C:温区3(℃)130135140F:温区6(℃)160165170水平因子再一次，选择主要的影响因子（温度zone11）、C（温度3区）、F（温度6区）和输送带的速度，以使混合2-3级实验因素，我们将寻找最优参数组合。PCBA炉温曲线的实验分析和下步行动精选课件ppt第三节如何做DOE—实际案例实验顺序O:传送带速度(厘米/分)L:温区11(℃)C:温区3(℃)F:温区6(℃)DPMO170255130160

270255135165

370255140170

470260130160

570260135165

670260140170

770265130165

870265135170

970265140160

1080255130170

1180255135160

1280255140165

1380260130165

1480260135170

1580260140160

1680265130170

1780265135160

1880265140165

共安排18组实验：在其他因素不变的情况下，考虑主要因子的影响对主要因子的进一步优化精选课件ppt第三节如何做DOE—实际案例实验顺序O:传送带速度(厘米/分)L:温区11(℃)C:温区3(℃)F:温区6(℃)DPMO170255130160136

270255135165124

370255140170126

470260130160118

570260135165134

670260140170108

770265130165116

87026513517068

970265140160111

108025513017086

1180255135160105

128025514016576

138026013016583

148026013517065

158026014016062

168026513017052

178026513516048

188026514016536

总的安排了18次实验，结果如下:实验执行和结果精选课件ppt根据分析，我们得到最好的参数组合是：传送带速度80厘米/分，L温区11：265℃，C温区3：140℃，F温区6：170℃。为了最终确认以上的组合是否是最优参数，我们再做一次实验，和第18组同时做比较。第三节如何做DOE—实际案例TheoptimalgroupO:传送带速度(cm/min)80L:温区11(℃)265C:温区3(℃)140F:温区6(℃)170精选课件ppt验证选择的参数组合新实验数据对比如下:结果表明，焊接后的DPMO值最小的是第19实验，所以根据以上实验数据的变化制定PCBA回流炉的参数。第三节如何做DOE—实际案例实验序号O:传送带速度：厘米/分)L:温区11(℃)C:温区3(℃)F:温区6(℃)DPMO188026514016536

198026514017024设定参数ofPCBASMTProfileA:温区1(℃)B:温区2(℃)C:温区3(℃)D:温区4(℃)E:温区5(℃)F:温区6(℃)G:温区7(℃)110130140160170170180H:温区8(℃)J:温区9(℃)K:温区10(℃)L:温区11(℃)M:温区12(℃)N:温区13(℃)O:传送带速度厘米/分20023026526525024080精选课件pptPCBA回流焊参数优化DOE实验实施前后的参数对比和不良率对比第三节如何做DOE—实际案例参数设定表DOE前vs后ABCDEFGHJKLMNO参数优化前11012013015017017018019022025525524024080参数优化后11013014016017017018020023026526525024070DPMO对比表DOE前vs后123456789101112131415参数优化前153161157160151156155153153154155151155156157参数优化后242124232623252527252422222525ZoneBefor