交通大學(xué)的工業(yè)工程質(zhì)量教材.ppt

試驗(yàn)設(shè)計(jì)ExperimentalDesign 奚教授 機(jī)械工程學(xué)院工業(yè)工程系 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 1 了解試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念及其作用2 掌握單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)常用的幾種方法3 了解正交試驗(yàn)法的概念和基本方法 本章主要要求 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本章主要內(nèi)容 定義 Anyexperimentthathastheflexibilitytomakedesiredchangesintheinputvariableofaprocesstoobservetheoutputresponseisknownasexperimentdesign Theprimarygoalsofadesignexperimentareto Determinethevariable s andtheirmagnitudethatinfluencestheresponse determinethelevelsforthesevariables determinehowtomanipulatethesevariablestocontroltheresponse 2000 6 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的效果 在質(zhì)量管理中所遇到的 不論是設(shè)計(jì)新產(chǎn)品 還是改革舊工藝 提高產(chǎn)品質(zhì)量 減低成本 大都需要做試驗(yàn) 如何安排試驗(yàn) 有一個(gè)方法問題 不好的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 即使做了大量的試驗(yàn) 也未必能達(dá)到預(yù)期的目的 一個(gè)好的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 既可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù) 縮短試驗(yàn)時(shí)間和避免盲目性 又能迅速得到有效的結(jié)果 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的由來 試驗(yàn)設(shè)計(jì)是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)手法進(jìn)行解決問題的方法 它在19世紀(jì)產(chǎn)生于英國 最早是在農(nóng)地進(jìn)行試驗(yàn) 如 最佳肥料 的依據(jù) 逐步應(yīng)用到畜牧業(yè) 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 例 一個(gè)烤漆工廠 針對(duì)噴漆后烤漆所使用的時(shí)間及溫度各使用一元多次實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 以了解哪一種條件下密著性 附著度 最好 先決條件 1 底材要一樣 2 油漆要一樣 3 溶劑要一樣 4 粘度要一樣 試驗(yàn)因素 1 烘烤溫度 2 烘烤時(shí)間 2000 6 1 附著度 溫度 溫度 附著度 結(jié)論 溫度在130度及140度最理想 2000 6 1 附著度 時(shí)間 附著度 時(shí)間分 結(jié)論 時(shí)間在40分到60分最理想 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 例 在上例中 將時(shí)間及溫度以外的各條件予以固定 并將溫度及時(shí)間予二元二次法作實(shí)驗(yàn) 將產(chǎn)品分為4組 在四組不同的樣品中 經(jīng)試驗(yàn)后何者為最佳的作業(yè)條件 即可制訂為作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的條件 2000 6 1 優(yōu)選法 概念 優(yōu)選法是以較少的試驗(yàn)次數(shù) 迅速地找到生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)方案的方法 適用范圍 1 怎樣選取合適的配方 合適的制作過程 使產(chǎn)品質(zhì)量最好 2 怎樣在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下 使產(chǎn)品成本最低 生產(chǎn)過程最快 3 已有儀器怎樣調(diào)試 使其性能最好 4 在合成配方 操作條件等方面應(yīng)用 2000 6 1 0 618法 0 618是單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 又叫黃金分割法 這種方法是在試驗(yàn)范圍內(nèi) a b 內(nèi) 首先安排兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn) 再根據(jù)兩點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果 留下好點(diǎn) 去掉不好點(diǎn)所在的一段范圍 再在余下的范圍內(nèi)尋找好點(diǎn) 去掉不好的點(diǎn) 如此繼續(xù)地作下去 直到找到最優(yōu)點(diǎn)為止 a b 0 618 0 382 1 W W2 W 1 W 2000 6 1 0 618法 a b 0 618 0 382 X1 a 0 618 b a X2 a b X1 第一點(diǎn) 小 0 618 大 小 第二點(diǎn) 小 大 第一點(diǎn) 前一點(diǎn) 第一點(diǎn)是經(jīng)過試驗(yàn)后留下的好點(diǎn) 2000 6 1 0 618法 例 鑄鋁件最佳澆鑄溫度的優(yōu)選試驗(yàn) 某廠鑄鋁件殼體廢品率高達(dá)55 經(jīng)分析認(rèn)為鋁水溫度對(duì)此影響很大 現(xiàn)用0 618法優(yōu)選 優(yōu)選范圍在690 740 之間 第一點(diǎn) 690 0 618 740 690 721第二點(diǎn) 690 740 721 709 2000 6 1 0 618法 例 690 740 709 721 第一點(diǎn)合格率低 690 709 721 702 第三點(diǎn) 690 721 709 702 第二點(diǎn)合格率低 第四點(diǎn) 690 709 702 697 690 709 702 697 第三點(diǎn)合格率低 第五點(diǎn) 690 702 697 695 690 702 697 695 2000 6 1 0 618法 0 618法要求試驗(yàn)結(jié)果目標(biāo)函數(shù)f x 是單峰函數(shù) 即在試驗(yàn)范圍內(nèi)只有一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)d 其效果f d 最好 比d大或小的點(diǎn)都差 且距最優(yōu)點(diǎn)d越遠(yuǎn)的試驗(yàn)效果越差 這個(gè)要求在大多數(shù)實(shí)際問題中都能滿足 a b d x f x o 2000 6 1 對(duì)分法 對(duì)分法也叫平分法 是單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法適用于試驗(yàn)范圍 a b 內(nèi) 目標(biāo)函數(shù)為單調(diào) 連續(xù)或間斷 的情況下 求最優(yōu)點(diǎn)的方法 使用條件 每做一次試驗(yàn) 根據(jù)結(jié)果可以決定下次試驗(yàn)的方向 2000 6 1 對(duì)分法的作法 每次選取因素所在試驗(yàn)范圍 a b 的中點(diǎn)處C做試驗(yàn) 計(jì)算公式 C a b 2 a b c 每試驗(yàn)一次 試驗(yàn)范圍縮小一半 重復(fù)做下去 直到找出滿意的試驗(yàn)點(diǎn)為止 2000 6 1 對(duì)分法 例 某毛紡廠為解決色染不勻問題 優(yōu)選起染溫度 采用對(duì)分法 具體如下 原工藝中的起染溫度為40 升溫后的最高溫度達(dá)100 故試驗(yàn)范圍先確定在40 100 2000 6 1 均分法 均分法是單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 它是在試驗(yàn)范圍 a b 內(nèi) 根據(jù)精度要求和實(shí)際情況 均勻地排開試驗(yàn)點(diǎn) 在每一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)上進(jìn)行試驗(yàn) 并相互比較 以求的最優(yōu)點(diǎn)的方法 作法 如試驗(yàn)范圍L b a 試驗(yàn)點(diǎn)間隔為N 則試驗(yàn)點(diǎn)n為 n 1 1 L N b a N 2000 6 1 均分法 例 對(duì)采用新鋼種的某零件進(jìn)行磨削加工 砂輪轉(zhuǎn)速范圍為420轉(zhuǎn) 分 720轉(zhuǎn) 分 擬經(jīng)過試驗(yàn)找出能使光潔度最佳的砂輪轉(zhuǎn)速值 N 30轉(zhuǎn) 分 n 1 1 11 b a N 720 420 30 試驗(yàn)轉(zhuǎn)速 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 2000 6 1 均分法 這種方法的特點(diǎn)是對(duì)所試驗(yàn)的范圍進(jìn)行 普查 常常應(yīng)用于對(duì)目標(biāo)函數(shù)的性質(zhì)沒有掌握或很少掌握的情況 即假設(shè)目標(biāo)函數(shù)是任意的情況 其試驗(yàn)精度取決于試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)目的多少 使用條件 2000 6 1 雙因素優(yōu)選法 如有兩個(gè)因素需要考慮 一個(gè)含量是1000克到2000克 另一個(gè)溫度5000 6000 1000克 1500克 2000克 5000 5500 6000 2000 6 1 對(duì)數(shù)法 例 123456789101112 最佳 2000 6 1 正交試驗(yàn)的概念 正交試驗(yàn)法就是利用正交表來合理安排和分析眾多因素的試驗(yàn)方法 它可以用較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得較優(yōu)的結(jié)果 影響因素 全面試驗(yàn)次數(shù) 正交試驗(yàn)次數(shù) 選擇三個(gè)不同的水平 4349 10310 59049 2000 6 1 正交試驗(yàn)的概念 安排任何一項(xiàng)試驗(yàn) 明確試驗(yàn)的目的是什么 用什么指標(biāo)來衡量考核試驗(yàn)的結(jié)果 對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)可能有影響的因素是什么 為了搞清楚影響的因素 應(yīng)當(dāng)把因素選擇在哪些水平上 2000 6 1 正交試驗(yàn)法的名詞注解 試驗(yàn)指標(biāo) 試驗(yàn)需要考察的效果稱為試驗(yàn)指標(biāo) 因素 對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有影響的參數(shù)稱為因素 水平 因素在試驗(yàn)中所處的狀態(tài)和條件的變化可能引起指標(biāo)的波動(dòng) 把因素變化的各種狀態(tài)和條件稱為因素的水平 2000 6 1 正交表的格式與特點(diǎn) 正交表是有規(guī)律的 按順序排成現(xiàn)成的表格 是正交試驗(yàn)的工具 正交試驗(yàn)是通過正交表進(jìn)行的 L4 23 正交表代號(hào) 正交表橫行數(shù)代表試驗(yàn)次數(shù) 因素水平表位級(jí)數(shù) 正交表列數(shù)因素?cái)?shù) 2000 6 1 正交表的格式與特點(diǎn) 1 均衡分散性 每一列中各種字碼出現(xiàn)相同的次數(shù) 2 整齊可比性 任意兩列中全部有序數(shù)字都出現(xiàn)相同的次數(shù) 2000 6 1 正交表 例 某軌枕廠試用減水劑以節(jié)約水泥 影響指標(biāo)的因素有四個(gè) 每個(gè)因素選取三個(gè)水平 考察的試驗(yàn)指標(biāo)僅為脫模強(qiáng)度 已知在節(jié)約水泥10 的條件下試用減水劑對(duì)脫模強(qiáng)度影響比較好 希望通過正交試驗(yàn)找出比較好的配方 2000 6 1 正交表 例 1 試驗(yàn)?zāi)康暮椭笜?biāo) 試驗(yàn)?zāi)康?水泥摻用減水劑以節(jié)約水泥 考核指標(biāo) 軌枕脫模強(qiáng)度 2 制訂因素水平表 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和資料分析制訂 2000 6 1 正交表 例 3 選用正交表 用L9 34 2000 6 1 正交表 例 4 設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案 2000 6 1 正交表 例 5 進(jìn)行試驗(yàn) 并記錄計(jì)算 2000 6 1 正交表 例 6 進(jìn)行分析 計(jì)算極差 最好 K1 333 368 362 1063 K2 367 336 333 1036 K2 358 349 362 1069 RA 1069 1036 33 2000 6 1 正交表 例 6 進(jìn)行分析 確定主次因素順序 R越大 說明該因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)影響越大 因而這個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)就愈重要 在本例中 減水劑是主要因素 主 次 CDAB 2000 6 1 正交表 例 6 進(jìn)行分析 選取較優(yōu)方案 最優(yōu)方案一般就是最優(yōu)水平的組合 所謂最優(yōu)水平的組合就是指全體最優(yōu)水平組成的試驗(yàn)條件 當(dāng)試驗(yàn)指標(biāo)最大最好時(shí) 以每列的Ki中數(shù)值最大的相應(yīng)水平為最優(yōu)水平 本例中 因素A中最優(yōu)水平為水平3因素B中最優(yōu)水平為水平1因素C中最優(yōu)水平為水平2因素D中最優(yōu)水平為水平3 最優(yōu)水平組合為A3B1C2D3 2000 6 1 正交表 例 6 進(jìn)行分析 畫趨勢(shì)圖 0 280 300 320 270 280 290 30 50 7370380390 7 反復(fù)調(diào)優(yōu)試驗(yàn) 逼近最優(yōu)方案