Taguchi田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計培訓(xùn)

1、Introduction to Design of Experiments (DOE)-Taguchi實(shí)驗(yàn)設(shè)計介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)計介紹田口方法田口方法適用于適用于Minitab 15中文版中文版楊海峰楊海峰浙江九洲藥業(yè)股份有限公司浙江九洲藥業(yè)股份有限公司2010.01.152實(shí)驗(yàn)設(shè)計實(shí)驗(yàn)設(shè)計 Design of Experiments (DOE)?試驗(yàn)設(shè)計是一種研究與處理多因子試驗(yàn)的科學(xué)方法。和傳統(tǒng)的分試驗(yàn)設(shè)計是一種研究與處理多因子試驗(yàn)的科學(xué)方法。和傳統(tǒng)的分析方法采用多次單因子試驗(yàn)相比，試驗(yàn)設(shè)計方法允許在同一試驗(yàn)析方法采用多次單因子試驗(yàn)相比，試驗(yàn)設(shè)計方法允許在同一試驗(yàn)中包含多個變量，大大提高試驗(yàn)效率并

2、降低成本。中包含多個變量，大大提高試驗(yàn)效率并降低成本。X1X2X3X4X5Y1Y2Process生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程Inputs輸入輸入Process過程過程Outputs輸出輸出溫度溫度時間時間pHpH壓力壓力原料配比原料配比收率收率雜質(zhì)雜質(zhì)以上反應(yīng)共有以上反應(yīng)共有5個關(guān)鍵因子（變量），假定每個因子有兩個水平個關(guān)鍵因子（變量），假定每個因子有兩個水平（取值）。傳統(tǒng)方法進(jìn)行試驗(yàn)需要進(jìn)行（取值）。傳統(tǒng)方法進(jìn)行試驗(yàn)需要進(jìn)行2532次。而試驗(yàn)設(shè)計次。而試驗(yàn)設(shè)計方法只需要進(jìn)行方法只需要進(jìn)行8次試驗(yàn)就可以得出較高置信度的結(jié)論！次試驗(yàn)就可以得出較高置信度的結(jié)論！3傳統(tǒng)試驗(yàn)析方法和試驗(yàn)設(shè)計比較傳統(tǒng)試驗(yàn)析方法和試

3、驗(yàn)設(shè)計比較 傳統(tǒng)試驗(yàn)方法：傳統(tǒng)試驗(yàn)方法： 將應(yīng)影響輸出的眾多輸入變量（因子）在同一時間只允許有將應(yīng)影響輸出的眾多輸入變量（因子）在同一時間只允許有一個變量變化，其他相對固定。一個變量變化，其他相對固定。 試驗(yàn)周期長，浪費(fèi)時間，可能導(dǎo)致試驗(yàn)成本大幅提高，并拖試驗(yàn)周期長，浪費(fèi)時間，可能導(dǎo)致試驗(yàn)成本大幅提高，并拖延產(chǎn)品上市時間。延產(chǎn)品上市時間。 試驗(yàn)方法粗糙，因?yàn)闊o法考察因子間的交互影響，得到的結(jié)試驗(yàn)方法粗糙，因?yàn)闊o法考察因子間的交互影響，得到的結(jié)論可能和實(shí)際不符導(dǎo)致質(zhì)次價高。論可能和實(shí)際不符導(dǎo)致質(zhì)次價高。 試驗(yàn)設(shè)計：試驗(yàn)設(shè)計： 試驗(yàn)次數(shù)少，成本低，時間快。試驗(yàn)次數(shù)少，成本低，時間快。 能考察因子間

4、的交互影響。明確給出哪個因子是關(guān)鍵的，哪能考察因子間的交互影響。明確給出哪個因子是關(guān)鍵的，哪個是非關(guān)鍵的。個是非關(guān)鍵的。 讓我們更了解自己的工藝和如何進(jìn)行優(yōu)化控制。讓我們更了解自己的工藝和如何進(jìn)行優(yōu)化控制。 較高的置信度。較高的置信度。4傳統(tǒng)試驗(yàn)方法傳統(tǒng)試驗(yàn)方法多次單因子試驗(yàn)多次單因子試驗(yàn)(1) 以烤箱烤蛋糕為例：以烤箱烤蛋糕為例： 假定烤箱溫度和烘烤時間是兩個關(guān)鍵輸入因子。假定烤箱溫度和烘烤時間是兩個關(guān)鍵輸入因子。 烤好的蛋糕厚度作為關(guān)鍵輸出結(jié)果來衡量?？竞玫牡案夂穸茸鳛殛P(guān)鍵輸出結(jié)果來衡量。 試驗(yàn)方案如下：試驗(yàn)方案如下： 先固定烘烤時間，試驗(yàn)不同烘烤溫度的影響。先固定烘烤時間，試驗(yàn)不同烘烤溫

5、度的影響。 再固定烘烤溫度，試驗(yàn)不同烘烤時間的影響。再固定烘烤溫度，試驗(yàn)不同烘烤時間的影響。 最終確定最佳烘烤時間和溫度。最終確定最佳烘烤時間和溫度。5傳統(tǒng)試驗(yàn)方法傳統(tǒng)試驗(yàn)方法多次單因子試驗(yàn)多次單因子試驗(yàn)(2)先固定烘烤時間為先固定烘烤時間為3030分鐘，實(shí)驗(yàn)不同烘烤溫度下的蛋糕厚度分鐘，實(shí)驗(yàn)不同烘烤溫度下的蛋糕厚度優(yōu)化的溫度為優(yōu)化的溫度為200實(shí)例實(shí)例: : 烤蛋糕烤蛋糕6實(shí)例實(shí)例: : 烤蛋糕烤蛋糕優(yōu)化的時間為優(yōu)化的時間為30 mins先固定烘烤溫度為先固定烘烤溫度為200200，實(shí)驗(yàn)不同烘烤時間下的蛋糕厚度，實(shí)驗(yàn)不同烘烤時間下的蛋糕厚度傳統(tǒng)試驗(yàn)方法傳統(tǒng)試驗(yàn)方法多次單因子試驗(yàn)多次單因子試驗(yàn)

6、(3)71501601701801902002102202302402507.51530601201084?結(jié)論最優(yōu)化參數(shù)在這！結(jié)論最優(yōu)化參數(shù)在這！最終看起來最佳烘烤溫度為最終看起來最佳烘烤溫度為200200，最佳烘烤時間為，最佳烘烤時間為3030分鐘！分鐘！實(shí)例實(shí)例: : 烤蛋糕烤蛋糕傳統(tǒng)試驗(yàn)方法多次單因子試驗(yàn)傳統(tǒng)試驗(yàn)方法多次單因子試驗(yàn)(4)81501601701801902002102202302402507.51530601201081214166“真正的真正的”最佳點(diǎn)在這！最佳點(diǎn)在這！為什么我們沒能找到為什么我們沒能找到“真正的真正的”最優(yōu)化點(diǎn)最優(yōu)化點(diǎn)? ?傳統(tǒng)試驗(yàn)方法多次單因子試驗(yàn)傳

7、統(tǒng)試驗(yàn)方法多次單因子試驗(yàn)(5)實(shí)際上：最佳烘烤溫度和烘烤時間都和我們前面推測的不同！實(shí)際上：最佳烘烤溫度和烘烤時間都和我們前面推測的不同！9為什么我們沒能找到為什么我們沒能找到“真正的真正的”最優(yōu)化點(diǎn)最優(yōu)化點(diǎn)? 因?yàn)閭鹘y(tǒng)試驗(yàn)方法因?yàn)閭鹘y(tǒng)試驗(yàn)方法沒有考察各因子間的交互影響沒有考察各因子間的交互影響，導(dǎo)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際存在偏差。致試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際存在偏差。 各因子間存在交互影響，日常實(shí)踐中有很多例子：各因子間存在交互影響，日常實(shí)踐中有很多例子： 眾所周知：農(nóng)產(chǎn)品施肥時，氮肥、磷肥、鉀肥施用量之間就眾所周知：農(nóng)產(chǎn)品施肥時，氮肥、磷肥、鉀肥施用量之間就有明顯的交互影響。有明顯的交互影響。 剛才提到的

8、烤蛋糕問題。剛才提到的烤蛋糕問題。 合金配方中多種元素含量配比導(dǎo)致的合金性能差別。合金配方中多種元素含量配比導(dǎo)致的合金性能差別。 合成反應(yīng)中溫度、壓力、時間、物料配比、催化劑等等之間合成反應(yīng)中溫度、壓力、時間、物料配比、催化劑等等之間也往往存在非常顯著的交互影響。也往往存在非常顯著的交互影響。 傳統(tǒng)試驗(yàn)方法無法解決這一難題！傳統(tǒng)試驗(yàn)方法無法解決這一難題！10常用的試驗(yàn)設(shè)計方法常用的試驗(yàn)設(shè)計方法 全因子試驗(yàn)設(shè)計全因子試驗(yàn)設(shè)計 分部試驗(yàn)設(shè)計分部試驗(yàn)設(shè)計 篩選試驗(yàn)設(shè)計篩選試驗(yàn)設(shè)計 中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計試驗(yàn)設(shè)計 田口試驗(yàn)設(shè)計田口試驗(yàn)設(shè)計 事實(shí)上，每種試驗(yàn)設(shè)計

9、都各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的事實(shí)上，每種試驗(yàn)設(shè)計都各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域。11田口正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計法簡介田口正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計法簡介 Taguchi(田口田口)實(shí)驗(yàn)設(shè)計是利用正交表來挑選實(shí)驗(yàn)條實(shí)驗(yàn)設(shè)計是利用正交表來挑選實(shí)驗(yàn)條件和安排實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法件和安排實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法. 此實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法最早是由日本質(zhì)量管理專家田口玄一此實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法最早是由日本質(zhì)量管理專家田口玄一(Genechi Taguchi)提出提出, 由此又深化發(fā)展出參數(shù)優(yōu)由此又深化發(fā)展出參數(shù)優(yōu)化設(shè)計化設(shè)計, 公差設(shè)計和穩(wěn)健設(shè)計公差設(shè)計和穩(wěn)健設(shè)計(Robust Design). 日本人認(rèn)為不懂田口正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計的工程師，就不能日本人

10、認(rèn)為不懂田口正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計的工程師，就不能被稱為合格的工程師，可見其廣泛應(yīng)用的程度。被稱為合格的工程師，可見其廣泛應(yīng)用的程度。 田口方法在日本田口方法在日本“質(zhì)量立國質(zhì)量立國”的戰(zhàn)略中起到巨大的作的戰(zhàn)略中起到巨大的作用，被用到從造航天器到烤面包尋找最佳配方的角角用，被用到從造航天器到烤面包尋找最佳配方的角角落落，使用它的公司也因此獲得從幾萬元至上億元的落落，使用它的公司也因此獲得從幾萬元至上億元的收益。收益。 細(xì)節(jié)可參考細(xì)節(jié)可參考質(zhì)量工程師手冊質(zhì)量工程師手冊一書。一書。12Taguchi方法的基本概念方法的基本概念（1）質(zhì)量損失函數(shù)質(zhì)量損失函數(shù)(Quality Loss Function) 田口

11、方法認(rèn)為田口方法認(rèn)為, 質(zhì)量的定義是產(chǎn)品由于質(zhì)量的缺陷對帶來的質(zhì)量的定義是產(chǎn)品由于質(zhì)量的缺陷對帶來的損失損失. 其損失可以用一個質(zhì)量損失函數(shù)來表示其損失可以用一個質(zhì)量損失函數(shù)來表示: L= K (y-m)2 L為損失為損失 y為特定的質(zhì)量特征的實(shí)際值為特定的質(zhì)量特征的實(shí)際值 m為質(zhì)量特征的目標(biāo)值為質(zhì)量特征的目標(biāo)值 K為損失函數(shù)的比例常數(shù)為損失函數(shù)的比例常數(shù)田口給質(zhì)量下了如下定義：田口給質(zhì)量下了如下定義：“所謂質(zhì)量就是產(chǎn)品出廠后給社會帶來的損失所謂質(zhì)量就是產(chǎn)品出廠后給社會帶來的損失”。 質(zhì)量好，社會損失??；質(zhì)量差，社會損失大。質(zhì)量好，社會損失?。毁|(zhì)量差，社會損失大。13Taguchi方法的基本概

12、念方法的基本概念（2）正交表：正交表是正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計的基本工具正交表：正交表是正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計的基本工具. 是在運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論的正交是在運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論的正交拉丁方的基礎(chǔ)上構(gòu)造的一種規(guī)格化的表格拉丁方的基礎(chǔ)上構(gòu)造的一種規(guī)格化的表格. 其符號為其符號為Ln(ji) 其中其中: L 正交表的代號正交表的代號 n - 正交表的行數(shù)正交表的行數(shù), 即實(shí)驗(yàn)次數(shù)即實(shí)驗(yàn)次數(shù) j - 正交表中的數(shù)碼正交表中的數(shù)碼, 即因素的位級數(shù)即因素的位級數(shù) i - 正交表的列數(shù)正交表的列數(shù), 即實(shí)驗(yàn)因素的個數(shù)即實(shí)驗(yàn)因素的個數(shù) 一個一個 L8(27)的結(jié)構(gòu)為的結(jié)構(gòu)為: 列號 實(shí)驗(yàn)號 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) ：信噪比和穩(wěn)?。盒旁氡群头€(wěn)健(Robustness)的概念緊密相關(guān)的概念緊密相關(guān), 穩(wěn)健的概念追求產(chǎn)品或流程的表現(xiàn)在受到因素穩(wěn)健的概念追求產(chǎn)品或流程的表現(xiàn)在受到因素的波動時候的穩(wěn)定性的波動時候的穩(wěn)定性. 這個比用這個比用S/N來表示，來表示，S/N

14、可以是可以是: 望目值望目值 某個目標(biāo)值某個目標(biāo)值 望大值望大值 比如合格率比如合格率 望小值望小值 比如維修時間比如維修時間15用用Minitab進(jìn)行進(jìn)行Taguchi實(shí)驗(yàn)的實(shí)例實(shí)驗(yàn)的實(shí)例 (1)一個接觸器的使用壽命的實(shí)驗(yàn)設(shè)計示例一個接觸器的使用壽命的實(shí)驗(yàn)設(shè)計示例 （四因子兩水平）（四因子兩水平） Y = 壽命壽命 (衡量指標(biāo)為衡量指標(biāo)為: 次次) 因子因子: A = 觸片形狀觸片形狀 (標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn), 長長) B = 支撐長度支撐長度 (全長全長, .25mm間隙間隙) 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 (標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn), 橫向橫向) 在在Min

15、itab中中, 統(tǒng)計統(tǒng)計DOE田口田口 創(chuàng)建田口設(shè)計創(chuàng)建田口設(shè)計按設(shè)計鍵按設(shè)計鍵 選正交表選正交表 16用用Minitab進(jìn)行進(jìn)行Taguchi實(shí)驗(yàn)的實(shí)例實(shí)驗(yàn)的實(shí)例 (2)按因子鍵按因子鍵 輸入因子輸入因子的名稱和的名稱和水平水平 錄入收集的三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)錄入收集的三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù) 設(shè)計方案完成設(shè)計方案完成 17用用Minitab進(jìn)行進(jìn)行Taguchi實(shí)驗(yàn)的實(shí)例實(shí)驗(yàn)的實(shí)例 (3)分析：統(tǒng)計分析：統(tǒng)計 DOE 田口田口 分析田口設(shè)計分析田口設(shè)計 選信噪比、均值和標(biāo)準(zhǔn)差選信噪比、均值和標(biāo)準(zhǔn)差18用用Minitab進(jìn)行進(jìn)行Taguchi實(shí)驗(yàn)的實(shí)例實(shí)驗(yàn)的實(shí)例 (4)19用用Minitab進(jìn)行進(jìn)行

16、Taguchi實(shí)驗(yàn)的實(shí)例實(shí)驗(yàn)的實(shí)例 (5) 交互影響項(xiàng)分析中選中所有的可用項(xiàng)：交互影響項(xiàng)分析中選中所有的可用項(xiàng)：20用用Minitab進(jìn)行進(jìn)行Taguchi實(shí)驗(yàn)的實(shí)例實(shí)驗(yàn)的實(shí)例 (6)長標(biāo)準(zhǔn)7200069000660006300060000.25mm間隙全長0.011英尺0.012英尺7200069000660006300060000橫向標(biāo)準(zhǔn)觸片形狀均均值值 的的平平均均值值支撐長度材料厚度方向均均值值 主主效效應(yīng)應(yīng)圖圖數(shù)據(jù)平均值長標(biāo)準(zhǔn)10000800060004000.25mm間隙全長0.011英尺0.012英尺10000800060004000橫向標(biāo)準(zhǔn)觸片形狀標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)差差 的的平平均均值值支撐長度材料厚度方向標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)差差 主主效效應(yīng)應(yīng)圖圖數(shù)據(jù)平均值長標(biāo)準(zhǔn)97.096.596.095.5.25mm間隙全長0.011英尺0.012英尺97.096.596.095.5橫向標(biāo)準(zhǔn)觸片形狀信信噪噪比比 的的平平均均值值支撐長度材料厚度方向信信噪噪比比 主主效效應(yīng)應(yīng)圖圖數(shù)據(jù)平均值信噪: 望大對分析的結(jié)果來看，當(dāng)需要提對分析的結(jié)果來看，當(dāng)需要提高接觸器的壽命時，各因素的高接觸器的壽命時，各因素的設(shè)置為較長的長度，設(shè)置為較長的長度，.25毫米的毫米的支撐間隙，支撐間隙，0.11英尺的材料厚英尺的材料厚度和標(biāo)準(zhǔn)方向。度和標(biāo)準(zhǔn)方向。21用用