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DESIGNOFEXPERIMENTS(DOE):实验设计

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DesignofExperiments

(DOE)

实验设计

DESIGNOFEXPERIMENTS(DOE):实验设计

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DesignofExperiments(DOE)实验设计

1.定义和介绍

实验设计(DesignofExperiments)或设计实验(DesignedExperiments)是一系列试验及分析方法集,通过有目的地改变一个系统的输入来观察输出的改变情况。图1-1示出一个系统示意图。图1-1中的系统既可以看作是一个产品开发过程，也可以看作是一个生产过程。对于一个生产过程,一般它

是由一些机

图1-1一个系统示意图：Input输入;Output输出;Controllableinput

factors可控的输入参数X1,X2,…,Xp;Uncontrollableinputfactors不可控的输入参数Z1,Z2,…,Zq。

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器、操作方法和操作人员所组成的,把一种输入原材料转变(加工)成某种输出产品。这种输出产品具有一些可以观察的质量特性,也可叫响应(例如,产量、强度、硬度等)。一些过程参数(X1,X2,…,Xp)是可控的,例如进给速度、

淬火温度等;而另一些(Z1,Z2,…,Zq)是不可控的,它们有时被称为噪声参数,例如环境温度、湿度等。

实验设计的目的可能包括:

(1)确定哪些参数对响应的影响最大;

(2)确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使响应达到或尽可能靠近希望值(Ontarget)；

(3)确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使响应的分散度(或方差)尽可能减小。

(4)确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使不可控参数(噪声参数)对响应的影响尽可能减小。

因此,在制造过程的开发以及解决过程中出现的问题中都可以应用实验设计,以改善过程的性能,或者使过程对于外部波动源(干涉)不那么敏感，即得到一个“稳健”(Robust)的过程，同时还可节省时间和降低成本。所以,实验设计对于开发和改善制造过程,提高产品质量是一个非常重要的工程工具。

除此之处,实验设计还可以在新产品开发或现有产品改进中起到很大作

用:

(1)评价和比较不同设计方案;

(2)评价代用材料;

(3)确定影响性能的关键产品设计参数(KPC)。在这些领域应用实验设计可以改善产品的制造工艺性、增强服役性能和可靠性、降低产品成本和缩短产品开发周期。

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应该指出,实验设计包括的内容很多,有关的著作很厚,例如,Designandanalysisofexperiments(DouglasC.Montgomery)有538页,本课程主要介绍在工业上得到较广泛应用的析因实验法、部分析因实验法(包括所谓正交实验法)——Factorialexperiments,FractionalFactorial,andTaguchiMethod。

所以,在本课程中讲的实际上是狭义的实验设计,即析因实验法和部分析因实验法。

2.问题的提出——用实验的方法改进质量

在工程实践中经常碰到如下问题：

(1)影响产品和产品制造过程性能的可能因素往往很多,如何确定到底哪些因素是最有影响性的?

(2)如何调整这些因素才能获得最佳效果?

对于上述问题，工程计算和计算机模拟可以提供很有价值的结果,可以告诉为获得最佳效果一些影响参数应取的数值以及一些影响参数与响应之间的基本关系。但是,实际的产品及其制造过程都是很复杂的,为能进行上述计算和模拟往往需要进行必要的简化,这一般都会引入一定的分析误差。在这种情况下,分析结果一般又都需要得到专门设计的实验的验证。应该指出,进行上述计算和模拟的前提是要能找到描述影响参数与响应之间关系的工程方程(数学描述),否则便无法进行上述计算和模拟。即使在这种情况下,也可以应用实验的方法找到影响参数与响应之间的关系,达到改进质量的目的。

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所以可以说,为获得高质量的产品,进行必要的实验是不可缺少的。而进行实验是需要付出代价的,往往代价较高，需要花费较多的人力、物力和时间。所以,如何合理设计实验,以便能以最小的代价获得尽可能