1、實驗設計與田口法介紹實驗設計與田口法介紹DOE&Taguchi MethodReporter:Raymond ChangDate:April 24,2006Professor:1 April 24,2006 NTHU 2Agenda1.What is DOE&Taguchi Method2.How to do DOE?3.How to use Taguchi Method?4.SummaryApril 24,2006 NTHU 31.What is DOE&Taguchi Method DOE:Design Of Experiment 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
2、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 NTHU 41.1 DOE的專門術語專門術語 Response:實驗結果實驗結果,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
3、率,電壓,電阻,電流,不良率,缺點數 Factor:因子因子,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：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，稱之一個處置April 24,2006 NTHU 5Y Y(品質特性品質特性)靜態靜態動態動態計量計量計數計
4、數望目特性望目特性望小特性望小特性望大特性望大特性計件計件計點計點感官感官視覺視覺,聽覺聽覺,嗅覺嗅覺,味覺味覺,觸覺觸覺,偏好偏好1.1.1 Responses,YsApril 24,2006 NTHU 61.1.2 Factors,Xs 對對Y有影響的一系列原因中，稱為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的自變數(Independent Variables)X1,X2,Xk；Y=f(X1,X2,Xk)X可以是定性或定量可以是定性或定量 例如定量以例如定量以 來表示溫度，來表示溫度，rpm表示轉速；
5、表示轉速；定性以定性以 A、B、C表示不同供應商，以早、中、晚班表表示不同供應商，以早、中、晚班表示不同班別的人員。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。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 NTHU 7Process Step輸入輸入輸出輸出X1X2X3X4X5純純 度度濃濃 度度長長 度度重重 量量強強 度度壽壽 命命磨耗率磨耗率縮收率縮收率噪噪 音音硬硬 度度收收 率率電電 壓壓電電 阻阻電電 流流不良率不良率缺點數缺點數Y2Y3C:Controllable 速度速度,溫度溫度,壓力壓力U:Uncontrollable 環
6、境溫度環境溫度,濕度濕度,作業員作業員Y1Y=f(X1,X2,Xk)April 24,2006 NTHU 81.3 DOE 的進行方式的進行方式 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 NTHU 91.3.1 One Factor a timeApril 24,2006 NTHU 101.3.2 二因子實驗設計之模式二因子實驗設計之模式April 24,2006 NTHU 11 k個因子，每個因子2
7、個水準(+,-)，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因子階層設計因子階層設計April 24,2006 NTHU 121.4 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短期間產出最優值的實驗結果 田口品值觀點：品質定義品質定義 損失函數損失函數 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 NTHU 131.4.1 直交表直交表
8、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 NTHU 141.4.2 品質定義品質定義TyA0L(y)偏離目標值損失近離目標值損失最佳品質最佳品質變異最小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 NTHU 15m0mmyA0L(y)m0mm+0yA0L(y)No
9、minal the best00ySmaller the betteryA0L(y)m0mm+0yA0L(y)Asymmetric00y yA0L(y)Larger the better望目型望小型望大型 不對稱型1.4.3 損失函數種類損失函數種類April 24,2006 NTHU 161.4.4 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 Square deviationMSDS/Nlog10April 24,2006 NTHU 171.4.5
10、 干擾因子干擾因子例子使用階段的外部干擾因子使用環境（溫度、濕度）、使用者干擾因子內部干擾因子材料磨耗、材料老化製造階段的外部干擾因子製造環境（溫度、濕度）、製造者干擾因子內部干擾因子材料變異、製程參數變異品質特性量測時的量測干擾因子量測的位置、量測的時間干擾因子干擾因子類別April 24,2006 NTHU 181.5 實驗次數比較實驗次數比較因子數 水準數 全因子 直交表 2 2 4(22)4 3 2 8(23)4 4 2 16(24)8 7 2 128(27)8 15 2 32768(215)16 4 3 81(34)9 April 24,2006 NTHU 191.6 資料分析方法資
11、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 NTHU 201.7 田口方法田口方法 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 NTHU 212.HOW to Do DOE?1.Define Ys:問題的認知及陳述2.Find Critical Xs：選擇因子3.Set Levels：選擇水準4.Design Treatments：選擇適當的實驗
12、設計5.Experiments：進行實驗6.Data Analysis：資料分析7.Repeat Experiment：重覆試驗8.Summary&Suggestion：結論及建議April 24,2006 NTHU 222.1 Define Y(煮咖啡為例煮咖啡為例)April 24,2006 NTHU 232.2 Find Critical Xs評分分數=(X1 x Y1)+(X1 x Y2)+(X1 x Y3)+(X1 x Y4)April 24,2006 NTHU 242.2 Find Critical XsApril 24,2006 NTHU 252.3 Set Level of X
13、sApril 24,2006 NTHU 26實驗組對照組2.4 Design Treatments 若因子若因子 A 有二個水準，因子有二個水準，因子B 有三個水準，有三個水準，因子因子C 有四個水準，有四個水準，則一個實驗同時考慮則一個實驗同時考慮 A、B、C 三個因素進三個因素進行觀測共有行觀測共有 2 3 424 組實驗。組實驗。最簡單的實驗組數最簡單的實驗組數April 24,2006 NTHU 272.4 Design TreatmentsApril 24,2006 NTHU 28煮法煮法咖啡量咖啡量研磨時間研磨時間 水的溫度水的溫度 咖啡品牌咖啡品牌杯子大小杯子大小烹調時間烹調時間
14、處置1蒸餾式1 CUP細90藍山大5分鐘處置2蒸餾式1 CUP標準100摩卡中6分鐘處置3蒸餾式1 CUP粗110仙度施小7分鐘處置4蒸餾式2 CUP細90摩卡中7分鐘處置5蒸餾式2 CUP標準100仙度施小5分鐘處置6蒸餾式2 CUP粗110藍山大6分鐘處置7蒸餾式3 CUP細100藍山小6分鐘處置8蒸餾式3 CUP標準110摩卡大7分鐘處置9蒸餾式3 CUP粗90仙度施中5分鐘處置10吸虹式1 CUP細110仙度施中6分鐘處置11吸虹式1 CUP標準90藍山小7分鐘處置12吸虹式1 CUP粗100摩卡大5分鐘處置13吸虹式2 CUP細100仙度施大7分鐘處置14吸虹式2 CUP標準110藍
15、山中5分鐘處置15吸虹式2 CUP粗90摩卡小6分鐘處置16吸虹式3 CUP細110摩卡小5分鐘處置17吸虹式3 CUP標準90仙度施大6分鐘處置18吸虹式3 CUP粗100藍山中7分鐘Price價格價格Acidity酸度酸度因素因素實驗序號實驗序號Taste味道味道Aroma香味香味2.5 ExperimentsX Factors&TreatmentsY Experiment ResultsApril 24,2006 NTHU 29Nk 柏qi丁放 柏PMljpi秸丁l-iH1 CUP2 CUP3 CUP彩灿夹非100J110J90JPI集d屡sjp5牧6牧7牧6.06.67.27.88.4
16、TasteDMain Effects Plot-Data Means for TasteD不同因素的水準li H 3 CUP2 CUP1 CUP8.57.56.55.54.5 柏qNkMeanInteraction Plot-Data Means for TasteD因素的水準主效應圖交互影響圖交互影響圖2.6 資料分析資料分析April 24,2006 NTHU 302.7 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 NTHU 313.田口法實驗設計重點田口法實驗設計重點 穩
17、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 NTHU 323.1 實驗設計的利益實驗設計的利益 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 NTHU 33Summary DOE的重點在剛開始的Y與X的定義。不懂直交表的定義，利用統計軟體直接產生即可。利用統計軟體，進行統計圖表製作與數據分析是DOE的重點 預測不同X所產生的Y，進行重複實驗。April 24,2006 NTHU 34Thank you for your attention!
