طراحی آزمایش DOE

طراحی آزمایش DOE

 

طراحی آزمایش DOE

طراحی آزمایشات یک رویکرد علمی است که به محققان اجازه کسب دانشی برای فهم بهتر یک فرآیند و همچنین تعیین چگونگی تاثیر ورودی ها بر روی خروجی ها را می دهد.

کدام ورودی ها بیشترین تاثیر را بر خروجی دارند؟

چه مقدار از هر ورودی بهترین خروجی را حاصل می کند؟

عوامل موثر بر تغییرات در خروجی چه می باشند؟

چگونه می توان آن ها را به حداقل رساند؟

چگونه می توان تاثیر ورودی های غیرقابل کنترل را به حداقل رساند؟

انجام آزمایش همواره متضمن هزینـه و زمان است. از این رو انجام آزمایش‌های مؤثـر که با صرف حداقل هزینه و زمان بیشترین اطلاعات را بدست بدهد آرمان هر مهندس یا محقق است و این هزینه و زمان هنگامی‌که تعداد عوامل افزایش پیدا کند به صورت صعودی افزایش پیدا می‌کند. بنابراین به روشی نیاز است که در آن بتوان با صرف حداقل هزینه و زمان، به بیشترین اطلاعات در مورد فرآیند دست پیدا کرد، نتیجه‌گیری‌های منطقی ارائه کرد و مدارک مستند در خصوص فرآیند بدست آورد. روشی که به بهترین شکل اهداف ذکر شده را برآورده می‌سازد، طراحی آزمایش‌های صنعتی (Design Of Experiments) DOE نام دارد.

طراحی آزمایش ها (DOE) یک رویکرد سیستماتیک است که در تحقیقات و صنعت برای برنامه ریزی، انجام و تجزیه و تحلیل آزمایش ها به منظور بهینه سازی فرآیندها، بهبود محصولات و درک روابط بین متغیرها استفاده می شود. DOE شامل کنترل و دستکاری متغیرها به شیوه ای ساختاریافته برای کشف بینش ها، بهینه سازی نتایج و تصمیم گیری آگاهانه است.

مفاهیم و مراحل کلیدی در فرآیند DOE عبارتند از:

مشکل را تعریف کنید:

مشکل، هدف یا سوالی را که می خواهید از طریق آزمایش به آن بپردازید، به وضوح تعریف کنید.

شناسایی عوامل و سطوح:

عواملی (متغیرهای مستقل) را که ممکن است بر فرآیند یا نتیجه تأثیر بگذارند، شناسایی کنید.
سطوح یا تنظیمات مختلفی را که در آن هر عامل آزمایش می شود، تعیین کنید.

طراحی آزمایشی را انتخاب کنید:

بر اساس اهداف مطالعه و منابع موجود، طرح آزمایشی مناسب را انتخاب کنید. طرح های متداول شامل طرح های فاکتوریل کامل، فاکتوریل کسری، سطح پاسخ و طرح های تاگوچی است.

تصادفی سازی:

به طور تصادفی شرایط تجربی را برای کاهش سوگیری و کنترل متغیرهای خارجی اختصاص دهید.

انجام آزمایشات:

آزمایش ها را طبق طرح برنامه ریزی شده اجرا کنید و مطمئن شوید که داده ها به طور دقیق و پیوسته ثبت می شوند.

جمع آوری داده ها:

جمع آوری داده ها در مورد متغیر پاسخ (متغیر وابسته) برای هر ترکیبی از عوامل و سطوح.

تحلیل داده ها:

تجزیه و تحلیل داده های جمع آوری شده برای شناسایی روندها، روابط و الگوها.
تکنیک های آماری مانند تحلیل واریانس (ANOVA)، تحلیل رگرسیون و روش های گرافیکی معمولاً برای تجزیه و تحلیل داده ها استفاده می شود.

تفسیر:

نتایج تجزیه و تحلیل داده ها را تفسیر کنید تا بفهمید که چگونه عوامل مختلف و تعامل آنها بر متغیر پاسخ تأثیر می گذارد.

بهینه سازی و تصمیم گیری:

از بینش به‌دست‌آمده از تجزیه و تحلیل برای بهینه‌سازی فرآیندها، ایجاد بهبود یا اطلاع‌رسانی در تصمیم‌گیری استفاده کنید.

اعتبار سنجی و تایید:

با انجام آزمایش‌ها یا آزمایش‌های اضافی، یافته‌ها را تأیید کنید تا مطمئن شوید اثرات مشاهده‌شده سازگار و قابل تکرار هستند.

گزارش نویسی:

طرح آزمایشی، روش ها، نتایج و نتیجه گیری ها را در یک گزارش واضح و سازمان یافته خلاصه کنید.

DOE را می توان در زمینه ها و صنایع مختلف از جمله تولید، مهندسی، توسعه محصول، کنترل کیفیت، کشاورزی و غیره اعمال کرد. با تغییر سیستماتیک عوامل و مشاهده اثرات آنها، محققان و متخصصان می توانند درک عمیق تری از روابط اساسی به دست آورند و تصمیمات مبتنی بر داده را برای دستیابی به نتایج بهتر اتخاذ کنند.

روش‌های DOE امکان آزمایش کارآمد، کاهش خطای تجربی، شناسایی شرایط بهینه، و کاوش برهم‌کنش‌های پیچیده بین متغیرها را فراهم می‌کنند. این یک ابزار موثر برای محققان و متخصصانی است که به دنبال کشف و بهینه سازی سیستماتیک فرآیندها و سیستم ها هستند.

طراحی آزمایش ها

همچنین استفاده از طراحی آزمایش‌ها به مهندسین کمک می‌کند تا تولید را توسعه و تکامل داده و فرآیندهایی را ایجاد کنند که مقابل عوامل محیطی و منابع دیگـر تغییر مقاومند. کاربرد به موقع و موفقیت آمیز طراحی آزمایش در توسعه فرآیند تولید می‌تواند اساسا زمان تولید و هزینه‌ها را تقلیل داده و به فرآیندها و فراورده‌هایی منتهی شود که در نوع خود عملکرد بهتر و اعتماد پذیری بالاتر از آنهایی دارند که با کاربـرد شیوه های دیگر بدست آمده‌اند.

با بکارگیری و درک مفهوم طراحی آزمایش‌ها، مدیران و مهندسان در می‌یابند که چگونه می‌توان محصولات فاقد قدرت رقابتی را مجدداً با کیفیتی بالاتر به صحنه رقابت بین المللی برگرداند. مدیران و مهندسان امروز لازم است که قبل از تصمیم‌گیری در مورد میزان بهبود و توسعه محصول و فرآیند، خود، اطلاعات کافی از روشهای طراحی آزمایش داشته باشند. به همین خاطر است که شرکتهای بین المللی نظیر تویوتا سالانه تعداد زیادی از مهندسان خود را تحت دوره‌های آموزشی DOE قرار می‌دهند و شرکتی مثل فورد در آمریکا، حتی تأمین کنندگان قطعات خود را ملزم به استفاده از این تکنیک می‌نماید.

با توجه به آنچه گذشت می‌توان دریافت که تکنیک DOE را می‌توان در اغلب فرآیندها جهت بهبود کیفیت مورد استفاده قرار داد. فرایندهایـی که در خروجی آن‌ها یک مشخصه کیفی، یک خواسته مشتری یا هر مشخصه دیگری مورد نیاز است.

در اغلب صنایع، کاربـرد صحیح و مؤثر طراحی آزمایش‌های آماری کلید افزایش بازدهـی، کاهش تغییرپذیری، کاهش زمان‌های تأخیـر در طراحی و توسعه محصولات بهتر و در نتیجه رضایت مشتری محسوب می‌شود.

تکنیک DOE محدود به محیطهای صنعتی و تولیدی نمی‌شود. در تمام فرآیندها و سیستم‌ها می‌توان از DOE بهره گرفت و کیفیت خروجـی را افزایش داد. در سیستم‌های اجتماعی که فرآیندها انسان هستند، در کشاورزی که فرآیندها گیاهان هستند، درسیستم‌های اقتصادی که فرآیندها مبادلاتی هستند و … می‌توان از DOE برای بهبود آنچه از این سیستم ها می‌خواهیم استفاده کرد.

 

در هر آزمایش تعدادی از متغیرها در اختیار تحلیل‌گـر بوده و آنها را با توجه به نیاز آزمایشی که انجام می‌دهـد تغییر می‌دهد. به همین دلیل به این متغیرها متغیرهای قابل کنترل نیز می‌گویند. عوامل تحت کنترل آن دسته از عواملی هستند که با چرخاندن یک شیر، تغییـرجهت یک کلید، تغییر یک قطعه یا کم و زیاد کردن مقدار مواد تغییر یابند. متغیرهای غیر قابل کنترل موجب ایجاد پارازیت (Noise) درفرآیند شده و امکان شناسایی متغیرهای قابل کنترل را کاهش می‌دهند. لذا شناسایی این متغیرها نیز از اهمیت خاصی برخوردار بوده و باید نسبت به جمع آوری اطلاعات در مورد آنها اقدام شود.

 یکی از مهمترین عواملی که باعث شکست در DOE می‌شود، عدم شناسایـی و جمع آوری اطلاعات در ارتباط با این گونه متغیـرها می‌باشـد. از معمول‌ترین متغیـرهای غیرقابل کنترل، تغییر اپراتور از یک شیفت به شیفت دیگر، تغییر دمای محیط و تغییر مواد اولیه ای که از بیرون شرکت وارد می‌شوند می‌باشند. در انجام این موضوع شناخت فرآیند لازم است که تجربه عملی و درک مفاهیم نظری در نزد کارشناسان شرکت هرمس اطمینان خاطر مشتریان از لحاظ شناخت کامل فرآیند، متغیرها و دامنه تغییرات آن‌ها و نحوه کنترل و اندازه‌گیری آن‌ها می‌باشد.

با استفاده از تکنیک‌هایی که به آنها اشاره شد ممکن است تعداد زیادی عوامل یا متغیر ورودی شناسایی شوند. استفاده از تمامی ‌آنها به علت تعداد زیاد آزمایش‌ها و همچنین هزینه های مربوط به اندازه‌گیری برای هر کدام از آنها بسیار مشکل و حتی ممکن است غیر ممکن باشد. لذا باید تعداد متغیرها را با انتخاب مهمترین آنها کاهش داد. کارشناسان هرمس در تمامی مراحل ارزیابی، انتخاب متغیرها و تکنیک طراحی، تحلیل نتایج و توجیه رفتار فرآیند و بهینه‌سازی در کنار شما خواهند بود.

 

فرآیند طراحی آزمایشات  این تحلیل‌هـا اغلب به وسیله نرم افزارهـای تحلیل آماری انجام می‌شود که معروفتـرین آنها Minitab و Design Expert می‌باشد.

چرا از طراحی آزمایشات استفاده می­کنیم؟

طراحی آزمایشات ما را در دستیابی به اهداف زیر یاری می­رساند:

۱- موثرترین روش برای شناسایی پارامترهای ورودی کلیدی.

۲- موثرترین روش برای بدست آوردن درکی مناسب از رابطه بین پارامترهای ورودی و پاسخ.

۳- روشی برای ساختن یک مدل ریاضی که رابطه بین ورودی و خروجی را مشخص می­کند.

۴- روشی برای مشخص کردن چیدمان پارامترهای ورودی که در بهینه سازی پاسخ و کاهش هزینه­ ها دخالت دارند.

۵- روشی برای تنظیم کردن تلرانس­­ ها.

۶- پراکندگی در پاسخ ها را کمینه می کند.

۷- قطعیت پاسخ ها را فراهم می کند

مثال طراحی آزمایشات

کاربردهای طراحی آزمایش‌ها (DOE)

۱٫انتخاب بین گزینه ها(آزمایشات مقایسه ای)

از کاتالیزورهای موجود بهتر است؟ اینها و بیشمار گزینه دیگر وجود دارد که ما نیاز به انتخاب آنها داریم . در واقع x آیا کالیزور ؟B بهتر است یا تأمین کننده A تأمین کنندهاین همان آزمایشات تک عاملی می باشد که ما با توجه به میانگین و رنج مشاهدات قادر به انتخاب گزینه مورد نظر خواهیم بود . آزمایشات مقایسه ای مفید خواهند بود برای :

– انتخاب بین گزینه ها برای مقایسات اولیه در ناحیه محدود

– انتخاب بین گزینه ها به منظور ایجاد اطمینان در ناحیه وسیع

۲٫تعیین پارامترهای کلیدی طراحی محصول که بر عملکرد آن اثر گذارند.(طرحهای غربالی)

در بین فاکتورهای موثر در یک مسأله بعضی از آنها بسیار مهم و بقیه اثر کمتری بر روی هدف دارند . دراین روش ما قادر خواهیم بود اطلاعاتی راجع به فاکتورهایی که اثرات مهمی بر روی پاسخ می گذارند کسب نمود و از میان تعداد زیادی عامل آنهایی که نیاز به مطالعه بیشتری دارند شناسایی نمود و با توجه به نمودارهای کنترلی روند آنها را بررسی و در محدوده مورد نظر حفظ نمائیم. طرحهای غربالی روشی اثر بخش با کمترین تعداد آزمایش برای تعیین فاکتورهای مهم فرآیند می باشند و درمواردی که ھدف به کارگیری روشهای سطح پاسخ باشد در گام اول معمولا از این طرحها استفاده می شود.

DOE

۳٫مدل نمودن فرآیند با استفاده از روش سطح پاسخ

گاها “ علاوه بر شناخت متغیرهایی که بر روی پاسخ اثر می گذارند اهداف دیگری نیز مد نظر قرار می گیرند که برای تأمین آنها نیاز به مدل نمودن فرآیند داریم. این اهداف شامل:

الف) به هدف معینی رسیدن

در بعضی فرآیندها نیاز داریم که مقدار پاسخ به اندازه معینی بوده و تغییرات آن کم باشد در این حالت بهترین راه مدل نمودن فرآیند و بررسی رفتار آن می باشد . به عنوان مثال یک ماشین که با تازگی تعمیر شده است برای آنکه مشخصه کیفی محصول برابر با اندازه اسمی بوده و از تولید ضایعات جلوگیری گردد نیاز به تنظیمات کوچکی دارد.

ب) ماکزیمم یا مینیمم نمودن یک پاسخ

در فرآیند هایی که سالها با آن کار نموده ایم این احساس وجود دارد که هر فاکتور در مقدار بهینه خود قرار دارد و خروجی فرآیند بهینه است در صورتیکه با بکارگیری طراحی آزمایشات و مدل نمودن و بهینه سازی آن می توان شرایط بهینه واقعی را یافت .

ج) کاهش تغییرات در پاسخ

در شرایطی ممکن است فرآیند در حالتی قرار گیرد که مقدار اسمی پاسخ آن در وضعیت مطلوب بوده ولی تغییرات پاسخ زیاد باشد در این حالت باید فاکتورهایی که تغییرات آنها را محدود و یا فرآیند را به ناحیه دیگری شیفت نمود . ضمن اینکه استفاده از نمودارهای SPC عامل اصلی تغییرات هستند را شناسایی و با استفاده از سطح پاسخ و یا کانتورها می تواند مؤثر واقع گردد .

د) مقاوم نمودن فرآیند در برابر تغییرات

محصولی که در شرایط کنترل شده تولید شده، قرار نیست در شرایط آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گیرد بلکه وقتی دست مشتری رسید مشتری ممکن است در هر شرایطی از آن استفاده کند به عنوان مثال استارت ماشین باید در شرایط مختلف دما قابل استفاده باشد بعبارتی استارت باید در برابر تغییرات دما مقاوم باشد.

ه) بهینه سازی چند ھدف

در یک محصول یا یک فرآیند هیچ گاه با یک مشخصه کیفی مواجه نیستم و معمولا به این گونه است که به دنبال بهینه سازی چند هدف می باشیم و اهداف نیز غالبا با هم متناقض هستند .

شناخت مشخصه‌های محصول و فرآیند و تعیین موثرترین و مهم‌ترین عوامل کنترل فرآیند:

بعنوان مثال در سنگ‌زنی یک آلیاژ آلومیناید تیتانیوم که در نسل آینده موتورهای هواپیما و جت بطور گسترده بکار گرفته خواهند شد عدم وجود آسیب‌های سطحی نظیر ترک و تنش پسماند در سطح بسیار اهمیت دارد. بر این اساس پروژه‌ای جهت بررسی اثر ۵ پارامتر شامل پارامترهای سنگ‌زنی (سرعت برشی و عمق برش) و پارامترهای چرخ‌سنگ (اندازه دانه، سختی، تخلخل) بر چگالی و عمق ترک‌هاس سطحی تعریف گردیده تا مشخص گردد کدامیک از عوامل بتنهایی و یا در تعامل با دیگر پارامترها تاثیر گذار هستند. نتایج حاصل از این تحقیق که با تعداد محدودی آزمایش انجام گردیده است تقریبا بدون استفاده از تکنیک‌های طراحی آزمایش‌ها غیر قابل حصول می‌باشد.

 

مدل‌سازی

بعنوان مثال در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی، درصد مناسب مواد در ترکیب جهت حصول به خروجی مورد نظر نظیر ویسکوزیته، قدرت پلک کنندگی و … مد نظر می‌باشد. در اینگونه موارد قانون مشخصی برای بدست آوردن فرمول خروجی مورد نظر (مثل قدرت پاک کنندگی) بر حسب ترکیب مواد اولیه وجود ندارد و بهترین راه استفاده از تکنیک‌های طراحی آزمایش‌ها جهت فرموله کردن فرآیند می‌باشد که پس از آن برای رسیدن به هر مقدار خروجی مشخص، درصد ترکیب مواد اولیه براحتی با استفاده از فرمول قابل پیش‌بینی می‌باشد.

 

بهینه ‌سازی

در اینگونه موارد بخش مهندسی بدنبال یافتن بهترین تنظیم (Setting) برای فرآیند بوده بدین ترتیب که مقدار هر یک از عوامل تاثیرگذار بر فرآیند بنحوی تعیین می‌گردد تا یک یا چند پارامتر خروجی بهینه گردند. بعنوان نمونه در ماشینکاری وایرکات، یافتن بهترین پارامترهای ورودی بنحوی که هم سرعت ماشینکاری افزایش یابد و هم بهترین سطح ممکن (عاری از عیوب سطحی) حاصل گردد.

بهینه‌سازی در صنایع غذایی: مشکل عدم یکنواختی سطح نوشیدنی در بطری‌‌ها

یک شرکت تولید کننده نوشیدنی با مشکل عدم یکنواختی سطح نوشیدنی در بطری مواجه می‌باشد. از لحاظ تئوری دستگاه پرکننده هر بطری را تا ارتفاع مورد نظر پر می‌نماید ولی در عمل انحراف از ارتفاع تعیین شده وجود دارد. سازندگان قصد دارند تا با انجام آزمایش‌هایی عامل این انحراف‌ها را یافته و تا حد ممکن از میزان تغییرات سطح مایع بکاهند.

مهندس فرآیند قادر به کنترل سه عامل اثر گذار بر فرآیند یعنی درصد کربن، فشار پرکننده و تعداد تولید بطری پرشده (سرعت تولید) در دقیقه. از بین سه عامل فوق، فشار پر کننده و سرعت تولید براحتی قابل کنترل می‌باشند ولی درصد کربن در حین فرآیند واقعی بدلیل متغیر بودن دمای محصول بسختی قابل کنترل می‌باشد.

در حل این مشکل با استفاده از DOE با انجام تنها ۲۴ آزمایش (با دو تکرار و بدون توقف زیاد در خط تولید) میزان اثر‌گذاری عوامل مشخص گردیده و پس از تحلیل نتایج، مناسب‌ترین حالتی هم دارای تکرارپذیری در ارتفاع مایع درون بطری در اثر نوسان دمای قطعه‌کار بوده و هم بیشترین سرعت تولید را نتیجه دهد بعنوان بهینه‌ترین حالت انتخاب گردیده است.

در صورت عدم استفاده از روش‌های طراحی آزمایش‌ها نه تنها هزینه و زمان بیشتری صرف انجام آزمایش‌ها می‌گردد بلکه پس از جمع‌آوری داده‌ها نیز تحلیل آن‌ها دشوارتر بوده و بعضا با تفسیر اشتباه نتایج همراه می‌باشد

در طرح آزمایش از برخی مفاهیم استفاده می شود که عبارتند از:

پاسخ: یک نتیجه قابل اندازه گیری مورد علاقه، به عنوان مثال: عملکرد، قدرت و غیره

عوامل: متغیرهای قابل کنترل که عمدا دستکاری می شوند تا اثرات فردی و مشترک خود بر روی پاسخ (ها) تعیین شود، یا عواملی هستند که مقادیر نتیجه آزمایش را تحت تاثیر قرار می دهند، مانند دما، زمان و غیره

سطح: سطوح به مقادیر فاکتورهایی که داده ها جمع آوری می شوند اشاره می کند؛ “مقادیری که در آزمایش در نظر گرفته می شوند”، به عنوان مثال: سطح یک – برای زمان ۲ ساعت و سطح دو – برای زمان ۳ ساعت

تیمار: مجموعه ای از سطوح فاکتور مشخص شده برای یک آزمایش آزمایشی، به عنوان مثال: تیمار یک: زمان = 2 ساعت و درجه حرارت = 175 درجه سانتی گراد تیمار دو: زمان = 3 ساعت و درجه حرارت = 225 درجه سانتی گراد

اثرات اصلی: میزان تغییر در پاسخ که توسط تغییر در سطح یک فاکتور به وجود می آید را اثر اصلی آن فاکتور می گویند.

اثرات متقابل: اثر دو یا چند عامل بر روی پاخ می باشد.

نویز: متغیرهایی که بر عملکرد محصول / فرآیند تأثیر می گذارند، مقادیری که نمی توانند کنترل شوند یا به دلایل اقتصادی کنترل نشده اند.

تکرار: یک تکرار سیستماتیک از سری آزمایش های تجربی است. این ابزار، اندازه گیری دقت را با محاسبه خطای آزمایشی فراهم می کند.

شرایط بهینه: هدف از مطالعه یک پدیده یافتن شرایط بهینه برای آن است که میتواند بیشترین مفدار، کمترین مقدار یا یک مقدار اسمی باشد.

جهت مشاهده مطالب روش تحقیق در روانشناسی و علوم تربیتی کلیک کنید.

مطلب آموزشی بالا مربوط به طراحی آزمایش  DOE است که در سایت یونی تحلیل آن را در اختیار شما پژوهشگر عزیز قرار داده ایم.

روش تحقیق روانشناسی و علوم تربیتی

www.cmu.edu

 

 

انجام تحلیل های آماری با استفاده از نرم افزار هایPls,  Lisrel, Amos, Spss توسط تیم تحلیلی یونی تحلیل.

شبکه تحلیلی یونی تحلیل در هفت روز هفته و 24 ساعت شبانه روز با تیم پشتیبانی خود از طریق راه های ارتباطی زیر پذیرای نظرات سازنده شما می باشد.

Site : www.unitahlil.ir

Phone number : 09199551777

Instagram : unitahlil

Email: unitahlil@gmail.com