- طراحی آزمایشها چیست؟
طراحی آزمایشها شامل یک آزمایش یا یکسری از آزمایشهایی می شود که به طور آگاهانه در متغیرهای ورودی فرآیند تغییراتی ایجاد می گردد تا از این طریق میزان تغییرات حاصل در پاسخ خروجی فرآیند مشاهده و شناسایی شود. فرآیند را می توان ترکیبی از دستگاهها, روشها و افراد تصور نمود که مواد ورودی را به یک محصول خروجی تبدیل می کنند. این محصول خروجی دارای یک یا چند مشخصه کیفی یا پاسخهای قابل مشاهده است. در مهندسی، آزمایش کردن نقش مهمی در طراحی محصول جدید،توسعة فرآیند ساخت و بهبود فرآیند ایفا میکند. پس، طراحی آزمایشها یک روش علمی است که به محقق اجازه می‌دهد اطلاعاتی به دست آورد تا یک فرآیند را بهتر بشناسد و نحوة تأثیر ورودیها را در متغیر پاسخ تعیین کند. یک فرآیند بطور شماتیک به شکل زیر نمایش داده میشود :
بعضی از متغیرهای فرآیند قابل کنترل و سایر آنها غیرقابل کنترل هستند (گرچه آنها می توانند در شرایط آزمایش قابل کنترل باشند.) در بعضی موارد این عاملهای غیرقابل کنترل عاملهای اغتشاش نامیده می شوند.
اهداف یک آزمایش ممکن است شامل موارد ذیل گردد :
- تعیین متغیرهای قابل کنترلی که بیشترین اثر را بر روی پاسخ دارند.
- تعیین مقادیر متغیرهای قابل کنترلی که بیشترین اثر را بر روی پاسخ دارند, به گونه ای که y به مقدار اسمی خود نزدیک تر باشد.
- تعیین مقادیر متغیرهای قابل کنترلی که بیشترین اثر را بر روی پاسخ دارند, به گونه ای که تغییرات در y کوچک باشد.
- تعیین مقادیر متغیرهای قابل کنترلی که بیشترین اثر را بر روی پاسخ دارند, به گونه ای که اثرات متغیرهای غیرقابل کنترل حداقل گردد.
بنابراین روشهای طراحی آزمایشها را می توان در توسعه یا رفع مشکلات فرآیند و نتیجتاً بهبود عملکرد آن و یا دست یافتن به فرآیندی که نسبت به منابع تغییرات خارجی فاقد حساسیت و یا مقاوم است استفاده کرد.
روشهای کنترل فرآیند آماری و طراحی آزمایشها که دو ابزار خیلی مهم و مفید برای بهبود و بهینه سازی فرآیندها هستند, رابطه نزدیکی با یکدیگر دارند. به عنوان مثال اگر فرآیندی تحت کنترل آماری باشد ولی کارایی آن مطلوب نباشد, آن گاه تغییرات در فرآیند باید کاهش پیدا کند تا کارایی آن بهبود یابد. روشهای طراحی آزمایشها می تواند این کار را به طور موثرتر از SPC انجام دهد. اساساً SPC یک روش واکنشی است و یا به عبارت دیگر فرآیند آن قدر تحت نظر گرفته می شود تا اطلاعات مفیدی که حاکی از ایجاد تغییر در مورد فرآیند است به دست آید. با این حال, اگر فرآیند تحت کنترل باشد آن گاه نظارت واکنشی ممکن است اطلاعات مفید چندانی ارایه ندهد. از طرف دیگر, طراحی آزمایشها یک روش آماری کنشی محسوب می گردد. به عبارت دیگر, یک سری آزمایش بر روی فرآیند با ایجاد تغییرات آگاهانه در ورودیها و مشاهده تغییرات حاصل در خروجی های فرآیند انجام می گیرد و اطلاعات حاصل باعث می شود تا عملکرد بهبود یابد. همچنین روشهای طراحی آزمایشها می توانند در استقرار کنترل آماری فرآیند مفید واقع گردند.
به عنوان مثال, فرض کنید که نمودار کنترل حالت خارج از کنترل را نشان می دهد و فرآیند چندین متغیر ورودی قابل کنترل دارد. اگر بدانیم کدام یک از متغیرهای ورودی مهم هستند آن گاه می توان فرآیند را به حالت تحت کنترل برگردانید در غیر این صورت برگرداندن فرآیند به حالت تحت کنترل بسیار مشکل خواهد بود. روشهای طراحی آزمایشها را می توان جهت شناسایی متغیرهایی که بر روی فرآیند اثر می گذارند استفاده کرد.
طراحی آزمایشها یکی از ابزارهای مهندسی مهم در راستای بهبود فرآیندهای تولید محسوب می شود. این ابزار کاربرد فراوانی در توسعه یک فرآیند تولید دارد. کاربرد این فنون در مراحل اولیه توسعه فرآیند می تواند نتایج زیر را به همراه داشته باشد :
- بهبود بازده
- کاهش تغییرات
- کاهش زمان توسعه
- کاهش هزینه ها
همچنین روشهای طراحی آزمایشها می تواند نقش مهمی در فعالیت های طراحی مهندسی که شامل طراحی و توسعه محصولات جدید و بهبود محصولات موجود می گردد ایفا نماید. به عنوان مثال می توان به موارد زیر که بعضی از کاربردهای طراحی آزمایشهای آماری در طراحی مهندسی را نشان می دهند اشاره کرد :
- ارزیابی و مقایسه شکل و ابعاد اساسی طراحی
- ارزیابی مواد
- تعیین پارامترهای کلیدی طراحی محصول که بر عملکرد آن اثر می گذارند.
استفاده از طراحی آزمایشها در هر یک از موارد فوق می تواند تولید محصول را بهبود, عملکرد و قابلیت اطمینان آن را افزایش و قیمت محصول و زمان توسعه آن را کاهش دهد.
- چرا از طراحی آزمایشها استفاده می‌کنیم ؟
بدون توجه به اینکه یک نفر در کجا کار میکند ( توسعه، طراحی، کیفیت، آزمایش، قابلیت اطمینان، تولید، بسته‌بندی) وظیفة اکثر دانشمندان و مهندسان، بدست‌آوردن مستندات و انتقال اطلاعات محصول یا فرآیند میباشد. اطلاعات صحیح در این مورد بسیار مهم است.
برای درک صحیح یک فرآیند، فرد به واقعیت‌ها و داده‌ها نیاز دارد. جمع‌آوری اطلاعات با استفاده از آزمایش یک عامل در آن واحد و یا یکسری آزمونهای سعی و خطا منجر به فعالیت‌های غیرمؤثر و غیرکارآمدی برای درک و بهبود طرحهای محصول و فرآیند میشود. اگر یک شرکت قصد دارد در بازار رقابتی پا برجا بماند، این روشهای کهنه و قدیمی دیگر سودی ندارند.
روشهای طراحی آزمایشها به مدیران و افراد اجازه می‌دهند در موارد زیر اطلاعات بدست آورند:
1) بهبود عملکرد مشخصه‌های کیفی
2) کاهش هزینه‌ها
3) کاهش زمان توسعه محصول و تولید
بهبود عملکرد مشخصه‌ها از شناخت عوامل بحرانی حاصل میشود که میانگین فرآیند را بهبود می‌دهد و تغییر پذیری پاسخ را حداقل میکند و پایداری را ایجاد میکند. همچنین این بهبود عملکرد منجر به کاهش ضایعات و دوباره‌کاری می‌گردد، که به مقدار زیادی هزینه‌ها را کاهش می‌دهد. شناخت اینکه کدام عاملها برای بهبود عملکرد بحرانی هستند، روشن خواهد کرد که کدام عوامل باید کنترل شوند و تلرانسهای آنها چقدر باید باشد.
شناخت عوامل بدون اهمیت، به فرد اجازه می‌دهد که تلرانسها را باز کند و یا سطحی از عامل را انتخاب کند که منجر به هزینه‌های کمتر تولید شود. کاهش زمان بازاریابی با درک اینکه مشتری واقعاً چه می‌خواهد، بدست می‌آید و با استفاده از رویه‌های کارآمد آزمایش، اطلاعات مورد نیاز برای بهبود فرآیند و محصول به دست می‌آید.
برای یک مهندس یا محقق که قصد دارد انتظارات یک مدیر را پاسخ دهد طراحی آزمایشها میتواند کاربردهای زیر را داشته باشد :
1) کارآمدترین روش برای شناخت عوامل ورودی کلیدی.
2) کارآمدترین روش برای بدست آوردن درک صحیح بین عوامل ورودی و پاسخ‌ها.
3) روشی برای ساخت یک مدل ریاضی وابسته به پاسخ برای عوامل ورودی، که معمولاً جهت توصیف‌کردن یک فرآیند یا محصول بکار می‌رود.
4) روشی برای تعیین تنظیمات عوامل ورودی که متغیر پاسخ را بهینه میکنند و هزینه‌ها را کاهش می‌دهند.
5) یک روش علمی برای تنظیم تلرانسها.
البته این نکته را باید در نظر داشته باشیم که تا زمانی که مهندسین طراحی آزمایشها ازتمامی ابزارهای آماری موجود مطلع نباشند و آزمایشهای آنها به خوبی طراحی نشوند، نتایج میتوانند گمراه کننده باشند و مقادیر زیادی از منابع بدون دلیل هدر می‌روند.
یکی از دلایل مجبورکننده مدیران صنایع و مهندسین برای یادگیری آزمایشهای طراحی شده بر پایة نیاز برای رقابت با کشورهایی بود که با موفقیت این روشها را اجرا کرده بودند. در سال 1964، صنایع آمریکا با 6 بیلیون دلار سود بر این موضوع واقف نبودند که آنها در زیر تهاجم رقابتی شرکتهای خارجی قرار دارند.
در سال 1984، آمریکا با 123 بیلیون دلار کسری بودجه در تجارت مواجه شد. در این دورة 20 ساله، بهره‌وری آمریکا فقط30% افزایش یافت که در مقایسه با آن برخی از کشورهای اروپایی60% و کشور ژاپن 120% بهره‌وری خود را افزایش داده بود. این کشور که در دهة 50 و60 به سازنده محصولات بدون کیفیت مشهور شده بود، چنان رشد کرد که در دهة 70 و 80 با ساخت محصولات با کیفیت بالاتر و قیمت پائین‌تر ادامة حیات محصولات آمریکا را در معرض خطر قرار می‌داد.
چگونه این مسئله اتفاق افتاد؟ اکنون همه می‌دانند که ژاپن موفقیت خود را مرهون طراحی کیفیت در محصول با استفاده از آزمایشهای طراحی شده و بازرسی کیفی در طول تولید، توسط کنترل آماری کیفیت بود.
- تغییرپذیری و تأثیر آن بر کیفیت
شاید برای شما تعجب‌آور باشد که در آزمایشگاه‌ها یا فرآیندهای تولید با کنترل زیاد، در محصول نهایی تغییرپذیری وجود خواهد داشت. تغییرپذیری توسط عوامل غیر قابل کنترل یا مزاحم فرآیند تولید میشود. تغییرپذیری زیاد، درجه کیفیت محصول را پائین می‌آورد و باعث ضرر و زیان کارخانه میشود. راه حل این مسئله تنظیم حدود مشخصات فنی و انجام بازرسی محصول نهایی میباشد تا تضمین کنیم که تعداد اقلام معیوب خروجی از کارخانه برابر با صفر میباشد. این راه حل موجب میشود که شرکت محصول خود را به دو دسته قابل قبول (داخل حدود مشخصات فنی) و غیر قابل قبول (خارج حدود مشخصات فنی) تقسیم کند. همانگونه که در شکل (2-1) نشان داده شده است ضرر و زیان شرکت به خاطر خروج از حدود مشخصات میباشد. اگر تعداد زیادی محصول خارج از حدود تولید شود و محصولات قبل از حمل به درستی بازرسی نشوند، آنگاه:
(1) شکایتها افزایش خواهند یافت
(2) نیروی اضافی صرف تعمیر محصولات تحت گارانتی خواهد شد
(3) مشتری‌ها مایوس شده وبه دنبال محصول مطمئن‌تر خواهند رفت
راه حل بهینه برای این مسئله این است که تنها به بازرسی‌ها درانتهای خط تولید اکتفا نکنیم. بنا به گفتة جوران، این بازرسی‌ها تنها به اندازة80 درصد مؤثر میباشند. این راه حل (بازرسی) نیاز به نیروی انسانی بیشتر دارد و میتواند موجب هزینه‌های گزاف، ضایعات و دوباره‌کاری شود.
همچنین داشتن سودآوری در چنین شرایطی نیاز به این دارد که قیمت فروش را افزایش دهیم، که این کار باعث کاهش ادامه‌دار رضایت مشتری خواهد شد. علاوه بر این، دلیلی ندارد که تصور کنیم اگر فقط یک محصول داخل حدود مشخصات فنی باشد، ضرر و زیانی متوجه شرکت نخواهد شد. برای مثال ساخت شیشة عینک و فریم آن را در نظر بگیرید. اگر شیشه در پائین‌ترین حد مشخصة فنی (LSL) و فریم عینک در بالاترین حدود مشخصة فنی (USL) خود باشد، آنگاه کیفیت محصول کاهش خواهد یافت.
برای ساخت یک محصول کیفی با کمترین هزینه، باید کیفیت در فرآیند آن طراحی شود و توجه، معطوف به تولید در مقدار هدف (اسمی) باشد، نه اینکه تولید فقط در داخل حدود مشخصات باشد (شکل3-1).
هرگونه انحراف از مقدار هدف منجر به ضرر و زیان برای تولید کننده به شکل بازرسی، ضایعات، دوباره‌کاری، هزینه‌های گارانتی، افزایش زمان سیکل، تغییرات طراحی، کاهش سود، افزایش موجودی و … خواهد شد. زیانهای خریدار مربوط به کاهش سطح عملکرد و قابلیت اطمینان و هزینه‌های نگه‌داری میشود . عاقبت یک خریدار (مشتری) یک تولید کننده (تأمین کننده) بهتر خواهد یافت و بنابراین زیان نهایی تولید کننده، کاهش سهم بازار خواهد بود .
برای کم کردن زیان ناشی از انحراف از هدف، تغییر پذیری محصول در اطراف مقدار هدف باید کاهش پیدا کند .
همانطوری‌که در شکل بالا ملاحظه می‌کنید محصول B میزان بالاتری از مقادیر اندازهگیری شده را در نزدیکی مقدار هدف نسبت به محصول A دارا میباشد. بنابراین، محصول B منجر به ضررکمتری خواهد شد. شما ترجیح می‌دهید ازکدامیک خریداری کنید. تولید کننده محصول A یا B ؟ در مورد مشتری‌های شما چطور؟ آنها محصول شما را مانند محصول A می‌دانند یا محصول B ؟
در هر جایی که کار می‌کنید، تحقیق، توسعه، تولید، بسته‌بندی و یا هر فرآیند مرتبط با تولید، کاهش تغییرپذیری، بهترین موفقیتی است که با شناخت روابط بین متغیرهای خروجی (پاسخ‌ها یا مشخصه کیفی) و متغیرهای ورودی (عوامل یا پارامترها) می‌توان بدست آورد.
دو ابزار مهم و ساده که باید قبل از جمع‌آوری داده‌ها مورد استفاده و بررسی قرار گیرند، نمودار جریان فرایند(Process Flow Diagram) و نمودار علت و معلول(Cause and Effect Diagram) میباشند. در صورت استفادة صحیح، یک نمودار علت و معلول لیستی از تمام منابع (علتهای) تغییرپذیری در مقدار پاسخ را دارا خواهد بود. این ورودیها باید تقسیم‌شوند، به ورودی‌هایی که باید ثابت نگه‌داشته شوند، ورودی‌هایی که نمی‌توانند ثابت نگه داشته شوند (عوامل اغتشاش Noise Factors) و ورودی‌هایی که بیانگر عوامل کلیدی میباشند که بایستی در مورد آنها تحقیق شود. تمامی منابع شناخته شده تغییرپذیری که میتوانند به سادگی و با هزینه‌های کم از بین بروند، بایستی قبل از هرگونه آزمایش شناخته و منهدم شوند تا فرآیند تقریباً به حالت تحت کنترل (ثبات) نزدیک شود. این حالت معمولاً نیاز دارد که تعداد زیادی از ورودی‌های روی نمودار علت و معلول ثابت نگه داشته شوند. ثابت نگه داشتن ورودیها مستلزم برخی رویه‌های اجرایی مستند خواهد بود.
- چند مثال در مورد کاربرد روش DOE
- ویژگی شناسی یک فرایند
یک مهندس تولید از SPC برای کنترل فرآیند لحیم کاری قطعات الکترونیکی بر روی صفحات مدار چاپی استفاده می کند. او با استفاده از نمودارهای u و تجزیه و تحلیل پاراتو , فرآیند جریان لحیم را در شرایط تحت کنترل آماری قرار می دهد و از این طریق تعداد متوسط اتصالاتی که در هر صفحه به طور معیوب لحیم کاری می شده اند به حدود 1 درصد کاهش می یابد. با این حال چون یک صفحه به طور معمول حدود 2000 اتصال لحیم شده دارد حتی میزان 1 درصد معیوبی در اتصالات می تواند باعث تولید تعداد زیادی اتصالات لحیم شده که نیاز به دوباره کاری دارند, گردد.
بدین منظور مهندس تولید در نظر دارد میزان نقصها را باز هم کاهش دهد. با توجه به این نکته که فرآیند تولید در شرایط تحت کنترل به سر می برد دقیقاً معلوم نیست کدام یک از دستگاهها نیاز به تنظیم دارد.
دستگاه لحیم کاری دارای چندین متغیر قابل کنترل است. آنها عبارتند از :
درجه حرارت لحیم
درجه حرارت پیش گرما
سرعت دستگاه انتقال
نوع روغن لحیم
چگالی روغن لحیم
عمق موج لحیم
زاویه دستگاه اتصال
علاوه بر این عاملهای قابل کنترل, عاملهای دیگر نیز وجود دارند که نمی توان آنها را در طول زمان تولید به سادگی کنترل کرد (گرچه می توان آنها را فقط برای اهداف آزمایش کنترل نمود). این عاملها عبارتند از :
ضخامت صفحه مدار چاپی
انواع قطعاتی که در صفحه استفاده شده اند.
جانمایی قطعات بر روی صفحه
اپراتور
میزان تولید
در چنین شرایطی مهندس تولید علاقمند است که مشخصات جریان لحیم را در دستگاه لحیم کاری تعیین نماید و یا به عبارت دیگر او می خواهد عاملهایی (قابل کنترل و غیرقابل کنترل) که بر پیدایش تعداد نقصها در صفحات مدار چاپی اثر می گذارند را تعیین کند. به منظور دست یافتن به چنین هدفی او می تواند آزمایشی طراحی کند تا به وسیله آن اندازه و میزان اثرات عاملها تعیین گردند. به عبارت دیگر با تغییر هر عامل چه مقدار متغیر پاسخ (نقصها در هر واحد) تغییر می کند و آیا تغییر عاملها به طور همزمان باعث می گردد که نتایج حاصل با حالتی که هر عامل به طور مجزا تغییر داده می شود متفاوت باشد؟ در بعضی مواقع, این نوع آزمایش را آزمایش غربالی (Screening Experiment) می نامند.
فهرست مطالب:
فصل اول
- طراحی آزمایشها چیست؟
- چرا از طراحی آزمایشها استفاده می‌کنیم ؟
- تغییرپذیری و تأثیر آن بر کیفیت
- چند مثال در مورد کاربرد روش DOE
- ویژگی شناسی یک فرایند
- بهینه سازی یک فرآیند
- طراحی یک محصول
- تعیین تلورانسهای سیستم و مؤلفه ها
- خطوط راهنما برای انجام طراحی آزمایشها
- درک و بیان مسئله
- تعیین متغیر پاسخ
- انتخاب عاملها و سطوح
- انتخاب نوع آزمایش طراحی شده
- انجام آزمایش
- تجزیه و تحلیل داده ها
- آنالیز واریانس برای آزمایشهای تک عاملی
- آنالیز وایانس برای آزمایشهای عاملی
- تعیین اعتبار نتایج
- آنالیز باقیمانده ها برای آزمایشهای تک عاملی
- آنالیز باقیمانده ها برای آزمایشهای عاملی
- نتیجه گیریها و پیشنهادها
فصل دوم
- معرفی
- نمونه هایی از دنیای صنعتی
نمونه 1- پمپ چرخدنده ای هیدرولیک (آزمایش پیلوت)
نمونه 2- پمپ چرخ دنده ای هیدرولیک (آزمایش پیرو)
نمونه 3- ترانسفورماتور الکتروآکوستیک
- الگوریتمهای طراحی
- الگوریتم معاوضه ای
- الگوریتم تکوینی
- زمینه استفاده GAs و رویکردهای مشابه برای یافتن طرحهای D-optimal
- مسایل جایگشتهای کدشده برای GAs
- کدگذاری کروموزم جایگشت شاخص مرحله (SIP)
- نمایش کروموزم توسعه یافته ( ECR)
- عملگر تقاطع تک نقطه / دونقطه احتمالی
- به کارگیری GA با مقادیر پارامتر عملیاتی مناسب
- کاربرد مقادیر پارامتر خوب برای مسایل نوع مشابه
- کاربرد الگوریتم تکوینی برای جستجوی طرح هایی برای آزمایشهای کسری قرارداد
- رمزگذاری مسأله
- رمزگذاری جایگشت شاخص مرحله (SIP)
- رمزگذاری نمایش کروموزم توسعه یافته (ECR)
- عملگر تقاطع تک و دو نقطه ای احتمالی
- رمزگشایی کروموزم به طرح آزمایش داوطلب
- کاربرد GA با مقادیر پارامتر خوب
- کاربرد و مقایسه الگوریتمهای معاوضه ای و تکوینی
- نتیجه گیری و بحث
فصل سوم
- ایجاد ماتریس طرح عاملی کامل با نرم افزار Minitab
- تحلیل یک آزمایش عاملی کسری
- تحلیل رگرسیون
منابع و مراجع
شامل 92 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود پروژه طراحی آزمایشها و تأثیر آن بر فرایندهای کیفی
