چکیده :
طراحي آزمايشها چيست؟
طراحي آزمايشها شامل يک آزمايش يا يکسري از آزمايشهايي مي شود که به طور آگاهانه در متغيرهاي ورودي فرآيند تغييراتي ايجاد مي گردد تا از اين طريق ميزان تغييرات حاصل در پاسخ خروجي فرآيند مشاهده و شناسايي شود. فرآيند را مي توان ترکيبي از دستگاهها, روشها و افراد تصور نمود که مواد ورودي را به يک محصول خروجي تبديل مي کنند. اين محصول خروجي داراي يک يا چند مشخصه کيفي يا پاسخهاي قابل مشاهده است. در مهندسي، آزمايش كردن نقش مهمي در طراحي محصول جديد،توسعة فرآيند ساخت و بهبود فرآيند ايفا مي‌كند. پس، طراحي آزمايشها يك روش علمي است كه به محقق اجازه مي‌دهد اطلاعاتي به دست آورد تا يك فرآيند را بهتر بشناسد و نحوة تأثير وروديها را در متغير پاسخ تعيين كند. يك فرآيند بطور شماتيك به شكل زير نمايش داده مي‌شود :
بعضي از متغيرهاي فرآيند قابل کنترل و ساير آنها غيرقابل کنترل هستند (گرچه آنها مي توانند در شرايط آزمايش قابل کنترل باشند.) در بعضي موارد اين عاملهاي غيرقابل کنترل عاملهاي اغتشاش ناميده مي شوند.
اهداف يک آزمايش ممکن است شامل موارد ذيل گردد :
تعيين متغيرهاي قابل کنترلي که بيشترين اثر را بر روي پاسخ دارند.
تعيين مقادير متغيرهاي قابل کنترلي که بيشترين اثر را بر روي پاسخ دارند, به گونه اي که y به مقدار اسمي خود نزديک تر باشد.
تعيين مقادير متغيرهاي قابل کنترلي که بيشترين اثر را بر روي پاسخ دارند, به گونه اي که تغييرات در y کوچک باشد.
تعيين مقادير متغيرهاي قابل کنترلي که بيشترين اثر را بر روي پاسخ دارند, به گونه اي که اثرات متغيرهاي غيرقابل کنترل حداقل گردد.
بنابراين روشهاي طراحي آزمايشها را مي توان در توسعه يا رفع مشکلات فرآيند و نتيجتاً بهبود عملکرد آن و يا دست يافتن به فرآيندي که نسبت به منابع تغييرات خارجي فاقد حساسيت و يا مقاوم است استفاده کرد.
روشهاي کنترل فرآيند آماري و طراحي آزمايشها که دو ابزار خيلي مهم و مفيد براي بهبود و بهينه سازي فرآيندها هستند, رابطه نزديکي با يکديگر دارند. به عنوان مثال اگر فرآيندي تحت کنترل آماري باشد ولي کارايي آن مطلوب نباشد, آن گاه تغييرات در فرآيند بايد کاهش پيدا کند تا کارايي آن بهبود يابد. روشهاي طراحي آزمايشها مي تواند اين کار را به طور موثرتر از SPC انجام دهد. اساساً SPC يک روش واکنشي است و يا به عبارت ديگر فرآيند آن قدر تحت نظر گرفته مي شود تا اطلاعات مفيدي که حاکي از ايجاد تغيير در مورد فرآيند است به دست آيد. با اين حال, اگر فرآيند تحت کنترل باشد آن گاه نظارت واکنشي ممکن است اطلاعات مفيد چنداني ارايه ندهد. از طرف ديگر, طراحي آزمايشها يک روش آماري کنشي محسوب مي گردد. به عبارت ديگر, يک سري آزمايش بر روي فرآيند با ايجاد تغييرات آگاهانه در وروديها و مشاهده تغييرات حاصل در خروجي هاي فرآيند انجام مي گيرد و اطلاعات حاصل باعث مي شود تا عملکرد بهبود يابد. همچنين روشهاي طراحي آزمايشها مي توانند در استقرار کنترل آماري فرآيند مفيد واقع گردند.
به عنوان مثال, فرض کنيد که نمودار کنترل حالت خارج از کنترل را نشان مي دهد و فرآيند چندين متغير ورودي قابل کنترل دارد. اگر بدانيم کدام يک از متغيرهاي ورودي مهم هستند آن گاه مي توان فرآيند را به حالت تحت کنترل برگردانيد در غير اين صورت برگرداندن فرآيند به حالت تحت کنترل بسيار مشکل خواهد بود. روشهاي طراحي آزمايشها را مي توان جهت شناسايي متغيرهايي که بر روي فرآيند اثر مي گذارند استفاده کرد.
طراحي آزمايشها يکي از ابزارهاي مهندسي مهم در راستاي بهبود فرآيندهاي توليد محسوب مي شود. اين ابزار کاربرد فراواني در توسعه يک فرآيند توليد دارد. کاربرد اين فنون در مراحل اوليه توسعه فرآيند مي تواند نتايج زير را به همراه داشته باشد :
بهبود بازده
کاهش تغييرات
کاهش زمان توسعه
کاهش هزينه ها
همچنين روشهاي طراحي آزمايشها مي تواند نقش مهمي در فعاليت هاي طراحي مهندسي که شامل طراحي و توسعه محصولات جديد و بهبود محصولات موجود مي گردد ايفا نمايد. به عنوان مثال مي توان به موارد زير که بعضي از کاربردهاي طراحي آزمايشهاي آماري در طراحي مهندسي را نشان مي دهند اشاره کرد :
ارزيابي و مقايسه شکل و ابعاد اساسي طراحي
ارزيابي مواد
تعيين پارامترهاي کليدي طراحي محصول که بر عملکرد آن اثر مي گذارند.
استفاده از طراحي آزمايشها در هر يک از موارد فوق مي تواند توليد محصول را بهبود, عملکرد و قابليت اطمينان آن را افزايش و قيمت محصول و زمان توسعه آن را کاهش دهد.
چرا از طراحي آزمايشها استفاده مي‌كنيم ؟
بدون توجه به اينكه يك نفر در كجا كار مي‌كند ( توسعه، طراحي، كيفيت، آزمايش، قابليت اطمينان، توليد، بسته‌بندي) وظيفة اكثر دانشمندان و مهندسان، بدست‌آوردن مستندات و انتقال اطلاعات محصول يا فرآيند مي‌باشد. اطلاعات صحيح در اين مورد بسيار مهم است.
براي درك صحيح يك فرآيند، فرد به واقعيت‌ها و داده‌ها نياز دارد. جمع‌آوري اطلاعات با استفاده از آزمايش يك عامل در آن واحد و يا يكسري آزمونهاي سعي و خطا منجر به فعاليت‌هاي غيرمؤثر و غيركارآمدي براي درك و بهبود طرحهاي محصول و فرآيند مي‌شود. اگر يك شركت قصد دارد در بازار رقابتي پا برجا بماند، اين روشهاي كهنه و قديمي ديگر سودي ندارند.
روشهاي طراحي آزمايشها به مديران و افراد اجازه مي‌دهند در موارد زير اطلاعات بدست آورند:
1) بهبود عملكرد مشخصه‌هاي كيفي
2) كاهش هزينه‌ها
3) كاهش زمان توسعه محصول و توليد
بهبود عملكرد مشخصه‌ها از شناخت عوامل بحراني حاصل مي‌شود كه ميانگين فرآيند را بهبود مي‌دهد و تغيير پذيري پاسخ را حداقل مي‌كند و پايداري را ايجاد مي‌كند. همچنين اين بهبود عملكرد منجر به كاهش ضايعات و دوباره‌كاري مي‌گردد، كه به مقدار زيادي هزينه‌ها را كاهش مي‌دهد. شناخت اينكه كدام عاملها براي بهبود عملكرد بحراني هستند، روشن خواهد كرد كه كدام عوامل بايد كنترل شوند و تلرانسهاي آنها چقدر بايد باشد.
شناخت عوامل بدون اهميت، به فرد اجازه مي‌دهد كه تلرانسها را باز كند و يا سطحي از عامل را انتخاب كند كه منجر به هزينه‌هاي كمتر توليد شود. كاهش زمان بازاريابي با درك اينكه مشتري واقعاً چه مي‌خواهد، بدست مي‌آيد و با استفاده از رويه‌هاي كارآمد آزمايش، اطلاعات مورد نياز براي بهبود فرآيند و محصول به دست مي‌آيد.
براي يك مهندس يا محقق كه قصد دارد انتظارات يك مدير را پاسخ دهد طراحي آزمايشها مي‌تواند كاربردهاي زير را داشته باشد :
1) كارآمدترين روش براي شناخت عوامل ورودي كليدي.
2) كارآمدترين روش براي بدست آوردن درك صحيح بين عوامل ورودي و پاسخ‌ها.
3) روشي براي ساخت يك مدل رياضي وابسته به پاسخ براي عوامل ورودي، كه معمولاً جهت توصيف‌كردن يك فرآيند يا محصول بكار مي‌رود.
4) روشي براي تعيين تنظيمات عوامل ورودي كه متغير پاسخ را بهينه مي‌كنند و هزينه‌ها را كاهش مي‌دهند.
5) يك روش علمي براي تنظيم تلرانسها.
البته اين نكته را بايد در نظر داشته باشيم كه تا زماني كه مهندسين طراحي آزمايشها ازتمامي ابزارهاي آماري موجود مطلع نباشند و آزمايشهاي آنها به خوبي طراحي نشوند، نتايج مي‌توانند گمراه كننده باشند و مقادير زيادي از منابع بدون دليل هدر مي‌روند.
يكي از دلايل مجبوركننده مديران صنايع و مهندسين براي يادگيري آزمايشهاي طراحي شده بر پاية نياز براي رقابت با كشورهايي بود كه با موفقيت اين روشها را اجرا كرده بودند. در سال 1964، صنايع آمريكا با 6 بيليون دلار سود بر اين موضوع واقف نبودند كه آنها در زير تهاجم رقابتي شركتهاي خارجي قرار دارند.
در سال 1984، آمريكا با 123 بيليون دلار كسري بودجه در تجارت مواجه شد. در اين دورة 20 ساله، بهره‌وري آمريكا فقط30% افزايش يافت كه در مقايسه با آن برخي از كشورهاي اروپايي60% و كشور ژاپن 120% بهره‌وري خود را افزايش داده بود. اين كشور كه در دهة 50 و60 به سازنده محصولات بدون كيفيت مشهور شده بود، چنان رشد كرد كه در دهة 70 و 80 با ساخت محصولات با كيفيت بالاتر و قيمت پائين‌تر ادامة حيات محصولات آمريكا را در معرض خطر قرار مي‌داد.
چگونه اين مسئله اتفاق افتاد؟ اكنون همه مي‌دانند كه ژاپن موفقيت خود را مرهون طراحي كيفيت در محصول با استفاده از آزمايشهاي طراحي شده و بازرسي كيفي در طول توليد، توسط كنترل آماري كيفيت بود.
تغييرپذيري و تأثير آن بر کيفيت
شايد براي شما تعجب‌آور باشد كه در آزمايشگاه‌ها يا فرآيندهاي توليد با كنترل زياد، در محصول نهايي تغييرپذيري وجود خواهد داشت. تغييرپذيري توسط عوامل غير قابل كنترل يا مزاحم فرآيند توليد مي‌شود. تغييرپذيري زياد، درجه كيفيت محصول را پائين مي‌آورد و باعث ضرر و زيان كارخانه مي‌شود. راه حل اين مسئله تنظيم حدود مشخصات فني و انجام بازرسي محصول نهايي مي‌باشد تا تضمين كنيم كه تعداد اقلام معيوب خروجي از كارخانه برابر با صفر مي‌باشد. اين راه حل موجب مي‌شود كه شركت محصول خود را به دو دسته قابل قبول (داخل حدود مشخصات فني) و غير قابل قبول (خارج حدود مشخصات فني) تقسيم كند. همانگونه كه در شكل (2-1) نشان داده شده است ضرر و زيان شركت به خاطر خروج از حدود مشخصات مي‌باشد. اگر تعداد زيادي محصول خارج از حدود توليد شود و محصولات قبل از حمل به درستي بازرسي نشوند، آنگاه:
(1) شکايتها افزايش خواهند يافت
(2) نيروي اضافي صرف تعمير محصولات تحت گارانتي خواهد شد
(3) مشتري‌ها مايوس شده وبه دنبال محصول مطمئن‌تر خواهند رفت
حل بهينه براي اين مسئله اين است كه تنها به بازرسي‌ها درانتهاي خط توليد اكتفا نكنيم. بنا به گفتة جوران، اين بازرسي‌ها تنها به اندازة80 درصد مؤثر مي‌باشند. اين راه حل (بازرسي) نياز به نيروي انساني بيشتر دارد و مي‌تواند موجب هزينه‌هاي گزاف، ضايعات و دوباره‌كاري شود.
همچنين داشتن سودآوري در چنين شرايطي نياز به اين دارد كه قيمت فروش را افزايش دهيم، كه اين كار باعث كاهش ادامه‌دار رضايت مشتري خواهد شد. علاوه بر اين، دليلي ندارد كه تصور كنيم اگر فقط يك محصول داخل حدود مشخصات فني باشد، ضرر و زياني متوجه شركت نخواهد شد. براي مثال ساخت شيشة عينك و فريم آن را در نظر بگيريد. اگر شيشه در پائين‌ترين حد مشخصة فني (LSL) و فريم عينك در بالاترين حدود مشخصة فني (USL) خود باشد، آنگاه كيفيت محصول كاهش خواهد يافت.
براي ساخت يك محصول كيفي با كمترين هزينه، بايد كيفيت در فرآيند آن طراحي شود و توجه، معطوف به توليد در مقدار هدف (اسمي) باشد، نه اينكه توليد فقط در داخل حدود مشخصات باشد (شكل3-1)
شکل 1-3- شكل تابع هدف تاگوچي
هرگونه انحراف از مقدار هدف منجر به ضرر و زيان براي توليد كننده به شكل بازرسي، ضايعات، دوباره‌كاري، هزينه‌هاي گارانتي، افزايش زمان سيكل، تغييرات طراحي، كاهش سود، افزايش موجودي و … خواهد شد. زيانهاي خريدار مربوط به كاهش سطح عملكرد و قابليت اطمينان و هزينه‌هاي نگه‌داري مي‌شود . عاقبت يك خريدار (مشتري) يك توليد كننده (تأمين كننده) بهتر خواهد يافت و بنابراين زيان نهايي توليد كننده، كاهش سهم بازار خواهد بود .
براي كم كردن زيان ناشي از انحراف از هدف، تغيير پذيري محصول در اطراف مقدار هدف بايد كاهش پيدا كند
همانطوري‌كه در شكل بالا ملاحظه مي‌كنيد محصول B ميزان بالاتري از مقادير اندازه‌گيري شده را در نزديكي مقدار هدف نسبت به محصول A دارا مي‌باشد. بنابراين، محصول B منجر به ضرركمتري خواهد شد. شما ترجيح مي‌دهيد ازكداميك خريداري كنيد. توليد كننده محصول A يا B ؟ در مورد مشتري‌هاي شما چطور؟ آنها محصول شما را مانند محصول A مي‌دانند يا محصول B ؟
در هر جايي كه كار مي‌كنيد، تحقيق، توسعه، توليد، بسته‌بندي و يا هر فرآيند مرتبط با توليد، كاهش تغييرپذيري، بهترين موفقيتي است كه با شناخت روابط بين متغيرهاي خروجي (پاسخ‌ها يا مشخصه كيفي) و متغيرهاي ورودي (عوامل يا پارامترها) مي‌توان بدست آورد.
دو ابزار مهم و ساده كه بايد قبل از جمع‌آوري داده‌ها مورد استفاده و بررسي قرار گيرند، نمودار جريان فرايند(Process Flow Diagram) و نمودار علت و معلول(Cause and Effect Diagram) مي‌باشند. در صورت استفادة صحيح، يك نمودار علت و معلول ليستي از تمام منابع (علتهاي) تغييرپذيري در مقدار پاسخ را دارا خواهد بود. اين وروديها بايد تقسيم‌شوند، به ورودي‌هايي كه بايد ثابت نگه‌داشته شوند، ورودي‌هايي كه نمي‌توانند ثابت نگه داشته شوند (عوامل اغتشاش Noise Factors) و ورودي‌هايي كه بيانگر عوامل كليدي مي‌باشند كه بايستي در مورد آنها تحقيق شود. تمامي منابع شناخته شده تغييرپذيري كه مي‌توانند به سادگي و با هزينه‌هاي كم از بين بروند، بايستي قبل از هرگونه آزمايش شناخته و منهدم شوند تا فرآيند تقريباً به حالت تحت كنترل (ثبات) نزديك شود. اين حالت معمولاً نياز دارد كه تعداد زيادي از ورودي‌هاي روي نمودار علت و معلول ثابت نگه داشته شوند. ثابت نگه داشتن وروديها مستلزم برخي رويه‌هاي اجرايي مستند خواهد بود.
و...
فهرست مطالب :
فصل اول
طراحي آزمايشها چيست؟
چرا از طراحي آزمايشها استفاده مي‌كنيم ؟
تغييرپذيري و تأثير آن بر کيفيت
چند مثال در مورد کاربرد روش DOE
ويژگي شناسي يک فرايند
بهينه سازي يک فرآيند
طراحي يک محصول
تعيين تلورانسهاي سيستم و مؤلفه ها
خطوط راهنما براي انجام طراحي آزمايشها
درک و بيان مسئله
تعيين متغير پاسخ
انتخاب عاملها و سطوح
انتخاب نوع آزمايش طراحي شده
انجام آزمايش
تجزيه و تحليل داده ها
آناليز واريانس براي آزمايشهاي تک عاملي
آناليز وايانس براي آزمايشهاي عاملي
تعيين اعتبار نتايج
آناليز باقيمانده ها براي آزمايشهاي تک عاملي
آناليز باقيمانده ها براي آزمايشهاي عاملي
نتيجه گيريها و پيشنهادها
فصل دوم
معرفي
نمونه هايي از دنياي صنعتي
نمونه 1- پمپ چرخدنده اي هيدروليک (آزمايش پيلوت)
نمونه 2- پمپ چرخ دنده اي هيدروليک (آزمايش پيرو)
نمونه 3- ترانسفورماتور الکتروآکوستيک
الگوريتمهای طراحی
الگوريتم معاوضه اي
الگوريتم تکويني
زمينه استفاده GAs و رويکردهاي مشابه براي يافتن طرحهاي D-optimal
مسايل جايگشتهاي کدشده براي GAs
کدگذاري کروموزم جايگشت شاخص مرحله (SIP)
نمايش کروموزم توسعه يافته ( ECR)
عملگر تقاطع تک نقطه / دونقطه احتمالي
به کارگيري GA با مقادير پارامتر عملياتي مناسب
کاربرد مقادير پارامتر خوب براي مسايل نوع مشابه
کاربرد الگوريتم تکويني براي جستجوي طرح هايي براي آزمايشهاي کسري قرارداد
رمزگذاري مسأله
رمزگذاري جايگشت شاخص مرحله (SIP)
رمزگذاري نمايش کروموزم توسعه يافته (ECR)
عملگر تقاطع تک و دو نقطه اي احتمالي
رمزگشايي کروموزم به طرح آزمايش داوطلب
کاربرد GA با مقادير پارامتر خوب
کاربرد و مقايسه الگوريتمهاي معاوضه اي و تکويني
نتيجه گيري و بحث
فصل سوم
ايجاد ماتريس طرح عاملي کامل با نرم افزار Minitab
تحليل يك آزمايش عاملي كسري
تحليل رگرسيون
منابع و مراجع
برچسب ها:
همه چیز درمورد طراحی آزمایشها و تأثیر آن بر فرایندهای کیفی دانلود پایان نامه صنایع صنایع پایان نامه صنایع درمورد طراحی آزمایشها و تأثیر آن