Projektowanie eksperymentów

Projektowanie eksperymentów (DOE) - metoda modelowania oraz optymalizacji produktw i prcesów; polega na stworzeniu matematycznego modelu na podstawie danych otzymanych z eksperymentu, bez potrzeby wykonywania wielu doświadczeń. Model taki może zostać użyty np. do przewidywania bądź określenia optymalnych wartości parametrów produktu czy też procesu produkcyjnego biorąc pod uwagę oczekiwane wyniki. DOE zostało stworzone w latach dwudziestych XX w. przez Ronalda Fishera, a następnie rozwinięte przez George Boxa.

TL;DR

Projektowanie eksperymentów (DOE) to metoda modelowania i optymalizacji produktów i procesów. Polega na tworzeniu matematycznego modelu na podstawie danych z eksperymentu, co pozwala przewidywać i określać optymalne wartości parametrów. DOE uwzględnia czynniki sterowalne, niesterowalne i zakłócające. Metoda Shainina i Taguchi’ego są sposobami planowania eksperymentów. Zastosowanie DOE jest szczególnie skuteczne w rolnictwie, chemii i biologii. Metody planowania eksperymentów są coraz częściej wykorzystywane w przemyśle, co pozwala obniżyć koszty i zaoszczędzić czas produkcji.

Przebieg projektowania eksperymentów

Proces projektowania eksperymentów składa się z kilku istotnych elementów. Niezbędny do przeprowadzenia doświadczenia jest przedmiot badań, czyli obiekt, który nie musi być nam dokładnie znany, ale na który działają określone badane czynniki, będące pod naszą kontrolą. Istotne jest sformułowanie celu eksperymentu, wyrażonego odpowiednimi zależnościami, a także określenie zakresu doświadczenia, zależnego od możliwości jednostki przeprowadzającej badanie oraz planu doświadczenia, uwzględniającego znane nam początkowe czynniki wpływające na wartości wejściowe.

Cel

Uzyskanie jak największej ilości wartościowych i wiarygodnych informacji o badanym obiekcie (wyrób lub proces) na podstawie jak najmniejszej liczby doświadczeń. Celem optymalizacji parametrów wyrobu i procesu produkcyjnego może być znalezienie takich nastaw parametrów, aby zapewnić maksymalną jakość, wydajność, zmniejszyć zmienność procesu, bądź zapewnić jego nieczułość na zmiany niekontrolowanych parametrów. Projektowanie eksperymentów, czyli tzw analizę DOE, można podzielić na tzw. pełną (uwzględnienie wszystkich czynników) i ułamkową (bierzemy pod uwagę tylko te wartości, które realnie mają znaczenie).

Czynniki uwzględniane w eksperymentach

1. czynniki sterowalne - ze względu na kształtowanie wyrobu lub procesu mogą być w sposób celowy nastawiane i zmieniane,
2. czynniki niesterowalne lub sterowalne w ograniczonym zakresie
3. czynniki zakłócające:

• zakłóceń zewnętrznych - odnoszące się do czynników otoczenia lub warunków użytkowania wyrobu bądź prowadzenia procesu
• zakłóceń wewnętrznych " odnoszące się do czynników powodujących pogorszenie jakości wyrobów lub zmniejszenie zdolności jakościowej procesu w wyniku zużycia lub starzenia się elementów, zespołów, urządzeń itp.

Tab.1. Czynniki działające na wyrób i proces

Wyrób	Proces
Czynniki sterowalne
dobierane przez projektanta i konstruktora: struktura wymiary pasowania materiały	dobierane przez technologa: struktura procesu urządzenia rodzaj narzędzia parametry procesu
Czynniki niesterowalne
Jednorodność właściwości użytych materiałów Właściwości elementów konstrukcyjnych znormalizowanych	Kwalifikacje załogi w krótkim czasie
Czynniki zakłócające zewnętrzne
Niewłaściwe użytkowanie wyrobu Za niska temperatura otoczenia Za wysoka temperatura otoczenia Wahania temperatury Wstrząsy i drgania	Zmienność właściwości materiałów wejściowych Zróżnicowanie umiejętności obsługi Wilgotność powietrza Zmiana napięcia zasilania Drgania podłoża
Czynniki zakłócające wewnętrzne
Zużywanie się części wyrobu Starzenie materiału Korozja	Zużywanie się części maszyn Zużywanie się narzędzi Zmęczenie pracownika

Źródło: [A. Hamrol, s. 241]

Ogólny przegląd metod planowania eksperymentu

Sterowanie dowolnym procesem produkcyjnym wymaga monitorowania obserwowanych odchyleń zmiennych diagnostycznych od wartości nominalnych (docelowych). Umożliwia to wykrycie:

1. systematycznych (nielosowych) odchyleń rzeczywistych wartości przeciętnych od zadanych wartości nominalnych (docelowych),
2. nadmiernej zmienności rzeczywistych wartości obserwowanych zmiennych diagnostycznych.

We wczesnych etapach tworzenia procesu produkcyjnego, do optymalizacji tych dwóch parametrów wykorzystuje się planowanie doświadczeń:

• Plany frakcyjne 2(k-p)
• Plany frakcyjne trójwartościowe 3(k-p), Boxa-Behnkena oraz dwu - i trójwartościowe
• Plany 2(k-p) maksymalnie nieuwikłane i o najmniejszej aberracji
• Plany centralne kompozycyjne i wyznaczanie powierzchni odpowiedzi
• Plany kwadratów łacińskich
• Plany dla mieszanin i powierzchnie o podstawie trójkątnej
• Plany dla ograniczonych obszarów i mieszanin
• Plany D i A-optymalne

Służą one do bieżącego monitorowania procesu produkcji.

Projektowanie eksperymentów, czyli tzw analizę DOE, można podzielić na tzw. pełną (uwzględnienie wszystkich czynników) i ułamkową (bierzemy pod uwagę tylko te wartości, które realnie mają znaczenie).

Metoda Shainina i metoda Taguchi’ego

Do rozwoju metod eksperymentalnych w sposób szczególny przyczynili się dwaj Japończycy Taguchi i Shainin. Metody Taguchi'ego w rozmaitych aspektach odbiegają od tradycyjnych procedur sterowania jakością i doświadczalnictwa przemysłowego. Przygotował on grunt pod stosowanie metod planowania eksperymentów zorientowanych na projektowanie dla jakości, zaś Shainin wniósł ogromny wkład w rozwój metod planowania eksperymentów do warunków produkcyjnych.

Według metody Shainina wyznaczone matematycznie parametry należy nastawić na takie wielkości, które zapewniają największą jakość wykonywanego procesu. Na poziomie teoretycznym poszukiwana jest funkcja czynników mających wpływ na dany proces oraz jego ostatecznego wyniku i ich wartości, w których zmienność procesu będzie minimalna. Eksperyment taki przeprowadzany jest etapami, a po każdym z nich odrzucane są kolejne czynniki, aż do wyodrębnienia najbardziej znaczących tzw. czynników głównych. Działanie to jest jednak bardzo czasochłonne i tym samym mało opłacalne.

Rozszerzeniem metody Shainina jest metoda Taguchi’ego, znacznie mniej pracochłonna i pozwalająca na osiąganie lepszych rezultatów, a także większą odporność procesu na zakłócenia w czasie jego przeprowadzania, gdyż skupiona jest głównie na zwiększeniu jakości dokonywanego eksperymentu. Jednym ze sposobów na osiągnięcie tego celu są konkretne zmiany w działaniach danego przedsiębiorstwa, np. rezygnacja z uwzględniania opinii ekspertów na rzecz skierowania się na rzeczywiste potrzeby użytkowników czy też polepszenie procesu wytwarzania produktu.

Zastosowanie

Na początku metoda ta była stosowana przede wszystkim w rolnictwie, naukach chemicznych oraz biologicznych. Z powodu dużej liczby czynników i interakcji, które zachodzą pomiędzy czynnikami w tych dziedzinach największe rezultaty metody projektowania eksperymentów były właśnie w tych dziedzinach. Zastosowanie metody DEO przez G. Taguchiego w przemyśle japońskim spowodowało, że stała się ona jednym z składników rewolucji w obszarze jakości w elektronice oraz w przemyśle motoryzacyjnym. Metody planowania eksperymentów, szczególnie Shainina i Taguchi’ego, coraz częściej wykorzystywane są w dużych firmach przemysłowych, co pozwala na obniżanie kosztów oraz zaoszczędzenie czasu produkcji poprzez wyeliminowanie nieistotnych czynników.

Projektowanie eksperymentów — artykuły polecane

Metoda Taguchi — Karta kontrolna — Ocena jakości — 7 narzędzi TQC — Metoda Rossa — Analiza wydajności parku maszynowego — ABC — Gospodarka magazynowa — Rachunek kosztów działań

Bibliografia

• Grudowski P., Szpakowska M. (2016). Wybrane aspekty zarządzania jakością i towaroznawstwa żywności, wyd. Difin, Warszawa, s. 113-117
• Grześkowiak A., Patla S., Rogosz K., (2015). Zastosowanie metody Taguchi w badaniach efektów robót strzałowych, Mining Science - Mineral Aggregates, wyd. 22(1), s. 61-73
• Hamrol A. (2013), Zarządzanie jakością z przykładami, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
• Hamrol A., Mantura W. (2002), Zarządzanie jakością. Teoria i praktyka, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
• Kielbus A. Wielokryterialna ocena jakości wyrobów przemysłu maszynowego, Biblioteka Cyfrowa Politechniki Krakowskiej
• Sikora T. (red.) (2002), Jakość projektowania wyrobu i procesu produkcji decyduje o całkowitych kosztach jakości, Akademia Ekonomiczna w Krakowie, Kraków

Autor: Edyta Łagodzińska, Magdalena Gondko