最新电机行业DFMEA.docx

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最新电机行业DFMEA

电机行业DFMEA

什么是DFMEA

　　DFMEA是指设计阶段的潜在失效模式分析,是从设计阶段把握产品质量预防的一种手段,是如何在设计研发阶段保证产品在正式生产过程中交付客户过程中如何满足产品质量的一种控制工具。

因为同类型产品的相似性的特点，所以的DFMEA阶段经常后借鉴以前量产过或正在生产中的产品相关设计上的优缺点评估后再针对新产品进行的改进与改善。

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DFMEA基本原则

　　DFMEA是在最初生产阶段之前,确定潜在的或已知的故障模式,并提供进一步纠正措施的一种规范化分析方法;通常是通过部件、子系统/部件、系统/组件等一系列步骤来完成的。

最初生产阶段是明确为用户生产产品或提供服务的阶段,该阶段的定义非常重要,在该阶段开始之前对设计的修改和更正都不会引起严重的后果,而之后对设计的任何变更都可能造成产品成本的大幅提高。

　　DFMEA应当由一个以设计责任工程师为组长的跨职能小组来进行,这个小组的成员不仅应当包括可能对设计产生影响的各个部门的代表,还要包括外部顾客或内部顾客在内。

DFMEA的过程包括产品功能及质量分析、分析故障模式、故障原因分析、确定改进项目、制定纠正措施以及持续改进等6个阶段。

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DFMEA与PFMEA的关系

　　DFMEA是指设计阶段的潜在失效模式分析,是从设计阶段把握产品质量预防的一种手段,是如何在设计研发阶段保证产品在正式生产过程中交付客户过程中如何满足产品质量的一种控制工具。

因为同类型产品的相似性的特点，所以的DFMEA阶段经常后借鉴以前量产过或正在生产中的产品相关设计上的优缺点评估后再针对新产品进行的改进与改善。

　　PFMEA如果在DFMEA阶段做的比较好的话那么在PFMEA阶段将不会出现影响较大的品质问题，但必竟是新产品往往都会出现自身特有的问题点，而这些问题也通常都是要经过长时间的量产或者是交付给客户后才发生或发现的品质问题，这就要通过PFMEA加以分析保证。

　　两者最终的目的都是一样的都追求产品质量的稳定及良品最大化，同时也为大量生产提供可行性的保证。

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基本信息

　　在设计和制造产品时,FMEA是一种可靠性设计的重要方法。

它实际上是FMA（故障模式分析）和FEA（故障影响分析）的组合。

它对各种可能的风险进行评价、分析，以便在现有技术的基础上消除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平。

及时性是成功实施FMEA的最重要因素之一，它是一个“事前的行为”，而不是“事后的行为”。

为达到最佳效益，FMEA必须在故障模式被纳入产品之前进行.

　　设计FMEA（也记为d-FMEA）应在一个设计概念形成之时或之前开始，并且在产品开发各阶段中，当设计有变化或得到其他信息时及时不断地修改，并在图样加工完成之前结束。

其评价与分析的对象是最终的产品以及每个与之相关的系统、子系统和零部件。

需要注意的是，d-FMEA在体现设计意图的同时还应保证制造或装配能够实现设计意图。

因此，虽然d-FMEA不是靠过程控制来克服设计中的缺陷，但其可以考虑制造/装配过程中技术的/客观的限制，从而为过程控制提供了良好的基础。

　　d-FMEA的研究对象是:

　　·设计要求与设计方案的相互权衡；

　　·制造与装配要求的最初设计；

　　·提高在设计/开发过程中考虑潜在故障模式及其对系统和产品影响的可能性；

　　·为制定全面、有效的设计试验计划和开发项目提供更多的信息；建立一套改进设计和开发试验的优先控制系统；

　　·为将来分析研究现场情况、评价设计的更改以及开发更先进的设计提供参考

　　FMEA是1950年间因油压系统产生质量可靠度（Reliability）时所设计的一种「××体检表」，它分D-FMEA与P-FMEA，D即Design是指产品的「硬品/功能/系统」上的可能失效Failure或故障Fault时的问题因果分析与改善对策，P则是Process是指「流程/制程/步骤」上的不良所造成不良后果的改善与因果分析，由于一般RD研发工程师只会利用「方块图」对产品做功能拆解，而不会对流程做分析拆解除限制，而使P-FMEA的「流程体检表」制作不出来。

　　FMEA及D-FMEA的核心理念:

　　在产品设计开发时,充分考虑到产品在生产\运输\使用的过程中所涉及到的困难及问题,将所有的可能出现的因素纳入预防范围,提前做好预防措施及解决方案,

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DFMEA的案例分析

　　DFMEA是一种以预防为主的可靠性设计分析技术,该技术的应用有助于企业提高产品质量,降低成本,缩短研发周期。

目前,DFMEA已在航空航天以及国外的汽车行业得到了较为广泛的应用,并显示出了巨大的威力;但在国内汽车行业并没有系统地展开,也没有发挥其应有的作用。

以DFMEA在国产汽油机节流阀体的改进设计中的实施为例,对改进后的DFMEA的实施方法和流程进行阐述。

　　实施DFMEA存在的困难

　　发动机为完成其相应的功能,组成结构复杂,零部件的数量也很庞大,如不加选择地对所有的零部件和子系统都实施DFMEA,将会耗费大量人力、物力和时间,对于初次实施DFMEA的企业几乎是不可能完成的工作。

为此,需要开发一种方法,能够从发动机的子系统/零部件中选择出优先需要进行分析的对象。

　　发动机由曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、进气系统、冷却系统和润滑系统等组成,各机构和系统完成相应的功能。

子系统的下级部件或组件通常需要配合完成相应的功能,在描述这些部件或组件的功能时,不仅应该描述其独立完成的功能,还应描述与其他部件配合完成的功能。

　　组成发动机的零部件种类很多,不仅包括机械零部件还有电子元件,电子部件的故障模式已经较为规范和完整,但机械系统及其零部件的故障模式相当复杂,不仅没有完整且规范的描述,二者之间还有一定的重复,为DFMEA工作的开展带来了困难,故需要为机械系统及其零部件建立相应的故障模式库。

　　实施DFMEA的准备工作

　　由于在发动机设计中实施DFMEA要遇到较多困难,故作者建议,在具体实施DFMEA之前,需要做好建立较为完善的故障模式库并确定DFMEA的详细分析对象等准备工作。

　　1.建立故障模式库的方法发动机的组成零部件多、结构复杂,大多数零部件在运行时还会有相互作用,导致零部件、子系统和系统的故障模式不仅复杂,各层次的故障模式还会相互重复,需要为发动机建立一个故障模式库;该模式库不仅应该包含发动机中所有子系统和零部件的故障模式,还能够反映出该故障模式究竟属于哪一个零部件或系统,其建模流程如下图所示。

（1）建立系统结构树

　　为建立故障模式库,首先要建立系统的结构树,它并不依赖于某一特定的产品,而是依据同一类产品建立。

如建立一个汽油机的结构树时,应考虑该厂所有的汽油机,分析出其共同特点后建立结构树;对于组成结构有重大改变的产品,可以考虑为其改变的部分建立一个分支,挂接在系统结构树的相应节点上。

　　以汽油机的节流阀体为例,该阀体大致都由阀体、怠速控制阀、节气门位置传感器等组成,细节部分会有所不同,节流阀体的系统结构树如下图所示。

（2）确定故障数据源

　　为确定故障模式,先要找到相应的数据源;建议选择同类产品的试验数据或三包数据,因为这两种数据中较为详细地记录了产品在试验和使用过程中出现的故障。

由于发动机可靠性试验的成本很高,一般企业中都不会有充分的试验数据;尽管三包数据记录的不是十分规范,但通过归纳和整理,仍然可以从中抽象出故障模式。

所以,在试验数据不充足的情况下,一般推荐采用三包数据。

　　（3）筛选所分析子系统的故障数据

　　一般来讲,故障数据来自于系统,需要将故障数据逐层筛选,才能最终得到系统、每一级子系统以及零部件的故障数据,为确定其故障模式作准备。

　　（4）确定关键字

　　三包数据来自于不同的维修点,并非由专业的试验人员收集,难免存在不规范的现象,比如对于“密封不严”这一故障现象,故障数据中就会有“密封不严、不密封、密封性差、密封性不好”等多种描述。

　　针对这种现象,建议数据归纳人员先要了解各种故障现象的描述,在此基础上确定关键字,对所选子系统的故障数据进行归类。

关键字确定的原则是,能筛选到95%以上的同种故障现象,尽量做到不遗漏;不同故障现象间尽量做到不重复。

因此,筛选同一种故障现象很可能需要确定几个关键字。

　　（5）对系统的故障数据进行分类

　　依据确定的关键字对系统的故障数据进行分类,分类后的故障数据就可以用来抽象出故障模式。

　　（6）故障模式的抽象

　　根据分类后的故障数据,可以抽象出相应的故障模式。

故障模式要求用术语表示,汽车产品可以参照标准　QC—900;标准中没有的故障模式,需由工程师商量之后统一确定。

　　（7）故障模式挂接在系统结构树的节点上

　　系统、子系统及零部件等不同层次都会有相应的故障模式,需要将其挂接在相应的节点上,至此故障模式库就搭建完成。

随着分析工作的深入和故障数据的持续归纳,故障模式库会越来越完整。

　　对节流阀体的故障数据进行以上的处理之后,得到了各级组件及零部件的故障模式,建立了节流阀体的故障模式库,下图示出故障模式库的一部分。

　　需要指出,实施DFMEA时分析对象的故障模式不仅来源于故障模式库,还来自于工作小组的分析。

　　2.确定DFMEA的详细分析对象根据实施DFMEA需要耗费大量时间的具体情况,本研究的参考文献[2]提出了一种新方法来确定需要详细实施DFMEA的对象;思路是对系统进行逐级分析,根据一定的标准确定需要详细分析的分支（以下称为重要分支）,对重要分支一直细化到最底层,不可再分的重要分支即为需要详细分析的对象。

方法分为3步,即建立系统的组成结构树、确定阈值、选择所需分析的对象。

（1）建立系统的组成结构树

　　此处系统的组成结构树与上述中的系统结构树类似,但本质上不同。

这里的系统组成结构树是与系统的组成完全相同,依照系统的结构和功能逐级向下建立,直到系统的零部件为止（称为组成结构树的叶结点）,组成结构树的示意图见下图。

　　图中的系统由子系统1和子系统2组成,两个子系统分别完成相应的功能。

子系统1由子总成1和2组成,子总成1又可以向下划分为零部件;子系统2由两个零部件组成。

其中S12,S21,S22,S111和S112都是该组成结构树的叶结点。

（2）确定阈值

　　阈值是确定重要分支所依据的条件。

根据DFMEA的原理,推荐确定重要度（S）和风险顺序数（RPN）两个参数的阈值,只要某分支的S和RPN两参数中的任意一个等于或超过阈值,该分支就被确定为重要分支。

除S和RPN以外,DFMEA中还有发生度（O）和探测度（D）两个参数,S用来描述故障后果,O表明故障原因的发生概率,D是对探测措施有效程度的度量,RPN是S,O,D3者的乘积。

O和D的阈值根据类似产品的故障数据确定,原则是要比DFMEA中的阈值低。

　　（3）选择所需分析的对象

　　对产品的组成结构树逐级向下分析,首先确定第一级分支的所有的S,O,D值,并计算得到RPN值;然后根据阈值来确定哪一个分支为重要分支,被确定为重要分支的仍然重复以上过程直到组成结构树的叶结点,非重要分支则不再继续分析。

　　以下图所示的系统组成结构树为例,选择需要分析的对象。

假设S和RPN的阈值分别为6和70,组成结构树中分支的各参数情况如图5所示,有“3”的部分为重要分支。

　　由图可见,子系统S1的S和RPN都达到阈值,被确定为重要分支;子系统S2的RPN虽未达到阈值,但S已经超过阈值,也被确定为重要分支;S12,S22和S111被确定为分析对象,需要对其进行详细的DFMEA。

　　分析节流阀体的故障数据,确定S和RPN的阈值分别为5和30,分析结果见下图。

由分析结果可知,需要对节气门位置传感器、怠速控制阀、阀片、阀体本体进行详细的DFMEA。

　　实施DFMEA的流程

　　为增加DFMEA的可用度,使初次进行DFMEA的工作人员也能顺利地实施DFMEA,针对发动机设计的特点,对DFMEA的流程进行了进一步的归纳和改进（见下图）。

　　为加深对实施阶段的理解,提高分析效率,将实施阶段分成确定基础项、确定衍生项及生成DFMEA报告等3步。

　　实施阶段中,功能、潜在故障模式、潜在故障影响、故障原因和现有控制措施等5个加“3”的为基础项,它们的分析是决定DFMEA实施成功与否的关键;S,O,D,RPN和建议的纠正措施为衍生项;基础项确定之后,衍生项可以随之确定。

　　1.分析基础项

（1）功能

　　分析项目的功能,用尽可能简明的文字来说明被分析项目满足设计意图的功能;阀体的功能是与阀片配合保证最小流量;与怠速控制阀配合保证怠速流量;与节气门位置传感器配合保证主进气量。

（2）潜在故障模式

　　每项功能会对应一种或一种以上的故障模式,填写故障模式要遵循"破坏功能"的原则,即尽量列出破坏该功能的所有可能的模式;故障模式大部分来源于故障模式库,还有一部分是新出现的故障模式以及小组分析的结果,阀体的潜在故障模式为磨损、裂纹、断裂以及积碳等。

　　（3）潜在故障后果

　　每种故障模式都会有相应的故障后果;分析故障后果时,应尽可能分析出故障的最终影响,即最严重的影响;阀体的潜在故障后果为发动机无力、燃油消耗率高、怠速高。

　　（4）潜在故障起因

　　所谓故障的潜在起因是指设计薄弱部分的迹象,其结果就是故障模式;根据阀体结构和对其进行的功能分析,可以知道阀体磨损的潜在故障原因为,阀体喉口与阀片直径不匹配;阀杆与阀片螺钉孔的位置不匹配;怠速控制阀与怠速通道的孔径不匹配;怠速通道的孔系不同轴。

　　（5）现有控制措施

　　根据故障的潜在起因可确定预防与探测的措施,这些都是已有的或将要有的措施。

　　阀体的现有控制措施为配合设计阀体喉口和阀片直径,保证其配合间隙;配合设计阀杆和阀片螺钉孔位置,保证其同心度;配合设计怠速控制阀和怠速通道的孔径,保证其配合间隙。

　　2.分析衍生项根据潜在故障后果确定S,根据潜在故障原因以及同型产品的三包数据确定O,根据探测措施确定D;根据确定的S,O,D计算得到RPN值。

如果需要修正,可以提出适当的建议措施,作为改进的依据,最后生成统一的DFMEA报告。

　　美国汽车工业行动集团（AIAG）颁布的FMEA标准中,提供了严重度、O和D的评定准则[3],其中,O准则非常直观,根据计算得到的频率即可得。

　　D和严重度判定准则的操作性较差,作者推荐企业根据AIAG的D准则,结合企业现有的控制措施制定适用于企业自身的D判定准则。

　　至于严重度的判定,提倡仍沿用AIAG的准则,但为了增强其可操作性,作者对其进行了进一步的归纳总结,生成如下图所示的流程;根据该流程即可很容易地判定每种故障的严重度。

　　阀体磨损的严重度影响了发动机的基本功能,但未完全丧失,所以严重度为7;阀体磨损的O根据故障数据的统计结果,结合专家组的分析,确定O为3;阀体磨损的检测度现有的控制措施除硬度检测外,均为对两零部件的配合检测,有较多的机会能找出潜在的起因,检测度为4。

专家组确定S和RPN的阈值为7和80,当S超过7（含7）,RPN超过80（含80）时,必须对其进行改进。

因此,提出了以下建议措施:

a）阀体喉口和阀片直径、阀片和阀杆影响全闭泄漏量,除保证其配合间隙外,还应通过设计保证装配后阀体喉口和阀片的同轴度,并进行全闭泄漏量检测;b）怠速控制阀和怠速通道影响怠速流量,先需要通过设计保证怠速通道孔系的同轴度,然后保证怠速控制阀和怠速通道的同轴度和间隙。

　　完成以上分析后,要根据建议措施对设计进行修正（实际采取的措施可能与建议措施不同）,修正后再重复以上步骤,直至S和RPN低于确定的DFMEA的S和RPN阈值。

　　3.生成DFMEA报告完成每轮DFMEA之后,要及时生成DFMEA报告,包括需改进的零部件、建议措施和改进措施等。

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DFMEA的开发机理

　　 一、DFMEA的开发

　　这项工作应在填制DFMEA专用表格之前进行。

对于电池的DFMEA开发，就是指构成电池这个系统的各部件或由部件构成的各子系统之间的相互关系，以及这些部件或由部件构成的各子系统的功能。

通常是通过作设计FMEA框图来完成。

设计FMEA的开发具有很重要的作用，它实质上是将电池这个大系统进行了从整体到局部的解剖从而获得了对电池整体的认识，为进行进一步的设计FMEA提供了整体的基本框架。

制作设计FMEA框图有多种思路,一个良好的设计FMEA框图应全部包括系统中所有的零部件，并层次清晰地体现出各零部件之间的相互关系。

　　二、项目/功能

　　关于“项目/功能”这一栏，我们往往以为其内容不多，难度也不大，可做的东西也不多。

但恰恰相反，这一栏是整个设计FMEA的基石，是根本，是出发点。

如果这一栏没没有考虑清楚、有挖掘好，那么整个设计FMEA就等于无源之水、无本之木了。

“项目”指的是这节设计FMEA所要分析的零部件或子系统，这必须限定和明确。

其次，“功能”是指该零部件或子系统要满足设计意图的功能，简而言之，就是这个零部件或子系统到底有什么用，要达到什么目的。

因为既然存在该零部件或子系统，则其必须有用，否则就没有存在的必要了。

一个零部件或子系统到底有哪些功能，有时我们并没有完全掌握。

因为我们对所研究对象的认识是一个逐渐深入的过程，对其功能的认识也一样。

我们对电池的各零部件或子系统的功能的认识，实质上就是我们对电池本身的认识。

所以，我们应多方面、多层次、多角度挖掘出各零部件或子系统的功能，并且不满足于已有的对它功能的认识，而应逐次深入、反复地再理解、再认识。

　　三、潜在失效模式

　　项目确定了，功能挖掘好了，接下来就是分析潜在失效模式。

潜在失效模式是针对项目的功能而言的，即该项目不能达到预期功能的各种表现形式。

因此，项目有什么功能，一般就会有达不到该功能的潜在失效模式。

由此也可以看出全面、准确认识的重要性，因为如果项目的功能不全或不准确，那么很难想象由此得出的其潜在的失效模式会是准确和全面的。

另外，由于多种原因，某一项目本身所固有的缺陷，它在达到预期功能的同时，会不可避免地产生一些负面效应，这些负面效应并不能依据项目的功能得来。

例如通常采用的空气加热干燥设备，它在实现预期干燥物料功能的同时，有可能对物料（如易氧化或热敏性物料）造成氧化或热分解的不良影响。

如果这种物料不期望被氧化，那么这也应该作为一个潜在失效模式加以重点考虑。

如果有必要，应对该干燥设备应进行重新的设计或采用其它的干燥方式以避免氧化的产生。

　　四、潜在失效的起因/机理

　　潜在失效的起因、机理是针对失效模式而言的，其作用的结果就是失效模式，同时又是后面提出建议和纠正措施的依据。

对潜在失效的起因、机理的分析应尽量深刻，避免肤浅、空乏。

查找起因、机理应有科学的方法及可靠的数据，不能妄下结论，否则后面提出的建议和纠正措施就没有什么意义了，更不要谈有什么改善的效果了。

　　五、建议措施

　　当失效模式按RPN值排出次序后，应首先对RPN值最高的和最关键的项目采取纠正措施。

任何建议措施的目的都是为了减少频度、严重度及探测度三者中的任何一个或所有的值。

严重度一般不会发生变化，因为严重度是潜在失效模式发生时对下一个零部件或子系统或顾客影响后果的评价指标，它从侧面反映出被研究的项目在整个系统中的地位及重要程度。

因此，如果要使严重度级别降低，只能通过修改设计来实现。

增加设计确认、验证工作只能减少探测度，不能改变严重度和频度。

要减低频度只能通过修改设计来消除或控制一个或多个失效模式的起因、机理来实现。

因此，一个良好的建议和纠正措施是依据实效起因、机理提出的，旨在克服失效的起因、机理，以避免失效模式的发生，进而更好地实现项目的功能。

同时，一个良好的建议措施，还应综合考虑现有技术水平、成本等因素。

总之，设计FMEA的各部分内容之间紧密联系，有着良好的逻辑关系，必须将这些相互关系理解透，才能做好设计FMEA。

DOE系列-在生产中应用

DOE系列－初识DOE其实，DOE对中国人来说，也不是一个完全崭新的内容。

早在新中国成立初期，华罗庚教授就在我国农业、工业领域大力倡导与普及DOE，只是当时他运用的是另一个名词--优选法。

七十年代末，方开泰教授和王元院士又提出了著名的"均匀设计"法，这一方法在我国航空航天事业中的导弹设计中取得了巨大成效。

与此同时，"均匀设计"法也在全球研究DOE理论的学术界得到了高度赞誉。

但是，在将DOE的先进理念和科技方法向各行各业转移，向一般技术人员转移，并转换为高效生产力的道路上，我们的进展还很有限。

通过"DOE系列之一"我们已经知道：

DOE与人们的生活及工作密切相关，在专业六西格玛统计分析软件JMP的帮助下，掌握DOE也不再是一件难事。

从本质上讲，DOE是这样一门科学：

研究如何以最有效的方式安排试验，通过对试验结果的分析以获取最大信息。

所以，DOE有两大技术支柱：

试验规划和分析方法。

其中，试验规划又可以分为均分设计、因子设计、响应面设计等，分析方法又可以分为极差分析、方差分析、多元回归分析等。

虽然DOE的理论体系中涉及统计分析的专业词汇很多，但为便于读者理解，本文包括后续的系列文章将尽量避免过多地涉及统计分析的基本概念，而是将以"解决问题的思路"为导向，由浅入深地向读者介绍DOE的理论体系和应用过程。

另外，感谢当代高速发展的计算机技术，我们可以借助六西格玛统计分析软件JMP来实现上述所有的试验设计方案，顺便提一下，JMP是目前唯一能实现上述所有试验设计方案的六西格玛统计分析软件，而且已经面向大中华地区推出中英文双语版软件。

一般的实际问题都是纷繁复杂、千变万化的，但是透过现象看本质，所有实际问题的共同点也可以通过统一的模抽象概括。

图一就是一个高度简化的过程模型，其中 ， ，…是我们关心的输出变量，例如质量指标、生产能力和成本等，通常被称为"响应变量"（Response）； ， ，…，是我们在工作中可以加以控制的输入变量，例如人员、设备、原材料、操作方法和环境等，通常被称为"可控因子"（Factor），它们可以是连续型数据，也可以是离散型数据；中间的"黑匣子"是"过程"（Process），在前两者之间起着衔接转换的作用，它与不同行业、不同产品、不同技术密切相关，但整体都可以用的数学模型来表示。

这个数学模型的具体表达式越精准，说明我们对这个过程的理解越深刻，DOE就是协助我们揭示或验证数学模型表达式的利器！

DOE系列－DOE就在你身边DOE，即试验设计（DesignOfExperiment），是研究和处理多因子与响应变量关系的一种科学方法。

它通过合理地挑选试验条件，安排试验，并通过对试验数据的分析，从而找出总体最优的改进方案。

从上个世纪20年代费雪（RonaldFisher）在农业试验中首次提出DOE的概念，到六西格玛管理在世界范围内的蓬勃发展，DOE已经历了80多年的发展历程，在学术界和企业界均获得了崇高的声誉。

然而，由于专业统计分析的复杂性和各行各业的差异性，DOE在很多人眼中逐渐演变为可望而不可及的空中楼阁。

其实，DOE绝不是少数统计学家的专属工具，它很容易成为各类工程技术人员的好朋友、好帮手。

本文将以一个日常生活中的小案例为线索，结合操作便捷的专业统计分析软件JMP，帮助大家揭开DOE的神秘面纱，了解DOE的执行过程，自由自在地建立属于自我的DOE空间。

DOE系列－多因子DOE的魅力当试验中的因子数量逐步增加时，试验次数却呈指数增加，庞大的试验规模意味着巨额的试验费用，意味着实施DOE的可行性越来越小。

为了解决这个矛盾，我们可以用一种更具魅力的方法——部分因子设计（FractionalFactorialDesign）来替代一般的完全因子设计。