Deney tasarımı

11,973 views

Published on

Published in: Education

Deney tasarımı

  1. 1. Kalite İçin Deney Tasarımı
  2. 2. ÖZET Deneysel çalışmalar bilim ve araştırmanın vazgeçilmez bir unsurudur, ancak deneysel çalışmalar uzun zaman ve bir o kadarda uğraşı gerektiren bir çalışmadır. Deneysel çalışmalarda doğru bir sonuca ulaşabilmek için doğru bir deney tasarımının yapılması, parametrelerin doğru olarak belirlenmesi ve deney sonucundan ne bekleneceğinin doğru olarak bilinmesi gerekmektedir. Bütün bu koşullar yerine getirildiği zaman bile doğru bir sonuca ulaşmak için aynı numuneden veya aynı deneyden çok sayıda yapılması gerekebilir. Bu ise hem uzun zaman, hem maliyet hem de harcanan eforu arttırır. Bu çalışmada kaliteli ürün geliştirmek yada üretmek için şimdiye kadar yapılan ve bundan sonra yapılması tavsiye edilen deney tasarımları hakkında bilgiler verilmiştir.
  3. 3. 1. GİRİŞ Deney Nedir? Deneyler, araştırmacılar tarafından bir sistemi yada belirli bir süreci tanımlamak ve anlamak için kullanılır. Literatürde bir deney aynı zamanda bir testtir. Bir süreç yâda sistemin girdilerinde değişiklik yapılarak çıktıların gözlemlenmesi ve analiz edilmesidir. Deney Tasarımı ilk olarak 1920’lerde ünlü İngiliz istatistikçi R.A. Fisher ve arkadaşları tarafından geliştirilmiştir. Fisher, varyans analizi (Anova) tekniğini de geliştirmiştir. Anova: Anakütle ortalamaları arasında farkın olup olmamasını sınar.
  4. 4.  Deney tasarımının en temel amaçlarından biri deney hatalarını minimuma indirmektir. Deneyin planlaması sırasında bir kontrol listesinin oluşturulması gereklidir. Bir deneyin tasarımında kontrol listesinde oluşturulan adımların hiçbiri bir birinden bağımsız değildir. Bunlar; 1. Deneyin amaç ve hedeflerinin belirlenmesi 2. Bütün değişken özelliğe sahip kaynaklarının tanımlanması a) Deney üniteleri b) Kontrol edilebilen faktörler c) Kontrol edilmeyen faktörler d) Bloklama işlemleri
  5. 5. 3- Uygulamada deneyi ünitelere ayırmak için bir kuralın belirlenmesi 4- Deneyin ölçü birimlerinin belirlenmesi 5- Pilot bir uygulama yapılması 6- Pilot uygulamadan sonra model oluşturulması 7- Analiz için bir çerçeve oluşturulması 8- Kaç adet gözlem yapılacağının hesaplanması 9- Gözden geçirme ve revizyon Genel olarak deneyler sistemin yada sürecin performansını ölçmede de kullanılır. Bir deney modeli şekil 1 de gösterilmiştir. Burada deneyin gerçekleştirilmesi sürecinde, deneyde kullanılacak parametreler bir takım girdilerdir. Bunlar makine, teçhizat, yöntem ve insan kaynakları gibi girdi türleri olabilir.
  6. 6.  Parametreler iki şekilde deneye etki eder, bunlar kullanıcı tarafından bizzat kontrol edilebilen parametreler, mesela kullanılacak malzemelerin çeşitleri, sıcaklık farklılıkları, karışım oranları gibi parametrelerdir. Kontrol edilemeyen parametreler ise kullanıcının müdahale edemediği çevre sıcaklığı, nem oranı, sıcaklık değişimi, nakliye gibi daha akla gelmeyen birçok sebeplerdir. Şekil 1 de X1, X2 ve X3 kontrol edilebilen parametreler ve Z1,Z2 ve Z3 ise kontrol edilemeyen parametrelerdir. Deney sonucunda elde edilecek çıktılar şu sorulara cevap vermelidir
  7. 7. 1. y Çıktısını en fazla etkileyen parametre hangisidir?2. y çıktısı en az, nominal yada en yüksek değerde istendiği zaman, X parametrelerinin konumları ne olmalıdır?3. Z1,Z2 ve Z3 kontrol edilmeyen parametreleri minimize etmek için kontrol edilebilen (X) parametrelerin konumları ne olmalıdır? Kontrol Edilebilen Parametreler X1 X2 …… Xn Girdiler Süreç Çıktılar Z1 Z2 ……. Zn Kontrol Edilemeyen Parametreler Şekil 1 Bir sistem yada sürecin genel modeli
  8. 8.  Bilindiği gibi deneysel çalışmalarda çok sayıda deneyler yapılır. Bu deneyler laboratuar ortamında, pilot uygulama, tam uygulama yada klinik olarak yapılır. Deney tasarımı için şunlar gereklidir. 1. Toplam deney sayısını azaltmak, 2. Tasarımcının formüle ettiği etkinliği eşzamanlı olarak değiştirebilmek, 3. Doğru bir deney stratejisi belirlemek. Eğer bir deney doğru bir şekilde tasarlanırsa, en iyi sonuç için veriler doğru bir şekilde toplanmış olacaktır. Bundan dolayı deney tasarımı yapılırken aşağıdaki sorulara cevap verilecek şekilde tasarım yapılmalıdır.
  9. 9. 1. Sonuçlar ve parametrelerin etkisi hesaplanabiliyor mu? 2. Sonucu kaç tane parametre etkiliyor? 3. Eş zamanlı olarak kaç tane parametre hesaba katılmalı? 4. Kaç tane deney tekrarının yapılması gerekiyor? 5. Ne tür bir veri analizi (Regresyon, Anova) kullanılmalı? 6. Etkiler üzerindeki hangi seviye farklılıkları ne kadar önemlidir? Veriler deneysel yada gözlemsel çalışmaların merkezindedir. Şekil 2 de de görüldüğü gibi veriler deneysel çalışmaların ve gözlemlerin kesişim noktasında olmalıdır. Deneysel çalışmalarda değişkenlerin kaynağı her bir test için kontrol edilebilir yada sabitlenebilir. Ancak gözlemsel çalışmalarda değişkenler kontrol edilemezler sadece veri olarak kaydedilebilirler .
  10. 10. DeneyProblemi Veri ÇıkarımFormüleetme Gözlem Şekil 2: Bilimsel çalışmalarda istatistiksel girdi düzeyi
  11. 11.  Bütün gözlemsel çalışmaların metodolojisi iki büyük gruba bölünür. Bunlar; 1. Klasik yada pasif metodoloji 2. Aktif yada istatistiksel metodoloji 2.KLASİK METODOLOJİ İLE DENEY TASARIMI Klasik yada geleneksel yöntem ile yapılan deney çalışmalarında, her seferinde bir parametre değiştirilir ve diğer bağımsız parametreler sabit tutulur. Bu yöntemde sistemin parametrelerin arasında o anda değiştirilen parametrenin sisteme etkisinin araştırılması yapılır. Şekil 3 de görüldüğü gibi bir ürün geliştirmede yada üretim problemini çözmek için klasik metodoloji ile yapılan deney tasarımında, deney için parametreler belirlenir ve deneye başlanır. Deneyde X1 parametresi değiştirilir, deneyin sonucu ölçülür ve deneye etkisi belirlenmeye çalışılır bu sırada diğer parametreler sabit tutulur.
  12. 12. Deney için X1 X2 X3 XnParametreleri Parametresini Parametresini Parametresini ParametresiniBelirle ve değiştir değiştir değiştir değiştirDeneye başla Sonucu ölç Sonucu ölç Sonucu ölç Sonucu ölç Etkisini belirle Etkisini belirle Etkisini belirle Etkisini belirle Şekil 3: Klasik metodoloji ile yapılan deney tasarımı ve ölçümü Klasik metodoloji ile yapılan deney çalışmasında deneyi etkileyen dış faktörler (kontrol edilemeyen) çok fazla hesaba katılmaz.
  13. 13. 3. İSTATİSTİKSEL METODOLOJİ İLE DENEY TASARIMI Deney tasarımında klasik yöntemlerin yetersizliği istatistiksel deney tasarım yöntemleri ile giderilmiştir. İstatistiksel deney tasarımında farklı yöntemler kullanılmaktadır. Bunlar; 1. Tam faktöriyel 2. Kesirli faktöriyel 3. Taguchi metodu 3.1 Tam Faktöriyel Deney Tasarımı En az iki veya daha fazla parametre ve bu parametrelere ait en az iki veya daha seviyelerin bulunduğu deneylerde, seviyelerin birbirleri ile çarpımları ile oluşan kombinasyondur. Bilimsel olarak deney tasarımı 3 temel prensibe sahiptir. Bunlar; deney tekrarı, deneyin sırasının rastgele yapılması ve deneyin bloklanmasıdır.
  14. 14.  Tam faktöriyel deney tasarımında rastsal tam bloklamalar kullanılır. Bloklamanın temel amacı bilinmeyen ve kontrol edilemeyen hataların deneyi etkilemesini önlemesidir. Deney esnasında oluşabilecek hatalardan ve sapmalardan sakınmak için iki yöntem kullanılmaktadır. Bunlar deneylerin rastgele yapılması ve geriye dönük detayların incelenerek gerekli düzetmelerin yapılmasıdır. Deney sonrasında varyasyon analizinin yapılabilmesi için deneyin en az üç kez tekrar edilmesi gerekmektedir. Böylece deney istatistiksel olarak yorumlanabilir. Tam faktöriyel deneylerin analizinde ANOVA (Varyasyon Analizi) ve regresyon analizi kullanılmaktadır. Bu yöntemler ile bir parametrenin deney üzerindeki etkisi hesaplanabilir. Varyasyon ve regresyon analizi teknikleri işlem sırasınca bir değişiklik yapmadan farklılıkların kaynağının belirlenmesine yardımcı olur.
  15. 15. 3.2 Kesirli Faktöriyel Deney Tasarımı Tam faktöriyel deney tasarımında parametrelerin bütün seviyelerinin kombinasyonları tek- tek denendiğinden deney maliyetini arttırmakta ve çok zaman almaktadır. Maliyetten ve zamandan kazanmak için deney sayısının orantılı olarak azaltarak kesirli faktöriyel deney tasarımı elde edilir. Örneğin 7 parametreli ve 2 şer seviyeli bir deney tam faktöriyel olarak yapıldığında 2 üzeri 7 = 128 deney yapılması gerekir bunun ½ kesiri yani 64 deney yada ¼ yani 32 yada 1/8 yani 16 deney ile yapılabilir. Deney sayısını kesirli olarak azaltmak tamamen araştırmacıların elindedir.
  16. 16. 3.3 Taguchi Metodu Taguchi Yöntemi, parametre tasarımı, sistem tasarımı ve tolerans tasarımı üzerine kurulmuş bir deney tasarım ve optimizasyon yöntemidir. En yaygın olarak, kalite güvence sistemleri kapsamında toplanan verilerin, istatistiksel analizinde kullanılmaktadır. Taguchi’nin deney tasarım yöntemi, farklı parametrelerin, farklı seviyeleri arasından optimum kombinasyonu saptamak adına oldukça yararlı bir yöntemdir. Taguchi Metodu literatürde bilim adamları tarafından en çok kullanılan deney tasarım yöntemlerinden biridir.
  17. 17. Sistem tasarımı: Sistem tasarımı bu metodun ilk adımıdır. Bu adımda eldeki bütün materyaller değerlendirilir, aynı zamanda mevcut teknolojik yenilikler araştırılır ve sistemde kullanabilirliği üzerine fizibilitesi yapılır. Bu adımda amaç en az maliyetle en iyi ürün tasarımı ve maksimum müşteri memnuniyetidir. Parametre tasarımı: Süreç yenilemesi ve iyileştirmesinin en önemli adımı parametre tasarımıdır. Bu adımda üretilecek olan ürünün yada geliştirilecek olan ürünün özelliklerinin en iyi seviyeye getirilebilmesi için üretimde kullanılan parametrelerin iyileştirilmesi sağlanır. Parametrelere en iyi seviyeler seçilir. Üretim esnasında ürünün kalitesini olumsuz etkileyecek kontrol edilemeyen etkiler belirlenir. Bunlara kontrol edilemeyen parametre adı verilir bu parametrelerin etkileri minimize edilir.
  18. 18. Tolerans tasarımı: Tolerans tasarımında parametre belirleme çalışmaları sonucu istenilen hedefe ulaşılamadığı durumda yapılan ilave çalışmalardan ibarettir. Bu aşamada gözlenen değerlerden faydalanılarak ürünün hedef değerden sapma göstermesinin getirdiği kayıplar bulunur ve bu sapmalar azaltılır. 3.4 Taguchi Deneysel Tasarımının Prosedürleri Taguchi metodu ile deney tasarımında uygulanması gereken bazı temel prosedürler belirlenmiştir. Deneyin tam olarak Taguchi metoduna göre gerçekleştirilmesi için bu prosedürlerin uygulanması gerekmektedir.
  19. 19. Prosedürler;1. Problemin tanımlanması.2. Ölçüm sisteminin belirlenmesi3. Deney parametrelerinin ve parametrelere ait seviyelerin belirlenmesi4. Parametrelerin kontrol edilebilen ve kontrol edilemeyen olarak ayrılması5. Parametreler arasında etkileşimin olup olmadığının kontrol edilmesi6. Deneye uygun ortagonal dizinin seçilmesi7. Tüm parametrelerin ortagonal sütuna atanması8. Kalite kayıp fonksiyonları ve performans istatistiklerinin seçilmesi9. Deneylerin belirli tekrarda yapılması ve sonuçların kaydedilmesi10. Vayrans analizinin yapılması ve etkin parametrenin belirlenmesi11. İstenilen sonuca göre en iyi parametre seviye kombinasyonun belirlenmesi12. Gerçekleme deneyinin yapılması ve deneyin sonuçlandırılması
  20. 20. Taguchi Uygulması Taguchi, çok sayıda deneysel durumu açıklamak için ortogonaldizileri oluşturmuştur. Ortogonal dizinin en önemli özelliği, birçokfaktörün en az sayıda test edilmesi ve faktör seviyelerini eş zamanlıolarak değiştirme yapmaya olanak sağlamasıdır. Ortogonal dizilerproblemin özelliğine göre, 2 veya 3 kademeli olarak belirlenmektedir.Ortogonal dizilere tasarım matrisi de denilmektedir. Genel olarak kullanılan diziler 2 seviyeliler için L4, L8 L16,3 seviyeliler için L9 ve L27 dizileri olmaktadır. Dizilerin seçim düzeysayısı ve toplam serbestlik derecesine göre yapılmaktadır.
  21. 21. Ortogonal dizi, ürün ortalaması ve varyansında etkili olan birçokfaktörle aynı anda ve daha kısa sürede çalışmayı sağlamaktadır. L9 tasarımmatrisi örnek olarak aşağıdaki Çizelgede verilmiştir. Deney No A B C D 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1
  22. 22. Ortogonal Dizinler tam faktöriyel tasarım gereği (2ⁿ veya 3ⁿ) çok sayıda yapılması gereken denemeleri büyük oranda azaltmaktadır. Çizelge için, tam faktöriyel tasarıma göre 3’üzeri 4 =81 adet deneme yapılması gerekirken, ortogonal dizinler sayesinde deneme sayısı 9’a düşmektedir.4. Sonuç; Etkin ve güçlü tasarımın amacı sonuç yığından beklenen ortalamayı iyileştirmek ve hatalardan kaynaklanan belirsizlikleri minimize etmektir. Taguchi deney tasarımı ile yapılan deneysel çalışmalar ile geleneksel yöntem ile yapılan çalışmalar karşılaştırıldığında deney sonucu performansında önemli bir gelişme olduğu gözlemlenebilir. Taguchi yöntemi sadece araştırmacılar için değil aynı zamanda endüstri için de hem zamandan hem de maliyetten kazanımlar sağlayabilecek bir yöntemdir

×