精密過(guò)程的精密實(shí)驗(yàn)

50多年來(lái)，山貓公司一直是緊湊型設(shè)備（包括滑移裝載機(jī)和緊湊型挖掘機(jī)）設(shè)計(jì)、制造和分銷(xiāo)領(lǐng)域的世界領(lǐng)導(dǎo)者。山貓公司的設(shè)備用于許多行業(yè)，包括農(nóng)業(yè)、建筑、挖掘、園林綠化和設(shè)備租賃。除了擁有世界上最廣泛的緊湊型設(shè)備分銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò)外，該公司還是北達(dá)科他州最大的制造商。在山貓的一家工廠里，山貓用激光從大片鋼板上切割出細(xì)節(jié)部分。這些零件需要邊緣光滑，沒(méi)有毛刺或凹坑。激光加工過(guò)程以可接受的速度生產(chǎn)出可接受的質(zhì)量，但仍有改進(jìn)的空間，即使該工廠有7臺(tái)激光器，它仍需要將激光工作外包給外部承包商。吉姆·羅斯是山貓公司的認(rèn)證黑帶大師，他著手改進(jìn)這種激光切割工藝。他的目標(biāo)是確定在提高零件質(zhì)量的同時(shí)提高機(jī)器速度的設(shè)置。該項(xiàng)目在很大程度上依賴(lài)于有效收集數(shù)據(jù)、徹底分析數(shù)據(jù)和理解結(jié)果。羅斯使用Minitab統(tǒng)計(jì)軟件來(lái)完成這些任務(wù)。

挑戰(zhàn)

羅斯開(kāi)始尋找一個(gè)既能加快激光加工速度又能提高切割質(zhì)量的“最佳點(diǎn)”。風(fēng)險(xiǎn)很高。生產(chǎn)速度平均提高15%就相當(dāng)于“節(jié)省”了一臺(tái)額外的激光器，每臺(tái)激光器的安裝成本接近100萬(wàn)美元。增加現(xiàn)有七臺(tái)激光器的輸出也將減少外包的“光束小時(shí)數(shù)”——由于工廠外包了相當(dāng)一部分激光工作，即使將部分工作外包給內(nèi)部也會(huì)節(jié)省大量成本。

增加山貓工廠的7臺(tái)激光切割機(jī)（如這臺(tái)）的產(chǎn)量將減少外包的“光束小時(shí)數(shù)”，從而節(jié)省大量成本。

山貓的激光切割工藝對(duì)長(zhǎng)直切口采用快速切割，對(duì)短切口和角度采用慢速切割。找到能讓工廠在提高切割質(zhì)量的同時(shí)提高其中一個(gè)或兩個(gè)切割速度的設(shè)置，可以大大提高工廠的產(chǎn)能，收回外包的工作，并降低成本。

在研究該過(guò)程時(shí)，羅斯確定了可能影響其性能的幾個(gè)因素。這些參數(shù)包括功率（瓦特）、激光束實(shí)際開(kāi)啟的切割時(shí)間百分比（占空比）、快速切割速度的進(jìn)給速率、慢速切割速度的進(jìn)給速率、激光噴槍中使用的氣體量（輔助氣體壓力）、控制激光束的噴嘴寬度以及噴嘴到切割表面的焦距。現(xiàn)在他面臨的挑戰(zhàn)是確定這些因素中哪一個(gè)對(duì)性能影響最大，然后找到既能提高速度又能提高產(chǎn)品質(zhì)量的工藝設(shè)置。

Minitab如何幫助

這就是Minitab統(tǒng)計(jì)軟件的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）功能發(fā)揮作用的地方。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是一系列的運(yùn)行或測(cè)試，在這些運(yùn)行或測(cè)試中，您可以調(diào)整多個(gè)變量。這是改進(jìn)流程的有效方法，因?yàn)槟梢砸淮胃暮驮u(píng)估多個(gè)因素，然后使用統(tǒng)計(jì)分析獲得有意義的結(jié)果。Minitab可以幫助您確定哪些因素最重要，并了解它們?nèi)绾蜗嗷プ饔貌⑼苿?dòng)您的流程。有了這些知識(shí)，您就可以找到產(chǎn)生最佳過(guò)程性能的因子設(shè)置。

羅斯的首要任務(wù)是選擇并量化正確的回應(yīng)。提高或至少保持以更快速度生產(chǎn)的零件的質(zhì)量是主要目標(biāo)，因此他選擇切割質(zhì)量作為關(guān)鍵響應(yīng)。一次實(shí)驗(yàn)性的“運(yùn)行”包括切割一片鋼板。切割質(zhì)量分為1-5級(jí)，5級(jí)為完美切割。為了建立基線(xiàn)，羅斯對(duì)現(xiàn)有設(shè)置下的零件切割進(jìn)行了初步分析，結(jié)果顯示該過(guò)程產(chǎn)生的切割平均分為4分。

一位熱心幫助尋找更快設(shè)置的激光操作員自愿評(píng)估每次運(yùn)行中生產(chǎn)的零件。像任何研究人員一樣，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，羅斯需要確保他可以依賴(lài)測(cè)量系統(tǒng)的精度。他使用Minitab進(jìn)行屬性一致性分析，這將證明操作人員是否能夠根據(jù)既定標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)準(zhǔn)確地評(píng)估切割質(zhì)量。根據(jù)分析結(jié)果，一名激光操作員被選為唯一的評(píng)估員。他甚至能夠使用更精確的評(píng)分系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含增量（。25），而不是以前使用的整數(shù)。這提高了數(shù)據(jù)收集的能力。

有了這些因素、關(guān)鍵反應(yīng)和可靠的數(shù)據(jù)收集方法，羅斯就可以設(shè)計(jì)他的實(shí)驗(yàn)了。他知道析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)可以讓他研究多個(gè)因素對(duì)過(guò)程的影響，但他需要找到一種能以最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)產(chǎn)生可靠結(jié)果的析因設(shè)計(jì)。他使用Minitab來(lái)探索他的選項(xiàng)并確定最佳選項(xiàng)。

一種選擇是全因子實(shí)驗(yàn)，這是一種非常徹底的方法，可以測(cè)量所有因子水平組合的反應(yīng)。但是這個(gè)選項(xiàng)可能需要非常多的運(yùn)行次數(shù)。例如，具有5個(gè)因子的兩水平全因子設(shè)計(jì)需要32次運(yùn)行?？紤]到實(shí)驗(yàn)者可能想要添加重復(fù)實(shí)驗(yàn)，或者多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在許多情況下，全因子實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)可行的選擇。

羅斯轉(zhuǎn)而關(guān)注部分因子設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)通過(guò)排除一些因子水平的組合將運(yùn)行次數(shù)減少到可管理的規(guī)模，但仍能產(chǎn)生可靠的因子分析。執(zhí)行的運(yùn)行是全因子設(shè)計(jì)的選定子集或部分。但是不運(yùn)行所有的因子水平組合意味著一些效應(yīng)是混雜的，并且不能與其他效應(yīng)分開(kāi)估計(jì)。因此，必須仔細(xì)選擇分?jǐn)?shù)以獲得有意義的結(jié)果。為了使過(guò)程更容易，Minitab顯示了一個(gè)別名表，其中指定了混雜模式。

在最初的實(shí)驗(yàn)中，羅斯使用Minitab創(chuàng)建了一個(gè)部分因子設(shè)計(jì)，只需要16次運(yùn)行（圖1），但仍然允許他估計(jì)因子及其雙向交互作用的影響。羅斯還將16次實(shí)驗(yàn)重復(fù)了3次，以提高數(shù)據(jù)收集的能力，從而增加了實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顯著差異的可能性。

圖1Minitab統(tǒng)計(jì)軟件中實(shí)驗(yàn)工具的設(shè)計(jì)使選擇、設(shè)置和分析設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果變得容易。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)快速進(jìn)給速率和慢速進(jìn)給速率是加工速度的最重要的決定因素，更重要的是，證明了更快的進(jìn)給速率是可行的。(圖二)。

圖2 - 羅斯的初步實(shí)驗(yàn)表明，快速和慢速切削速度下的進(jìn)給速度是整體加工速度的最重要決定因素。他利用這些信息設(shè)計(jì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)，以更快的速度優(yōu)化零件質(zhì)量的工藝設(shè)置。

羅斯的后續(xù)實(shí)驗(yàn)側(cè)重于為其余三個(gè)重要因素找到最佳設(shè)置，以提高高速切割質(zhì)量。結(jié)果的立方圖（圖3）顯示，在低輔助氣體壓力和負(fù)載下切割表面質(zhì)量最高，當(dāng)速度增加時(shí)噴嘴聚焦水平較高。它還表明預(yù)期的切割質(zhì)量高于舊設(shè)置下的標(biāo)準(zhǔn)4.0。

圖3 -立方體圖顯示了在低輔助氣體壓力和負(fù)載以及高水平噴嘴聚焦下的最高切割質(zhì)量，預(yù)期切割質(zhì)量高于舊設(shè)置下的標(biāo)準(zhǔn)4.0。

結(jié)果

羅斯用于評(píng)估激光切割過(guò)程的三個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)取得了很好的結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)改進(jìn)了加工邊緣質(zhì)量的定義，并確定了優(yōu)化設(shè)置，使所有產(chǎn)品的加工生產(chǎn)率提高了20%以上。增加7臺(tái)現(xiàn)有激光器的輸出消除了購(gòu)買(mǎi)額外激光設(shè)備的需求，節(jié)省了500，000美元。這一增長(zhǎng)還減少了約2000小時(shí)的“光束時(shí)間”，而這些時(shí)間原本是可以外包的?？傊?，羅斯用Minitab統(tǒng)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果總的潛在影響超過(guò)100萬(wàn)美元。

審核編輯 黃宇