精密過程的精密實驗

50多年來，山貓公司一直是緊湊型設備（包括滑移裝載機和緊湊型挖掘機）設計、制造和分銷領域的世界領導者。山貓公司的設備用于許多行業，包括農業、建筑、挖掘、園林綠化和設備租賃。除了擁有世界上最廣泛的緊湊型設備分銷網絡外，該公司還是北達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節部分。這些零件需要邊緣光滑，沒有毛刺或凹坑。激光加工過程以可接受的速度生產出可接受的質量，但仍有改進的空間，即使該工廠有7臺激光器，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證黑帶大師，他著手改進這種激光切割工藝。他的目標是確定在提高零件質量的同時提高機器速度的設置。該項目在很大程度上依賴于有效收集數據、徹底分析數據和理解結果。羅斯使用Minitab統計軟件來完成這些任務。

挑戰

羅斯開始尋找一個既能加快激光加工速度又能提高切割質量的“最佳點”。風險很高。生產速度平均提高15%就相當于“節省”了一臺額外的激光器，每臺激光器的安裝成本接近100萬美元。增加現有七臺激光器的輸出也將減少外包的“光束小時數”——由于工廠外包了相當一部分激光工作，即使將部分工作外包給內部也會節省大量成本。

增加山貓工廠的7臺激光切割機（如這臺）的產量將減少外包的“光束小時數”，從而節省大量成本。

山貓的激光切割工藝對長直切口采用快速切割，對短切口和角度采用慢速切割。找到能讓工廠在提高切割質量的同時提高其中一個或兩個切割速度的設置，可以大大提高工廠的產能，收回外包的工作，并降低成本。

在研究該過程時，羅斯確定了可能影響其性能的幾個因素。這些參數包括功率（瓦特）、激光束實際開啟的切割時間百分比（占空比）、快速切割速度的進給速率、慢速切割速度的進給速率、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?，F在他面臨的挑戰是確定這些因素中哪一個對性能影響最大，然后找到既能提高速度又能提高產品質量的工藝設置。

Minitab如何幫助

這就是Minitab統計軟件的實驗設計（DOE）功能發揮作用的地方。設計實驗是一系列的運行或測試，在這些運行或測試中，您可以調整多個變量。這是改進流程的有效方法，因為您可以一次更改和評估多個因素，然后使用統計分析獲得有意義的結果。Minitab可以幫助您確定哪些因素最重要，并了解它們如何相互作用并推動您的流程。有了這些知識，您就可以找到產生最佳過程性能的因子設置。

羅斯的首要任務是選擇并量化正確的回應。提高或至少保持以更快速度生產的零件的質量是主要目標，因此他選擇切割質量作為關鍵響應。一次實驗性的“運行”包括切割一片鋼板。切割質量分為1-5級，5級為完美切割。為了建立基線，羅斯對現有設置下的零件切割進行了初步分析，結果顯示該過程產生的切割平均分為4分。

一位熱心幫助尋找更快設置的激光操作員自愿評估每次運行中生產的零件。像任何研究人員一樣，在實驗開始之前，羅斯需要確保他可以依賴測量系統的精度。他使用Minitab進行屬性一致性分析，這將證明操作人員是否能夠根據既定標準持續準確地評估切割質量。根據分析結果，一名激光操作員被選為唯一的評估員。他甚至能夠使用更精確的評分系統，該系統包含增量（。25），而不是以前使用的整數。這提高了數據收集的能力。

有了這些因素、關鍵反應和可靠的數據收集方法，羅斯就可以設計他的實驗了。他知道析因實驗設計可以讓他研究多個因素對過程的影響，但他需要找到一種能以最少的實驗次數產生可靠結果的析因設計。他使用Minitab來探索他的選項并確定最佳選項。

一種選擇是全因子實驗，這是一種非常徹底的方法，可以測量所有因子水平組合的反應。但是這個選項可能需要非常多的運行次數。例如，具有5個因子的兩水平全因子設計需要32次運行?？紤]到實驗者可能想要添加重復實驗，或者多次重復實驗，在許多情況下，全因子實驗并不是一個可行的選擇。

羅斯轉而關注部分因子設計，這種設計通過排除一些因子水平的組合將運行次數減少到可管理的規模，但仍能產生可靠的因子分析。執行的運行是全因子設計的選定子集或部分。但是不運行所有的因子水平組合意味著一些效應是混雜的，并且不能與其他效應分開估計。因此，必須仔細選擇分數以獲得有意義的結果。為了使過程更容易，Minitab顯示了一個別名表，其中指定了混雜模式。

在最初的實驗中，羅斯使用Minitab創建了一個部分因子設計，只需要16次運行（圖1），但仍然允許他估計因子及其雙向交互作用的影響。羅斯還將16次實驗重復了3次，以提高數據收集的能力，從而增加了實驗發現顯著差異的可能性。

圖1Minitab統計軟件中實驗工具的設計使選擇、設置和分析設計實驗的結果變得容易。

第一個實驗發現快速進給速率和慢速進給速率是加工速度的最重要的決定因素，更重要的是，證明了更快的進給速率是可行的。(圖二)。

圖2 - 羅斯的初步實驗表明，快速和慢速切削速度下的進給速度是整體加工速度的最重要決定因素。他利用這些信息設計后續實驗，以更快的速度優化零件質量的工藝設置。

羅斯的后續實驗側重于為其余三個重要因素找到最佳設置，以提高高速切割質量。結果的立方圖（圖3）顯示，在低輔助氣體壓力和負載下切割表面質量最高，當速度增加時噴嘴聚焦水平較高。它還表明預期的切割質量高于舊設置下的標準4.0。

圖3 -立方體圖顯示了在低輔助氣體壓力和負載以及高水平噴嘴聚焦下的最高切割質量，預期切割質量高于舊設置下的標準4.0。

結果

羅斯用于評估激光切割過程的三個設計實驗取得了很好的結果。這些實驗改進了加工邊緣質量的定義，并確定了優化設置，使所有產品的加工生產率提高了20%以上。增加7臺現有激光器的輸出消除了購買額外激光設備的需求，節省了500，000美元。這一增長還減少了約2000小時的“光束時間”，而這些時間原本是可以外包的?？傊?，羅斯用Minitab統計軟件設計和分析的實驗結果總的潛在影響超過100萬美元。

審核編輯 黃宇