50多年來，山貓公司在緊湊型設(shè)備（包括滑移裝載機(jī)和緊湊型挖掘機(jī)）的設(shè)計(jì)，制造和分銷一直處于全球領(lǐng)導(dǎo)者地位。山貓的設(shè)備用于許多行業(yè)，包括農(nóng)業(yè)，建筑，挖掘和美化環(huán)境以及設(shè)備租賃。除了擁有全球最廣泛的緊湊型設(shè)備分銷網(wǎng)絡(luò)外，該公司還是北達(dá)科他州最大的制造商。

在其中一家工廠，山貓使用激光從大型鋼板上切割出細(xì)部。這些零件必須具有光滑的邊緣，沒有毛刺或凹坑。激光加工過程以可接受的速度產(chǎn)生了可接受的質(zhì)量，但是仍有改進(jìn)的空間，即使該設(shè)施有七個(gè)激光，它仍然需要將激光工作發(fā)送給外部承包商。獲得山貓認(rèn)證的Master Black Belt的Jim Rose著手改善這一激光切割工藝。他的目標(biāo)是確定可以提高機(jī)器速度并改善零件質(zhì)量的設(shè)置。該項(xiàng)目在很大程度上依賴于有效地收集數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行徹底分析并理解結(jié)果。Rose使用Minitab統(tǒng)計(jì)軟件來完成這些任務(wù)。

挑戰(zhàn)

羅斯著手尋找一個(gè)“最佳點(diǎn)”，該點(diǎn)將提供更快的激光加工和更好的切割質(zhì)量。平均提高生產(chǎn)速度相當(dāng)于“節(jié)省”一臺(tái)額外的激光器，每臺(tái)激光器的安裝成本將近一百萬美元。現(xiàn)有七臺(tái)激光器的輸出量的增加也將減少外包“光束時(shí)間”的數(shù)量，而且隨著工廠將其激光器工作的健康部分外包出去，甚至將其中的一部分工作返還內(nèi)部也可以節(jié)省大量資金。

在研究過程中，Rose確定了可能影響其性能的幾個(gè)因素。其中包括功率（以瓦特為單位），實(shí)際打開激光束的切割時(shí)間的百分比（占空比），快速切割的進(jìn)給速度，慢速切割的進(jìn)給速度，激光炬中使用的氣體量 （輔助氣體壓力），控制光束的噴嘴寬度以及從噴嘴到切割面的聚焦距離。現(xiàn)在，他的挑戰(zhàn)是確定這些因素中哪些對(duì)性能影響最大，然后找到可以提高速度和產(chǎn)品質(zhì)量的工藝設(shè)置。

Minitab如何提供幫助

這就是Minitab的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）功能的所在設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是一系列運(yùn)行或測試，您可以在其中調(diào)整多個(gè)變量。這是一種改進(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)生最佳過程性能的因素設(shè)置。

Rose的首要任務(wù)是選擇和量化正確的響應(yīng)。提高或至少保持以更快的速度生產(chǎn)零件的質(zhì)量是首要目標(biāo)，因此他選擇了切割質(zhì)量作為關(guān)鍵響應(yīng)。一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的“運(yùn)行”將包括切割一塊鋼板。切割質(zhì)量將以1-5的等級(jí)進(jìn)行排名，其中5是完美的切割。為了建立基準(zhǔn)，Rose對(duì)使用現(xiàn)有設(shè)置的零件切割進(jìn)行了初步分析，結(jié)果顯示該過程正在生產(chǎn)平均分?jǐn)?shù)為4的零件。

Rose需要確保在實(shí)驗(yàn)開始之前，他可以依靠測量系統(tǒng)的精度。他使用Minitab進(jìn)行屬性一致性分析，該分析將證明操作員是否可以根據(jù)既定標(biāo)準(zhǔn)一致且準(zhǔn)確地評(píng)估切割質(zhì)量。根據(jù)分析結(jié)果，選擇了一名激光操作員作為唯一評(píng)估員。他甚至能夠使用更精確的計(jì)分系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含1/4的增量（.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。

有了各種因素，關(guān)鍵響應(yīng)和可靠的數(shù)據(jù)收集方法，Rose準(zhǔn)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。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)過程的影響，但是他需要找到析因設(shè)計(jì)的類型，該類型可以在最少的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中產(chǎn)生可靠的結(jié)果。

一種選擇是進(jìn)行充分的階乘實(shí)驗(yàn)，這是一種非常徹底的方法，可以測量所有因子水平組合的響應(yīng)。但是此選項(xiàng)可能需要運(yùn)行次數(shù)過多。例如，具有5個(gè)因子的兩級(jí)全因子設(shè)計(jì)需要32次運(yùn)行。考慮到實(shí)驗(yàn)者可能隨后會(huì)添加重復(fù)樣本或多次重復(fù)運(yùn)行，因此進(jìn)行完全因子分析不是一個(gè)可行的選擇。

Rose又研究了分?jǐn)?shù)階乘設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)通過排除因子水平的某些組合將運(yùn)行次數(shù)減少到可管理的大小，但仍然可以對(duì)因子進(jìn)行可靠的分析。執(zhí)行的運(yùn)行是完整因子設(shè)計(jì)的選定子集或一部分。但是，如果不運(yùn)行所有因子水平組合，則意味著某些影響是混雜的，無法與其他影響分開估計(jì)。因此，必須仔細(xì)選擇分?jǐn)?shù)以獲得有意義的結(jié)果。為了簡化該過程，Minitab將顯示一個(gè)別名表，該表指定了混淆模式。

在他的最初實(shí)驗(yàn)中，Rose使用Minitab創(chuàng)建了僅需16次運(yùn)行的?分?jǐn)?shù)階乘設(shè)計(jì)（如下圖），但仍然允許他估計(jì)這些因素及其雙向交互作用的效果。Rose還重復(fù)了16次運(yùn)行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)明顯差異的可能性。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，快速進(jìn)給速度然后是低速進(jìn)給速度是決定加工速度的最重要因素，更重要的是，證明了更快的進(jìn)給速度是可行的。（如下圖）

Rose的后續(xù)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是為其余三個(gè)重要因素找到最佳設(shè)置，以提高切割質(zhì)量。結(jié)果的立方圖（如下圖）顯示了在較低的輔助氣體壓力和負(fù)荷下，當(dāng)速度提高時(shí)，切割表面的質(zhì)量最高，并且噴嘴聚焦水平較高。它還表明預(yù)期的切割質(zhì)量高于舊設(shè)置下的4.0標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)果

Rose用于評(píng)估激光切割過程的三個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了很好的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)確定了加工邊緣質(zhì)量的改進(jìn)定義，并確定了優(yōu)化設(shè)置，從而將所有產(chǎn)品的過程生產(chǎn)率提高了20％以上。現(xiàn)有的7臺(tái)激光器的輸出量不斷增加，因此無需購買額外的激光設(shè)備，節(jié)省了500,000美元。這種增加還消除了原本可以外包的大約2,000小時(shí)的“光束時(shí)間”。 總體而言，Rose使用Minitab設(shè)計(jì)和分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果總計(jì)潛在節(jié)省了超過1,000,000美元。

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