PRZYKŁAD 1: DOKŁADNOŚC OBRĚBKI PROCESU FREZOWANIA
Transkrypt
PRZYKŁAD 1: DOKŁADNOŚC OBRĚBKI PROCESU FREZOWANIA
PRZYKŁAD 1: • DOKŁADNOŚC OBRÓBKI PROCESU FREZOWANIA W celu zwiększenia dokładności wykończenia obrabianych części należy dokonać analizy procesu frezowania. • Na podstawie dotychczasowych obserwacji ustalono, iż czynnikami mającymi wpływ na jakość obróbki są: - posuw, - głębokość frezowania, - średnica frezu, - rodzaj frezu. • Na wykonanie badań kierownictwo przeznaczyło 1000 PLN. • Wykonanie jednego pomiaru i analiza próbki w laboratorium kosztuje 55 PLN. © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 1 KROK 1 NALEŻY ZAPROJEKTOWAĆ EKSPERYMENT. • Wyznaczony budżet pozwala na wykonanie 18-stu pomiarów (1000PLN/55PLN). • W grę wchodzą: - eksperyment całościowy 24 (16 pomiarów - nastaw bez replikacji) - eksperyment ułamkowy 24-1 (4 nastawy, każda z 4-ema replikacjami - razem 16 pomiarów). • Ponieważ z doświadczenia pracowników wynika, iż mogą zachodzić poważne interakcje pomiędzy czynnikami, aby uniknąć konfundowania czynników i interakcji, podjęto decyzję o wykonaniu eksperymentu całościowego (24 - 16 pomiarów - nastaw bez replikacji) zwłaszcza, iż wcześniej zaobserwowano, że w ramach takiego samego nastawu istnieje bardzo małe zróżnicowanie jakości obróbki (a więc analiza odchyleń standardowych może nie być taka ważna). • Dokładność wykończenia mierzona jest mikrometrach. Należy więc wybrać takie nastawy, które pozwolą na zminimalizowanie równania systemu. © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 2 KROK 2 NORMALIZACJA CZYNNIKÓW CZYNNIKI A B C D Posuw Głębokość Średnica frezu Rodzaj frezu (m/min) frezowania (mm) (mm) Wysoki (+1) 100 8 200 widiowy Niski (-1) 80 1 100 diamentowy POZIOMY © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 3 KROK 3 ROZPISANIE TABELI ZNAKÓW 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Nastawy (1) d c cd b bd bc bcd a ad ac acd ab abd abc abcd © COPYRIGHTS 2002 I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 A -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 1 1 B -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 C -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 Artur Maciaszczyk D -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 AB 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 AC 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 tel. 0602 375 325 AD 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 BC 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 BD 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 CD 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 ABC ABD ACD BCD ABCD -1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 4 KROK 4 WYKONANIE POMIARÓW I OBLICZENIE WSPÓŁCZYNNIKÓW RÓWNANIA Nastawy I A B C D AB AC AD BC BD CD ABC ABD ACD BCD ABCD 1 (1) 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 2 d 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 3 c 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 1 -1 4 cd 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 1 5 b 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 -1 6 bd 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 7 bc 1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 8 bcd 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 9 a 1 10 ad 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 11 ac 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 12 acd 1 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 13 ab 1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 1 14 abd 1 1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1 15 abc 1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 16 abcd 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 delta c 69,8 69,8 -14,5 -7,25 9,5 3,5 21,8 1,5 1,0 -16,8 2,0 -17,8 -0,8 2,5 4,8 1,8 11 0,8 0,5 -8,4 1 -8,9 -0,4 1,3 Y 42 101 46 103 74 86 69 95 44 70 49 65 67 60 80 65 1,8 -3,8 2,3 -1,8 0,9 -1,9 1,13 -0,9 Y = 69,8 - 7,25A + 4,8B + 1,8C + 11D + 0,8AB + 0,5AC - 8,4AD + 1BC - 8,9BD - 0,4CD + 1,3ABC + 0,9ABD - 1,9ACD +1,13 BCD - 0,9ABCD © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 5 KROK 5 WYBÓR ISTOTNYCH CZYNNIKÓW I INTERAKCJI WYKRES PRAWDOPODOBIEŃSTWA NORMALNEGO Czynnik c Czynnik c L.p Percentyl z A -7,3 BD -8,9 1 0,03 -1,83 B 4,8 AD -8,4 2 0,10 -1,28 C 1,8 A -7,3 3 0,17 -0,97 D 10,9 ACD -1,9 4 0,23 -0,73 AB 0,8 ABCD -0,9 5 0,30 -0,52 AC 0,5 CD -0,4 6 0,37 -0,34 AD -8,4 AC 0,5 7 0,43 -0,17 ⇒ BC 1,0 AB 0,8 8 0,50 0,00 BD -8,9 ABD 0,9 9 0,57 0,17 CD -0,4 BC 1,0 10 0,63 0,34 ABC 1,3 BCD 1,1 11 0,70 0,52 ABD 0,9 ABC 1,3 12 0,77 0,73 0,97 ACD -1,9 C 1,8 13 0,83 BCD 1,1 B 4,8 14 0,90 1,28 ABCD -0,9 D 10,9 15 0,97 1,83 WSPÓŁCZYNNIKÓW RÓWNANIA SYSTEMU 2,00 B 1,00 0,50 0,00 -10,0 -5,0 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 0,0 5,0 10,0 15,0 -0,50 A AD BD © COPYRIGHTS 2002 D 1,50 -1,00 -1,50 -2,00 6 • Wykres prawdopodobieństwa normalnego współczynników równania systemu (efektów poszczególnych czynników i interakcji) wskazuje, iż istotne są czynniki A, B, D oraz interakcje BD i AD (tylko te punkty istotnie odbiegają od linii prostej). • Analizując współczynniki głównych czynników (bez przyglądania się interakcjom) wydaje się, że jakość obróbki jest zwiększona (Y zminimalizowane) przy nastawach: - A+ poziom wysoki (szybki posuw- 100m/min) - B- poziom niski (mała głębokość frezowania - 1mm) - D- poziom niski (frez diamentowy) - ustawienie czynnika C (średnica frezu) nie odgrywa dużej roli • Duże współczynniki interakcji AD i BD świadczą jednak, iż zachodzą interakcje pomiędzy współczynnikami A i D (posuw i rodzaj frezu) oraz pomiędzy czynnikami B i D (głębokość frezowania i rodzaj frezu). Dlatego też należy przeanalizować wszystkie kombinacje czynników A i D oraz czynników B i D. © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 7 Rodzaj frezu -1 -1 Posuw +1 Interakcje czynników A i D +1 42+46+74+69=231 101+103+86+95=385 231/4 = 57,8 385/4 = 96,3 44+49+67+80=240 70+65+60+65=260 240/4 = 60 260/4 = 65 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 AD- D+ A+ • Wykres interakcji AD wskazuje, iż minimalizacja równania występuje przy nastawach A- oraz D-. • Jeżeli jednak A jest na niskim poziomie (A-), system jest bardzo czuły na zmianę czynnika D (zmiana z Dna D+ powoduje duże zmniejszenie jakości obróbki). Jeżeli więc używamy frezu widiowego (który daje najlepszą jakość przy wolnym posuwie) nie należy używać szybkiego posuwu. W przypadku używania frezu diamentowego posuw nie odgrywa tak istotnej roli. Jeżeli czynnik D jest trudny do kontrolowania, w celu zmniejszenia zmienności procesu, należy ustawić czynnik A na wysoki poziom (duży posuw). © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 8 Rodzaj frezu -1 -1 Głębokość frezowania + 1 • Interakcje czynników D i B +1 42+46+44+49=181 101+103+70+65=339 181/4 = 45,3 339/4 = 84,8 74+69+67+80=290 86+95+60+65=306 290/4 = 72,5 306/4 = 76,5 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 B+ D- D+ B- Wykres interakcji DB wskazuje, iż minimalizacja równania występuje przy nastawach B- oraz D-, jednak dużo mniejszą zmienność procesu uzyskujemy przy nastawie B+ (przy B- istnieje duża czułość na nastaw czynnika D) • W związku z faktem, iż czynnik D jest czynnikiem łatwym do kontrolowania (posuw), nastawy A+, Bi D- wydają się optymalnymi nastawami. Przy tych nastawach (duży posuw, mała głębokość, frez diamentowy) obserwujemy gładkości 49 i 44 mikrometry, co daje średnią 46,5 µm ([49+44]/2=46,5). Jest to 23,3 µm (69,8-46,5) mniej niż średnia systemu. © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 9 WNIOSKI • W przypadku naszego procesu optymalnymi wydają się nastawy A+, B- i D- (średnia systemu 46,5 µm). • Najlepszą jakość obróbki uzyskuje się przy nastawach A-, B- i D- ([42+46]/2=44µm), jednak w tym przypadku system jest bardzo wrażliwy na zmianę czynnika D (rodzaju frezu), a jakość obróbki jest zaledwie 2,5µ m lepsza niż w przypadku nastaw A+, B- i D-. • Nastawy A+, B- i D- (duży posuw, mała głębokość, diamentowy frez) pozwalają na poprawę jakości obróbki o 50% w stosunku do średniej, a zarazem pozwalają na osiągnięcie wyższej jakości niezależnie od typu użytego frezu. • Nastaw A- i B - pozwala na osiągnięcie najwyższej jakości obróbki pod warunkiem, iż nie zostanie użyty w tym przypadku frez diamentowy. © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 10 PRZYKŁAD 2: • WYTRZYMAŁOŚĆ ŚCIEŻEK UKŁADÓW SCALONYCH NA PODŁOŻU METALICZNYM Producent układów scalonych na podłożu metalicznym postanowił wykonać doświadczenia, mające na celu odkrycie czynników odpowiedzialnych za wytrzymałości ścieżek. Celem badań jest zwiększenie wytrzymałości ścieżek i zmniejszenie zmienności procesu. • Z obserwacji technologów wynika, iż czynnikami, które mogą mieć wpływ na wytrzymałość ścieżek są: typ spoiwa, rodzaj przewodnika, czas procesu, powłoka ostateczna. • Budżet przeznaczony na badania pozwala na dokonanie 40 pomiarów. Zmniejszenie zmienności procesu wymaga dokonania analizy odchylenia standardowego pomiarów. © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 11 KROK 1 - NORMALIZACJA CZYNNIKÓW A B C D • Czynnik Typ spoiwa Przewodnik Czas procesu (przy 90°C) Powłoka Niski poziom D2 miedz 90 min cyna Wysoki poziomy H1 aluminium 120 min srebro Budżet pozwala na wykonanie: - eksperymentu ułamkowego 24-1 (8 nastaw z pięcioma replikacjami) lub - eksperymentu całościowego 24 (16 nastaw z dwoma replikacjami). © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 12 KROK 2 - ROZPISANIE ZNAKÓW I NASTAW I L.p. Nastaw 1 1 (-1) 2 1 cd 3 1 bd 4 1 bc 5 1 ad 6 1 ac 7 1 ab 8 1 abcd Nr pomiaru 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C AB BCD ACD ABD CD -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 1 1 Typ spoiwa D2 D2 D2 D2 H1 H1 H1 H1 © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk AC BD 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 BC AD 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 Przewodnik miedź miedź aluminium aluminium miedź miedź aluminium aluminium ABC D -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 Czas procesu 90 min 120 min 90 min 120 min 90 min 120 min 90 min 120 min Powłoka cyna srebro srebro cyna srebro cyna cyna srebro tel. 0602 375 325 13 KROK 3 - WPISANIE POMIARÓW, OBLICZENIE WSPÓŁCZYNNIKÓW. I A B C L.p. Nastaw 1 2 3 4 5 6 7 8 BCD ACD ABD 1 -1 -1 -1 cd 1 -1 -1 1 bd 1 -1 1 -1 bc 1 -1 1 1 ad 1 1 -1 -1 ac 1 1 -1 1 ab 1 1 1 -1 abcd 1 1 1 1 delta 81,4 2,0 0,7 5,4 C 81,4 0,98 0,37 2,72 (-1) AB AC BC ABC CD BD AD 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 1 1 0,5 -0,2 0,8 0,3 -0,1 0,4 D -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 8,7 4,4 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y śr. S 73,0 87,7 80,5 79,8 85,2 78,0 78,4 90,2 73,2 86,4 81,4 77,8 85,0 75,5 72,8 87,4 72,8 86,9 82,6 81,3 80,4 83,1 80,5 92,9 72,2 87,9 81,3 79,8 85,2 81,2 78,4 90,0 76,2 86,4 82,1 78,2 83,6 79,9 67,9 91,1 73,48 87,06 81,58 79,38 83,88 79,54 75,6 90,32 1,57 0,71 0,80 1,41 2,06 2,93 5,17 1,99 RÓWNANIE SYSTEMU Y= 81,4 + 0,98A + 0,37B + 2,72C + 4,4D + 0,3AD - 0,1 AC + 0,4DC • Współczynniki równania systemu wskazują, iż najlepszą wytrzymałość uzyskujemy przy nastawach A+, B+, C+ oraz D+ © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 14 KROK 4 - WYBÓR ISTOTNYCH CZYNNIKÓW Percentyl z A 1,0 AC,BD -0,1 1 0,07 -1,47 B 0,4 AB,CD 0,3 2 0,21 -0,79 C 2,7 0,4 3 0,36 0,64 AB,CD 0,3 BC,AD 0,4 4 0,50 0,69 B AC, BD -0,1 A 1,0 5 0,64 0,74 BC,AD 0,4 C 2,7 6 0,79 0,78 D 4,4 D 4,4 7 0,93 0,82 WYKRES PRAWDOPODOBIEŃSTWA NORMALNEGO WSPÓŁCZYNNIKÓW RÓWNANIA 1,00 A 0,50 C D 0,00 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 -0,50 -1,00 -1,50 • Wykres prawdopodobieństwa normalnego wskazuje na duży wpływ czynników C (czas procesu) oraz D (powłoka) oraz umiarkowanie czynnika A (rodzaj spoiwa). © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 15 KROK 5 - WYBÓR OPTYMALNYCH NASTAW CZYNNIK KRYTERIUM Zmaksymalizowanie wytrzymałości Ymax mało istotne (A+) A mało istotne (B+) B C C+ D D+ Zmniejszenie rozrzutu Smin A? ? ? • Ustalenie wpływu poszczególnych czynników na zmienność procesu (S) może wymagać dalszych badań. • Zastosowanie spoiwa H1 wpływa negatywnie na zmienność procesu. © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 16 WNIOSKI • Równanie systemu wskazuje, iż najlepszymi nastawami są nastawy A+, B+, C+, D+. • Odchylenia standardowe pomiarów dla poszczególnych nastaw wskazują, iż wysoki poziom czynnika A (A+) działa niekorzystnie na zmienność procesu (zwiększa ją). • Ponieważ czynnik A nie wpływa znacząco na wytrzymałość, optymalnymi wydają się nastawy - A- zmniejsza zmienność - B- lub B+ obojętne (wybór na podstawie najmniejszych kosztów) - C+ zwiększa wytrzymałość - D+ zwiększa wytrzymałość UZASADNIENIE: Przy nastawie A-, C+, D+ uzyskujemy wytrzymałość zaledwie 3 jednostki mniej od maksymalnej (87,06 zamiast 90,32 dla nastawu A+, C+, D+), natomiast zmienność procesu jest obniżona prawie trzykrotnie (0,71 zamiast 1,99) © COPYRIGHTS 2002 © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 tel. 0602 375 325 17 18 ZADANIE 1 W fabryce nawozów sztucznych postanowiono zbadać, jaki jest wpływ zawartości związków azotowych i fosforanów na skuteczność nawozu. Stwierdzono, iż skuteczność nawozu może zależeć od średniej rocznych opadów. Skuteczność nawozu mierzona jest poprzez wagę ziarna zebranego z 10m2 uprawy kukurydzy. Przy pomocy projektowania eksperymentów należy stwierdzić: 1) jakie zawartości związków azotowych i fosforanów są optymalne tak, aby skuteczność nawozu nie była zbyt wrażliwa na zmianę średniej rocznych opadów (w warunkach polskich), 2) jakie zawartości związków azotowych i fosforanów są pożądane dla nawozu eksportowanego do krajów afrykańskich (długotrwałe susze - mała średnia opadów). © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 Czynniki A Średnie roczne opady B Zawartość związków azotowych C Zawartość fosforanów 19 Poziom niski 300 mm 30 g / kg 5 g / kg Poziom wysoki 100 mm 90 g / kg 9 g / kg Eksperyment składa się z 8-miu pomiarów, w ramach których zostały przebadane trzy czynniki (23) Nastaw (1) c b bc a ac ab abc © COPYRIGHTS 2002 Waga ziarna z 1 m2 (g) 240 210 440 430 480 430 400 370 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 20 ZADANIE 2 W fabryce silników szlifowanie cylindrów wykonuje robot szlifujący. Przy pomocy projektowania eksperymentów należy stwierdzić, które czynniki odpowiedzialne są za drgania robota szlifującego cylindry silników i wybrać takie ich nastawy, aby zmniejszyć wibracje. Czynniki, które mogą wpływać na drgania to: Czynniki Poziom niski Poziom wysoki A Średnica narzędzia ciernego 3 cm 5 cm B Długość osi narzędzia ciernego 7 cm 10 cm C Ziarnistość materiału ściernego 80 120 D Sprężystość osi narzędzia ściernego 300 800 E Siła nacisku 5N 20N F Prędkość obrotowa 15000 obr/min 20000 obr/min G Posów © COPYRIGHTS 2002 2 cm / min. Artur Maciaszczyk 4 cm / min. tel. 0602 375 325 21 Eksperyment składa się z 8-miu pomiarów, w ramach których zostało przebadanych osiem czynników (27-4) Nastaw ef cdg beg bcf afg ace abd abcdefg Zmierzone drgania 46 54 45 50 55 30 47 24 Należy: → Wyznaczyć współczynniki i rozpisać równanie systemu, → Na wykres prawdopodobieństwa normalnego nanieść czynniki i określić ich istotność, → Wybrać optymalne nastawy czynników i sformułować wnioski © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 22 ZADANIE 3 W fabryce opakowań wykonuje się plastykowe pojemniki poprzez proces formowania wtryskowego. W celu obniżenia wagi opakowania, skupiono się na maksymalnym zmniejszeniu grubości ścianek, jednak przy zbyt cienkiej formie materiał nie dociera do wszystkich jej części i wskutek tego w opakowaniu powstają perforacje. Przy pomocy projektowania eksperymentów należy stwierdzić, jakie czynniki są odpowiedzialne za możliwość zmniejszania grubości ścianek opakowania i przy jakich nastawach tych czynników możemy uzyskać minimalną grubość ścianek. Czynniki Poziom niski Poziom wysoki A Temperatura rozpuszczonego granulatu 150°C 180°C B Temperatura formy 80°C 105°C 150 sekund 200 sekund 10 g/sek. 25 g/sek. C Czas utwardzania D Prędkość wtryskiwania © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 23 Eksperyment składa się z 8-miu pomiarów, w ramach których zostały przebadane cztery czynniki (24-1) Nastaw (1) cd bd bc ad ac ab abcd Zmierzona minimalna µm) grubość (µ 46 54 45 50 55 30 47 24 Należy: → Wyznaczyć współczynniki i rozpisać równanie systemu, → Na wykres prawdopodobieństwa normalnego nanieść czynniki i interakcje oraz określić ich istotność, → Wybrać optymalne nastawy czynników i sformułować wnioski © COPYRIGHTS 2002 Artur Maciaszczyk tel. 0602 375 325 24