Bobcat——优化设备效率以提高产量

50多年来，山猫公司一直是紧凑型设备设计，制造和销售的全球领导者，包括滑移装载机和小型挖掘机。山猫的设备用于许多行业，包括农业，建筑，挖掘，园林绿化和设备租赁。除了拥有世界上广泛的紧凑型设备分销网络外，该公司还是北达科他州的制造商。在其中一家工厂，山猫使用激光切割大块钢板的细节部件。这些部件需要有光滑的边缘，没有毛刺或凹坑。激光加工过程以可接受的速度产生可接受的质量，但仍有改进的余地，即使设施有七个激光器，它仍然需要向外部承包商发送激光工作。吉姆罗斯，山猫经过认证的黑带大师，致力于改善这种激光切割工艺。他的目标是确定可以提高机器速度同时提高零件质量的设置。该项目在很大程度上依赖于有效收集数据，彻底分析数据和理解结果。Rose使用Minitab Statistical Software来完成这些任务。

罗斯开始寻找一个“甜蜜点”，既能提供更快的激光加工，又能提供更好的切割质量。赌注很高。平均提高15％的生产速度相当于“节省”额外的激光器，每个激光器的安装成本接近100万美元。增加七个现有激光器的产量也会减少外包“光束时间”的数量 - 并且工厂外包是他们激光工作的一个健康部分，甚至将一些工作带回到内部将产生大量节省。

山猫的激光切割工艺使用快速切割速度进行长直切割，并且切割速度慢，适用于短切割和角度切割。找到可以让工厂提高这些切割速度中的一个或两个同时提高切割质量的设置可以大大提高工厂的生产能力，恢复养殖的工作并降低成本。

在研究过程中，罗斯发现了几个可能影响其性能的因素。这些包括功率（以瓦特为单位），激光束实际开启的切割时间百分比（占空比），快速切割速度的进给速率，慢速切割速度的进给速率，激光火炬中使用的气体量（辅助气体压力），控制光束的喷嘴的宽度，以及从喷嘴到切割表面的焦距。现在他面临的挑战是确定哪些因素对性能产生影响，然后找到可以提高速度和产品质量的流程设置。

图一：山猫工厂

Minitab如何帮助
这就是Minitab Statistical Software的实验设计（DOE）功能的用武之地。设计实验是一系列运行或测试，您可以在其中调整多个变量。这是改进流程的有效方法，因为您可以一次更改和评估多个因素，然后使用统计分析获得有意义的结果。Minitab可以帮助您确定哪些因素重要，并了解它们如何相互作用并推动您的流程。有了这些知识，您就可以找到产生过程性能的因子设置。

罗斯的首要任务是选择和量化正确的反应。改进或至少保持以更快的速度生产的零件的质量是主要目标，因此他选择切割质量作为关键响应。一个实验“运行”将包括切割一块钢板。切割质量将按1-5级排名，其中5级是完美切割。为了建立基线，罗斯对现有设置的切割部分进行了初步分析，结果显示该过程产生的切割平均得分为4。

一位热心帮助寻找更快设置的激光操作员自愿评估每次运行中生产的零件。像任何研究人员一样，罗斯需要确保在实验开始之前他可以依赖测量系统的精度。他使用Minitab进行属性协议分析，该分析将证明操作员是否可以根据既定标准一致且准确地评估切割质量。根据分析结果，选择一名激光操作员作为唯一评估员。他甚至能够使用更精确的评分系统，其中包含1/4增量（.25）而不是之前使用的整数。这提高了数据收集的能力。

通过这些因素，关键响应和可靠的数据收集方法，Rose准备设计他的实验。他知道因子实验设计可以让他研究多种因素对过程的影响，但他需要找到能够以实验运行产生可靠结果的因子设计类型。他使用Minitab探索他的选择并找出选择。

一种选择是全因子实验，这是一种非常彻底的方法，可以测量因子水平的所有组合的响应。但是这个选项可能需要大量的运行。例如，具有5个因子的两级全因子设计需要32次运行。考虑到实验者可能希望随后添加重复，或多次重复运行，在许多情况下，完整的因子实验不是可行的选择。

Rose反而考虑了部分因子设计，它通过排除一些因子水平组合将运行次数减少到可管理的大小，但仍然可以对这些因素进行可靠的分析。执行的运行是全因子设计的选定子集或分数。但是不运行所有因子级别组合意味着某些效果混淆，并且不能与其他效果分开估计。因此，必须仔细选择分数以获得有意义的结果。为了简化过程，Minitab显示一个别名表，用于指定混杂模式。

对于他最初的实验，Rose使用Minitab创建了一个只需要16次运行的1/2分数因子设计（图1），但仍允许他估计这两个因子及其双向相互作用的影响。罗斯还复制了16次运行3次以提高数据收集的能力，从而增加了实验识别出显着差异的可能性。

图二：Minitab统计软件

第一个实验发现，快速进给速率和慢速进给速度是处理速度重要的决定因素，更重要的是，证明了更快的进给速率是可行的。（图2）。

图三：Rose的初步实验

Rose的后续实验专注于找到剩余三个重要因素的设置，以提高切割质量。结果的立方图（图3）显示了在低辅助气体压力和负荷下的切割表面质量以及当速度增加时高水平的喷嘴焦点。它还表明，在旧设置下，预期的切割质量高于4.0的标准。

图四：立方图

结果
Rose用于评估激光切割过程的三个设计实验取得了很好的效果。实验确定了加工边缘质量的改进定义，并确定了优化设置，使所有产品的工艺生产率提高了20％以上。7个现有激光器的产量增加，无需购买额外的激光设备，节省了超过50万美元。这一增加也消除了大约2000小时的“光束时间”，这些时间本来是外包的。总而言之，Rose使用Minitab统计软件设计和分析的实验结果总潜在影响超过1,000,000美元。