18.10.2024
Оптимизация параметров литья по методу Тагучи
Метод, предложенный японским ученым Генити Тагучи (Тагути), — относительно старый подход к анализу экспериментальных данных, но он по-прежнему популярен в сфере исследований результатов экспериментов. Метод Тагучи может стать эффективным инструментом прогнозирования и оптимизации технологии литья пластмасс под давлением.
Обычно при производстве любого изделия есть границы, которые показывают, является ли оно качественным. За границами этого поля либо деталь становится непригодной к использованию, либо очевидны потери для производителя. Тагучи был первым, кто указал на то, что потери качества встречаются и внутри границ допуска: они появляются сразу после того, как любой реальный показатель продукта перестает совпадать с идеальным значением, прописанным в спецификации [1].
Особенностью метода является использование сбалансированных ортогональных (квадратных) матриц, в которых взаимодействуют разделенные на уровни управляемые и дестабилизирующие параметры [2]. В следующих друг за другом итерациях меняются значения нескольких переменных. Соответствующая ортогональная матрица используется для того, чтобы определить, как нужно менять эти переменные, чтобы влияние каждой из них можно было отделить от влияния других переменных на заключительной стадии эксперимента. Это позволяет произвести оценку влияния параметров друг на друга точнее, чем при поочередном изменении параметров в классическом многофакторном эксперименте, когда только один управляемый параметр изменяется во времени, тогда как другие остаются фиксированными.
Факторы, влияющие на качество
В основе концепции Тагучи лежит правило разделения факторов, влияющих на характеристики продукции и процесса на две группы. В первую группу входят факторы, ответственные за основной отклик (управляемые факторы), во вторую — приводящие к разбросу или неуправляемые факторы (так называемый шум). Для разделения этих двух групп Тагучи предлагает использовать показатель «отношение сигнал/шум» (SNR). Основной задачей метода является снижение чувствительности процесса к постоянному изменению неуправляемых факторов, а соответственно уменьшению «разброса» в характеристиках финального продукта.
Использование метода Тагучи включает в себя следующие этапы [3]:
— определение основной функции и ее побочных эффектов;
— определение факторов шума, условий тестирования и характеристик качества;
— определение целевой функции, которую необходимо оптимизировать;
— определение управляющих факторов и их уровней;
— планирование и проведение эксперимента в соответствии с ортогональной матрицей;
— анализ данных, определение оптимальных уровней;
— осуществление проверочного эксперимента.
В качестве примера можно привести оптимизацию параметров литья пластикового лотка, изготовленного из смеси пластмасс — 75% полипропилена и 25% полиэтилена низкой плотности. Целевым показателем является снижение усадки [3].
В качестве влияющих факторов можно выбрать 6 основных параметров литья. Такой набор можно использовать при анализе производства практически любой продукции.
При построении матрицы экспериментов со всеми возможными комбинациями факторов и их уровней необходимо провести 36=729 испытаний. Метод же Тагучи позволяет сократить это количество до 18. Порядок и степень варьирования уровней факторов определяется ортогональной матрицей.
Соотношение «сигнал/шум»
Результатом каждого из 18 экспериментов может являться характеристика или набор характеристик конечного изделия, которые можно измерить количественно и которые могут являться положительными или негативными с точки зрения параметров качества (геометрические размеры, масса, усадка, величина коробления и других).
Для каждого из экспериментов проводится расчет соотношения «сигнал/шум», где «сигналом» называется желательный эффект, а «шумом» — нежелательный. Целью любого эксперимента всегда является определение максимально возможного отношения «сигнал/шум». Высокое значение сигнала означает, что сигнал намного выше, чем случайные воздействия шумовых факторов. Вычислением среднего значения можно установить как степень влияния каждого параметра на качество продукции, так и оптимальный набор значений этих параметров.
Так, аналитическим результатом проведения рассматриваемого набора экспериментов с учетом фактических значений усадки, полученных при испытаниях, является табл. 3. В соответствии с приведенными в ней данными проводят проверочный тест на ТПА с уровнями значений каждого параметра, для которых наблюдается максимальное значение «сигнал/шум» (выделено красным).
Более сложные конфигурации метода позволяют учитывать взаимное влияние факторов, например, температуры расплава и давления впрыска или давление впрыска и давление выдержки, а также вносить в эксперимент нерегулируемые или труднорегулируемые факторы, такие как условия окружающей среды, нестабильность вязкости расплава и другие. Комбинация метода с корреляционным (КА) и дисперсионным анализом (ANOVA) дает возможность оценить достоверность расчетов и полноту учета факторов до проведения проверочного эксперимента в случае его невозможности или высокой стоимости.
Посмотреть в журнале
Сергей ТРИФОНОВ,
директор испытательной
лаборатории ООО «ПолимерФизик
Руссланд», руководитель учебного
центра ООО «Академия пластмасс»
Метод Тагучи используется для оптимизации процесса литья под давлением путем выбора наиболее важных параметров, таких как температура формы, температура расплава, давление и время выдержки. Этот подход позволяет сократить время, затрачиваемое на разработку и внедрение нового изделия, а также отладку технологии его производства, снизить себестоимость и повысить качество процесса литья под давлением. Метод также позволяет оптимизировать несколько факторов одновременно и демонстрирует наилучшие результаты при комбинировании с другими статистическими методами обработки экспериментальных данных.
Границы качестваОбычно при производстве любого изделия есть границы, которые показывают, является ли оно качественным. За границами этого поля либо деталь становится непригодной к использованию, либо очевидны потери для производителя. Тагучи был первым, кто указал на то, что потери качества встречаются и внутри границ допуска: они появляются сразу после того, как любой реальный показатель продукта перестает совпадать с идеальным значением, прописанным в спецификации [1].
Особенностью метода является использование сбалансированных ортогональных (квадратных) матриц, в которых взаимодействуют разделенные на уровни управляемые и дестабилизирующие параметры [2]. В следующих друг за другом итерациях меняются значения нескольких переменных. Соответствующая ортогональная матрица используется для того, чтобы определить, как нужно менять эти переменные, чтобы влияние каждой из них можно было отделить от влияния других переменных на заключительной стадии эксперимента. Это позволяет произвести оценку влияния параметров друг на друга точнее, чем при поочередном изменении параметров в классическом многофакторном эксперименте, когда только один управляемый параметр изменяется во времени, тогда как другие остаются фиксированными.
Факторы, влияющие на качество
В основе концепции Тагучи лежит правило разделения факторов, влияющих на характеристики продукции и процесса на две группы. В первую группу входят факторы, ответственные за основной отклик (управляемые факторы), во вторую — приводящие к разбросу или неуправляемые факторы (так называемый шум). Для разделения этих двух групп Тагучи предлагает использовать показатель «отношение сигнал/шум» (SNR). Основной задачей метода является снижение чувствительности процесса к постоянному изменению неуправляемых факторов, а соответственно уменьшению «разброса» в характеристиках финального продукта.
Использование метода Тагучи включает в себя следующие этапы [3]:
— определение основной функции и ее побочных эффектов;
— определение факторов шума, условий тестирования и характеристик качества;
— определение целевой функции, которую необходимо оптимизировать;
— определение управляющих факторов и их уровней;
— планирование и проведение эксперимента в соответствии с ортогональной матрицей;
— анализ данных, определение оптимальных уровней;
— осуществление проверочного эксперимента.
В качестве примера можно привести оптимизацию параметров литья пластикового лотка, изготовленного из смеси пластмасс — 75% полипропилена и 25% полиэтилена низкой плотности. Целевым показателем является снижение усадки [3].
В качестве влияющих факторов можно выбрать 6 основных параметров литья. Такой набор можно использовать при анализе производства практически любой продукции.
При построении матрицы экспериментов со всеми возможными комбинациями факторов и их уровней необходимо провести 36=729 испытаний. Метод же Тагучи позволяет сократить это количество до 18. Порядок и степень варьирования уровней факторов определяется ортогональной матрицей.
Соотношение «сигнал/шум»
Результатом каждого из 18 экспериментов может являться характеристика или набор характеристик конечного изделия, которые можно измерить количественно и которые могут являться положительными или негативными с точки зрения параметров качества (геометрические размеры, масса, усадка, величина коробления и других).
Для каждого из экспериментов проводится расчет соотношения «сигнал/шум», где «сигналом» называется желательный эффект, а «шумом» — нежелательный. Целью любого эксперимента всегда является определение максимально возможного отношения «сигнал/шум». Высокое значение сигнала означает, что сигнал намного выше, чем случайные воздействия шумовых факторов. Вычислением среднего значения можно установить как степень влияния каждого параметра на качество продукции, так и оптимальный набор значений этих параметров.
Так, аналитическим результатом проведения рассматриваемого набора экспериментов с учетом фактических значений усадки, полученных при испытаниях, является табл. 3. В соответствии с приведенными в ней данными проводят проверочный тест на ТПА с уровнями значений каждого параметра, для которых наблюдается максимальное значение «сигнал/шум» (выделено красным).
Более сложные конфигурации метода позволяют учитывать взаимное влияние факторов, например, температуры расплава и давления впрыска или давление впрыска и давление выдержки, а также вносить в эксперимент нерегулируемые или труднорегулируемые факторы, такие как условия окружающей среды, нестабильность вязкости расплава и другие. Комбинация метода с корреляционным (КА) и дисперсионным анализом (ANOVA) дает возможность оценить достоверность расчетов и полноту учета факторов до проведения проверочного эксперимента в случае его невозможности или высокой стоимости.
Посмотреть в журнале