4.1.2.1 Phương pháp Taguchi
Trong luận văn này tác giả sẽ sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi để đánh giá phần trăm ảnh hƣởng của hai thông số: tốc độ trục chính V (m/phút) và lƣợng chạy dao S (mm/ph) lên thông số đầu ra là nhiệt cắt. Chính vì vậy các thông số đầu vào và bố trí các thí nghiệm sẽ xây dựng theo lý thuyết của phƣơng pháp Taguchi.
Học viên: Nguyễn Quang Định 48
Taguchi đã đƣa ra một lý thuyết để quản lý chất lƣợng trong sản xuất công nghiệp. Có một thực tế là công ty motor Ford đã ra một điều luật là tất cả công ty và các kỹ sƣ cung ứng phải nắm đƣợc phƣơng pháp luận Taguchi và các cơ sở của phƣơng pháp luận này đƣợc sử dụng để giải quyết bài toán về chất lƣợng của công ty. Học thuyết của ông đã trở thành các hệ quả, các hệ quả này đƣợc thiết lập dựa trên ba khái niệm rất đơn giản và cơ bản. Toàn bộ các kỹ thuật và kỹ năng đƣợc phát triển dựa trên ba ý tƣởng này. Các khái niệm đó là:
- Chất lƣợng phải đƣợc thiết kế ngay trong sản phẩm mà không cần kiểm tra nó. - Chất lƣợng đạt đƣợc tốt nhất bằng cách tối thiểu hóa độ lệch từ giá trị đích. Sản phẩm phải đƣợc thiết kế để nó có thể tránh khỏi sự ảnh hƣởng của các yếu tố về môi trƣờng không thể điều khiển đƣợc.
- Giá trị của sản phẩm phải đƣợc đo nhƣ một hàm của độ lệch từ giá trị tiêu chuẩn và sự tổn hao phải đƣợc đo trên hệ thống lớn.
Taguchi dựa trên quan sát W.E.Deming cho rằng 85% chất lƣợng của sản phẩm là do quá trình sản xuất và chỉ 15% là do ngƣời sản xuất (thợ). Do đó ông đã phát triển hệ thống sản xuất có sự ảnh hƣởng lớn – “robust” hoặc ít ảnh hƣởng biến đổi theo ngày và theo mùa của môi trƣờng, sự mòn của máy móc, và các yếu tố bên ngoài khác. Ba nguyên tắc chính là các chỉ dẫn cho ông phát triển các hệ thống này, kiểm tra các yếu tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng sản phẩm và xác định các thông số của sản phẩm.
Taguchi tin rằng cách tốt nhất để cải thiện chất lƣợng sản phẩm phải đƣợc thiết kế và xây dựng ngay trong sản phẩm. Sự cải thiện về chất lƣợng bắt đầu ngay ở pha đầu tiên của sản phẩm, nghĩa là trong suốt các giai đoạn thiết kế của sản phẩm hoặc của quá trình và xuyên xuốt các pha của sản phẩm. Ông nhận thấy rằng sản phẩm có chất lƣợng tồi không thể đƣợc cải thiện bởi quá trình kiểm tra, sàng lọc và sửa chữa các phế phẩm có thể sửa đƣợc. Không một sự kiểm tra nào có thể đƣa chất lƣợng vào sản phẩm. Do vậy, các khái niệm về chất lƣợng phải đƣợc dựa trên lý thuyết về ngăn ngừa, và phát triển xung quanh lý thuyết về ngăn ngừa. Thiết kế sản phẩm phải rất mạnh để có thể loại bỏ đƣợc ảnh hƣởng của các yếu tố không thể điều khiển đƣợc về môi trƣờng trong quá trình sản xuất.
Học viên: Nguyễn Quang Định 49
Khái niện thứ hai của ông liên quan đến thực tế về ảnh hƣởng của chất lƣợng. Taguchi cho rằng chất lƣợng có quan hệ trực tiếp với độ lệch của các thông số thiết kế so với giá trị đích mà không phải tƣơng ứng với một thông số đặc trƣng cố định nào. Một sản phẩm có thể đã đƣợc sản xuất với các đặc tính bị lệch về một phía cho thấy tuổi thọ ngắn hơn mong đợi. Tuy nhiên, bằng việc xác định cụ thể một giá trị đích cho một đặc tính then chốt và phát triển quá trình sản xuất để có đƣợc độ lệch nhỏ xung quanh giá trị đích này thì tuổi thọ mong đợi có thể đƣợc cải thiện rất lớn. Khái niệm thứ ba của ông đƣợc gọi là đo độ lệch từ thông số thiết kế theo toàn bộ giá trị của vòng đời sản phẩm. Chi phí này bao gồm chi phí của phế liệu, chi phí cho gia công lại, chi phí cho kiểm tra, chi phí bảo hành và thay thế sản phẩm. Các chi phí này coi nhƣ các thông số chính có thể điều khiển đƣợc.
Taguchi xem việc cải thiện chất lƣợng nhƣ một nỗ lực không ngừng. Ông liên tục phấn đấu để giảm sự biến đổi xung quanh giá trị đích. Bƣớc đầu tiên trong việc hƣớng tới cải thiện chất lƣợng là thu đƣợc phân bố của các giá trị gần với giá trị đích nhất có thể. Để thực hiện đƣợc điều này, Taguchi đã thiết lập các phép thí nghiệm sử dụng một cấu trúc bảng đặc biệt có tên là mảng trực giao (OA – orthogonal array). Việc sử dụng mảng trực giao giúp cho việc bố trí thí nghiệm rất dễ dàng và nhất quán.
Đối tƣợng thứ hai của các sản phẩm sản xuất làm cho phù hợp với giá trị lý tƣởng là làm giảm bớt sự biến đổi hoặc sự tán xạ xung quanh giá trị gốc. Để thực hiện đƣợc điều này TS. Taguchi đã thông minh khi đƣa vào một cách độc nhất để xử lý các yếu tố gây nhiễu. Các yếu tố gây nhiễu, theo định nghĩa của riêng ông là các yếu tố ảnh hƣởng đến đáp ứng của quá trình, nhƣng không thể điều khiển một cách kinh tế. Các yếu tố gây nhiễu nhƣ điều kiện thời tiết, sự hao mòn máy móc… thƣờng là nguyên nhân cơ bản, nguyên nhân nguồn gốc cho nhiều sự thay đổi. Thông qua việc sử dụng một công cụ có tên là “outer array” Taguchi đã nghĩ ra một cách tác động tới ảnh hƣởng của các nghiên cứu với số lần lặp lại nhỏ nhất. Kết quả cuối cùng là một thiết kế tốt chịu tác động nhỏ nhất của nhiễu.
Học viên: Nguyễn Quang Định 50
Trong phƣơng pháp Taguchi các kết quả của thực nghiệm đƣợc phân tích để thu đƣợc một, hai hoặc cả ba mục tiêu sau:
1. Để thiết lập điều kiện tốt nhất hoặc điều kiện tối ƣu nhất cho một sản phẩm hoặc một quá trình.
2. Để đánh giá các phân bố của một số yếu tố cụ thể 3. Để đánh giá đáp ứng dƣới các điều kiện tối ƣu
Điều kiện tối ƣu đƣợc xác định bằng việc nghiên cứu các ảnh hƣởng chính của mỗi yếu tố. Quá trình bao gồm việc sử dụng thuật toán nhỏ của các kết quả và thƣờng có thể thực hiện bằng các công cụ tính toán đơn giản. Các ảnh hƣởng chính chỉ ra xu hƣớng chung của ảnh hƣởng của các yếu tố. Biết đƣợc đặc tính nghĩa là liệu rằng một giá trị lớn hơn hoặc nhỏ hơn sẽ tạo ra một kết quả tốt hơn, các cấp độ (level) của các yếu tố đƣợc mong đợi là sẽ tạo ra các kết quả tốt nhất có thể đƣợc dự đoán.
Nắm đƣợc các phân bố của các yếu tố cụ thể là chìa khóa quyết định của quá trình điều khiển đƣợc thiết lập trên quá trình tạo ra một sản phẩm. Phân tích phƣơng sai (ANOVA –Analysis of Variance) là biện pháp xử lý số liệu bằng thống kê thông dụng nhất đƣợc sử dụng đối với các kết quả thực nghiệm để xác định phần trăm phân bố của mỗi yếu tố. Nghiên cứu bảng ANOVA sẽ xác định đƣợc yếu tố nào cần điều khiển và yếu tố nào không cần điều khiển.
Một điều kiện tối ƣu đƣợc xác lập thƣờng là một bộ số tốt đƣợc xác nhận thông qua quá trình thực nghiệm. Tuy nhiên, có thể đánh giá sự hoạt động ở điều kiện tối ƣu từ các kết quả của các phép làm thực nghiệm thực hiện ở điều kiện không tối ƣu. Cần phải lƣu ý rằng điều kiện tối ƣu có thể không cần thiết giữa rất nhiều các phép thực nghiệm đã đƣợc thực hiện, giống nhƣ mảng trực giao (OA) chỉ là một phần nhỏ của tất cả các trƣờng hợp có thể.
Taguchi đƣa ra hai hƣớng để thực hiện hoàn chỉnh một phân tích. Cách thứ nhất, tiếp cận chuẩn, kết quả của một lần thực nghiệm hoặc trung bình của nhiều lần thực nghiệm lặp lại đƣợc thực hiện thông qua tác động chính và các phân tích ANOVA đã xác định nhƣ ở trên. Cách tiếp cận thứ hai, ông khuyên nên thực hiện nhiều phép thực nghiệm, cách này sử dụng tín hiệu từ tỷ số nhiễu (S/N) cho các bƣớc tƣơng tự
Học viên: Nguyễn Quang Định 51
nhau trong phân tích. Phân tích tỷ số S/N sẽ xác định đƣợc bộ dữ liệu tốt nhất của các điều kiện làm việc từ sự biến đổi của các kết quả.
* Các lĩnh vực ứng dụng
+ Phân tích
Trong việc thiết kế sản phẩm kỹ thuật và quá trình kỹ thuật, việc mô phỏng phân tích đóng một vai trò quan trọng, biến đổi khái niệm từ sản phẩm thiết kế cuối cùng. Phƣơng pháp Taguchi có thể sử dụng để thu đƣợc ở các thông số tốt nhất cho cấu hình thiết kế tối ƣu với số lƣợng khảo sát phân tích nhỏ nhất. Mặc dù có nhiều phƣơng pháp tìm ra điều kiện tối ƣu nhƣ sử dụng mô phỏng khi các yếu tố là liên tục, nhƣng phƣơng pháp Taguchi là phƣơng pháp xử lý các yếu tố ở cấp độ rời rạc. Việc này có ý nghĩa quan trọng trong việc rút ngắn thời gian tính toán.
+ Thử và cải tiến
Phép thử với nguyên mẫu là một các tác động cho thấy cách các khái niệm làm việc khi chúng đƣợc đặt ở đầu vào của thiết kế. Vì các thiết bị thực nghiệm rất đắt nên chúng ta cần phải hoàn thành thử nghiệm với số lƣợng phép thử là ít nhất. Phƣơng pháp Taguchi có thể rút gọn số lƣợng phép thử và rút gọn tổng thời gian thực hiện phép thử.
+ Cải tiến quy trình
Quy trình sản xuất đƣợc đặc trƣng bởi một số lƣợng lớn các yếu tố có ảnh hƣởng đến kết quả cuối cùng. Việc xác định đƣợc các phân bố riêng biệt của từng yếu tố và mối quan hệ phức tạp của chúng là vấn đề cốt lõi trong việc cải tiến một quá trình. Các khái niệm Taguchi đã đƣợc sử dụng để trợ giúp cho nhiều công ty của Mỹ, Nhật hiện thực hóa việc giảm chi phí trong những năm trở lại đây.
* Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp
+ Ƣu điểm
- Có thể cải thiện đƣợc chất lƣợng của sản phẩm thông qua việc cải tiến thiết kế và cải tiến quy trình.
- Có thể xác định đƣợc chất lƣợng của sản phẩm từ độ lệch so với giá trị đích. - Giải quyết vấn đề bằng cách tiếp cận theo nhóm yếu và động não theo nhóm yếu tố.
Học viên: Nguyễn Quang Định 52
- Có sự nhất quán trong thiết kế thực nghiệm và phân tích thực nghiệm. - Giảm thời gian và chi phí cho thực nghiệm.
- Giảm đƣợc các biến đổi mà không cần loại bỏ nguyên nhân sinh ra nó.
- Giảm đƣợc chi phí bảo hành sản phầm và chi phí phục vị bằng việc gắn sản phẩm với hàm tổn thất.
+ Nhƣợc điểm
Giới hạn khắt khe nhất của phƣơng pháp Taguchi là cần có thời gian để phát triển sản phẩm và phát triển quy trình. Kỹ thuật này chỉ có thể có tác dụng khi đƣợc áp dụng ở giai đoạn thiết kế sản phẩm, thiết kế quy trình. Mặc dù phƣơng pháp này đƣợc áp dụng rộng rãi nhƣng có nhiều trƣờng hợp thì các kỹ thuật cổ điển lại là lựa chọn tốt hơn, đặc trƣng là trong quá trình mô phỏng bao gồm các yếu tố biến đổi liên tục (không thay đổi một cách rời rạc) ví dụ nhƣ độ bền xoắn của một trục là một hàm của đƣờng kính trục.
4.1.2.2 Ma trận trực giao trong thí nghiệm
Trong luận văn này tác giả đánh giá phần trăm ảnh hƣởng của hai thông số công nghệ V (m/ph) và S (mm/ph) đến đầu ra của quá trình là nhiệt cắt. Lựa chọn số cấp độ cho mỗi thông số là 5 cấp độ.
Bảng 4.1 Các mức của yếu tố đầu vào
Cấp độ Vận tốc (m/ph) Lƣợng chạy dao (mm/ph) 1 251,2 51 2 345,4 72 3 392,5 106 4 502,4 156 5 565,2 223
Theo phƣơng pháp Taguchi ta có bảng trực giao để tiến hành thí nghiệm nhƣ sau:
Bảng 4.2 Bảng trực giao
STT Vận tốc (A) Lƣợng chạy dao (B)
Học viên: Nguyễn Quang Định 53 2 1 2 3 1 3 4 1 4 5 1 5 6 2 1 7 2 2 8 2 3 9 2 4 10 2 5 11 3 1 12 3 2 13 3 3 14 3 4 15 3 5 16 4 1 17 4 2 18 4 3 19 4 4 20 4 5 21 5 1 22 5 2 23 5 3 24 5 4 25 5 5
Trong bảng 4.2 đặt tên cho yếu tố tác động vận tốc là yếu tố A, yếu tố tác động lƣợng chạy dao là yếu tố B.
Học viên: Nguyễn Quang Định 54
1: Tƣơng ứng với cấp độ 1 của vận tốc hoặc lƣợng chạy dao trong bảng 4.1 2: Tƣơng ứng với cấp độ 2 của vận tốc hoặc lƣợng chạy dao trong bảng 4.1 3: Tƣơng ứng với cấp độ 3 của vận tốc hoặc lƣợng chạy dao trong bảng 4.1 4: Tƣơng ứng với cấp độ 4 của vận tốc hoặc lƣợng chạy dao trong bảng 4.1 5: Tƣơng ứng với cấp độ 5 của vận tốc hoặc lƣợng chạy dao trong bảng 4.1