CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM
2.1.1. Cơ sở của phương pháp Taguchi
Thiết kế thí nghiệm (DOE) là một kỹ thuật thống kê đƣợc giới thiệu bởi R.A.
Fisher người Anh từ đầu năm 1920. Các điều kiện của thí nghiệm được tạo ra bằng cách sử dụng một ma trận và mỗi hệ số trong ma trận đƣợc thay bằng một số các điều kiện kiểm tra. Sau khi Fisher giới thiệu việc ứng dụng công nghệ này vào trong các ngành công nghiệp và thông qua việc sử dụng phương pháp trong việc thiết kế các thí nghiệm phục vụ cho nghiên cứu nông nghiệp, nhiều nghiên cứu đã đƣợc đƣa ra dựa trên sự phát triển tiếp theo của phương pháp. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu mới thực hiện dưới dạng lý thuyết. Năm 1940 Taguchi đã chỉ ra rằng: có rất nhiều hướng phát triển với công nghệ thiết kế thí nghiệm của Fisher nhưng việc sử dụng nó trong các ngành công nghiệp còn rất hiếm. Để phương pháp thiết kế thí nghiệm dễ dàng hơn và thuận lợi cho việc ứng dụng, taguchi đã tiến hành tiêu chuẩn hóa việc ứng dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm. Để đưa ra các thí nghiệm Taguchi đã tạo ra một dãy (OAs) đặc biệt và mỗi dãy đƣợc sử dụng cho một số các điều kiện thí nghiệm nhất định [22]. Việc phân tích các kết quả thí nghiệm nhằm xác định đƣợc kết quả thiết kế để từ đó tạo ra các sản phẩm có chất lƣợng tốt nhất.
Ông sử dụng hệ số (S/N) để phân tích các kết quả lặp giúp cho các thí nghiệm đảm bảo dễ dàng và thiết kế thí nghiệm phải đảm bảo không chịu tác động của các hệ số không điều khiển đƣợc(nhiễu).
47 2.1.2. Ba khái niệm của Taguchi
1. Chất lƣợng đƣợc hình thành ngay trong quá trình thiết kế sản phẩm chứ không phải trong quá trình kiểm tra.
2. Chất lƣợng sản phẩm đạt đƣợc cao nhất bằng cách làm thế nào để giá trị mục tiêu có sự sai lệch nhỏ nhất với giá trị chuẩn. Sản phẩm nên đƣợc thiết kế sao cho nó không chịu tác động của các biến không điều khiển đƣợc (nhiễu).
3. Giá trị của chất lƣợng nên đƣợc đo bằng một hàm số có độ sai lệch theo tiêu chuẩn và giá trị tổn thất nên đƣợc đo bằng hệ thống rộng.
2.1.3. Ba quan điểm mới của Taguchi
1. Cách tốt hơn để nâng cao chất lƣợng sản phẩm là thiết kế và xây dựng các chỉ tiêu chất lƣợng vào bên trong sản phẩm.
2. Taguchi không đồng ý với quan điểm: Chất lƣợng của sản phẩm có quan hệ với sai lệch của các thông số thiết kế ở giá trị mục tiêu, điều này không phù hợp với một số đặc tính cố định.
3. Để đo độ sai lệch đƣa ra từ một thông số thiết kế có liên quan đến các chi phí của toàn bộ chu kỳ tuổi thọ của sản phẩm.
2.1.4. Các giai đoạn công nghệ của Taguchi
- Thiết kế các hệ thống: Phần thiết kế này tập chung chủ yếu vào việc xác định sự phù hợp các trạng thái của các yếu tố lựa chọn trong thí nghiệm. Nó bao gồm một hệ thống thiết kế và hệ thống kiểm tra trên cơ sở kỹ thuật phán đoán việc lựa chọn các vật liệu, các chi tiết và các thông số công nghệ của phương pháp công nghệ. Phần này liên quan chủ yếu đến yêu cầu đổi mới và kiến thức chuyên môn.
- Thông số thiết kế: Trong khi phần thiết kế các hệ thống giúp xác định trạng thái làm việc của các yếu tố thì thông số thiết kế sẽ tìm kiếm xác định các trạng thái của các hệ số sao cho sản phẩm hoặc chế độ công nghệ nhận đƣợc tốt nhất trong điều kiện nghiên cứu. Các điều kiện tối ưu nhận được khi ảnh hưởng của các nhiễu đến hệ thống chất lƣợng là nhỏ nhất.
48
- Dung sai thiết kế: đây là bước được sử dụng để điều chỉnh tốt nhất các kết quả của thông số thiết kế bằng việc kiểm soát chặt chẽ dung sai của các yếu tố có ảnh hưởng đáng kể đến sản phẩm.
2.1.5. Phương pháp Taguchi trong thiết kế thí nghiệm
Taguchi đã phát triển một phương pháp thiết kế các thí nghiệm trên cơ sở ma trận trực giao và điều này đã làm giảm số lƣợng lớn các thí nghiệm với các thông số điều khiển đƣợc thiết lập là tối ƣu. Việc kết nối giữa thiết kế thí nghiệm với các thông số điều khiển tối ƣu để nhận đƣợc các kết quả tốt nhất đƣợc ứng dụng trong phương pháp Taguchi. Các bảng OA sẽ đưa ra việc tạo lập các thí nghiệm là nhỏ nhất. Hệ số S/N của Taguchi là các hàm ghi lại đầu ra theo mong muốn và phục vụ cho chức năng hướng đến là tối ưu hóa, đồng thời giúp phân tích dữ liệu và dự đoán kết quả tối ƣu.
Hình 2.1. Sơ đồ các bài toán
Đây là cách giải thích tốt nhất bằng sử dụng sơ đồ (P-Sơ đồ, "P" là viết tắt của quá trình sản xuất hoặc sản phẩm) đƣợc thể hiện trên hình 2.1. Nhiễu hiện thị trên hình vẽ được diễn ta trong sơ đồ nhưng sẽ không ảnh hưởng đến kết quả đầu ra.
Đây là mục tiêu chính của các thí nghiệm Taguchi - để giảm thiểu sự thay đổi tại kết quả đầu ra ngay cả khi nhiễu xuất hiện trong quá trình sản xuất. Quá trình công nghệ sau đó sẽ trở lên rất mạnh.
- Phân tích bài toán: Trong quá trình tối ƣu hóa bài toán tĩnh ta có thể sử dụng 3 hệ số (S/N) tương ứng với các trường hợp sau [22]:
+ Nhỏ hơn là tốt hơn
49
S/N = -10 Log10 [MSD] (2.1)
MSD – Tổng bình phương trung bình của các giá trị đo.
n y y
MSD y n
2 2
2 2
1 ...
Và hệ số S/N sẽ trở thành:
S/N = -10 Log10 [MSD] (2.2)
n
k y k
y k
MSD y n
2 2
2 2
1 ) ( ) ... ( )
(
+ Lớn hơn là tốt hơn:
S/N = -10 Log10 [MSD]
MSD – Tổng nghịch đảo bình phương trung bình của các giá trị đo.
n y y
MSD y n
2 2
2 2 1
... 1 1
1
+ Giá trị danh nghĩa là tốt nhất:
S/N = -10 Log10 [MSD] (2.3)
n
m y m
y m
MSD y n
2 2
2 2
1 ) ( ) ... ( )
(
m – Giá trị mục tiêu.
2.1.6. Các bước trong phương pháp Taguchi
Thiết kế thí nghiệm bằng Taguchi được thực hiện theo các bước sau:
1. Thiết lập mối quan hệ giữa các đối tƣợng nghiên cứu.
2. Lựa chọn các yếu tố cần thiết để khảo sát.
3. Xác định các yếu tố không điều khiển đƣợc (các nhiễu) cũng nhƣ các điều kiện kiểm tra.
4. Lựa chọn các mức cho các yếu tố điều khiển đƣợc và các nhiễu.
5. Tính số bậc tự do cần thiết cho thiết kế thí nghiệm.
6. Lựa chọn dãy tiêu chuẩn (bảng OA).
50
7. Gán các yếu tố và mức của nó vào các cột.
8. Thực hiện thí nghiệm 9. Phân tích kết quả.
10. Xác nhận kết quả thí nghiệm.
2.1.7. Phạm vi ứng dụng a. Phân tích
Trong kỹ thuật thiết kế các sản phẩm và quá trình công nghệ, việc phân tích mô phỏng đóng vai trò quan trọng và biến ý tưởng vào trong việc thiết kế sản phẩm cuối cùng. Cách tiếp cận của Taguchi có thể đƣợc sử dụng để đƣa ra các thông số tốt nhất cho việc thiết kế tối ƣu với số lƣợng các khảo sát phân tích là ít nhất. Mặc dù có rất nhiều phương pháp có thể sử dụng cho việc tối ưu hóa và mô phỏng khi các hệ số là liên tục. Tuy nhiên, phương pháp Taguchi là phương pháp có thể xử lí các hệ số ở các trạng thái rời rạc. Cách tiếp cận này làm giảm đáng kể thời gian tính toán.
b. Kiểm tra và phát triển
Kiểm tra các mẫu thử là một cách hiệu quả cho thấy làm thế nào các ý tưởng làm việc khi đặt chúng vào trong thiết kế. Trong khi các thí nghiệm chính là một ƣu tiên đầu tiên, cần thiết để hoàn thành các đối tƣợng với số lƣợng kiểm tra ít nhất.
Tiếp cận của Taguchi đã đƣa ra các điều kiện thí nghiệm làm giảm đáng kể số lƣợng các lần kiểm tra và thời gian kiểm tra.
c. Phát triển công nghệ
Trong các kiểu công nghệ chế tạo có một số lượng lớn hệ số ảnh hưởng đến kết quả đầu ra cuối cùng. Nhận dạng các phân bố riêng lẻ của chúng và các mối quan hệ phức tạp giữa chúng là rất cần thiết trong sự phát triển của công nghệ.
d. Giới hạn ứng dụng
Hạn chế lớn nhất của phương pháp Taguchi là cần thiết phải có thời gian để phát triển sản phẩm/quá trình công nghệ. Các biện pháp kỹ thuật chỉ đem lại hiệu quả khi đƣợc áp dụng sớm vào hệ thống thiết kế sản phẩm/quá trình công nghệ. Sau thiết kế các biến đƣợc định rõ và các giá trị mục tiệu cũng đƣợc xác định rõ ràng thì
51
thiết kế thí nghiệm sẽ không mang lại hiệu quả. Mặc dù phương pháp Taguchi đã được áp dụng rộng rãi tuy nhiên trong một số trường hợp thì các phương pháp cổ điển sẽ được áp dụng phù hợp hơn. Trong những nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của các hệ số được thay đổi một cách liên tục thì phương pháp Taguchi sẽ không phải là một sự lựa chọn chính xác.
e. Ứng dụng của phương pháp Taguchi trong EDM
Phương pháp tối ưu Taguchi giải quyết các vấn đề bằng cách sử dụng ma trận trực giao đặc biệt. Các thông số sử dụng trong phương pháp này có thể được nghiên cứu với số lượng những số lượng thí nghiệm lại nhỏ nhất. Gần đây phương pháp Taguchi đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu . Sử dụng phương pháp Taguchi để tối ưu hóa các thông số công nghệ của máy WEDM. Phương pháp này cũng được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của phôi và sự tương tác giữa các yếu tố đến chất lượng quá trình gia công bằng EDM thông qua: Tốc độ bóc tách vật liệu(MRR) và nhấp nhô bề mặt gia công(SR) [19]. Ảnh hưởng của bột siêu nhỏ và rung siêu âm trong dung dịch điện môi đã được đánh giá khi gia công lỗ có kích thước siêu nhỏ. Ứng dụng phương pháp Taguchi để tối ƣu đồng thời chiều cao và chiều dày nhỏ nhất của phoi thông qua đánh giá ảnh hưởng đến quá trình cắt và độ chính xác của thông số hình học lỗ khi khoan EDM. Tối ƣu hóa các thông số của công nghệ EDM với nhiều đại lƣợng đặc trƣng cho chất lƣợng khi gia công Ti–6Al–4V [23]. Khảo sát để tối ƣu hóa các thông số công nghệ: Cường độ dòng điện, thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung theo hàm mục tiêu: MRR, TWR và SR. Phương pháp Taguchi được sử dụng để thiết kế ma trận thí nghiệm trong nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính quỹ đạo, tốc độ trên quỹ đạo, cường độ dòng điện, điện áp khe hở, thời gian phát xung và hệ số chu kỳ đến MRR. Kết quả cho thấy: Cường độ dòng điện và bán kính quỹ đạo có ảnh hưởng lớn đến MRR. Ngoài ra, rất nhiều tác giả khác đã sử dụng phương pháp Taguchi để nghiên cứu lĩnh vực này. Trong PMEDM có sự tăng lên của các thông số công nghệ so với EDM: Kích thước, nồng độ, tính dẫn điện, đặc trưng nhiệt và vật liệu của bột dẫn đến vấn đề nâng cao và tối ƣu hóa trở lên vô cùng phức tạp. Vì