實驗設計
輻射響應數據
案例研究
小號tephen W. Czupryna，客觀實驗（ stevecz@objexp.com )
Tony Shockey，福祿克公司 ( tony.shockey@fluke.com )
Roy Huff，斯內爾集團（ rhuff@thesnellgroup.com )
抽象的
這流程之聲以多種形式來到我們身邊。有效的溫度、壓力、張力、硬度、表面光潔度和其他過程數據充分說明了產生我們收入的製造過程。
對於許多過程，關鍵的洞察力是通過傾聽流程之聲用溫度的語言。從歷史上看，我們使用熱電偶、高溫計和其他分立設備來測量溫度，並且學到了很多東西。然而，經濟高效的熱像儀的出現現在提供了一種更好的方式來聆聽我們工業過程的熱力學聲音，其便利性和分辨率在不久的過去是不可想像的。手頭有熱像儀和統計軟件，我們的設備非常齊全，可以聽到我們的過程在電磁波譜的紅外波段向我們耳語的重要信息。
本文是關於一家塑料加工公司的案例研究，該公司使用 JMP 11®、Fluke Ti32® 熱成像儀、Fluke 的 SmartView® 軟件和客觀實驗五步實驗設計 (DOE) 方法來獲得對熱成型工藝的新見解幾十年來，這產生了令人失望的結果。過去使用熱電偶和高溫計改進工藝的嘗試提供了增量收益，但只有當公司收集有效的輻射數據作為設計實驗的一部分時，他們才最終實現突破性改進並顯著影響公司的利潤。
本文還將解釋如何哇因素從高分辨率熱分析圖和 JMP 的數據可視化工具中可以看出，他們將多元化的一線工作人員、主管和經理融入了一個具有發現新知識訣竅的凝聚力團隊。
熱成像技術簡介
地球上的所有物體都會發出紅外 (IR) 輻射。通過使用非接觸式紅外熱像儀，經過認證的熱像儀可以檢測和測量從表面發出的紅外輻射，並測量表面溫度和熱梯度。 圖1展示了熱像儀如何輕鬆檢測到人眼無法檢測到的重要現象。
數字1個：電保險絲的危險情況
紅外熱像儀是由探測器、紅外光學器件、顯示器、控制器、存儲介質和電源組成的電光裝置。看圖 2 .這些儀器有許多工業應用，可為用戶提供熱模式和定量數據的可視化顯示，可以使用製造商的圖像分析軟件或 JMP 等統計軟件進行分析。
數字2個: Fluke Ti32 熱像儀
特別重要的是檢測器和光學器件。典型的檢測器對兩個光譜帶中的輻射敏感，中波紅外 (2.5-6.0µm) 和長波紅外 (8.0-15.0µm)。焦平面陣列檢測器有多種分辨率。對於 Fluke Ti32，陣列為 320 x 240 像素，被認為是高分辨率用於熱像儀。因此，單個圖像產生的信息與從 320x240=76,800 個離散熱電偶中獲得的信息相同。 探測器尺寸和密度與光學器件相結合，確定了系統的空間分辨率和測量分辨率。
熱火走向自己的鼓手
離開表面的能量可能包括發射的、反射的，對於某些材料，還包括透射的電磁輻射。對於熱成像分析，只有發射的能量才能提供有用的表面溫度信息，並且必須對反射和透射能量（如果存在）進行補償。幸運的是，經過認證的熱像儀知道這些限制，並且可以使用成像儀的算法來避免反射能量、背景能量和某些材料固有的紅外傳輸的不利影響。需要注意的是，紅外熱像儀的學習曲線很長，需要大約一周的動手培訓才能確保准確測量。
發射率是描述材料釋放（發射）熱輻射能力的關鍵屬性。 發射率在 0 和 1 之間變化，是材料類型、表面狀況、溫度、波長和視角的函數。同樣，經過認證的熱成像師的技能在評估研究對象和設置成像儀以進行可靠測量方面起著重要作用。
熱成像，它不再只是用於建築檢查
紅外熱成像有廣泛的應用，包括電氣、機電、機械、建築和屋頂診斷、無損檢測、飛機檢查、工業過程控制和工業過程改進。塑料工業中存在許多應用，包括本文討論的熱成型，以及擠出、滾塑和注塑成型。
Fluke Ti32 成像儀
用於此過程改進項目的 Fluke Ti32 成像儀具有在長波紅外光譜中運行的微測輻射熱計探測器陣列。該系統的瞬時視場 (IFOV) 為 1.25mRad，內置鏡頭的最小焦距約為 6 英寸。該模型的熱靈敏度在 45mK 時非常好，採集速率為 60Hz。
本報告中的圖像是使用 Fluke SmartView® 軟件處理和分析的。該軟件包括各種分析工具、發射率等變量的調整和數據導出。該軟件允許熱像儀追溯更改所有相機調整，當然，焦點除外。
一切都與熱量有關
乙工程知識指出溫度控制是熱成型過程所有階段的關鍵因素。一個公認的事實是，好的零件是塑料毛坯和熱成型零件均勻加熱和冷卻的結果。眾所周知，過大的熱梯度會導致零件變形、厚度控制不佳、結構薄弱和表面光潔度差。
挑戰
正在研究的熱成型烤箱有一個不尋常的設計，帶有穿梭系統和單面加熱陣列，如圖所示圖 3和圖 4 .
穿梭托盤位於軌道上，可將塑料坯料直接移動到多區域水平加熱陣列下方，然後將加熱後的坯料穿梭出來，然後用手將其拾取並真空成型到等待的模具上。加熱僅從一個方向發生，並且從托盤到加熱器陣列的距離是固定的.陣列和疊加的空白顯示在圖 4 .
從過去的研究中得知，坯料的表面溫度沿其長度和寬度變化很大。一位操作員表示，加熱坯料的第一張探索性熱圖像看起來像 1970 年代的 Jimi Hendrix 紮染襯衫！
這項工作在實驗上沒有任何新內容，因此本文的其餘部分強調了實驗的逐步方法、團隊動力和用於決策的實驗哲學。
實驗組
公司管理層選擇了 3 人來完成這項工作——一名熟練的生產線操作員（一名客戶！）、一名主管和一名具有 DOE 經驗的工藝工程師。其他人根據需要參與工作。 以下統稱該組為這實驗者.
美國能源部理念
儘管存在技術傾向，但 DOE 的成功取決於實驗者及其管理者的哲學基礎。
DOE 是迭代的
儘管公司將熱成型工藝研究指定為離散的獲批項目有了目標結束日期和各種里程碑，實驗者悄悄地沿著不同的思路思考。他們將這項工作視為無數次（最好是簡短的）學習週期的開始1,2,3,4這將產生深入的過程理解。他們不是在快速修復之後。
DOE 不是觀賞性運動
以前有 DOE 經驗的人都知道，通常最好自己進行實驗並收集數據，而不是將任務交給實驗室技術人員或其他同事。因此，所有的實驗者都打算親自動手，不管他們願不願意。
提防假設
每個人都同意沒有什麼是理所當然的。他們仔細觀察流程、做筆記、與操作員交談並最終親自運行流程。實驗者每週進行維護檢查、控制器自檢等。在工作開始之前發現並解決了一些問題。 我n最後，似乎在獲得的知識和實驗者手上的砂礫量之間存在強烈的正相關關係。
第一步——確立目標
許多工業實驗失敗是因為沒有仔細定義目標。一個有用的文檔，標題為提出正確問題的清單5個為這個潛在問題提供了精益、簡單的解決方案，並為小組討論提供了一個極好的論壇。隨著時間的推移，小組達成了不同尋常的共識——現有的知識庫太稀疏，無法以典型的管理方式來陳述目標，比如r在 6 個月內將廢料減少 25%或者每 2 個月將正常運行時間增加 5% .相反，目標是以非傳統方式定義的，形式為目標條件3個如圖所示圖 5 .
增加過程理解
最大程度的操作員參與
和迭代實驗設計
數字5個：目標條件
人們相信，改進所有組織級別的過程理解將不可避免地導致有用的預測模型和新知識。然後，他們將能夠確定每個加熱器區域的理想佔空比以及各種塑料類型、尺寸和厚度的生產實踐。
第 2 步 – 選擇策略
實驗者必須在 3 種基本實驗方法之間做出選擇5個:
考慮到熱成型機性能不可預測的痛苦歷史，公司管理層為實驗批准了充足的資源，並且該小組很快就響應面方法達成一致。
第 3 步 – 制定計劃
戰略在手，一切就緒，可以製定計劃。
選擇實驗因素和範圍
該計劃有 6 個過程因素 - 每個加熱器區域的佔空比，以 % 表示。範圍從 20-60% 到 30-70% 不等。
考慮保持不變的已知因素
未被研究的因素在實驗期間保持不變。
- 機器操作員 （實驗者)
- 塑料毛坯生產批次
- 從加熱的坯料噴射到捕獲熱圖像之間的時間
- 等等。
危險，潛藏變數！
項目團隊大部分時間都在工作區度過，這提供了一個很好的機會來識別和解決一長串潛在的潛在變量。
- 環境溫度
- 環境濕度
- 空氣循環
- 一天中的時間，休息時間
- 等等。
該計劃包括 1 小時的熱成型機預熱時間以確保穩態熱條件，記錄潛伏變量並連續進行實驗運行，不間斷。一種熱像儀技巧特別有用7 .實驗者將 Scotch® Super 33+ 黑色乙烯基電工膠帶放在靠近熱成型機的非金屬物體上。看圖 6 .
數字6個: 熱像儀最好的朋友
該膠帶的可預測發射率為 0.95，它為環境溫度提供了極好的測量點。Krylon 平面黑色噴漆也具有 0.95 的發射率並且可以用於相同的目的7 .
選擇回复
最初的計劃有一個回應，實驗者願意在他們積累新知識時添加更多。這又一次背離了歷史上提前計劃一切並規定任意期限的方法。他們的替代方法 -隨著新知識的增加表明添加新的響應- 成本低，顯露多。
最初感興趣的響應是塑料坯料中的熱梯度。這就是輻射數據的優勢帶來巨大好處的地方。 當圖像保存為輻射數據文件 (.is2) 時，Fluke 的 SmartView 軟件可以將實際數據陣列（76,800 個數據點）或其子集導出到 .csv 文件。然後，實驗者可以根據需要自由定義響應變量。例如，它可以是沿指示線的不同熱梯度的量度，如圖中所示圖 7和圖 8 .
數字7 : 帶有興趣線的熱圖像 (L 0 )
數字8個：沿 L 的表面溫度圖0
或者，響應可以是矩形區域內的熱梯度。看圖 9 .
數字9 : 具有感興趣區域的熱圖像 (A 0 ) 和表面溫度
線響應或面響應都遠遠優於使用離散熱計的讀數作為實驗響應。實驗者選擇了A區的log s 0作為它們的熱梯度響應變量。後來又添加了兩個響應 - 以分鐘為單位的測量過程循環時間 (CT) 和計算的功耗。這些響應以工廠吞吐量和能源成本的形式具有重要的財務影響。圖 10總結了最終的計劃。
數字10 : 因素與反應
定義模型和計劃複製運行
起初，人們認為 6 因素實驗會導致無法控制的運行次數，但加熱週期短且材料成本低，項目團隊決定採用完整的二次模型，最少加上 4 次運行和 8 次重複運行，如中所示圖 11 .通過巧妙的計劃，實驗者可以在一天內完成所有 40 次試驗，因此不需要分塊。
數字11 ：I-最優設計
設計檢查
Color Map on Correlations 顯示設計良好，實驗可以繼續進行。看圖 12 .
數字12 : 設計檢查
團隊動力的哲學筆記
如上所示的熱圖像、易於理解的 DOE 設計屏幕和 JMP擬合模型下面顯示的輸出引起了實驗者和其他工廠人員的極大關注。在工作期間，拍攝了物體、機器和人的熱圖像，並熱烈討論了它們的含義。同時，JMP Prediction Profiler 和交互圖引發了廣泛的討論和熱烈的爭論。發表了意見。分享了經驗。
由於這些非凡的團隊動力，人們可以自由選擇參與流程改進工作，從而證明了精益格言保持簡單和直觀。
第 4 步 – 執行計劃
像往常一樣，進行一些練習是為了解決預期的程序問題。對標題為的文件進行了調整提出正確問題的清單並為所有測量編寫了明確的操作定義。噸然後，實驗者收集了 40 組響應數據，他們的手更加髒了。一路上學到了很多東西。
先決條件 #1 - 檢查常量 s
將收集和計算的響應數據擬合到模型後，使用 3 種視覺方法、殘差預測圖、Box-Cox 圖和殘差正態性檢查檢查結果的常量 s。三分之二通過了測試（見圖 13例如），團隊繼續進行下一個先決條件。
數字13 : 檢查常量 s
先決條件 #2 - 測量健全性檢查
通過 8 次重複運行，可以檢查過程和測量系統的可重複性。傑MP 的表格 EMP 輸出6個(圖 14 ) 顯示 90% 的測量變化來自實驗運行本身。 JMP 的變異性圖表 (圖 15 ) 以圖形形式提供了確鑿的見解。
數字14 ：EMP完整性檢查
數字15 ：變異圖
這些結果很容易理解，實驗者同意繼續進行。
檢查結果
JMP 的擬合模型輸出本質上是高度圖形化的，從而簡化了向不同組織級別的人員解釋實驗結果的任務。輸出範圍從表格到圖形再到高度交互，如中所示圖 16到圖 19 .
噸他預測情節實際（見圖 16 ) 是對模型本身質量的評估。標繪點表明具有良好的預測能力。
數字16 ：根據預測的情節實際
排序後的參數估計 (圖 17 ) 以簡潔的表格/圖形形式告訴我們模型中每個術語的相對重要性。最重要的因素是 Zone 的主效應。第二和第三個最重要的術語是 1-3 區相互作用和 1-5 區相互作用。交互配置文件（圖 18 ) 提供額外的見解。
數字17 ：排序參數估計
數字18 ：交互配置文件
強 Z1-Z3 和 Z1-Z5 相互作用的發現（即那些角對角並列的) 是過程理解的巨大飛躍。
思考和選擇最佳位置
實驗人員和公司高管發現 JMP Prediction Profiler 允許對技術-財務權衡進行清晰的視覺評估，提供一種簡單、強大的方法來根據實際過程觀察的數據做出業務決策。看圖 19 .
數字19 ：預測刻畫器
一些的加熱區對熱梯度沒有顯著影響，因此可以將佔空比設置為該範圍的低端以節省電力成本、延長加熱元件的使用壽命、節省維護成本並減少代價高昂的生產中斷。
您設計的實驗沒有任何問題......
由於大自然厭惡真空（好吧，無論如何，至少在地球上是這樣），一些製造人員同樣厭惡實驗範圍的極端區域和響應曲線的陡峭區域附近的區域。因此，該團隊考慮了實驗外部限制謹慎，因為他們對在測試範圍之外的佔空比下會發生什麼一無所知。例如，如果 1 區漂移到 65% 的佔空比會怎樣？沒人知道。
相反，當響應曲線陡峭傾斜時，如第 3 區的情況，厭惡極端可能會很昂貴。因子的微小變化可能會引發響應的顯著變化。請注意，最小值A 的對數0發生在 70% 的 3 區佔空比。但是，該設定點處於測試範圍的極限和在 3 區曲線的陡峭部分，工藝工程師最可怕的噩夢。圖 20突出顯示此過程危險區域。
數字20 : 討厭的區域 3
實驗者決定將 3 區佔空比降低至 41%，並接受由此產生的損失A 的對數0 .理由：選擇對加熱元件老化、環境氣流、漂移、誤差等變化源具有魯棒性的過程設置 F圖 21再次可視化為所有 6 個區域選擇的最佳點背後的基本原理在高原的中心，遠離極端。
數字21 : 製造商的天堂
測試模型並評估公差區間
接下來，實驗人員反複測試最佳點並使用累積數據計算公差區間，在這種情況下，對 99% 的未來產品有 95% 的置信度。相對於客戶的期望，公差區間證明是令人滿意的。
第 5 步 – 確認成功
憑藉在實驗中獲得的強大新知識，實驗者自信地建議對公司管理層進行永久性改變。採取了行動。批准了額外的研究。然而，一些重要的事情仍然存在。
反映
實驗者從他們的錯誤中吸取了教訓。精益實踐，半生9 ，建議在達到重要里程碑（如一個學習週期結束和另一個學習週期開始）後反思工作方法。該團隊就他們做錯了什麼以及他們可以做得更好的地方進行了非正式和誠實的討論。這個練習被證明對後續研究和未來的實驗很有用。
幫助別人
實驗者還花時間進行了另一個有用的精益實踐，橫店10 ，這表明在整個組織內橫向共享最佳實踐。這種做法的好處包括向他人介紹 DOE 方法並幫助他們進行自己的實驗。
承認
此外，團隊停下來承認他們的成功，並確保所有參與者的貢獻都得到明顯認可。一大堆比薩餅被運了進來。
監視器
額外的A區的log s 0定期收集數據以檢測過程漂移的存在。如果烤箱性能顯著下降，問題將很快被發現，然後進行調查和解決。
成功的關鍵
一線工作人員的出色貢獻、JMP 引以為豪的數據可視化功能的使用、“見熱”的能力以及決策制定的共識方法對所獲得結果的質量產生了極大的影響。很明顯，實驗設計和熱成像是高度互補的技術。如果團隊僅限於反複試驗、一次一個因素的實驗或使用離散的溫度計，熱成型機幾乎肯定會像往常一樣繼續跛行。
其他應用
只要製造商需要了解過程原因和熱效應的知識，就可以使用熱成像響應變量進行實驗。以下是一些不同的應用，其中熱成像響應變量將被證明是有用的。肯定還會有更多。
- 食品製造業
- 擠壓
- 退火和熱處理
- 冶金
- 注塑成型
- 暖通空調設計
- 複合材料
- 拉擠成型
- 加熱器、冷卻系統和乾燥器設計
參考
[1] Roger Hoerl 和 Ron Snee，統計思維, 2 nd版，John Wiley & Sons，The Wiley and SAS Business Series，2012
[2] Ian Cox、Marie A. Gaudard、Philip J. Ramsey、Mia L. Stephens 和 Leo T. Wright，視覺六西格碼, SAS Institute, Inc., John Wiley & Sons 出版，SAS 商業系列 (2010)
[3]邁克羅瑟，豐田套路，通道。 5、麥格勞-希爾，2010
[4]新鄉研究所，新吾模型, 猶他州立大學, 2014
[5]威廉·D·卡佩勒，使用 JMP 進行客觀實驗，第 5 版，2011 年 8 月，客觀實驗。清單可在www.objexp.com .
[6]唐納德·J·惠勒， EMP III，評估測量過程, 中國石化出版社, 2010
[7]斯內爾集團，一級熱成像課程手冊, Barre, VT, 2014
[8]朱蘭的質量手冊, 第 6 章，Juran 和 DeFeo，McGraw-Hill，2010 年
[9]現場學院博客，懺悔吧，我是說 Hansei！ 2007 年 5 月 2 日
[10]現場學院 DVD， JIT 技術，第 6 部分
致謝
Objective Experiments 的 Bill Kappele 對本文進行了重要的評論和評論。
作者簡介
Stephen W. Czupryna 是一位工藝工程顧問和講師在華盛頓州貝靈厄姆進行客觀實驗。他擁有經濟學學士學位和激光電光學碩士學位，並且是 Pyzdek Institute 認證的精益六西格碼黑帶。他還擁有 The Snell Group 頒發的 I 級熱成像證書，在電氣和機械 IR 測試方面具有公認的能力。
托尼肖基是美國 Fluke 熱成像服務經理.他來自工業界，擁有貝靈厄姆技術學院的儀器儀表、自動化和過程控制背景以及紅外二級 – ASNT 合規培訓。作為 Fluke 的主題專家已有 7 年，他在全球範圍內就這些主題進行了演講，對渠道合作夥伴和主要最終用戶進行了廣泛的培訓，並繼續為 Fluke Corporation 提供後勤技術支持。
羅伊哈夫是副總統斯內爾集團。他在廣泛的紅外線和電動機測試科目中任教和提供諮詢服務。Roy 擁有密蘇里大學哥倫比亞分校的電子工程學士學位和 ASNT 的 III 級熱/紅外證書。他獲得了 SMRP 認證的可靠性維護專家認證，並持有 III 級 IRT NAS410 認證。他曾在 P/PM 全國研討會、Thermosense、Thermal Solutions、EPRI、SMRP 和其他會議上發表過演講。
