| 品質工学に関するミニ知識初級編 | |
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品質工学の超概要について解説します。 |
ノイズに強い安定設計を行う方法であるパラメータ 設計の概要について解説します。 |
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品質とコストのトレードオフ評価を行う許容差 設計の概要について解説します。 |
目的機能と基本機能の考え方について解説 します。 |
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機能性の評価に必要な特性値・代用特性値に ついて解説します。 |
特性値に影響を与える要因の考え方について 解説します。 |
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実験計画の立案に必要な直交表へのデータの 割付方法について解説します。 |
機能の安定性を測定・評価するSN比の概要に ついて解説します。 |
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飛行距離の長い折り紙飛行機の設計方法を パラメータ設計で解説します。 |
初級編の次は、中級編にチャレンジして ください。 |
品質工学とは田口玄一博士が提唱する品質工学は、品質を金額で評価し、品質レベルの経済的評価を行う手法であり、米国ではタグチ・メソッドの俗称でよばれています。品質工学では、品質を製品が出荷後に社会に与える損失であるとして、つぎのように定義しています。
品質=(機能のばらつきによる損失)+(使用コスト)+(機能に関係のない弊害項目による損失)
上記算式における機能を品質工学ではエネルギーの入出力関係(エネルギーの変換)として表しています。下図表のようにエネルギーの入出力関係は、そこに無駄がなければ、入力が2倍になれば、出力も2倍になるという足し算の関係になります。
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このような入出力関係は、技術の働きの根本を示しているので、ここで評価した結果がよければ、その結果はそう簡単には変わらないことが期待できます。
しかしながら、実際にはこうした考え方はほとんど用いられることがなく、故障とか振動現象、あるいは摩耗のような顧客の要求を示す、消費者品質を用いることが多いようです。もちろん、こうした消費者品質は、顧客としては極めて重要な品質特性です。
しかし、実際には入力されたエネルギーが、本来の機能のためにうまく使われず、余剰エネルギーが副作用として消費されてしまうことから、その結果として発生してくる不具合現象なのです。その結果、不具合現象を押さえるために過剰機能や過剰品質の製品が生まれてくるのです。
ここにコストダウンの大きな可能性が潜んでいます。品質工学はコストを上げずに、これらの損失やコストを引き下げるべく製品設計や生産設計を行いますが、そのために2つのアプローチがとられます。それがパラメータ設計と許容差設計です。
パラメータ設計とはこれは、品質をばらつかせる誤差因子(ノイズ)そのものを減衰させ、ノイズに強い安定設計を行う方法です。すなわち、製品や部品が製造上の諸変数の影響を受けることなく、製品を容易にかつ低コストで設計し、出荷後の製品の性能が、環境条件や劣化によって左右されないように改善するアプローチです。
パラメータ設計では、機能のバラツキに影響する要因を制御因子と誤差因子に分けて取上げます。制御因子は、設計者の自由意志でその中心値や水準が決められる変数であり、最適水準が分かればそれを製品設計や生産設計に採用できる因子です。
誤差因子は、目的特性を理想値からばらつかせる原因の総称で、次の3種類に分類できます。
@環境条件のばらつきで、外乱と呼びます
A劣化によるばらつきで、内乱と呼びます
B品物間のばらつきで、品物ごとの差のことです
これらの誤差因子は、生産や使用の場において、水準の指定も選択も不可能な因子です。
そこで、誤差因子による外乱、内乱を抑えるためには、環境の影響を補正する装置を取り付けたり、劣化しにくい部品を使うなどの対策をとることが多いようです。しかし、これらの対策は過剰機能、過剰品質に結びつき、すべてコストアップ要因となります。
つまり、過剰機能、過剰品質の根本的解決は、誤差因子によるばらつきを減衰させることであり、このこのとが品質向上とコストダウンに結びつくのです。
設計者がコントロールできる制御因子の中心値や水準の最適組合せにより、誤差因子のばらつきを減衰させるアプローチがパラメータ設計です。この方法は、製品設計のみならず生産設計(工程設計)にも有効ですが、要素技術の開発段階で特に役立ちます。
許容差設計とはこのアプローチは、パラメータ設計により制御因子の最適水準が決まったあとで、最適条件だけについて誤差因子の影響を把握します。使用部品のばらつきが結果に影響影響を与えている場合は、使用部品のグレードを検討したり、選別したりして、ばらつきを減らすことができます。
しかし、これにはコストがかかるので、ばらつきの減少による損失の減少とのかねあいが問題になります。これを考えるのが許容差設計です。
つまり、グレードの異なる部品や材料について品質とコストのトレードオフ評価を行い、どのレベルを目指して設計していくかを選択するものです。
現在日本では、品質工学を国際的に貢献可能なISOとして提案すべき活動が展開されています。
また、JISでは、JIS K 7109で「プラスチックの寸法許容差の決め方」などが制定されています。
目的機能と基本機能技術には目的機能(システムに要求される役割)があり、その目的機能を達成するためには、技術に固有のメカニズムがあります。それは基本的にはエネルギーの入出力関係(エネルギーの変換)として表されます。
たとえば、NC加工機の目的機能は、素材を設計通りの形状にすることです。この目的機能を達成する技術的手段は、「加工プログラムどおりに主軸を動かし工具を素材に当て素材の形状を変える」ことです。
NC加工機を一つのシステムととらえ、入出力を考えてください。ここでの入力は加工プログラム、出力は加工品となります。つまりNC加工機は、設計寸法をNCデータという形で入力し、加工品の実寸法を出力しているのです。
つまりNC加工機の基本機能は、「入力したNCデータと実際に加工した製品の実寸法の間に比例関係が成り立つ」と定義できます。
図表は、NC加工機の目的機能、技術的手段、基本機能の関係を整理したものです。
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特性値・代用特性値とは機能性の評価には、対象機能の特性値または代用特性値の選定が必要になります。特性値には、動特性と静特性があります。
図表のように、動特性には、「能動的動特性」と「受動的動特性」があり、静特性には、「望小特性」、「望大特性」、「望目特性」があります。
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特性値に影響する要因と水準製品の基本機能は、さまざまなノイズ(機能を乱す原因の総称)の影響でばらついています。基本機能に影響を与える要因には、「技術者がコントロールできる制御因子」と「できない誤差因子」があります。
動特性の場合には、この2つに加えて信号因子と呼ばれるものを取上げます。動特性は目標値が可変であり、この目標値を変える要因を信号因子と呼びます。
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NC加工機の基本機能をばらつかせる要因の中で、制御因子の例としては図表に示す8つがあげられます。各制御因子には、Aの「切削方向」が2つ、B〜Hまでは3つの水準が設定してあります。
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これら制御因子の水準の中で、一番ばらつきの小さい条件を設定する方法がパラメータ設計です。
第1水準、第2水準、第3水準の選び方は、次のように考えます。まず、第2水準というのは、中くらいの値、今までの予想として、一番よいであろうと技術者が考えた水準(標準)とします。
これに対して、第1水準はあまりにも効率が悪すぎるという、ぎりぎりのところであり、第3水準は、これ以上にすると危ないぎりぎりのところとします。
直交表への割付直交表の各列に因子を割当て実験計画を作成することを内側直交表の割付と呼びます。また、同じ行の実験を数回繰り返す場合の実験計画を作成することを外側直交表の割付と呼びます。
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■静特性の割付
静特性の場合には、図表のように、制御因子を直交表の内側に、誤差因子Nを直交表の外側に割付けることが多いです。誤差因子Nはデータの繰返し数とみなすこともあります。
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■動特性の割付
動特性の場合は、制御因子を直交表の内側に、信号因子Mと誤差因子Nを直交表の外側に割付けることが多いです。静特性と同様に、誤差因子Nはデータの繰返し数とみなすこともあります。
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SN(エスエヌ)比品質工学ではSN(エスエヌ)比という尺度を使って、機能の安定性を測定します。SN比のSはシグナル(信号)であり、Nはノイズ(誤差)です。ノイズには、材料の規格に対するバラツキ、部品の規格中央値に対する寸法の狂い、環境の変化による性能の低下などさまざまなものがあります。
SN比は、通信関係のエンジニアの方には、なじみのある言葉ではないかと思います。
ステレオやCDプレーヤーなどのオーディオ機器を使うとき、音量を上げると、同時にノイズ(雑音)も大きくなる状態をSN比が悪いと言います。必要な音は大きく、ノイズは小さい方がオーディオ機器の機能性は良いので、SN比も良くなれます。
SN比は、概念的には次のように定義でき、計算結果が大きいほど機能の安定性は高いことになります。
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SN比の算定方法は、特性値により異なれますが、その基礎になっているのは変動、分散、2乗和の分解などです。
折り紙飛行機のパラメータ設計下図のような折り紙飛行機で、飛行距離が長くなる設計条件をパラメータ設計により確立しましょう。
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折り紙飛行機を一つのシステムと考え目的機能、入出力を考えると以下のようになります。
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インプットの初速(m/s)とアウトプットの飛行距離(m)の関係は、比例関係が成り立つので、特性値は動特性になります。
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特性値に影響する要因として、制御因子、誤差因子、信号因子を考えます。下図表は、制御因子と信号因子の例です。
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次は制御因子を内側直交表に割付けるための入力画面と割付結果です。
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誤差因子は、風の向き(外乱)、紙の状態(内乱)などが考えられます。誤差因子の各水準に対して、出力を小さくする条件を重ねた水準と、出力を大きくする水準を重ねた水準にまとめます。
これを誤差因子の調合と言います。下図表は、飛行距離が短くなる条件N1と長くなる条件N2を表しています。
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最後に信号因子と誤差因子を外側直交表に割付けると、実験計画が立案できます。
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実験データの解析方法については、“品質工学に関するミニ知識中級編”で解説します。