품질공학(1) 로버스트 설계

품질공학에 대해 공부할 기회가 생겨서, 앞으로 공부하는 내용을 정리해보려고 한다.

오늘은 품질공학의 목적과 개관.

 

품질공학

품질공학은 세계적으로 다구치메소드(タグチメソッド)라고도 불린다. 일본의 다구치 겐이치(田口玄一) 박사가 제품의 품질을 개선하기 위한 방법론으로서 고안한 것이 시초가 되기 때문이다. 

다구치 이전의 제품 설계, 개발은 표준조건에서 제품이 목적대로 움직일 수 있게끔 하는 것이었다.

하지만 그런 식으로 설계된 경우, 시제품을 만들어보면 사용자가 실제로 사용하는 환경, 조건에서는 제품이 원래 생각대로 동작하지 않아 몇번이고 다시 만들어 테스트하게 되어, 개발기간이 아주 길어진다.

애초에 표준조건만을 고려하여 설계했기 때문이다.

이런 일이 일어나지 않게끔 다양한 환경 조건을 고려하여 제품을 설계하는 방법론이 다구치메소드이다.

환경의 조건이 변화해도 잘 기능하는 제품을 설계하기 위해서는 설계 단계에서 환경조건을 변화시켜가며 테스트해야 하는데, 테스트의 중요한 지표로서 활용되는 것이 로버스트성(robustness)이다. 즉, 조건이 변화해도 기능에 영향이 없는 정도를 평가한다.

다구치메소드의 핵심은 로버스트 설계라고 볼 수 있고, 품질공학=다구치메소드=로버스트 설계 와 같이 동의어처럼 사용되고 있기도 하다.

다구치메소드는 1980년대 미국에서 먼저 각광받은 뒤, 1990년대 일본에 역수입되었고, 지금은 전세계적으로 널리 쓰이고 있다.

 

품질공학의 목적

종종 대량의 자동차 리콜사태가 발생하는 것을 뉴스에서 보곤 하는데, 대체로 사용환경 조건 변화에 대한 로버스트 설계가 되어있지 않았던 것이 원인이라고 볼 수 있다.

즉, 표준 환경에서는 제품이 제대로 기능하는 것을 테스트 했으나, 로버스트 설계를 하지 않았기 때문에 사용자의 다양한 환경 조건에서 기능하지 못하게 되는 경우가 발생한 것.

품질공학의 목적은 다양한 환경 조건의 변화가 있어도 품질을 확보하는 것이고, 

애초에 조건 변화에 강한 설계를 하여 개발기간을 단축하고 제품의 품질이 고르지 않게 되는 것을 미연에 방지하는 것이다.

 

품질이란

일반적으로 품질은 상품, 서비스가 사용목적을 만족하고 있느냐 하는 것을 나타내지만(JIS, ISO정의로부터),

품질공학에서는 출하 후 사회적 손실에 따르는 것으로 정의한다. 

사회적 손실은 제품의 기능이 조건에 따라 달라지는 것이나, 사용할 때 비용이 발생하거나, 공해를 발생시키는 것 등을 포함하고, 이러한 사회적 손실이 적을수록 품질이 좋은 것으로 평가한다.

품질공학에서 손실함수는 2차함수로 상정하고 있다. 

제품의 기능이 규격 범위에 들어가있다고 해서 손실이 없는 것은 아니며, 규격의 중앙치로부터 멀어질수록 손실이 점차 커진다.

품질에 의한 손실과 제품 생산 개발에 따르는 투입 비용을 더한 것이 총손실이며, 총손실을 최소화하는 방향으로 제품을 설계하게 된다.

 

로버스트설계

로버스트 설계란, 다양한 노이즈가 있어도 안정적으로 기능을 발휘할 수 있는 제품, 기술을 개발하는 방법을 말한다.

노이즈란, 아래의 3가지 종류가 있다.

1. 사용조건, 환경조건의 변화, 고르지 못함(외란)

2. 사용과정에서의 열화(내란)

3. 제품의 구성부품이나 재료의 고르지 못함(내란의 하나로 볼 수도 있음)

 

노이즈에 대한 대책으로는 아래 3가지가 있다.

1. 노이즈 발견과 제거: 생산공정에서. 미연방지로서는 한계가 있음.

2. 출력의 보정: 피드백 회로, 코스트 증가.

3. 노이즈의 영향의 감쇄: 원인의 변화는 그대로 둔 채, 원인의 영향을 감쇄시키는 방법. 로버스트 설계 방법임. 시스템의 로버스트성을 확보하는 방법, 코스트 삭감됨.

 

로버스트설계의 핵심이 되는 2가지 방법

1. 기능성평가: 기술, 제품의 평가방법. 제품의 스펙을 평가하는 것이 아니라, 의도적으로 노이즈를 부여하여 기능의 고르지 못한 정도를 평가하는 방법.

2. 직교표실험: 설계 개선의 방법. 복수의 파라미터를 개별적으로 평가하는 것이 아니라, 다양한 조합을 만들어, 설계공간을 시스템적으로 효율 좋게 탐색하는 방법. 설계 파라미터의 요인효과표에서, 파라미터의 최적치를 선정. (SN비와 감도로 평가)

 

MBD와 1D-CAE

모델 베이스 개발(Model Based Development, MBD)방법론은 개발 프로세스의 효율화와 안정성을 위해 자동차 업계에서 널리 사용되고 있다. 

개발하고자 하는 것을 모델화하여, 모델에 기초한 CAE(컴퓨터 시뮬레이션을 말함; Computer-Aided Engineering)를 개발 공정에 있어서의 주된 축으로 이용하는 방법론이다.

MBD에 있어서 다구치 방법론이 이용되는데, 시뮬레이션을 통해 부품, 시스템, 제품을 로버스트 최적화하고, 모델의 정확도를 확보하기 위해서이다.

 

MBD와 1D-CAE에 대해서는 다음 편에서 내용을 좀 더 보충하고자 한다.

 

참고자료

https://xtech.nikkei.com/dm/article/NEWS/20100222/180482/?P=2 

【トヨタ品質問題・識者の見方】トヨタはいかにして品質を鍛え上げ，そして道を誤ったのか

品質工学に基づくロバストパラメータ設計の概要 : ISO 16336およびJIS Z 9081 (特集 ロバスト設計/タグチメソッドの実際)掲載誌 機械の研究 = Science of machine 70(3):2018.3 p.179-185