田口式品質工程運用在產品設計階段之誤差設計

　　「田口式品質工程」是以最迅速最經濟的實驗方法，以最少實驗數量，取得產品設計參數及製程參數（作業設定條件），[註1]所以田口式品質工程是讓設計單位應用於製程技術開發、產品設計，取得最適化設計或製造參數的方法。

　　近年來隨著產品生命週期短及資訊科技發展之後，已有很多文獻運用實驗室小型模擬設備或「電腦輔助工程」CAE（Computer-Aided Engineering）結合「田口式品質工程」，來獲得設計相關參數設計之數據之案例，藉以降低新產品開發失敗成本及縮短研發時程。因此本文貢獻將探究虛擬製造環境「誤差設計」為題，提出運用之方法架構與實例。

一、探究造成變異的原因

　　一般將設計參數或製造參數交由實驗室小型模擬設備或CAE分析時，往往取中間值做系統模擬分析，卻忽略對生產條件、公差條件等誤差影響，造成系統模擬與實際生產之落差。因此筆者經多年研究案例分析歸納原因，有以下3種案例提供參閱：

1. 使用環境造成的變異

有些產品在某種環境之下無法發揮其機能，舉例產品在高溫、高濕等環境下，就無法發揮機能，這就是環境的變異。以汽車輪胎抓地力之外部誤差為例如下說明：

• 路況：柏油路、水泥路、砂石路等路況的誤差。

• 天氣：晴天、雨天、下雪天等天氣的誤差。

• 使用狀態誤差：車速、車重(含戴重)、上下坡等狀況。

如果產品設計時沒有思考造成外部雜音對於產品功能之影響，當遇到上述環境誤差、造成產品缺陷或為達設計之功能，稱為外部雜音。

2. 生產環境造成的變異

生產設備參數中有溫度、壓力、時間等等。這些參數一般是有溫度上限與下限之間震盪或是量測值與實際值落差，也會影響產品變異，如果以中間值做系統模擬分析，就會造成模擬分析之參數與實際量產作業落差，造成「再現性」不好之原因[註2、3、4]。

3. 產品之間的變異

無論在化學、電機、機械等設計或製造，對精度、尺寸或化員元素等，實際參數值所允許變動量，也就是規格上下限就是公差，在國際標準中有所規範，舉例ISO、JIS等皆有制訂國際公差標準可遵循，當然公差與及價格、成本是息息相關的，公差越嚴格價格就越高，但是無論等級為何，產品之間、原物料之間就是存在差異，就成為產品間的變異，舉例：

• 尺寸公差

尺寸公差是指尺寸的變動量，就是允許上限與下限尺寸代之間的數差。

• 形狀公差

指單零件形狀所容許的變動量，例如直線度、平面度、圓度等項目。

• 位置公差

是位置對基準所容許的變動量，是指兩個或兩個以上的點、線、面之間的相互位置關係，例如：平行度、垂直度、傾斜度、同軸度、等項目。

上述公差表示零件的精度，也反映產品之間存在誤差，因此累積公差所造成原料之品差異，稱為「產品之間的變異」。

二、探究誤差設計方法架構

　　在進行時實驗計畫時，其意義在於設計出可抵抗環境誤差、設備、產品間誤差因素的參數，然而許多工程師只是注意控制因素的設計，往往被忽略將上述誤差因素溶入實驗之中，尤其是運用實驗室小型模擬設備或CAE「電腦輔助工程」時，只是用絕對值來進行模擬時，不但忽略誤差因素、更忽略公差累計的概念，就是導致「模擬」與「實際」落差之主因。

1. 完整誤差因素實驗設計

田口式品質工程運用在參數設計時，隨機抽樣是否可以完全反應誤差？是否抽到因素之累積？尤其以系統模擬之前不僅僅注意控制因素之完整性，忽略了「誤差因素完整性」，也可能造成「模擬」與「實際」落差，得不到理想的製造或設計參數。舉例電鍍的誤差：

• 電鍍導電架電阻值：電鍍導電架在拋光清潔前與清潔後有導電係數：0.9、1.0、1.1倍。

• 電鍍化學藥劑比重值會有剛剛調整與即將在調整前之係數有：0.9、1.0、1.1。(當然電鍍槽有很多化學藥劑可以再逐項探討)

• 電鍍槽溫度也會有上限與下限之間震盪，以溫度上下限之間關係：0.9、1.0、1.1。

• 量的測定位置在鋼板的位置：右、中央、左共三點，也會有產品間之差異。

2. 調合誤差因素設計

上述如果「完整誤差因素」完全溶入實驗中，那實驗規模將變得很大，因此調合誤差目的是要將實驗減量，但是仍然能達實驗效果，那就是將誤差因素各水準予以適當調合成使系統輸出呈極端的現象，後僅取「負側極壞」、「中間值」、「正側極壞」來調和，藉此來價低實驗數量，但是仍模擬實際量產之環境。[註1、3]

調合方式如下：

N1（正側極壞）＝使系統輸入因素、控制因素全部採極大之組合

N2（中間值）＝使系統輸入因素、控制因素全部採中間值之組合

N3（負側極壞）＝使系統輸入因素、控制因素全部採極小之組合

其實驗配置如下圖：

以上述誤差因素經過調和之後案例如下：

N1（負側極壞）= 電鍍導電架電阻值0.9+藥劑比重值0.9+電鍍槽溫度0.9+測定中間位置。

N2 （中間值）= +電鍍導電架電阻值1.0藥劑比重值1.0+電鍍槽溫度1.0 +測定右側位置。

N3（正側極壞）=電鍍導電架電阻值1.1+藥劑比重值1.1+電鍍槽溫度1.1 +測定左側位置。

外側直交表配置案例[註1]

結論上述，一再說明在設計階段同步思考使用環境、製造環境及零組件的之間差異，思考完整的誤差因素的參數，再給予誤差因素之調和。在設計階段所設計之產品參數或作業參數皆能抵抗環境、設備、原料之間誤差，以產品同步工程而言做到「技術同步化」來縮小品質變異、縮短研發時程、最低成本等優點。[註3]

三、結論

　　田口博士 (Dr. Taguchi)發展『田口式品質工程』是讓設計單位應用於製程技術開發、產品設計，取得最適化參數設計及縮小變異的最好方法。筆者20年前透過中國生產力中心指派學習與引進田口式品質工程，很榮幸受田口博士及吳玉印教授啟蒙，整理多年來再輔以「虛擬製造環境」之實務經驗為題，分享產品研發在設計階段同步研擬生產參數設計，以先行性（技術準備）提供的國內工程技術人員參閱。

【參考文獻】

• [註1] 田口玄一，1994，品質世品質工程案例技術手冊，中國生產力中心。
• [註2] 田口玄一，1992，品質工程案例集，中國生產力中心。
• [註3] 黃廷彬，田口品質工程實務講義，中國生產力中心。
• [註4] 山崎  秀久、加本 浩二，2000 ，高精度迴路材料尺寸精度的提高，第八回品質工程研究發表大會年 。