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기계는 불완전하다 – 품질 관리를 위한 솔루션, SPC 연재기사 4탄

시험을 치면 그 결과에 대한 성적표를 받는 것처럼, 기계 역시 가공능력을 수치로 매길 수 있다. 이를 기계능력지수(Cm, Cmk )라고 한다. 공정능력지수(Cp, Cpk)의 P가 공정 (Process), 측정능력지수(Cg, Cgk)의 G가 게이지(Gauge)라는 사실을 기억한다면 기계 능력지수의 M이 기계(Machine)라는 것은 금방 유추할 수 있을 것이다.

기계능력지수는 해당 장비의 신뢰성을 나타내는 척도이며, 기계능력지수가 1.67보다 같거나 클 경우 그 기계를 우수하다고 볼 수있다. 신뢰성은 기계의 부품 혹은 시스템이 사용자가 요구하는 기간 동안 주어진 환경 조건에서 정해진 신뢰 수준을 만족하며 설계된 기능을 고장 없이 유지하는 것을 가리킨다. 아무리 위치 정밀도가 높은 기계라 해도 금방 고장이 나거나 거친 생산 환경에 적응하지 못한다면 제품을 장시간 생산하기 힘들 것이다. 따라서 기계능력지수를 구할 때는 이 모든 요소를 고려해야 한다.

기계의 신뢰성을 구하기 위해서는 기계 성능은 물론 수명, 내환경성, 안정성을 모두 체크할 수 있는 측정 방법이 필요하다.

위치공차 Po, Pok
이제 시편의 길이나 지름 등을 측정해 산포를 구하는 것은 어렵지 않을 것이다. 문제는 홀 가공이다. 홀 가공에서는 정확한 위치에 구멍을 뚫는 것이 중요하다. X축과 Y축, 원점을 중심으로 하는 원을 그려보자. 길이는 USL과 LSL을 각각 하나씩 갖는데 비해 위치는 X축과 Y축 모두 각각의 USL과 LSL을 갖는다. 그런데 측정치가 X축과 Y축의 공차를 각각 만족하더라도 진위치로부터 벗어나는 경우가 발생한다. 따라서 생산현장에서는 이와 같은 판단의 오류를 피하기 위해 스펙을 아예 줄이기도 한다. 이 때 필요한 개념이 위치공차(Po, Pok)다. X, Y 두 가지 벡터정보를 이용해 분포를 그릴 경우 높이 치솟은 3차원 형상이 나타난다. 여기에 Z라는 벡터정보가 추가될 경우 분포는 구 모양으로 나타난다.

X,Y두 가지 백터정보를 이용해 그린 분포
X,Y두 가지 백터정보를 이용해 그린 분포
X축과 Y축의 공차를 각각 만족하더라도 빨간 원으로 표시한 부분처럼 진위치에서 벗어날 수 있다. 해결책은 위치 공차를 고려하는 것이다.
X축과 Y축의 공차를 각각 만족하더라도 빨간 원으로 표시한 부분처럼 진위치에서 벗어날 수 있다. 해결책은 위치 공차를 고려하는 것이다.
Q-DAS의 qs-STAT을 이용해 위치공차를 구할 수 있다.
Q-DAS의 qs-STAT을 이용해 위치공차를 구할 수 있다.

카탈로그를 통해 해당 기계에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있다. 기계를 고르는 데 있어 정밀도는 중요한 평가 기준 가운데 하나다. 당연히 카탈로그를 볼 때도 해당 기계의 위치정밀도와 반복정밀도로 시선이 가기 마련이다.

기계능력지수는 시편 가공 후 측정을 통해 위치이송, 직선가공, 원호가공능력 등이 얼마나 일정한지를 나타내는 지표다. 그렇다면 기계능력지수와 정밀도는 같은 개념이 라고 볼 수 있지 않을까. 결론부터 말하자면 기계능력지수와 정밀도는 같다고 볼 수없다.

수학 시험을 친다고 가정해 보자. 객관식 시험에서는 모로 가도 서울만 가면 된다고 제한 시간 내에 정답을 구하기만 하면 그만이다. 하지만 서술형 시험에서는 풀이과정을 함께 평가하기 때문에 객관식 시험에 비해 보다 다양한 변수가 개입하게 된다.

편측공차의 히스토그램, 한쪽으로 치우쳐 있지만 비정규분포에 포함되지 않는다.
편측공차의 히스토그램, 한쪽으로 치우쳐 있지만 비정규분포에 포함되지 않는다.

정밀도는 5M 가운데 기계를 제외한 나머지 요인(Man, Material, Method, Measurement), 그리고 시간 흐름의 개입을 최소화했다. 따라서 정밀도가 뛰어난 기계를 마련하더라도 측정 시스템의 오류나 작업자의 퍼포먼스, 장시간 사용에 따른 기계 뒤틀림 등으로 인해 정밀도는 얼마든지 나빠질 수 있다. 이를 점검하고 조율하기 위해 필요한 것이 기계능력지수다.

기계능력지수는 샘플 측정 결과가 동일하더라도 사용자가 규격상한(USL)과 규격하한(LSL)을 어떻게 설정하느냐에 따라 다르게 나타날 수 있다. 엄격한 품질관리를 위해 공차를 작게 잡을 수도 있고 여건이 받쳐주지 않아 공차를 크게 잡을 수도 있다. 또 시편의 개수 역시 영향을 미친다.

기계능력지수 Cm, Cmk
기계능력지수를 구하기 전에 기계를 8시간 동안 돌려(Endurance Run) 기계 자체에 이상이 없는지를 확인한다. 이는 기계의 이상유무를 확인하기 위한 과정으로 통계적 분석과는 관계가 없다. 기계에 이상이 없다면 한 개 파트, 다섯 개의 파트를 각각 가공해본다. 파트의 수가 적기 때문에 측정치는 중심값을 기준으로 25% 이내에 들어와야 한다.

다음으로는 30개 이상의 파트를 가공 (Capability Run)해 측정한다. 하지만 시편 개수는 생산현장의 사정에 따라 다를 수 있다. 권장하는 최소치는 15개다. 이 과정을 통해 기계능력지수(Cm, Cmk)를 구할 수 있다. 측정 시스템에 대해서는 기계능력지수를 구하기 전 측정능력지수(Cg, Cgk)를 구해 신뢰도를 확보했기 때문에 염려할 필요가 없다.

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