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측정 시스템을 의심하라 – 품질 관리를 위한 솔루션, SPC 연재기사 3탄

제조현장에서 측정 시스템의 중요성을 이야기하기에 앞서, 연필꽂이에서 자를 꺼내 살펴보자. 1, 5, 10mm마다 서로 길이가 다른 눈금이 그려져 있을 것이다. 우리는 별 의심 없이 자를 측정 대상에 갖다 대 눈금을 읽는다. 하지만 측정 시스템은 우리가 생각하는 것만큼 완벽하지 않다. 플라스틱 자만 하더라도 오래 사용해 눈금이 지워지거나 열에 의해 형태가 뒤틀릴 수 있다. 자야 새로 사면 그만이지만 제조현장의 측정 시스템은 사정이 다르다. 중요한 것은 정기적인 측정 시스템 분석과 교정. MSA는 측정 시스템의 안정성을 파악하는 분석 기법 중 하나다.

기계능력과 공정능력을 분석하기 전에 필수적으로 거쳐야 할 과정이 측정 시스템을 분석하고 교정하는 것이다. 측정 시스템이 정확하지 않다면 그 시스템을 이용해 측정한 기계능력과 공정능력 역시 신뢰할 수 없기 때문이다. MSA(Measurement System Analysis)는 제조 현장 내 측정 시스템을 평가하는 기법 중 하나다. 총 일곱 단계로 구성되어 있지만 모든 단계를 거칠 필요는 없다.

Type 4, 5 과정은 각각 측정 시스템의 선형 성과 안정성을 분석한다. Type 6, 7 과정은 Go/No-Go 게이지 등 계수치를 검증하는 방법이다. Go/No-Go 게이지는 제품 표면에 난 스크래치와 같이 일반 계량기로 측정 하기 힘든 데이터의 합격/불합격 여부를 판단하는 측정 방법이다. 따라서 일반적으로는 분해능을 점검한 뒤 Type 1~3의 과정을 통해 측정 시스템의 안정성을 검증하는 경우가 많다.

측정시스템평가기준분해능(resolution)
분해능은 측정 시스템이 인식할 수 있는 가장 작은 단위를 가리킨다. 눈금이 1cm 단위로 표시된 자와 0.1cm 단위로 표시된 자가 있다고 가정해보자. 두 개의 자를 이용해 길이가 8.6cm인 블록을 측정한다면 어느 쪽이 더 정확한 결과를 도출할 수 있을까? 분해능이 1cm일 경우 0.6cm는 버리거나 올릴 수밖에 없다. 8cm나 9cm나 썩 만족스러운 결과는 아니다. 하지만 분해능이 무조건 낮다고 해서 능사는 아니다. 측정 시스템의 정확도나 경제적인 상황에 따라 제조 현장에 적합한 분해능을 채택하는 것이 중요하다.
일반적으로 많은 기업들이 공차에 대한 분해능의 비율(%RE)이 5~10% 사이일 경우 적절하다고 여긴다.

측정능력지수 Cg, Cgk
매뉴팩처링 4월호에 실린 SPC 연재기사 2탄을 꼼꼼히 읽은 독자라면 Cp, Cpk를 기억할 것이다. Cp, Cpk는 공정 전체의 능력을 수치로 나타낸 ‘공정능력지수’다. 이번에는 Cg,Cgk다. 어렵게 생각할 필요는 없다. 공정능 력지수의 P는 공정(process)을 가리키며, 측정능력지수의 G는 게이지(Gauge)를 의미한다. Cgk 역시 Cpk와 마찬가지로 측정 분포의 위치 이동을 반영한 결과다.

측정능력지수는 MSA의 Type 1 과정을 통해 구할 수 있다. Type 1 과정을 진행하기 위해서는 검증이 필요한 측정 시스템과 측정자 한 명, 측정 대상이 필요하다. 측정자는 하나의 측정 대상을 50번 측정한 뒤 그결과를 수집한다. 측정자와 측정 대상이 동일하기 때문에 측정자 간의 산포(AV)와 측정대상 간 산포(PV)는 고려할 필요가 없다.
따라서 온전히 측정 시스템의 정확성과 반복성을 체크할 수 있는 과정이다.

하이덴하인의 측정 시스템을 이용해 직접 Tpe 2과정을 진행해봤다. 왼쪽 사진과 같이 측정 대상을 세팅하고 버튼을 누르자 4개의 센서가 인식한 측정 결과가 Q-DAS의 소프트웨어 procell에 자동으로 전송되었다. 수집한 측정 결과를 통해 분해능과 Gage R&R 등을 구할 수 있었다.
하이덴하인의 측정 시스템을 이용해 직접 Tpe 2과정을 진행해봤다. 왼쪽 사진과 같이 측정 대상을 세팅하고 버튼을 누르자 4개의 센서가 인식한 측정 결과가 Q-DAS의 소프트웨어 procell에 자동으로 전송되었다. 수집한 측정 결과를 통해 분해능과 Gage R&R 등을 구할 수 있었다.

측정 결과가 수집되었다면 아래 공식을 이용해 측정능력지수 Cg를 구할 수 있다.
공식에서 sg는 측정 시스템의 정규분포를 가리킨다. 공차에 0.2를 곱해준다는 점을 제외하면 지난달 소개한 공정능력지수 공식과 비슷하다. 0.2를 곱해주는 것은 측정 대상 간 산포가 없기 때문이다. 만약 조금더 여유를 갖고 측정 시스템을 분석하고 싶다면 0.2 대신 0.4를 곱할 수도 있다.

측정자의 영향 분석하는 Gage R&R
측정능력지수가 1.33보다 같거나 클 경우 다음 단계로 넘어가자. 1.33보다 작다면 측정 시스템을 교체 혹은 교정해야 한다.
Type 2와 3는 둘 다 수행할 필요는 없다. 핸드 게이지와 같이 측정자가 측정 결과에 영향을 미친다면 Type 2로, 3차원 측정기처럼 측정자의 영향이 배제될 경우 Type 3로 넘어가면 된다.

Type 2를 진행하기 위해서는 두 명 이상의 측정자와 5개 이상의 측정 대상이 필요하다. 측정자들은 측정 대상을 각각 두 번씩 측정한다. 측정자가 3명, 측정 대상이 10개 라면 측정 횟수는 총 60번이다. Type 2 과정을 통해 측정 대상 간 산포(PV), 측정자간 산포(AV), 대상과 측정자 간 상호작용 (IA)을 알 수 있다. 측정자 간 산포는 작을 수록 좋은 반면, 측정대상 간 산포는 클수록 좋다.

측정자 간 산포(AV), 대상과 측정자 간 상호작용(IA), 측정 장치의 산포(EV)를 이용해 Gage R&R을 구할 수 있다. Gage R&R은 측정 시스템의 재현반복성을 나타내는 지표로, 10% 미만일 경우 적합한 수준이다.
Gage R&R이 30%를 넘는다면 다시 Type 1으로 돌아가야 한다. 물론 이러한 기준 역시 현장의 상황에 맞게 조율할 수 있다.

Type 3 과정에서는 측정자의 영향, 즉 측정자 간 산포가 배제된다. 따라서 필요한 측정 데이터의 수 역시 Type 2 과정에 비해 적다. 일반적으로 측정자 한 사람이 5개의 서로 다른 측정 대상을 각각 10번씩 재는 것을 추천하지만 측정 대상과 측정 횟수는 필요에 따라 달라질 수 있다.

기타나 피아노를 새로 장만할 경우 정확한 음을 내기 위해 조율하는 과정을 거친다. 하지만 오래 사용하다 보면 충격이나 주변 환경의 변화로 인해 음정이 어긋나기 마련이다. 측정 시스템 역시 마찬가지다. 고가의 3차원 측정 장비도 프로브에 먼지가 쌓이면 미세하게나마 오차를 일으킨다. 쇠로 만든 핸드 게이지는 주변의 온도가 오르내릴 때마다 조금씩 뒤틀린다. 기계나 공정에는 아무 이상이 없는데도 측정 시스템의 오류로 인해 ‘불량’ 판정을 받는다면 괜한 헛수고만 하게 된다. 당장의 수고만 생각한다면 측정 시스템 검증은 길고 지루하게 느껴질 것이다. 하지만 장기적으로 내다본다면 측정 시스템을 끊임 없이 의심하는 일은 무척이나 중요한 과정이다.

About 송해영 기자

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