(57)【要約】【課題】タグチメソッドを用いることにより設計対象物の特性を外乱に影響され難く基本機能に忠実なものとした上で、コスト低減も達成可能な設計パラメータを直接的に導出できる設計パラメータの最適化方法を提供する。【解決手段】ブラケット１の製造コストへの影響が大の制御因子の何れかの水準値をコスト優先の値に設定し（S1,S2）、誤差因子及び信号因子と共に制御因子を直交表に割り付け（S6）、直交表の割り付けに従ってＣＡＥ解析を実施してＳＮ比及び感度をそれぞれ算出し（S7,S8）、ＳＮ比及び感度に基づき水準値を選出すると共に、選出した各制御因子の水準値を適宜変更するチューニングを実行し（S10）、このとき、製造コストへの影響が大の制御因子がコスト優先の水準値となるように他の制御因子に優先して水準値の選出及びチューニングを実行してコスト低減を達成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
設計対象物の基本機能として定義した入出力関係の入力を信号因子とし、設計対象物の各設計パラメータを複数の制御因子とし、上記基本機能に対して作用する外乱を誤差因子として、これら信号因子、制御因子及び誤差因子について複数の水準値をそれぞれ設定すると共に、上記設計対象物の製造コストへの影響が大の制御因子を少なくとも一つ設定し、該制御因子の何れかの水準値をコスト優先の値に設定する因子設定工程と、
上記信号因子、制御因子及び誤差因子を所定の直交表に割り付ける直交表割付工程と、
上記直交表割付工程で作成した直交表の割り付けに従って、上記各制御因子の水準値毎に上記基本機能に対するバラツキ度合いを表すＳＮ比及び該基本機能の出力に対する入力の影響度合いを表す感度をそれぞれ算出するＳＮ比・感度算出工程と、
上記ＳＮ比・感度算出工程で算出したＳＮ比及び感度に基づき、上記基本機能に対するバラツキを抑制すべく上記制御因子毎にＳＮ比が高い水準値を選出すると共に、上記基本機能の入出力関係を目標として上記選出した各制御因子の水準値を適宜変更するチューニングを実行し、このとき上記製造コストへの影響が大の制御因子が上記コスト優先の水準値となるように、他の制御因子に優先して上記水準値の選出及びチューニングを実行する制御因子選出・チューニング工程と
を備えることを特徴とする設計パラメータの最適化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はタグチメソッドを用いた設計パラメータの最適化方法に係り、詳しくはタグチメソッドにより設計パラメータとして制御因子を選出する際にコスト低減の要素を反映させることができる設計パラメータの最適化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
設計対象物を目標仕様とするための最適な設計パラメータの設定手法の一つとして、実験計画法から派生したタグチメソッドが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
当該タグチメソッドでは、設計対象物の基本機能として定義した入出力関係の入力を信号因子とし、設計対象物の各設計パラメータを複数の制御因子とし、基本機能に対して作用する外乱を誤差因子として、これら信号因子、制御因子及び誤差因子についてそれぞれ設定した複数の水準値を所定の直交表に割り付け、その割り付けに従って実施した解析試験の結果から各制御因子の水準値毎のＳＮ比及び感度を算出している。
【０００３】
そして、これらのＳＮ比及び感度から作成した要因効果図に基づき、基本機能に対するバラツキを抑制すべく制御因子毎にＳＮ比が高い水準値を適宜選出すると共に、基本機能の入出力関係を目標として選出した各制御因子の水準値を適宜変更するチューニングを実行し、もってロバスト性が高くて外乱に影響され難く基本機能に忠実な特性を満足する設計パラメータを導出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３４４２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようにタグチメソッドでは、目標仕様を達成するための設計パラメータとして制御因子及び水準値を設定し、ＳＮ比に基づくロバスト性の観点及び感度に基づく基本機能への忠実度の観点から、制御因子毎に最適な水準値を選出及びチューニングしている。ところで、設計対象物には製造コストの低減が要望される場合がしばしばあり、タグチメソッドでもコスト低減の要求に応じて製造コストを低減可能な水準値を選出できるが、これと引き替えにロバスト性が犠牲になるという問題があった。
【０００６】
即ち、設計パラメータとして設定し得る制御因子の中には種々の性質のものがあり、例えば設計対象物のロバスト性には影響しないが製造コストへの影響が大のもの、逆にロバスト性への影響は大であるが製造コストには影響しないもの、或いはロバスト性にも製造コストにも影響するものなどが存在する。例えばロバスト性にも製造コストにも影響する制御因子についてコスト優先の水準値を選出した場合、その水準値はロバスト性の観点からは必ずしも適切ではなく、ロバスト性を悪化させる水準値が選出される場合もある。
【０００７】
また、タグチメソッドで常用されるＬ１８直交表でも取り扱われる制御因子は８種に過ぎず、必ずしも製造コストへの影響が大の制御因子が取り扱われるとは限らない。仮にコストへの影響大の制御因子が取り扱われたとしても、その水準値としてコスト優先のものが設定されるとは限らない。このような場合、当然ながらコスト低減の要望に対応することができない。
【０００８】
以上の要因によりタグチメソッドによれば、設計対象物のコスト低減とロバスト性確保とを両立可能な設計パラメータを導出できず、従来からコスト低減にまで配慮した設計パラメータの導出方法が要望されていた。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、タグチメソッドを用いることにより設計対象物の特性を外乱に影響され難く基本機能に忠実なものとした上で、コスト低減も達成可能な設計パラメータを直接的に導出することができる設計パラメータの最適化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、設計対象物の基本機能として定義した入出力関係の入力を信号因子とし、設計対象物の各設計パラメータを複数の制御因子とし、基本機能に対して作用する外乱を誤差因子として、これら信号因子、制御因子及び誤差因子について複数の水準値をそれぞれ設定すると共に、設計対象物の製造コストへの影響が大の制御因子を少なくとも一つ設定し、制御因子の何れかの水準値をコスト優先の値に設定する因子設定工程と、信号因子、制御因子及び誤差因子を所定の直交表に割り付ける直交表割付工程と、直交表割付工程で作成した直交表の割り付けに従って、各制御因子の水準値毎に基本機能に対するバラツキ度合いを表すＳＮ比及び基本機能の出力に対する入力の影響度合いを表す感度をそれぞれ算出するＳＮ比・感度算出工程と、ＳＮ比・感度算出工程で算出したＳＮ比及び感度に基づき、基本機能に対するバラツキを抑制すべく制御因子毎にＳＮ比が高い水準値を選出すると共に、基本機能の入出力関係を目標として選出した各制御因子の水準値を適宜変更するチューニングを実行し、このとき製造コストへの影響が大の制御因子がコスト優先の水準値となるように、他の制御因子に優先して水準値の選出及びチューニングを実行する制御因子選出・チューニング工程とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように請求項１の発明の設計パラメータの最適化方法によれば、因子設定工程において、設計対象物の製造コストへの影響が大の制御因子の何れかの水準値をコスト優先の値に設定し、制御因子選出・チューニング工程において、製造コストへの影響が大の制御因子がコスト優先の水準値となるように、他の制御因子に優先して水準値の選出及びチューニングを実行するため、設計対象物の特性を外乱に影響され難く基本機能に忠実なものとした上で、製造コストへの影響が大の制御因子としてコスト優先の水準値を選出することによりコスト低減を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の設計パラメータの最適化方法が適用されるブラケットを示す正面図である。
【図２】同じくブラケットを示す側面図である。
【図３】実施形態の設計パラメータの最適化方法の手順を示すフローチャートである。
【図４】設計対象の基本機能を示す図である。
【図５】基本機能に対する制御因子及び誤差因子の関係を示す模式図である。
【図６】各制御因子のＳＮ比を示す要因効果図である。
【図７】各制御因子の感度を示す要因効果図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の設計パラメータの最適化方法を棚板の支持に用いるブラケットに適用した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態の設計パラメータの最適化方法が適用されるブラケットを示す正面図、図２は同じくブラケットを示す側面図である。
ブラケット１は略Ｌ字状をなし、その一側面１ａ及び他側面１ｂにはそれぞれ一対のビス孔２が貫設されている。棚板の支持にはこのように構成された１組のブラケット１が用いられ、所定間隔をおいて配設したブラケット１の一側面１ａをビス孔２を介してビスで壁面に固定すると共に、他側面１ｂ上に棚板を載せてビス孔２を介してビスで固定するようになっている。
【００１３】
次に、このように構成されたブラケット１を設計パラメータの最適化方法を用いて設計する際の手順について説明する。
図３は本実施形態の設計パラメータの最適化方法の手順を示すフローチャートであり、当該ルーチンに従ってブラケット１の各設計パラメータが算出される。
本実施形態の設計パラメータの最適化方法は、タグチメソッド（品質工学）を用いたパラメータ設計により各設計パラメータ（タグチメソッドにおける制御因子に相当し、以下、制御因子という）を決定するが、製造コストを考慮して制御因子の水準値を選出することに特徴がある。
【００１４】
まず、ステップＳ１で設計対象であるブラケット１の制御因子を設定し、続くステップＳ２で各制御因子の水準値を設定する。このときの設定処理として、一般的なタグチメソッドでは品質の安定化やロバスト性などの要件を考慮して行うが、本実施形態ではコスト優先で設定を実施する。この設定処理はタグチメソッドの初期段階に相当するものであるが、本実施形態では特にコスト優先で実施することから、以下コストフェーズと称する。即ち、ステップＳ１，２では品質の安定化やロバスト性を考慮することなく、可能な限り低コスト側でブラケット１の設計要件が成立するように各制御因子の水準値を最適化する（因子設定工程）。なお、その際には、必要に応じて数理モデルの最適解を求めるための手法の一つである数理計画法(Mathematical Programming)を用いてもよい。
【００１５】
このようなコストフェーズの設定処理により、制御因子の中にはブラケット１のロバスト性への影響が大の制御因子だけでなく、製造コストへの影響が大の制御因子が少なくとも一つ含まれ、さらに製造コストへの影響が大の制御因子にはコスト優先の水準値が少なくとも一つ設定される。コストフェーズでのブラケット１は、コスト優先の水準値を選出することによりコスト低減は可能であるが品質の安定化やロバスト性は確保されておらず、以下に述べるように、その後のタグチメソッドによりロバスト性への影響が大の制御因子の水準値を適宜選出することでロバスト性確保を図っている。
【００１６】
コスト優先の水準値の選出によりコスト低減が達成されるため、当該水準値がタグチメソッドの段階でロバスト性確保のために他の水準値に変更されると、コスト低減を達成不能となる。そこで、予めコストフェーズでは、製造コストへの影響が大でコスト低減に利用すべき制御因子と、ロバスト性への影響が大でロバスト性確保に利用すべき制御因子とを意識的に区別して設定し、後述するようにタグチメソッドにおいても双方の制御因子を区別して取り扱うことにより、コスト低減とロバスト性確保とを両立している。
【００１７】
図１，２に示すように本実施形態では制御因子として、ブラケット１の幅Ａ、ビス位置Ｂ、ビス位置Ｃ、他側面１ｂの長さＤ、ビス位置Ｅ、ビス位置Ｆ、一側面１ａの長さＧ、及び厚みＨの計８種の設計パラメータを設定している。水準値としては、ブラケット１の幅Ａを２水準に設定し、他の制御因子を３水準に設定している。
そして、ブラケット１の製造コストには厚みＨが大きく影響するため、製造コストへの影響が大の制御因子として厚みＨを設定し、その他の制御因子、特にビス位置Ｂ及びビス位置Ｃなどをロバスト性への影響が大の制御因子として設定している。厚みＨを縮小しても他の制御因子を適切に設定すれば、物を支える寸法面での設計要件を満足できるとの知見の下に、コスト優先の水準値として厚みＨの第１水準を極端に小さな１mmに設定している。当然ながら、実際に厚みＨ＝１mmとしたブラケット１は強度不足によりロバスト性を満足しないものとなるが、引き続いて行われるタグチメソッドの適用によりロバスト性が確保される。
【００１８】
このようにして決定した各制御因子及びそれぞれの水準値を表１にまとめて示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
以上のステップＳ１，２でコストフェーズを終了するとステップＳ３に移行し、以降の処理によりタグチメソッドを実施する。ステップＳ３では設計対象の基本機能、即ち入力と出力の直線関係を定義する。棚板上への載置物の重量によりブラケット１には下方に向かう力が作用し、その入力はブラケット１の変位の形でエネルギとして蓄えられる。このときのブラケット１の強さは、エネルギ保存の法則を使ってタグチメソッドの「動特性ゼロ点比例式」で定義でき、ブラケット１の変位ｙを出力、ブラケット１に加える力Ｍを入力とすると、図４に示すように原点を通過する直線ｙ＝βＭが成立する。ここに、βは比例定数である。
【００２１】
そして、図５に示すようにタグチメソッドでは、基本機能に対して外乱として誤差因子を作用させたときの出力のバラツキから、誤差因子の影響を受け難い条件を最適な設計パラメータとして選出しており、その手順を以下に述べる。
まず、ステップＳ４では誤差因子を設定する。壁面に固定されて棚板を載せたときのブラケット１は重力の影響により真下に向けて力を受けると共に、その力の大きさは棚板上に載せた物の重さに応じて変化する。そして、棚板上に物を載せたり降ろしたりする際には横方向への力も受けることから、このときの力に対してブラケット１は耐える必要があり、この横方向の力を誤差因子と見なすことができる。具体的には、ブラケット１の他側面１ｂに対して４５°をなす入力角度Ｎ１、同じく他側面１ｂに対して９０°をなす入力角度Ｎ２の２水準を誤差因子としている。また、これらの誤差因子を含まない条件を標準条件という。
【００２２】
ステップＳ５では上記基本機能として定義した入出力関係の入力を信号因子とし、この信号因子の水準値を決定する。具体的には、信号因子Ｍ１として１０Ｎ、信号因子Ｍ２として２０Ｎの２水準とする。
ステップＳ６では、以上のように設定した制御因子、誤差因子、信号因子を、表２に示すＬ１８直交表に割り付ける（直交表割付工程）。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
続くステップＳ７では直交表の割り付けに従って、信号因子、各制御因子、及び誤差因子の組合せに応じた複数のＣＡＥ解析を有限要素法により実施する。その後、ステップＳ８でＣＡＥ解析の結果に基づき、各制御因子の水準値毎にＳＮ比及び感度を算出し（ＳＮ比・感度算出工程）、これらのＳＮ比及び感度をステップＳ９で各制御因子の水準値毎にプロットして、図６，７に示す要因効果図を作成する。
【００２５】
タグチメソッドにおけるＳＮ比とは、ステップＳ３で定義した基本機能（入出力の直線関係）に対するバラツキ度合いを表す指標であり、バラツキが小さくロバスト性が高いほどＳＮ比は高い値となる。よって、ＳＮ比が高い制御因子を設計パラメータとして適用すれば、ロバスト性が高くて外乱に影響され難い特性をブラケット１に付与可能となる。また、タグチメソッドにおける感度とは、基本機能の出力に対する入力の影響度合いを表す指標であるため、感度が異なる水準値に適宜変更することにより（以下、当該操作をチューニングと称する）、図４に示す基本機能である入出力の直線関係（＝β）を調整可能となる。
【００２６】
続くステップＳ１０，１１では、作成した要因効果図に基づき各制御因子の水準値を選出する（制御因子選出・チューニング工程）。即ち、ステップＳ１０で、制御因子毎にＳＮ比が高い水準値を選出することによりブラケット１のロバスト性を確保する。続くステップＳ１１で、図４に示す基本機能の直線関係の傾きを目標として、各制御因子の感度を参照しつつ各制御因子の水準値を適宜チューニングする（制御因子選出・チューニング工程）。
【００２７】
制御因子の水準値の選出及びチューニングは、一般的なタグチメソッドではロバスト性確保を目的として行われるが、本実施形態ではロバスト性を確保しながら、コストフェーズで付与されたブラケット１のコスト低減の特性を可能な限り温存するように配慮して実行される。
即ち、上記のようにコストフェーズでは、ロバスト性確保のための制御因子とコスト低減のための制御因子とが意識的に区別して設定されている。しかし、これらの制御因子について無差別にＳＮ比に基づく水準値の選出及び感度に基づく水準値のチューニングが行われると、コスト低減のために設定されたコスト優先の水準値が選出されなかったり、選出されたとしてもチューニングの際に別の水準値の変更されてしまったりする。このような事態はブラケット１の特性がコスト増加方向に変動して、コストフェーズで想定したコスト低減を達成できないことを意味する。
【００２８】
そこで、ステップＳ１０で各制御因子の水準値を選出する際には、コスト低減のための制御因子については可能な限りコスト優先の水準値を選出する一方、ロバスト性確保のための制御因子についてはＳＮ比が高い水準値を選出することでブラケット１のロバスト性を確保する。また、ステップＳ１１で各制御因子の水準値をチューニングする際には、選出されたコスト優先の水準値を変更することなく、ロバスト性確保のための制御因子の水準値を変更することで所期の基本機能の直線関係を達成する。なお、コスト低減とロバスト性確保とを両立できないときには何れかを多少妥協し、例えばロバスト性確保のためにコスト低減を若干犠牲にしたり、コスト低減のためにロバスト性を若干犠牲にしたりしてもよい。
【００２９】
具体例に沿って述べると、本実施形態では厚みＨについては、ブラケット１のロバスト性を確保し且つ所期の基本機能の直線関係を達成可能な限り、製造コストを優先した第１水準のＨ＝１mmを極力選出するように配慮する。
即ち、図６に示すように厚みＨの第１水準は、第２水準及び第３水準に比してＳＮ比が低くロバスト性の観点からは望ましくない。そこで、ステップＳ１０においてＳＮ比に基づき各制御因子の水準値を選出する際には、他の制御因子でＳＮ比が高い水準値を選出することによりブラケット１のロバスト性を確保できる場合には、コスト低減のために厚みＨとして第１水準を選出する。逆に厚みＨを第１水準とすると、他の制御因子でＳＮ比が高い水準値を選出してもロバスト性を確保不能な場合には、ロバスト性確保のために厚みＨとして第２水準または第３水準を選出する。
【００３０】
また、図7に示すように厚みＨの第１水準は、第２水準及び第３水準に比して感度が低いことから、基本機能の直線関係を感度増加方向に調整するために厚みＨを利用すると、厚みＨの増加につながるため極力避けたい。そこで、ステップＳ１１において基本機能の直線関係を感度増加方向に調整する必要があるときには、極力他の制御因子の水準値を変更することにより対処し、基本機能の直線関係を感度低下方向に調整する必要があり、厚みＨとして第２水準または第３水準が選出されているときには、他の制御因子に優先して厚みＨを第１水準に変更することにより対処する。
【００３１】
その後、ステップＳ１２で、以上の処理により選出した制御因子に基づき確認ＣＡＥ解析を実施する。続くステップＳ１３では確認ＣＡＥ解析の結果に基づき、所期のロバスト性が確保されているか否かを判定し、判定がＹes（肯定）のときにはルーチンを終了する。また、ステップＳ１３の判定がＮo（否定）のときには上記ステップＳ１０に戻り、ステップＳ１３までの処理を繰り返す。従って、この場合にはステップＳ１０，１１で各制御因子の水準値が選出及びチューニングし直されて、ステップＳ１２での確認ＣＡＥ解析の結果に基づきステップＳ１３で選出した制御因子の適否が判定され、ステップＳ１３の判定がＹesになるまで以上の処理が繰り返される。
【００３２】
結果としてブラケット１の特性をロバスト性が高くて外乱に影響され難く、且つ基本機能に忠実なものとした上で、厚みＨとして第１水準を選出することにより製造コストを低減することができる。
なお、上記ステップＳ７〜１１では、直交表の割り付けに従ってＣＡＥ解析を実施し、解析結果から作成した要因効果図に基づき製造コスト及びロバスト性の要件を満たす制御因子を選出したが、経験に基づき直交表から最適な制御因子の組合せを直接的に推測できる場合もある。このようなときにはＣＡＥ解析及び要因効果図の作成を適宜省略し、推測した制御因子に基づきステップＳ１２の確認ＣＡＥ試験に移行してもよい。
【００３３】
以上説明したように本実施形態の設計パラメータの最適化方法によれば、コストフェーズにおいてブラケット１の製造コストへの影響が大の制御因子の何れかの水準値をコスト優先で設定し、その後のタグチメソッドにおいて製造コストへの影響が大の制御因子がコスト優先の水準値となるように、他の制御因子に優先して水準値の選出及びチューニングを実行するようにした。よって、ブラケット１の特性を外乱に影響され難く基本機能に忠実なものとした上で、製造コストへの影響が大の制御因子としてコスト優先の水準値を選出することによりコスト低減を達成することができる。
【００３４】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではブラケット１を設計対象物とし、その製造コストへの影響が大の制御因子として厚みＨを設定すると共に、厚みＨの水準値の一つとしてコストを優先した１mmを設定した。しかし、これに限定されるものではなく、設計対象物として他の製品に適用できるし、制御因子や水準値の設定に関しても設計対象物の製品に応じて任意に設定可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１  ブラケット（設計対象物）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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