多目的特性達成のための効率的・効果的問題解決法－方策系統図と応答曲面法の併用活用法－
アイシン精機株式会社
花村和男

１．はじめに近年、ＳＱＣ手法における実権計画法は、

Fisher,R.A.
伝統的な実験計画

Fisher,R.A.が提示し、農業への適用で始

化学工業

まり、その後、乱塊法、ラテン方格、配置実験の３原則・反復・無作為化・局所管理実験、分割法、直交実験などに発展を遂げている。1950 年代には、化学工業での適用技術全般

Box,G.E.P.らにより応答曲面法が、また日面から Kiefer,J.によるよる最適計画が開農業普及・発展発・提示され、新たな潮流が起きている。

・信号因子
・誤差因子
・ＳＮ比普及・発展

Kiefer,J.
最適計画※誤差の考え方が変化

・複合計画
・近似関数

普及・発展

田口玄一
品質工学を意図して量的な因子に基づく計画として本では田口により品質工学が、数学的な側Box,G.E.P
応答曲面法

ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ実験・学際的な最適計画普及

図１ 実験計画法の潮流（図１）
企業においては、要求品質の高度化・多様化、および低コスト化により、ますます高難度化する問題・課題解決のためには、伝統的な実験計画のみでなく、新たな潮流も研究し幅広い活用力をつけていく必要がある。
例えば、品質における多特性の最適化をはかる場合、一般的にそれぞれに効くと考えた要因を取り上げ、実験計画法を活用し最適な条件を設定する。しかし、品質と生産性というような異なった目的の多特性（ここでは多目的特性と言う）の目標を達成するためには、多回数、あるいは大規模な実験計画が必要となり、問題解決に多大な労力と費用がかかる。そこで、多目的特性達成のための効率的・効果的問題解決法を研究する必要がある。
本報告では、アーク溶接工程のスパッタ低減を研究の題材に、品質（外観）とスパッタ特性の多目的な３特性の最適化をはかる。その問題解決のプロセスにおいて、従来の要因系統図と実験計画による最適条件の設定のみでなく、方策系統図と応答曲面法による目標特性への合わせ込み、いわゆるチューニングを実践した結果、成果を得ることができたので、その実証科学的方法論を紹介する。
２．多目的特性達成のための効率的・効果的問題解決法のアプローチ
２.１ 多目的特性達成のための課題
多目的特性の目標を達成するためには、つぎのような課題が考えられる。（図２）1)アイシン精機（株）〒448-8650

経営管理部門

ＴＱＭ・ＰＭ推進室

愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地

主査

TEL.0566-24-8474

花村和男
FAX.0566-24-8816© 2010, The Institute of JUSE. All Rights Reserved.

(1) 各目的特性に対する要因群の組み合わせが異(1)目標への合わせ込み（チューニング）に時間がかかるなり、その中で全特性に影響を及ぼす共通要目的特性

因と各特性にのみ影響する単独要因があるた要因

Ａ特性

め、目標への合わせ込み（チューニング）にB特性時間がかかる。

C特性

要因ｂ
要因ｃを見失い易い。

単独要因

要因ｄ
要因e
要因f

(2) 各目的特性の変量が異なり（連続量、または離散量）、全体像が見え難く、最適なポイント

共通要因要因a

要因の組合せは異なる！

目標の合わせ込みが困難！

(2)各目的特性の変量が異なる離散量･･質的データ

連続量･･量的データ

異種データが混在！

２.２ 効率的・効果的問題解決法の提案
図２ 多目的特性達成のための課題

そこで、対策の立案と実施のステップで、つぎのような問題解決法を考える。

(1) 対策の立案のステップで、要因解析において絞り込んだ要因群に対し、共通要因、単独要因の順に最適化するための最短方策を、方策系統図で明確化する。
(2) 対策の実施のステップで、共通要因に対して小規模な実験計画による最適化、つぎに最適化した水準の付近で多水準を設定して単独要因ごとに実験し、応答曲面法により探索し最適化する。
３．応答曲面法による最適化
応答曲面法による最適化にはつぎの２つの方法がある。[1],[2],[3]３.１ １特性の最適化
モデルに取り込まれている２つの量的変数（変量）と特性値との関係をグラフ上に等高線として表示し、曲面の形状や停留点（曲面の傾きが０となる点）や最適条件を視覚的に確認・検討する。（図３）
３.２ 多特性の最適化
複数の目的変数（特性）を好ましいレベルにする方法で、「望ましさ関数D ( x ) に基づくアプローチ（Desirability function）」を中心に解析し、最適条件を視覚的に確認・検討する。（図４）

停留点が最大停留点

停留点が鞍状点

推定値と95％信頼区間

特性値

D(x )

等高線

説明変数

図３ 応答曲面法：１特性の最適化

D( x ) パラメータの変換

望ましさ関数 D( x ) グラフ

図４ 応答曲面法：多特性の最適化© 2010, The Institute of JUSE. All Rights Reserved.

４．研究テーマ
４.１ 研究テーマの背景
生産技術部では、｢グローバル競争に勝つ最良の品質・ミニマムコストの実現｣をめざし、｢商品・工法両軸でのコスト革新やモノづくり技術のレベルアップ活動強化｣を展開している。その一環として、｢号口工程の技術的な改善によるロスの低減｣を基に、｢現場の問題解決に直結した工程・設備の差別化｣をはかることが必要である。
４.２ 研究テーマのねらい
自動車用シート商品では、軽量化、高強度化の要求品質を満足しつつ、低価格化要求に対応するため、これまでのボルト締付やかしめ接合から、部品を削減できるアーク溶接による締結方法に変更し、｢新骨格シート｣を商品化している。（図５）

図５ 新骨格シートの商品化

しかし、アーク溶接工程では当然スパッタが発生し、このスパッタ品質不具合防止のためのスパッタ除去作業工数ロスが増加傾向であった。
そこで、この生産ロス低減により新商品に適応した工程・設備の確立をはかるため、｢アーク溶接工程スパッタ低減｣に取り組んだ。
５．現状把握と目標の設定
現状の生産性指標としての可動率は 80%で、その中で不動時間が 12％を占めていた。この不動時間の内訳は、約 50％がスパッタ除去時間であり、まずこの低減目標をつぎのように設定した。
(2) 可動率：6％向上（スパッタ低減活動分）(1) スパッタ除去時間：80％低減
６．要因の解析
６.１ 要因の洗い出しと絞り込み

スパッタ発生要因を系統図で整理し、影響度と実現性で評価し、6 要因を抽出した。さらに、「スパッタ発生」と「溶接品質」への影響度合をＴ型マトリックス図により整理した結果、スパッタ発生要因は溶接品質に影響が大きく、溶接品質を満足する範囲で最適な条件を設定しなければならないことを明らかにできた。（図６）
価評目的

１次 要 因２次 要 因３次 要 因電源不適

メーカー検 討 不 足

３１３

機種選定不備

３１３

トー チ ノズ ル 形 状 不 備

２３６トー チ 姿 勢 不 備

２１２

チップ母 材 間 距 離 不 備

２３６

溶接速度設定不備

２３６電流設定不備

３３９電圧設定不備

３３９ロボット
設定不適

設備条件
設定不備

ワイヤ
設定不適

ガス種類設定不備

２２４

ガス流量設定不備

２３６

過去の経験上影響が小さい

実現
性

実施すべき必要性大きい

実施した方がよい

実施不要
既に実施済

重 要 な６要 因 を抽 出「ス パ ッ タ 発 生 」と 「溶 接 品 質 」の T型 マ ト リ ッ ク ス 図○○

ブローホール○○△△○アンダー カット○○

溶け込み深さ◎スパ ッタ発 生◎◎現象

不適当な母材

アース位置設定不備

２２４クランプ方法設定不備

２２４合わせ面不適

３１３油付着３１３

材質不適

３１３板厚不適

３１３

流

治具
仕様不適

要因

△

溶接品質

◎ ：大 い に 影 響 あ り

図６ 要因の洗い出しと絞り込み（要因系統図）© 2010, The Institute of JUSE. All Rights Reserved.

◎△○ ：影 響 あ り

トーチノズル形状

２

過去の経験上やや影響する

チップ母材間距離

１１１

過去の経験上影響が大きい

シールドガス流量

１２２影響度

溶接速度

１３

電ワイヤ径設定不備ワイヤ材質設定不備

評価項目点圧

ガス供給不適

評価基準表

評価

電

スパッタ発生程度が悪い

条件
設定不適

影響度 実現性△△△ ：多 少 影 響 あ り６.２ 変動要因の抽出と削除抽出した 6 要因について機差を調査した結果、「シールドガス流量」、「チップ母材間距離」、「トーチノズル形状」の３要因については、条件設定に変動（違い）があった。そこで、３要因については、比較実験評価を行い最良な条件に統一することにより変動要因を削除した。（図７）
しかし、統一後でもスパッタ発生量を極小にできず、根本的に現状の溶接機自体の設備改善が必要であると考えた。
６.３ 発生メカニズムの追求と課題の明確化
設備改善を進めるために、「何故既存のショートアーク溶接機でスパッタが発生するか」について、加工点を可視化する中で、その発生メカニズムを追求した。その結果、スパッタの多くは、「ワイヤと母材が接触し短絡すると、短絡通電時に接触抵抗と固有抵抗で発熱し、ワイヤが溶融してアークが発生し、その時に爆破し発生する」ことが確認できた。（図８）
また既存のショートアーク溶接機では、電源自体、短絡が繰り返される機種であり、スパッタ発生をなくすためには、短絡レス化が課題であることが明確になった。
変動要因の比較実験評価結果

○×

△

25mｌ
（やや多い）△

ワイヤと母材の短絡→アークが消弧Ｃ
ｶﾞｽ流量20ml
（通常）

15ml
（やや少ない）×20mm（やや長い）○▽スパッタの発生タイミング

15mm
（通常）

ｽﾊﾟｯﾀ状況Ｂ
ﾁｯﾌﾟ母材間距離12mm（やや短い）

ｽﾄﾚｰﾄ

要因

先端細り

Ａ
ﾄｰﾁﾉｽﾞﾙ形状○△

スパッタの多くは、ワイヤと母材の短絡（接触）直後の瞬間に発生するワイヤ先端がジュール発熱で加熱･溶融▽スパッタの発生現象

スパッタ発生極小化できず！

統 一

ワイヤ先端が溶融プールに溶け落ち
ワイヤ母材間に距離が発生

チップﾟ
ﾁｯﾌﾟ

ノズル

ﾜｲﾔ

差異がないため通常を選択

備考

抵抗が少なくなり、電流増加

ワイヤ

アークが再点弧し、気体が急激に体積膨張

スパッタ

設備改善
設備改善が必要！
が必要！

ワーク（母材）スパッタ発生(溶融金属飛散)

ﾜｰｸ

図７ 変動要因の抽出と削除

図８ スパッタ発生のメカニスム

７．対策の立案
これらの対策の進め方を方策系統図により検討し、つぎの３つの対策事項を決定した。（図９）①設備の改良の追求と変更：ショートアーク溶接機からパルス溶接機への変更に伴う事前トライ②改良後の評価実験による最適条件の設定：実験計画法活用による最適化③多目的特性のチューニング：応答曲法を活用した最適化
目的

対策目的

対策手段

電源変更

メーカー変更

１１１１

機種変更

３３２１８トー チ ノズ ル 形 状 変 更

１２３６トー チ 姿 勢 変 更

１

１３３チップ母 材 間距離 変更

１２３６溶接速度再設定

３３３２７電流再設定

３３３２７電圧再設定

３３３２７波形設定

３３３２７ロボット仕様変更
スパッタ発生を極小にするには

設備改善
条件再設定
ワイヤ変更

母材改善

評 価実現性 効果性 難易度 評価

目的の分類

対 策 事 項

①設備改良の追求と変更
・シ ョー トア ー ク 溶 接 機からパルス溶接機へ
変 更 に 伴 う事 前 トライ②改良後の評価実験による最適条件の設定
・実 験 計 画 法 活 用 に よる最適化

ワイヤ径変 更１１３３ワイヤ材質変更

１３３９ガス供給
方法変更

ガス種類変更１２３６ガス流量変更

１３３９治具改良

アース位置方法変更

１３３９

クランプ方法 変更

２３３９

評価点
項目

３２１

合わせ面変更

１３３９

実現性

実施すべき
必要性大きい実施した方がよい

実施不要
既に実施済

油付着防止

３２２１２

効果性

効果が大きい効果が小さい材質変更

１３１３

効果がわからない

難易度

自工場で実施可能

協業で可能

実施困難

板厚変更

１３１３③多目的特性のチュー
ニング・応 答 曲 面 法 に よ る 探 索と最適化
評価基準表

図９ 対策の立案（方策系統図）© 2010, The Institute of JUSE. All Rights Reserved.

８．対策の実施
８.１ 設備改良の追求と変更
ショートアーク溶接機は、電源自体、短絡が繰り返される機種であった。そこで短絡レス化をはかるためパルス溶接機に変更した。パルス溶接機は、スプレー移行（短絡レス）、つまり１回のパルス（１周期）で１滴の溶滴を落下させる「１パルス１ドロップ」で溶接するも機種であり、ワイヤと母材の接触が極力さけられ短絡レス化が可能と判断した。（図１０）
ショートアーク溶接機

短絡を繰り返すチップ
ワイヤ

《短絡》

ｱｰｸﾜｰｸ
短絡 → 短絡電流通電
接触抵抗+固有抵抗で発熱

ワイヤが溶融し、アーク発生その時に爆破しスパッタ発生

アーク点弧→通常電流へ入熱コントロール

溶滴成長粒が大きくなる

溶滴がﾋﾟﾝﾁ力により離脱

溶滴がワークに移行

パルス溶接機

電圧をかけながらワイヤ送給

図１０ ショートアーク溶接機とパルス溶接機の違い
しかし、溶接開始および終了時点でのワイヤと母材の接触は避けらず、スパッタの発生が懸念されるため、これの事前トライを行った。
パルス溶接機のもう一つの利点は、電圧と電流の波形データが採取できることであった。そこで、事前トライの際にスパッタの波形データを採取し、スパッタ量と短絡回数の相互関係を見た。
その結果、相関が認められ、スパッタをなくすには、代用特性として短絡回数を無くせばよいことが確認できた。（図１１）1.60◆パルス溶接機では電圧と電流の波形データが採取でき、短絡回数がわかる

電圧

電流

ｽﾊﾟｯﾀ量(g/min)

スパッタ発生時の波形

165mm×1 60cm/min

1.40
1.20
1.00
0.80
0.600.40
短絡によりスパッタ発生
0.200.00050

100

短絡回数(回/sec)

図１１ パルス溶接における短絡回数とスパッタ量の関係
８.２ 改良後の評価実験による最適条件の設定
改良後のパルス溶接機における最適条件を設定するため、実験計画法を活用して評価実験を行った。実験は、「短絡回数」を特性値とし、溶接品質とスパッタ発生の共通要因で大いに影響するある「Ａ：電流」、「Ｂ：電圧」を（図５を参照）、他にパルス溶接機の設定条件として「Ｃ：波形形状」を選定し、この３因子を３水準に振り、Ｌ９直交表による直交実験を行った。実験結果の解析は、静特性のＳＮ比（望小特性）に変数変換して分散分析を行った。
その結果、要因Ａが有意で「Ａ 2」が最適であることがわかった。また他の条件はＳＮ比の大© 2010, The Institute of JUSE. All Rights Reserved.

きい（ばらつきの小さい）「Ｂ 3､Ｃ 3」を設定した。利得の計算結果 6db で、この条件でやればスパッタ短絡回数のばらつきも 1/2 にできることがわかった。（図１２）■因子と水準■特性値：短絡回数■実験回数：２回■分析：望小SN比123■要因効果図CAB

電流（Ａ）

電圧（Ｖ）
B123B224B３25A1A2A3110120130波形形状
C1C2C3123■分散分析表

Source f
A:電流eT

A:電流SVF0
2 111.04 55.519 9.52 *6 34.998 5.8329 8 146.04

S'ρ(%)
99.372 68.05
46.664 31.95
146.04100

B:電圧

C:波形形状

■利得

現行水準
最適水準
利得

-22.0181-15.4689
6.5496

図１２ 実験計画法による最適条件の設定
８.３ 多目的特性のチューニング
スパッタ低減ができる条件をもとに、最終的な品質と生産性向上をねらいに、生産性を向上させるための「溶接速度」によるチューニングを行った。この場合、「溶接速度」のレベルごとに、前述の実験で得られた最適条件の付近で多水準を設定して評価実験を行った。そして、「応答曲面法」を活用して探索と最適化を行った。
この場合の評価特性は、「品質（外観）」とスパッタ発生に関係の深い「短絡回数」、および「スパッタ程度」の３特性とした。しかし、各特性のデータの性質が異なるため、すべてダミー変数として数量化して解析した。
解析においては、まず「多特性の最適化」を、パソコン解析ソフト[6]を用いて行った。３特性「品質（外観）、短絡回数、スパッタ程度」を目的変数に、３因子「電流、電圧、溶接速度」を説明変数に、多特性の最適化を行い、「溶接速度」の望ましさ関数が１に近くなる領域に最適化した。（図１３）
最適条件
外観
3.000
2.5824

電流：130A

電圧：26V

速度：85cm/min

130.1600

26.2400

84.8000

目的変数（特性）

1.000
短絡数
2.000
1.96241.000
スパッタ程度
2.000
1.8403

溶接速度の望ましさの関数を１して最適化
01

1.000
D(x)
1.00.8617
0.0
110.000
170.000
電流（Ａ）

1.000
0.000
20.00030.000
電圧（Ｖ）

60.000160.000
速度（cm/min)

説明変数（因子）

図１３ 多特性の最適化による最適化グラフ© 2010, The Institute of JUSE. All Rights Reserved.

この結果をもとに関係者に説明したが、説得するのに時間を要した。そこで、一目でわかってもらえるものが必要と考え検討した結果、多目的特性のすべての特性をダミー変数として数量化して基準化してあるのだから、それぞれに「１特性の最適化」を行い、それらを合体させる方法があることを思いついた。
具体的には、「溶接速度=85cm/min」を一定にし、「品質（外観）」、「短絡回数」、「スパッタ程度」ごとに、「電流」と「電圧」の最適化グラフを作成し、これらを合体することと総合的に一目で分かる最適化グラフを得ることができた。（図１４）
この結果、最適な範囲の中の中央値として、「溶接速度=85cm/min」の場合、「電流=130A」、「電圧=26V」が最適条件であることが説明でき、関係者に理解が得られた。
■｢スパッタ程度｣の最適化グラフ■｢短絡回数｣の最適化グラフ

3535
1：多い 2：少ない

スパッタ大きい

1：多い
2：少ない31電圧（Ｖ）

電圧（Ｖ）

312723
短絡回数多い191580120電流（Ａ）

2723
19

1：大きい 2：小さい

1580180120180■｢品質(外観)｣の最適化グラフ 電流（Ａ）

35

溶け落ち
ビード割れ

31電圧（Ｖ）

2723
191：× 3：○

溶け込み不良1580120180電流（Ａ）■総合した最適化グラフ

35

スパッタ大きい〔溶接速度85cm/min〕

溶け落ち
ビード割れ

電圧（Ｖ）

312723

短絡回数多い19
溶け込み不良1580120電流（Ａ）

180

図１４ １特性の最適化により多目的特性を総合した最適化グラフ© 2010, The Institute of JUSE. All Rights Reserved.

８.４ 確認実験■波形データでの対策前後の比較
電流：130A、電圧：26V、溶接速度：85cm/min

前述で得られた最適条件で確認実験を行った結果、スパッタ発生量極小の実現ができた。
図１５に、パルス波形での結果、およびスパッタ付
着状態の対策前後の比較を示す。

電圧２０Ｖ
電流１００Ａ

短絡回数 ２０⇒２回/sec ⇒ スパッタ発生量極小を実現！

９．目標達成度の確認
目標達成度は、図１６に示すように、目標にはほぼ達成でき、工数低減、可動率向上の実現ができた。
(1) スパッタ除去工数：72％（目標 70％低減）(2) 可動率：7％（目標 6％向上）

図１５ 確認実験結果【スパッタ除去工数】【可動率】（sec/直）1200

１０．標準化
新機種のパルス溶接機において、つぎのような標

（％）

1050

７２％低減
（△）

1000
800

400

(1)パルス溶接基盤の他設備への水平展開(2)ティーチング時のワイヤ長さ統一治具の作成(3)条件設定方法ノウハウシートの作成

9080

600

準化ができた。

100(200)

2000
対策前

290

(目標) 実績
対策後７％向上（○）
７％向上（○）（スパッタ低減活動分）(86)8780706050
対策前(目標) 実績
対策後

図１６ 目標達成度の確認

１１．まとめこの研究により、スパッタ発生を極小にでき、品質不具合防止をはかる中で、生産性向上に結びつけることができた。
また、品質と生産性を高めるためには、方策系統図により攻め方を工夫し、実験計画法のみでなく、新たな潮流である応答曲面法を活用した多目的特性のチューニングにより、効率的・効果的な問題解決ができることがわかった。
【参考文献および解析ソフト】[1] 山田秀：「最適計画と多特性の最適化」，日科技連ＤＥテキスト，№6、2000.9～200.11[2] Khuri & Cornell：「Response Surface」，MARCEL DEKKER,INC.，1987[3]

Myers & Montgomery：「Response SurfaceMethodology」，John Wiley & Sons,Inc.，1995[4] 山田秀：「コンピュータ上の実験の計画と解析」，品質，VOL.34，№2，25-29[5] 山田秀：「コンピュータシミュレーションのための実験計画法－一様実験計画と過飽和実験計画－」，品質，VOL.34，№3，21-29[6] JUSE-StatWorks Ver.3.5（㈱日科技研）© 2010, The Institute of JUSE. All Rights Reserved.

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