標記對比度與附著力量測的 Cpk 與 Gage R&R

標記對比度與附著力量測的 Cpk 與 Gage R&R

重點摘要

• 先驗證量測，再驗證製程。以無能力的量測儀器計算出的製程能力指數，只是算術，不是資訊。
• 破壞性測試需要配對樣品的設計，因為同一個試樣無法量測兩次。
• 計數型方法也有其自身的一致性研究：分級方案同樣是一種量測儀器。
• 製程能力以穩定為前提。應在受控的製程上計算 Cpk，否則該數字所描述的並非可重複的狀態。

針對裝飾與打標製程的製程能力研究，往往做得很認真，卻因為跳過一個步驟而被錯誤解讀。人們假設量測系統是足夠的，由觀察到的變異計算製程能力，並將令人失望的指數歸咎於製程。而實際上，該變異的大部分往往來自量測儀器。

觀察到的變異有兩個來源

每一筆量測都包含製程變異與量測變異的組合。當量測占總變異的很大比例時，會立即產生幾項實際後果：能力指數偏悲觀、可接受的零件被拒收而不可接受的被接受、無法可靠偵測製程變更，而針對製程的改善努力也看不出成效，因為雜訊居於主導。

釐清這項比例，正是量測系統分析的目的，而先做這件事，會改變後續工作應有的方向。量測占用了大部分公差的製程，還談不上有製程問題；它有的是計量問題，而解決這個問題通常成本較低。

破壞性測試的問題

標準的量測系統重複性與再現性（Gage R&R）研究，仰賴對同一零件進行多次量測。附著力測試會破壞試樣，因此設計必須改變。

常見的作法是配對樣品：在盡可能相同的條件下相鄰生產的零件，被視為一組名義上等效的試樣，分析則比較組內變異與操作人員之間及組間的變異。組內等效的假設是承重的，組內任何真實的零件間變異，都會被歸因於量測系統。

這是應該明示而非隱藏的限制。它意味著破壞性測試的 Gage 研究，所建立的是量測變異的上限，而非精確數值，這仍然有用：若上限可接受，量測就是足夠的。

計數型方法同樣是量測儀器

附著力分級方案與目視標記評估都是量測系統，也值得同樣的審視。計數型一致性分析會讓評估人員檢視一組橫跨驗收界線的零件，以隨機順序重複提供，並記錄每位評估人員在重複提供時是否與自己一致，以及是否與其他評估人員一致。

邊界零件上的結果，通常比人們預期的更差，而那恰恰是做出驗收決策的區域。當一致性不佳時，改善的選項包括：更好的參考標準、更清楚的分級準則、以已知樣品進行訓練，或以儀器式方法取代計數型方法。

各項具體量測

標記對比度。只要固定各項條件，儀器量測就具有再現性：儀器類型、照明幾何、孔徑，以及相對於標記與規定背景基準的量測位置。表面紋理、曲率與光澤都會影響讀值，因此具有三維標記表面的零件，需要將規定的治具配置作為方法的一部分。

條碼驗證。依公認標準對機器可讀條碼進行分級，是這個領域中表現較穩定的量測之一，因為標準對孔徑、波長與幾何有嚴格規定。重複性通常良好；不同驗證儀型號之間的再現性則較差，因此規範應指明設備等級。

附著力。膠帶與劃格方法對膠帶批次、施壓力道、停留時間，以及撕除速率與角度敏感。拉拔測試較為量化，但對拉拔頭對準、黏著劑固化與加載速率敏感。兩者都能大幅受益於治具，使操作人員的手法不再影響結果。

表面能。達因測試快速、便宜，且以操作手法為主導：墨水的新舊、塗佈量、讀數間隔，以及操作人員對液膜何時破裂的判斷，都會改變答案，而墨水組的階梯式特性限制了解析度。當表面能是有嚴格窗口的受控參數時，接觸角儀器能提供達因墨水無法達到的解析度與重複性。

製程能力須先確保穩定

在不穩定的製程上計算出的能力指數，描述的是多種狀態的混合，而非一個製程，也無法預測未來的產出。對量測進行一段期間的管制圖分析，確認沒有偏移、趨勢與特殊原因，是先決條件，而非進階改良。

分布形狀同樣重要。附著力與對比度數據經常呈偏態或有界限：分級尺度有上限，對比度有物理限制，而將常態理論的指數套用在強烈非常態的數據上，可能在任一方向出現重大誤差。在計算任何東西之前先將數據繪圖，是最便宜的防護措施。

這裡的多數要求是單邊的：對比度高於最小值、附著力高於門檻、表面能高於某個水準。應採用適當的單邊指數，並明確說明所評估的是哪一個限值，而不是回報針對虛構上限計算出的雙邊數字。

結果不佳時該怎麼做

能力結果偏弱有三種可能的責任歸屬，分析應找出是哪一種。若量測變異居於主導，就改善量測：治具、方法的紀律、更好的儀器、訓練。若製程平均值靠近限值，就將它置中，這通常是三者中成本最低的。若製程變異確實很寬，就必須找出來源，而對這類製程而言，來源通常是材料批次變異、處理的覆蓋範圍與一致性、零件間的幾何差異，以及維護週期之間的漂移。

區分這三種情況，正是先做量測分析的全部價值。少了它，每個不佳的能力數字都只會得到同樣的回應：加嚴製程，而大約有三分之一的時候，這項回應是對準了錯誤的目標。

反映真實變異來源的抽樣

能力研究的代表性，取決於納入其中的零件，而裝飾產線上的研究，經常是在單一生產批次、單一樹脂批號、單一班次、單一操作人員、單一週內進行。所得的指數描述的是那一次生產，而不是製程。

這些產線上真正重要的變異，存在於樹脂與色料批次之間、多穴模具的各穴之間、治具位置之間、班次與操作人員之間，以及跨維護週期。刻意涵蓋這些來源的抽樣計畫，能給出可預測未來產出的能力數字；讓它們全部保持不變的抽樣，則給出無法重現的樂觀數字。

實務的作法是合理分組方案：頻繁取得的小型子群，足以捕捉短期變異，期間則長到涵蓋批次與維護週期。它比單次生產的研究耗時更久，卻是能支持決策的數字，與只能支持一份報告的數字之間的差別。

延伸閱讀

• 撰寫可執行的規範
• 雷射打標的 IQ、OQ 與 PQ
• 證明規範已達成
• 達因測試與表面能
• 打標或裝飾產線的 FMEA

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常見問題

為什麼量測系統分析要先於製程能力？

因為觀察到的變異是製程變異與量測變異的總和。若量測系統占了公差的很大比例，計算出的能力指數大多描述的是量測儀器，而針對製程的改善努力也無法使其改變。先驗證量測，就能告訴您實際面對的是哪一種問題。

破壞性測試如何進行 Gage R&R？

以配對樣品取代重複量測。在相同條件下相鄰生產的零件，被視為名義上相同，分析則比較組內變異與操作人員之間的變異。組內成員等效的假設發揮了實質作用，應加以說明，因為組內的零件間變異會顯示為量測變異。

目視分級方法也需要這種處理嗎？

需要。劃格附著力評等這類分級方案就是一種量測儀器，而計數型一致性分析可確認評估人員彼此之間，以及重複檢視時與自己是否一致。邊界零件上的不一致率經常偏高，在將該方法用於驗收之前，值得先掌握。

為什麼表面能量測難以驗證？

達因測試快速但依賴操作手法：墨水的新舊、塗佈量、讀數時間與操作人員的判斷都會改變結果，且量測是階梯式而非連續的，限制了解析度。在應用有此必要時，接觸角儀器能提供更好的解析度與重複性。

Cpk 適用於單邊規範嗎？

適用，但應採用相關的單邊指數，因為多數打標與附著力要求只有下限，例如對比度高於門檻、附著力高於某個數值。更重要的是製程穩定且已瞭解分布，因為附著力與對比度數據經常呈偏態，以常態為基礎的指數可能造成誤導。

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