面向制造的防錯設(shè)計
作者: 來源: 文字大小:[大][中][小]
1．1防錯法的提出
研究表明，大部分的產(chǎn)品缺陷都是由于人為錯誤引起的，美國工程師Rook通過對23000個有缺陷的部件進行統(tǒng)計后得出人約80％的缺陷都是由人為差錯引起的。為了對人為差錯進行控制，1961年，豐田公司的Shigeo Shingo(新江滋生)博士提山Boka Yoke(fool proofing)方法，即防呆、防傻的意思。后米由于考慮到對員工的尊重，改為Boka Yoke(Error proofing)，即為現(xiàn)在的防錯法。他認(rèn)為，100％的檢驗只是能夠剔除廢品，但不能提高產(chǎn)品合格率，而防錯法的目的就是要提高產(chǎn)品的合格率而不是為了剔除廢品。防錯法對于防止產(chǎn)品缺陷，提高產(chǎn)品的合格率是有著極大作州的。目前，國外很多公司如摩托羅拉、通用、聯(lián)信／霍尼威爾等，都在積極運用防錯法。在Shigeo Shingo博士的幫助下，豐田汽車公司建立了自己的防錯體系，在生產(chǎn)車間，平均每臺設(shè)備上有12道防錯裝置。
1．2防錯法的特點
防錯法的突出優(yōu)點就是成本低、見效快、方法簡單。應(yīng)用這種方法除了能夠消除產(chǎn)品缺陷、提高產(chǎn)品一次合格率外，還有以下幾點好處：
(1)提高人力資源利用率，可以讓操作人員節(jié)省精力以去從事其他增值活動；
(2)減少裝夾時間，從而減少加工時間以提高生產(chǎn)能力；
(3)提高管理效率：
(4)提高安全性；
(5)降低成本：
(6)減少對熟練工人的依賴；
(7)提高加工柔性；
(8)改善操作人員的工作態(tài)度；
(9)減少返工率，縮短交貨期。
由于我國制造企業(yè)比較落后，自動化程度不高，設(shè)備精度和
可靠性都比較差，操作人員的素質(zhì)也比較低，防錯法的優(yōu)點正好可以彌補這些不足，因此這種方法在我國是有很大的應(yīng)用空間的。
2面向制造的防錯設(shè)計的提出
在產(chǎn)品制造過程中應(yīng)用防錯裝置去消除造成產(chǎn)品缺陷的差錯是一種很有效的手段。但是在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會出現(xiàn)以下問題：
(1)無法使用防錯裝置；
(2)實施成本過高；
(3)使用防錯裝置反而會使加工工序變得復(fù)雜，影響加工效率；
這些問題的存在，很大原因是因為設(shè)計人員在進行產(chǎn)品的零部件設(shè)計時，沒有考慮到加工制造過程要應(yīng)用防錯法。雖然目前人們采用了各種保質(zhì)設(shè)計的方法，但大多是針對產(chǎn)品性能而言的，強調(diào)產(chǎn)品的可靠性。而對于制造過程，目前的設(shè)計方法雖然也提出了對制造缺陷進行預(yù)防，但這種預(yù)防是建立在產(chǎn)品制造過程中嚴(yán)格按照工藝要求的基礎(chǔ)上的。在實際生產(chǎn)中，由于各種偶然因素或人為因素的緣故，產(chǎn)品制造過程往往會偏離設(shè)計者的期望，從而無法對質(zhì)量缺陷進行有效控制。基于此，本文首次提出了面向制造的防錯設(shè)計(Error Proofing Design For Manufacturing，EPDFM)的概念。
與傳統(tǒng)的DFM相比，EPDFM是在其基礎(chǔ)上的改進設(shè)計。DFM強調(diào)的是產(chǎn)品的可加工性、可裝配性、加工經(jīng)濟性以及節(jié)省時間。EPDFM除了保留這些特點外，還強調(diào)產(chǎn)品的易加工性和易裝配性，以及加工的保質(zhì)性。其目的就是在設(shè)計的時候就考慮制造過程中可能會出現(xiàn)的潛在差錯，力求在設(shè)計過程就解決它，或者便于在制造過程應(yīng)用防錯法進行解決。EPDFM在產(chǎn)品設(shè)計中的位置如圖1所示。
2．1 EPDFM的設(shè)計原則
由于EPDFM并不是獨立于DFM之外的設(shè)計方法，而是對DFM方法的一種改進和補充，因此，在進行面向制造的防錯設(shè)計的時候，要遵循以下原則：
(1)性能優(yōu)先原則
由于EPDFM的目的是針對產(chǎn)品加工中由于人為差錯而造成的產(chǎn)品缺陷，力求在設(shè)計階段
就給予解決，是產(chǎn)品質(zhì)量保證的一部分。而產(chǎn)品性能是進行
產(chǎn)品開發(fā)的根本目的所在。因此，
在進行EPDFM時要首先保證不影響產(chǎn)品的性能。
(2)可加工原則
EPDFM追求的是在產(chǎn)品加工過程中便于實施防錯方法來減輕操作人員負(fù)擔(dān)，提高產(chǎn)品的一次合格率。因此在進行防錯設(shè)計的時候，還要保證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與之前相比不能太過復(fù)雜，能夠在現(xiàn)有條件下進行加工。
(3)注重成本原則
在進行防錯設(shè)計的時候，如果因為對設(shè)計方案的改動而帶米的生產(chǎn)成本遠大丁實施防錯法所節(jié)省的成本，那么這種防錯設(shè)計就失去了意義，可以考慮對其進行改進甚至放棄。
(4)設(shè)計優(yōu)先原則
對于潛在的差錯，力求在設(shè)計時就能夠消除差錯產(chǎn)生的條件，如果不能達到目的或者成本太高，而考慮如何能在制造時更方便防錯法的實施。
(5)簡單原則
對于某種潛在的差錯，如果有幾種設(shè)計方案都可以消除，那么應(yīng)選擇實施起來最為簡單、成本最低的方案。
2．2 EPDFM的設(shè)計原理
由于面向制造的防錯設(shè)計是一種改進設(shè)計，主要是依靠對制造過程潛在差錯的預(yù)測和來自生產(chǎn)部門的反饋而進行的經(jīng)驗設(shè)計，所以很難建立某種通用的設(shè)計模式，但是通過對制造過程防錯法的總結(jié)，還是能夠找到一些技巧加以應(yīng)用的。以下就是EPDFM的幾種設(shè)計原理。
(J)零件的通用性。由于現(xiàn)在的生產(chǎn)模式由大批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)為多品種、小批量，各種外型相似而型號不同的零部件交織混雜，使得員工在加工裝配中很難區(qū)分，加工錯誤的機會也就會大量增加。因而，在設(shè)計時要考慮這種零部件的通用性和互換性，變多品種、小批量生產(chǎn)為大批量單一生產(chǎn)，能有效的降低加工裝配差錯。
(2)放大零件的差異性。如果在實際設(shè)計過程中外型相似而型號不同的零部件不能做到通用性，那么就應(yīng)該放大他們之間的差異性，使員工能通過觀察或使用某種防錯裝置很容易就能區(qū)分開來。
(3)唯一性原理。在制造中很多差錯都是由于在安裝時不注意而裝錯部位或安裝不到位造成的，為避免這種情況，在設(shè)計時可以考慮將容易裝錯的部件設(shè)計成只有一種安裝方式，比如將部件設(shè)計成不對稱的，或者在上面施加干涉。這也是防錯設(shè)計中最常用的一種方式。
(4)應(yīng)用顏色。對于外觀相似而型號不同的部件，或者安裝時周圍光線比較差的部件，可以為其涂上不同的顏色，使其變得醒目而易于區(qū)分或安裝。這是一種極為簡單而效果又非常明顯的防錯方式。
(5)改變材料。隨著各種新型材料的不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)上用于產(chǎn)品制造的鋼鐵材料也有了成本和性能相當(dāng)?shù)钠渌牧峡梢蕴娲@就為利用這些材料的一些不同于鋼鐵的特性來進行防錯設(shè)計，比如磁性和重量等。
3．EPDFM的設(shè)計流程
EPDFM的設(shè)計流程如圖3．1所示，與傳統(tǒng)的設(shè)計流程相比，EPDFM只是在初步設(shè)計利詳細(xì)設(shè)計之間增加了防錯設(shè)計環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)的主要步驟包括關(guān)鍵零件的選取、加工差錯的識別、差錯重要度評估排序和防錯方案確定幾個步驟。
(1)關(guān)鍵零件的選取。在進行防錯設(shè)計時，由于可能要對零件的外形進行改進，這就可能導(dǎo)致整個產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。因此首先要選擇產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件進行分析，以避免對產(chǎn)品裝配造成影響。關(guān)鍵件的選擇標(biāo)準(zhǔn)包括對產(chǎn)品功能的影響程度，零件外形的復(fù)雜度、零件的制造成本等。
(2)加工差錯的識別。造成人為差錯的岡素，主要就是人自身、設(shè)備的可靠性和環(huán)境三個方面。而對產(chǎn)品差錯的識別，主要有預(yù)測和缺陷分析兩種方式，這兩種方式分別對應(yīng)的方法就是
FMEA和FTA。而在對人為差錯應(yīng)用FMEA進行的分析主要是人的可靠性分析(HRA，Human Reliability Analysis)和作業(yè)安全分析(JSA，Job Safety Analysis)。對于在產(chǎn)品制造過程中經(jīng)常容易出現(xiàn)的差錯，可以借助FTA進行診斷分析，進而找到差錯的源頭。通過FMEA和FTA分析，設(shè)計人員就能夠找到在制造過程中存在的和潛在的人為差錯。
(3)對于這些造成人為差錯的環(huán)節(jié)，由于人力、資源、技術(shù)等方面的原因，短時間內(nèi)不可能全部得以解決。這就需要根據(jù)差錯危害度、差錯發(fā)生頻度、差錯消除的緊迫程度等指標(biāo)對容易造成人為差錯的環(huán)節(jié)進行重要度排序， 選擇排序靠前的給予優(yōu)先解決。
(4)防錯方案的確定。對于特定的某個容易造成人為差錯的環(huán)節(jié)來說，解決方案可能有很多種，可以在設(shè)計階段解決，也可以在制造階段解決，在不同的階段還可能會有不同的解決方案。這就需要對每種解決方案進行可行性分析，對比各種解決方案的優(yōu)缺點，從中確定可行、便于實施且實施成本較低的方案。由于設(shè)計階段更接近差錯的源頭，所造成的損失也最低，因此，在很多情況下，EPDFM是預(yù)防人為差錯的最佳方案。
防錯方案的制定依據(jù)包括產(chǎn)品信息和制造資源。產(chǎn)品信息模型是指對產(chǎn)品自身數(shù)據(jù)的描述，包括產(chǎn)品的幾何形狀、材料、批量、顏色、重量、功能、精度等。制造資源與產(chǎn)品制造生產(chǎn)緊密聯(lián)系的物理元素的總稱，包括設(shè)備、工裝、計量器具、輔助工具、環(huán)境等。這些因素都會對現(xiàn)場操作人員的可靠性產(chǎn)生影響，因此在設(shè)計時要充分考慮這些因素，以消除操作人員的差錯。
實施EPDFM對產(chǎn)品進行改進設(shè)計后，要在制造過程中對改進產(chǎn)品進行跟蹤，評價。要進行EPDFM前后產(chǎn)品的一次合格率、制造成本、工序變化、裝配性等評價，以判定改進后是否大幅提高了產(chǎn)品的一次合格率，是否增加了制造成本，是否達到了易加工和易裝配的目標(biāo)。經(jīng)過評價，如果確定設(shè)計方案可行且達到了預(yù)期目標(biāo)，則將設(shè)計步驟進行規(guī)范并形成文檔。
4總結(jié)
防錯法是一種解決人為差錯而造成產(chǎn)品缺陷的有效方法。面向制造的防錯設(shè)計是對傳統(tǒng)設(shè)計方法的一種改進，目的是在設(shè)計階段就考慮到在制造階段可能會出現(xiàn)的潛在差錯，并在設(shè)計階段給予解決或使其在制造階段能更好的利用防錯法給予解決。這種方法在實際應(yīng)用中對于提高產(chǎn)品質(zhì)量是很有幫助的。