林杉

【摘 要】精密電子產(chǎn)品的生產(chǎn)及裝配依靠精密的機(jī)械設(shè)備以及工裝，而設(shè)備以其昂貴的成本和較長的研制周期使得生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)量的投入往往控制在較低的合理水平，在產(chǎn)品品種需求多樣化、快速化的今天，生產(chǎn)不同系列的產(chǎn)品必然依賴更換不同的工裝得以實(shí)現(xiàn)，而工裝的精度，一致性，互換性，可操作性以及可靠性對于產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)出效率有著直接的影響，可見工裝對于精密電子產(chǎn)品生產(chǎn)制造及裝配非常重要，因此需要對工裝進(jìn)行周密的可靠性設(shè)計(jì)并進(jìn)行驗(yàn)證。本文針對工裝基于六西格瑪DFSS的可靠性設(shè)計(jì)方法并對其可靠性進(jìn)行分析驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械；工裝；設(shè)計(jì)；可靠性；DFSS；生產(chǎn)制造

精密電子產(chǎn)品生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展迅猛，企業(yè)競爭異常激烈，而各企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，一方面為規(guī)模能力，生產(chǎn)管理的問題，另一方面也是工裝設(shè)備穩(wěn)定可靠和質(zhì)量管理的問題。企業(yè)生產(chǎn)基本都需要用到工裝，而共同面臨的問題是工裝的異常對生產(chǎn)有著不同程度的影響，有的導(dǎo)致經(jīng)常跟線返修，品質(zhì)不穩(wěn)定，產(chǎn)出效率無法滿足交貨期，大批量產(chǎn)品的報(bào)廢，甚至導(dǎo)致企業(yè)停產(chǎn)賠款等。各企業(yè)對工裝的設(shè)計(jì)方法不一，工裝的精準(zhǔn)度，合理性，可靠性也千差萬別，以下著重介紹基于六西格瑪DFSS的工裝可靠性設(shè)計(jì)并其驗(yàn)證方法。

DFSS是實(shí)現(xiàn)六西格瑪過程能力的一條策略，主要關(guān)注研究，開發(fā)和設(shè)計(jì)階段，DFSS的首要目標(biāo)是“首次就設(shè)計(jì)正確”，避免產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)產(chǎn)生問題。DFSS有DMADV，IDOV等幾種方法，針對相對設(shè)備來說較為簡單的工裝，采用眾周所熟悉的IDOV方法更容易上手?？煽啃允侵府a(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力，可靠性設(shè)計(jì)與分析是可靠性工程的重點(diǎn)與核心工作，在運(yùn)用DFSS-IDOV整個(gè)過程中應(yīng)始終貫穿可靠性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證，下面主要介紹IDOV各階段工裝設(shè)計(jì)以及可靠性設(shè)計(jì)驗(yàn)證的方法。

1.（I）識(shí)別需求

I階段即為識(shí)別需求階段，對于工裝設(shè)計(jì)乃至其他機(jī)械設(shè)計(jì)都非常重要，工裝設(shè)計(jì)方面識(shí)別階段最好能到實(shí)地考察，弄清楚5W1H，面對面溝通，全方面收集客戶心聲（VOC），重點(diǎn)放在產(chǎn)品特點(diǎn)以及工藝要求上，但不能忽視其他的方面，對于可靠性方面的要求，客戶根據(jù)產(chǎn)品的使用需求和可能提出最初的“目標(biāo)值”和“門限值”。

對于比較復(fù)雜的用戶需求，需要對用戶大量的VOC進(jìn)行轉(zhuǎn)化，識(shí)別出客戶需求的關(guān)鍵質(zhì)量特性（CTQ），在這里可以運(yùn)用質(zhì)量功能展開（QFD），卡諾分析等工具幫助識(shí)別真正的用戶需求，轉(zhuǎn)化為可測量的具體指標(biāo)，對于中等或簡單明了的需求，則可不必進(jìn)行QDF或卡諾分析?？煽啃苑矫娴闹笜?biāo)經(jīng)設(shè)計(jì)與用戶的協(xié)調(diào)確定最終的“目標(biāo)值”和“門限值”，并確定研制結(jié)束時(shí)的“門限值”。

經(jīng)過I階段識(shí)別出關(guān)鍵CTQ后需進(jìn)行評審，評審內(nèi)容包括VOC的完整性和CTQ的有效性，一般評審人員為流程所有者，利益相關(guān)者以及質(zhì)量部門人員，對于簡單的工裝則可簡化評審的規(guī)模，但各利益相關(guān)方需參與。

2.（D）設(shè)計(jì)階段

目標(biāo)確定后開始對所需的工裝功能和可靠性進(jìn)行分解分配，將工裝設(shè)計(jì)成為“黑盒子”，確定輸入和輸出，畫出展示任務(wù)間相互關(guān)系的功能結(jié)構(gòu)圖。對于可靠性的分配，則遵循以下幾條準(zhǔn)則：

（1）復(fù)雜度集成度較高的子系統(tǒng)應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)，因?yàn)榻M成單元越多，可靠性越低越不可控。

（2）惡劣條件下工作的子系統(tǒng)應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)，因?yàn)閻毫拥沫h(huán)境將增加零部件的故障率。

（3）對于需要長期工作的子系統(tǒng)，應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。

（4）技術(shù)上還不成熟的方案的子系統(tǒng)，應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。

（5）重要度高的子系統(tǒng)，應(yīng)分配較高的可靠性指標(biāo)，因?yàn)橹匾雀叩淖酉到y(tǒng)的故障可能會(huì)影響人身安全或任務(wù)的完成。

可靠性建模是開展可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)維修性和保障性設(shè)計(jì)的前提，可靠性模型是從對系統(tǒng)故障規(guī)律認(rèn)知的角度，對系統(tǒng)及其組成部件進(jìn)行建模，反應(yīng)系統(tǒng)的主要故障特征，用于預(yù)計(jì)或估算產(chǎn)品的可靠性。功能結(jié)構(gòu)圖則是系統(tǒng)可靠性建模的基礎(chǔ)，可靠性模型有很多種，針對于工裝主要推薦使用可靠性框圖。

功能分解以及可靠性分配將系統(tǒng)分解成幾項(xiàng)關(guān)鍵的任務(wù)和指標(biāo)，以任務(wù)和指標(biāo)為導(dǎo)向產(chǎn)生概念，概念產(chǎn)生方法有頭腦風(fēng)暴法，TRIZ等，兼顧可靠性考慮融入一些相對成熟的技術(shù)概念方案，在概念選擇上利用Pugh矩陣將最好的概念結(jié)合起來產(chǎn)生新的概念。

DFMEA即設(shè)計(jì)潛在失效模式影響分析，是工裝設(shè)計(jì)重要的一環(huán)，在設(shè)計(jì)之前通過做DFMEA分析，將功能細(xì)分，列出潛在的失效模式，找出頻度，可探測度以及嚴(yán)重度相乘得分較高的幾項(xiàng)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注改善，對于嚴(yán)重度滿分10分的項(xiàng)，不管三者乘積得分如何，都必須采取措施消除或降低風(fēng)險(xiǎn)。針對可靠性進(jìn)行故障樹分析（FTA），分析造成工裝某種故障（或事件）的原因和條件，確定出各種原因或原因的組合。發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)措施。

3.（O）優(yōu)化階段

優(yōu)化階段將對各要素進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，需要考慮生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品，生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)設(shè)備，作業(yè)環(huán)境，操作人員和相關(guān)流程法規(guī)等，可利用許多種組合方式和工具進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)3D仿真等，達(dá)成功能需求目標(biāo)，優(yōu)化是為尋求裁剪功能要求與可靠性兼容的最優(yōu)方式。在可靠性設(shè)計(jì)方面，需要考慮以下幾個(gè)方面：

3.1簡化設(shè)計(jì)

在保證工裝性能要求前提下盡可能減少非標(biāo)準(zhǔn)件的比例，實(shí)現(xiàn)零件的標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，通用化，盡可能用最少的零部件實(shí)現(xiàn)多種功能，盡可能采用模塊化，降低工裝的復(fù)雜程度，提高其基本可靠性。

3.2冗余設(shè)計(jì)

復(fù)雜且可靠性要求較高的工裝，可以采用多一種途徑來完成規(guī)定的功能，以確保實(shí)現(xiàn)該功能的可靠性，但一般的不是特別重要的工裝不建議采用冗余設(shè)計(jì)，因?yàn)闀?huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

3.3容錯(cuò)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)檢測并診斷本身的故障，并采取處理矯正措施。容錯(cuò)設(shè)計(jì)通常和冗余設(shè)計(jì)密不可分，容錯(cuò)設(shè)計(jì)中常利用冗余提供抵消故障效應(yīng)所需的信息，一般容錯(cuò)設(shè)計(jì)有基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和基于冗余的設(shè)計(jì)方法。

3.4降額設(shè)計(jì)

提高額定值或降低工作值（應(yīng)力，功率，溫度）等，降低元器件或零部件的故障率，提高可靠性。

3.5耐環(huán)境設(shè)計(jì)

對于工裝的耐環(huán)境設(shè)計(jì)，主要提高在沖擊，震動(dòng)，潮濕，腐蝕，高溫，低溫，強(qiáng)磁場等環(huán)境下工作的可靠性，特殊行業(yè)根據(jù)特殊情況設(shè)計(jì)。

3.6熱設(shè)計(jì)

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，元器件選擇布線等，減少溫度對可靠性的影響，主要針對有電子元器件應(yīng)用較多的工裝。

3.7元器件，零部件，原材料的選擇

電子元器件、機(jī)械零部件是工裝的基礎(chǔ)部件，選擇符合要求原材料、零部件和電子元器件對提高可靠性有很大幫助。

優(yōu)化階段除了對工裝各部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)之外，還需要識(shí)別哪些設(shè)計(jì)實(shí)施后對設(shè)計(jì)效果有重要影響，綜合考慮可靠性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的工裝。

4.（V）驗(yàn)證階段

在識(shí)別階段已經(jīng)定義了CTQ的目標(biāo)和規(guī)格，在新工裝樣品出來后需要驗(yàn)證是否達(dá)到預(yù)定的CTQ和可靠性目標(biāo)值。此階段可以采用DOE，加速壽命試驗(yàn)等驗(yàn)證，一般通過試驗(yàn)后使用統(tǒng)計(jì)分析方法來評估。在精準(zhǔn)度穩(wěn)定性方面，可用GRR分析重復(fù)性和再現(xiàn)性，在過程能力方面，可以使用統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算Cp，Cpk，Pp，Ppk等判斷工裝長短期過程能力及置信區(qū)間。而設(shè)計(jì)是否符合要求達(dá)到的可靠性水平，可以設(shè)計(jì)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)要求定義如下：

（1）定義可接受的可靠性水平以及一類錯(cuò)誤、二類錯(cuò)誤、置信區(qū)間。

（2）定義試驗(yàn)條件。

（3）定義具體試驗(yàn)計(jì)劃，包括MTBF，任務(wù)可靠性試驗(yàn)以及可用性試驗(yàn)。

（4）定義失效和評分標(biāo)準(zhǔn)。

（5）確定樣本大小。

在通過以上驗(yàn)證后，可對文檔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸檔，確保方案實(shí)施達(dá)到預(yù)期效果的同時(shí)，還需要采取適當(dāng)?shù)拇胧└倪M(jìn)成果長久持續(xù)下去。

5.結(jié)語

我國目前機(jī)械、工裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域性能設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)還不能很好的結(jié)合，在設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品技術(shù)等多方面存在脫節(jié)，造成脫節(jié)的原因是可靠性專業(yè)和性能專業(yè)所用的是兩種技術(shù)體系，設(shè)計(jì)人員往往先關(guān)注性能設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)與分析。解決思路在于運(yùn)用一體化設(shè)計(jì)，DFSS-IDOV提供了很好的設(shè)計(jì)方法平臺(tái)，融入可靠性設(shè)計(jì)之后，將更有效幫助廣大設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出高質(zhì)量高可靠性的產(chǎn)品。

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