趙國杰，馬雪純

(天津大學 管理與經(jīng)濟學部，天津 300072)

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基于正交實驗與人因工程的生產(chǎn)改進應用

趙國杰，馬雪純

(天津大學 管理與經(jīng)濟學部，天津 300072)

結合質(zhì)量控制與改進及人因工程在提高產(chǎn)品質(zhì)量方面的應用，對電路板焊接車間的焊接工藝流程進行分析，通過因果圖和排列圖找出影響電路板質(zhì)量的主要因素。運用正交實驗設計及方差分析，找到最佳的烙鐵溫度、焊接時間與焊錫量組合。另外，通過人因工程的相關知識對工作人員的操作環(huán)境加以改進，以降低操作人員的疲勞程度，從而提高電路板的整體質(zhì)量。

因果圖；排列圖；正交實驗設計；人因工程

目前，我國眾多企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、服務質(zhì)量與國外的企業(yè)有著較大的差距，在現(xiàn)實中主要表現(xiàn)為：產(chǎn)品質(zhì)量差，損失浪費嚴重；假冒偽劣商品屢禁不止；企業(yè)員工的質(zhì)量意識淡??；貫徹ISO9000系列標準不扎實，流于形式；服務質(zhì)量差；多數(shù)企業(yè)的質(zhì)量標準低；環(huán)境質(zhì)量差。為提升企業(yè)核心競爭力，提高產(chǎn)品質(zhì)量當為生產(chǎn)企業(yè)的重中之重，因此，在市場經(jīng)濟的大環(huán)境下，中小企業(yè)尤其需要加強質(zhì)量控制與改進的意識，全面實施質(zhì)量管理，在產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、售后服務3方面加以改進[1]。

質(zhì)量管理的方法主要包括：Crosby 提出了實現(xiàn)卓越質(zhì)量的“14步驟”；Powell首先使用的驗證QMP與企業(yè)績效相關性的統(tǒng)計方法；產(chǎn)品批次投入產(chǎn)出質(zhì)量跟蹤管理方法；FMEA，即缺陷模式及影響分析[2]；六西格瑪法，即采用量化的方法分析流程中影響質(zhì)量的因素，找出最關鍵的因素加以改進從而達到更高的客戶滿意度[3]；5Why方法，通過分別消除各級原因來制定改進計劃[4]。本文運用工業(yè)工程的相關知識，以天津某小型企業(yè)為例，以正交實驗設計[5-6]確定手工焊接的最佳組合條件，并以人因工程來改善車間照明條件。

1 生產(chǎn)檢驗統(tǒng)計及存在的問題

1.1 生產(chǎn)檢驗統(tǒng)計

以某公司現(xiàn)有生產(chǎn)車間為對象，對其4個焊接工位進行生產(chǎn)檢驗，現(xiàn)隨機抽樣檢驗焊接電路板30個，統(tǒng)計得到存在的問題共計5種，即焊接不牢固、精度不夠、清理不完全、一致性不達標和出現(xiàn)錫球。統(tǒng)計結果如圖1所示。

1) 電路板外觀不美觀

焊接不牢固：主要表現(xiàn)在電路板上元器件有松動現(xiàn)象，稍用力元器件就會從焊接處斷裂或出現(xiàn)元器件從電路板上脫落。

出現(xiàn)錫球：主要表現(xiàn)在有錫球分散在電路板的不必要的位置上，這種小球會在電路板的2個相鄰元器件之間產(chǎn)生電流泄漏甚至短路，也有可能影響相鄰元器件的性能，從而帶來可靠性隱患。

清理不完全：主要表現(xiàn)在電路板上仍有油污、銹跡和灰塵。當電路板上全部元器件均焊接完畢后，需用工業(yè)酒精除去板上油污、銹跡等，然后用毛刷清掃灰塵，若清理不全面、不徹底將影響電路板美觀。

2) 電路板性能不達標

精度不夠：主要表現(xiàn)在電路板的精度達不到要求標準，精度測量值達不到標準值。

一致性不達標：主要表現(xiàn)在電路板的工作性能(如正常電壓、電流)與要求標準不符。

圖1 統(tǒng)計結果

1.2 統(tǒng)計分析存在的問題

由圖1可以得知焊接不牢固和精度不夠是該焊接車間的最主要的質(zhì)量問題，挖掘出其深層次的原因如下：

1) 焊接不牢固

加熱時間控制不好：加熱時間偏長易燒毀元器件；加熱時間不夠，焊盤沒有全面受熱，可導致焊錫沒有流滿焊盤從而不能將元器件固定。

固定不好：用鑷子按住元器件時力度把握不好，易使元器件滑離指定位置。

調(diào)節(jié)烙鐵溫度不當：溫度過低會使焊錫熔化不充分；溫度過高會使焊錫流淌，還容易損壞電路板和元器件。

焊錫量少：焊錫量不夠，不能將元器件完全焊接在電路板上。

2) 精度不夠

調(diào)節(jié)烙鐵溫度過高；加熱時間控制不好，對元器件造成損壞或固定不好，從而影響精度；焊錫量過多。

將影響以上2個主要質(zhì)量問題的重要原因總結如下:

① 技術原因：烙鐵調(diào)溫不當，溫度過高或過低；加熱時間控制不好，時間過長或過短；焊錫量過多。

② 作業(yè)環(huán)境：操作環(huán)境光線較差造成作業(yè)者疲勞。

③ 作業(yè)者：作業(yè)者操作不熟練，無作業(yè)標準。

該焊接車間質(zhì)量問題的因果關系如圖2所示，其中陰影部分為主要原因。

圖2 因果關系

2 優(yōu)化方案設計

針對以上2個主要問題及其主要原因，首先針對其技術上的原因進行改進，然后對其環(huán)境和人為因素進行改進。

2.1 正交實驗設計

2.1.1 實驗步驟

具體步驟如下：

1) 明確實驗目標：找出烙鐵溫度、加熱時間及焊錫量的最佳條件組合，從而保證并提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2) 確定響應輸出：檢驗元器件是否牢固時，不宜采用破壞性檢驗，如將元器件從電路板上拔下等，可通過測量電路板的精度值來證明。精度值越大，則元器件焊接越牢固。所以，本實驗的響應輸出確定為電路板精度值。

3) 確定影響因素：加熱時間偏長易燒毀元器件；加熱時間不夠，焊盤沒有全面受熱，導致焊錫沒有流滿焊盤從而不能將元器件牢固焊接在電路板上。此外，烙鐵溫度過低會使焊錫熔化不充分；溫度過高會使焊錫流淌，還容易損壞電路板和元器件。焊錫量不夠不能將元器件完全焊接在電路板上。所以，本實驗的影響因素主要為烙鐵溫度、加熱時間和焊錫量。

4) 選擇實驗類型：由于烙鐵溫度、加熱時間和焊錫量3個因素之間可能有交互作用，且由該公司長期的焊接情況可確定各因素有兩個水平，所以實驗應選擇做正交實驗。

5) 確定實驗策略：這是一個2水平3因素的實驗，可用正交表L8(27)來分析。

6) 運行實驗、記錄結果和實驗數(shù)據(jù)檢查。

2.1.2 實驗設計

選取3個因素，每個因素2個水平。

A：烙鐵溫度A1=250 ℃,A2=300 ℃

B：加熱時間B1=3 s,B2=5 s

C：焊錫量(焊錫突出電路板的高度)C1=0.4 mm，C2=0.5 mm

因素之間可能有交互作用。可用正交表L8(27) 來分析，設計方案如表1所示[7]。

表1 設計方案

該方案中，每個主效應和交互效應各占一列，在實驗安排時，只需將A，B，C所在的第1列、第2列和第4列的兩個水平換算成實際的水平，實驗方案見表2。該實驗希望提高電路板的質(zhì)量，因此采用“精度測量值”作為其響應。8次實驗結果見表3。

表2 實驗方案

表3 實驗結果和計算

表3中：Mij表示正交表中第j列的第i水平的實驗結果的平均值，Rj表示極差(M1j與M2j之差)。 “M1j”行和 “M2j”行的值為A，B，C所在3列反映的3個因素在2個水平下的均值，而A×B，A×C，B×C所在3列的M1j和M2j值是沒有統(tǒng)計意義的，但由于計算的極差Rj是有統(tǒng)計意義的，仍可用Rj的值來衡量3個因素及它們的交互作用的主次關系。直觀上看，主效應A×B，B×C和A×C對電路板精度不起顯著作用。該實驗的初步計算結果見表4。

表4 初步計算結果

表5 實驗方差分析結果

若假設檢驗水平a=0.05，查表得F0.95(1,4)=7.71，易見FB=9.53，F(xiàn)C=8.25，F(xiàn)A=7.94>7.71，所以烙鐵溫度、加熱時間和焊錫量均對電路板精度有顯著影響。

由于因素A，B，C均顯著，由它們的2個水平的平均響應值(M1j和M2j)可知，烙鐵溫度300 ℃、加熱時間5 s、焊錫量0.5 mm為最優(yōu)方案。

2.2 照明環(huán)境改善

焊接操作屬于高視覺性要求作業(yè)，作業(yè)中需要識別的對象尺寸微小，在對車間照明條件改善時要保證工作臺上有足夠均勻的照度。該公司焊接車間內(nèi)工作臺處現(xiàn)在照明用的是白熾燈，功率為40 W，發(fā)光效率為7l m/W，則Φ為280 lm,選取50 cm高度處測定，則在50 cm下的光照半球面積是S=2πR2=2×3.14×0.52=1.57 m2,所以E=Φ/S=280/1.57=178.34 lx。

而焊接操作的照度標準值為200～300 lx。此時光線環(huán)境較暗，需要更換光源。市場上的光源種類繁多，選擇標準應遵循“三高”原則，即高發(fā)光效率、高壽命、高顯色性[8]。熒光燈作為光源符合 “三高”原則[9]。為了對比更換前后操作者的疲勞程度，可以通過設計實驗加以檢驗。本文采用測定反應時間來間接反映操作者的疲勞程度，具體實驗如下：

焊接車間的環(huán)境情況：溫度26 ℃，濕度62%，有噪聲，照明520 lx。

一名被試者的自我感覺：心情良好、稍有疲勞感、心率(脈搏)正常。

光源燈放置在被試者上前方，分別測定操作者在白熾燈和熒光燈下工作1 h后其對刺激的反應時間。事先制作紅、黃、綠、藍4種顏色的卡片，設定次數(shù)為20次，主試者口頭每說一種顏色，要求被試者立即抽取相應顏色的卡片[10-11]。由表6和表7結果對比可得，采用熒光燈時操作者的疲勞程度明顯低于采用白熾燈時。

表6 白熾燈被試者反應時間計算值

表7 熒光燈被試者反應時間計算值

3 結束語

本文對制造型企業(yè)的生產(chǎn)檢驗中出現(xiàn)的問題提供了基本的研究方法，具有一定的理論與實際意義。通過以上優(yōu)化方案的設計，本文運用正交實驗設計的方法確定了影響焊接牢固與否和電路板精度的烙鐵溫度、加熱時間和焊錫量最優(yōu)條件組合，即烙鐵溫度300 ℃、加熱時間5 s、焊錫量(焊錫突出電路板的高度)0.5 mm為最優(yōu)。然后通過測量和計算現(xiàn)有焊接車間的照度發(fā)現(xiàn)其照度較低，運用“三高”原則對光源進行更換后通過實驗對比研究，得出熒光燈比白熾燈更有利于降低作業(yè)者疲勞程度的結論，從而進一步改善了作業(yè)者的作業(yè)環(huán)境。

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(責任編輯 何杰玲)

Application of Production Improvement on Orthogonal Experiment and Human Factors Engineering

ZHAO Guo-jie, MA Xue-chun

(College of Management and Economics, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Based on the application of quality control and improvement in improving product quality, this paper analyzed the generalization of virtual enterprise, welding workshop and the welding process of circuit board, and through the causality diagram and arrangement diagram, we found enterprise product problems and influence factors of the quality in circuit board, then by comprehensive use of orthogonal experimental design and ergonomics knowledge, we finally found the best solder iron temperature, welding time and solder quantity combination. What’s more, this paper improved the operating environment of operators by human factors engineering knowledge, and reduced operator’s fatigue so as to improve the overall quality of the circuit.

cause and effect diagram; pareto diagram; orthogonal experimental design; human factors engineering

2014-10-06 作者簡介：趙國杰(1950—)，男，河北保定人，教授，博士生導師，主要從事技術經(jīng)濟原理與方法，科學、技術、社會研究。

趙國杰，馬雪純.基于正交實驗與人因工程的生產(chǎn)改進應用[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015(3):110-114.

format：ZHAO Guo-jie, MA Xue-chun.Application of Production Improvement on Orthogonal Experiment and Human Factors Engineering[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):110-114.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.021

O21；F425

A

1674-8425(2015)03-0110-05