基于FMEA和QFD的某專機工藝改進設(shè)計*

韓玉婷，叢　明，劉　冬

(大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連　116024)

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基于FMEA和QFD的某專機工藝改進設(shè)計*

韓玉婷，叢明，劉冬

(大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連116024)

摘要：由于組成汽車發(fā)動機的零件復(fù)雜多樣，其裝配的工藝過程就尤為重要，所以文章使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計等方法來改進汽車發(fā)動機裝配線上專機的工藝過程。文中首先對發(fā)動機裝配線某專機的工藝過程進行FMEA分析，發(fā)現(xiàn)工藝缺陷，提出改進設(shè)計；然后使用QFD(quality function deployment)和FMEA(Failure modes and effects analysis)的協(xié)同設(shè)計方法對專機工藝進行了更加符合客戶需求的改進設(shè)計，計算出改進設(shè)計重要度比重。最后經(jīng)過比較，得出減少人工處理和提高pLC控制等工藝改進可以更符合客戶需求。

關(guān)鍵詞：FMEA；QFD；專機；工藝改進

0引言

目前發(fā)動機裝配線具有高自動化、高效率的特點，采用人機結(jié)合操作的裝配方式，工人和機械手同時在一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)，而且工人的經(jīng)驗價值影響也越來越小，更多的是用機器自動操作來保證裝配過程的精準(zhǔn)可靠。目前的裝配線的設(shè)計往往都是在接到訂單后再進行具體的改進設(shè)計，此時設(shè)計人員就需要將以前的經(jīng)驗進行匯總與分析以提高裝配線性能[1-2]。

J.H.Kim等將一種改進的FMEA(故障模式及影響分析)方法應(yīng)用于鐵軌系統(tǒng)的改進設(shè)計并驗證其適用性[8]，方健將FMEA方法應(yīng)用于汽車模具的改進設(shè)計；何楨等將QFD(質(zhì)量功能展開)方法在工業(yè)設(shè)計與制作方面進行了集成與應(yīng)用，對零部件、過程和生產(chǎn)計劃等都進行了OFD方法的擴展應(yīng)用。FMEA方法是一種逆向設(shè)計分析法，QFD是一種正向設(shè)計分析法，本文將這兩種方法結(jié)合并應(yīng)用到發(fā)動機裝配線某專機的改進設(shè)計當(dāng)中。應(yīng)用FMEA和QFD的協(xié)同設(shè)計方法對某專機的工藝改進設(shè)計，以提高發(fā)動機裝配線上某專機的工藝性能，使之更好地發(fā)揮出其在生產(chǎn)線中的作用，提高裝配線的可靠性。

1裝配線某專機的工藝過程

本文改進設(shè)計的主體是某發(fā)動機裝配線上的專機，某專機的工藝過程如圖1所示，一共有7個工藝步驟，按照圖1中的工藝流程以M1到M7對具體工藝進行編號，即M1對應(yīng)“預(yù)擋料”工藝，M2對應(yīng)“擋料讀信息”，并以此類推。此專機的具體工藝流程如下：

專機開啟，機床對工件進行預(yù)擋料動作；然后托盤將工件移動到工作位，機床擋料并同時讀取信息；然后用氣槍預(yù)擰緊后端蓋的11顆螺栓；人工將擰緊裝置移動至擰緊位置；然后手動調(diào)整反力裝置2個銷的角度至正確位置；將擰緊軸送進和套筒任帽直到到位開關(guān)有信號；然后空壓制動器自動抱死；啟動擰緊按鈕，開始擰緊動作；將擰緊裝置移出并移動至原位直到原位開關(guān)有信號。

圖1　專機的工藝路線圖

2某專機工藝過程的FMEA分析

FMEA是故障模式及影響分析，它不是故障應(yīng)對機制，而是提前預(yù)防機制，對于裝配線來說，只有提前預(yù)防故障才能保證裝配線的正常運行，專機的工藝過程也需要通過FMEA的分析來進行提高[3]。

本文對圖1中的所有工藝步驟進行FMEA分析，總結(jié)了所有的潛在發(fā)生失效的故障模式及其潛在的原因，并評估了所有故障模式的嚴(yán)重度S(Severity)、頻度O(Occurrence)、可探測度D(Detection)，計算了風(fēng)險優(yōu)先度RpN(risk priority number)[5,7]，計算公式如下：

RpN=S×O×D

(1)

其中，S為故障模式的危害嚴(yán)重程度，其值為1到10的整數(shù)，1表示沒有影響，10表示危害程度最嚴(yán)重，表1中的嚴(yán)重度列為專家打分結(jié)果；O(頻度)為測試試驗中故障模式的發(fā)生頻數(shù)；D(可探測度)為故障失效模式能夠被檢測出的幾率，其值為1到10之間的整數(shù)，如果為10表示不能被檢測，如果為1表示可以被有效地檢測到。

本次的FMEA分析對每一故障失效模式都提出了對應(yīng)的工藝改進方案，最終得出的計算結(jié)果如表1所示。然后根據(jù)FMEA表統(tǒng)計出各個工藝改進方案RpN均值并計算各個改進方案相對所占的比重，如表2所示。

表1裝配線專機FMEA表

表2　工藝改進方案比重表

工藝改進方案擋料到位傳感器pLCpLC機床報警EST控制工人操作RpN均值8168.8321.216.57相對比重11.33%22.66%12.51%30.03%23.47%

3對專機工藝進行Q&F協(xié)同改進設(shè)計

3.1QFD和FMEA的協(xié)同設(shè)計模型

質(zhì)量功能展開(QFD)是將客戶需求作為質(zhì)量屋的首層，把客戶端需求轉(zhuǎn)化成設(shè)計要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求等多層次的設(shè)計要求[4]。而FMEA的設(shè)計是從產(chǎn)品實現(xiàn)自身的角度進行改進設(shè)計，與QFD的設(shè)計思路正好相反，本文利用這兩種方法，進行專機工藝的協(xié)同改進設(shè)計，也叫做Q&F(QFD&FMEA)協(xié)同改進設(shè)計，利用QFD的質(zhì)量屋模型[11]并根據(jù)FMEA的分析結(jié)果，實現(xiàn)同時從產(chǎn)品功能實現(xiàn)和客戶對產(chǎn)品需求兩方面進行工藝的改進設(shè)計，由此得出專機工藝的改進設(shè)計方案。改進設(shè)計的模型如圖2所示，具體過程如下：

(1)A部分是客戶需求。產(chǎn)品設(shè)計人員根據(jù)客戶反饋的需求信息，整理出客戶需求指標(biāo)，輸入模型的A部分。

(2)B部分是產(chǎn)品設(shè)計要素。將影響產(chǎn)品設(shè)計的主要因素由設(shè)計人員整理輸入模型的B部分。

(3)C部分是需求與設(shè)計要素的關(guān)聯(lián)度矩陣。即產(chǎn)品的設(shè)計要素與客戶需求和產(chǎn)品需求之間的相關(guān)關(guān)系，關(guān)系越密切則數(shù)值越大。

(4)D部分為競爭性評價結(jié)果。給產(chǎn)品如何在市場上提高競爭力提高依據(jù)和方向。

(5)E部分為技術(shù)性評價結(jié)果。給各個設(shè)計要素進行綜合評分，即考慮到市場的需求也考慮到產(chǎn)品設(shè)計的需求。

(6)F部分為產(chǎn)品需求。指的是在以往經(jīng)驗和現(xiàn)有生產(chǎn)能力上，設(shè)計人員總結(jié)的目前設(shè)計產(chǎn)品的指標(biāo)。

圖2　協(xié)同設(shè)計模型

3.2QFD和FMEA協(xié)同工藝改進設(shè)計實例

對某專機工藝進行QFD和FMEA的協(xié)同改進設(shè)計，首先需要得到客戶的需求信息，根據(jù)客戶的需求和FMEA分析表來進行共同的工藝改進設(shè)計。本文著重研究專機的改進工藝的重要程度。具體分析計算過程如下：

(1)確定B(產(chǎn)品設(shè)計要素)部分

根據(jù)之前表2的FMEA分析結(jié)果得出重要的改進工藝主要有：擋料到位傳感器，pLC，機床報警，EST控制，人工處理。并把這些改進工藝作為設(shè)計協(xié)調(diào)模型的產(chǎn)品設(shè)計要素B。

(2)確定A(客戶需求)部分

A(客戶需求)部分考慮顧客的意見定下這三種要求：在三包期內(nèi)不發(fā)生故障，扭矩達到要求，扭緊迅速可靠，由于專機的主要作用就是扭緊發(fā)動機上的各個螺栓，所以扭矩達到要求是硬性要求，也是最基本的要求，扭矩迅速可靠則是進一步的高層次要求，根據(jù)這個，專家對三個要求進行重要度打分，按照10分制來打分，打分結(jié)果分別是：8分，10分，9分，列在表3的重要度欄中。

(3)評估C(需求與設(shè)計要素之間的關(guān)聯(lián)程度)部分?jǐn)?shù)值

C部分是由設(shè)計人員根據(jù)客戶需求也就是A部分對專機的工藝改進參數(shù)也就是B部分進行評分，評分也是1~10之間的整數(shù)，10分說明某工藝改進參數(shù)對于達到某客戶需求是十分必要的，1分說明某工藝改進參數(shù)對于達到某客戶需求是沒有必要的。F行在C部分的值之間采用表2的改進工藝數(shù)值結(jié)果。D欄的結(jié)果根據(jù)C欄的平均值乘以重要度即可得出。

(4)計算E(技術(shù)性評價)部分

E行的結(jié)果由C部分表格的每一列的前三個數(shù)值也就是對應(yīng)于A部分(客戶需求)的數(shù)值求均值再乘以對應(yīng)列上F欄的數(shù)值即本列的第四個數(shù)得出。E行上面的相對重要度由E行的各個結(jié)果所占對應(yīng)的百分比計算得出。最終可以得出協(xié)同設(shè)計結(jié)果如表3所示。

表3　Q&F工藝改進設(shè)計表

3.3Q&F協(xié)同改進設(shè)計結(jié)果分析

Q&F協(xié)同設(shè)計考慮到的不只是產(chǎn)品設(shè)計的需求，更加考慮到了客戶對產(chǎn)的需求。根據(jù)Q&F協(xié)同設(shè)計結(jié)果，與FMEA分析結(jié)果(相對重要度)進行比較，如圖3，可以發(fā)現(xiàn)考慮過客戶需求的結(jié)果更加考慮產(chǎn)品自身的可靠性，不重視對機床的維護和使用，而設(shè)計機床時由于是半自動工位設(shè)計，就需要人工的調(diào)試與改進。所以改進方案可以更減少對人技能的依賴，更注重pLC的自動化控制，將發(fā)生的問題多用pLC控制來解決。

圖3　兩種方法結(jié)果比較

4結(jié)束語

以前的機床設(shè)計都是設(shè)計人員根據(jù)以往經(jīng)驗和現(xiàn)有的技術(shù)指標(biāo)來進行設(shè)計工作，現(xiàn)在更多考慮的是客戶的需要，提高其市場競爭力，不只是完成指標(biāo)要求。本文通過對專機的工藝過程進行Q&F方法改進，使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計手段比較，可以得出更符合客戶需要又同時滿足產(chǎn)品設(shè)計要求的產(chǎn)品，而且Q&F協(xié)同設(shè)計方法是對無論是專機還是其他機械產(chǎn)品都可以使用的設(shè)計改進方法。

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(編輯李秀敏)

process Improvements for Special Machine Tools Based on FMEA and QFD

HAN Yu-ting,CONG Ming, LIU Dong

(School of Mechanical of Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116023, China)

Abstract：As automobile engine is composed with complex and various parts, so its assembly process is particularly important, and in this paper mathematical statistics methods was used to improve the processes of special machine tools of the automobile engine assembly line. Firstly in this paper FMEA method was used for analyzing the process of the machine tools, and process defects was found, and improvement for design was put forward. Then the QFD and FMEA collaborative design was used to improving the process in more demand for customer, and the proportion of each improvement for design was then calculated. Finally after comparison, it was concluded that the reduce artificial processing and improve pLC control can be more in line with customer requirements.

Key words：FMEA; QFD; machine tools; process improvements

中圖分類號：TH162;TG65

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：韓玉婷(1990—)，女，遼寧大連人，大連理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為可靠性技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計，(E-mail)hanyt213@163.com。

*基金項目：遼寧省科技創(chuàng)新重大專項(201408001)；大連市科技計劃項目(2013A11GX012)

收稿日期：2015-03-22；修改日期：2015-04-20

文章編號：1001-2265(2016)01-0108-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.030