基于DFSS的工裝可靠性設計及驗證

林杉

【摘 要】精密電子產品的生產及裝配依靠精密的機械設備以及工裝，而設備以其昂貴的成本和較長的研制周期使得生產線設備數(shù)量的投入往往控制在較低的合理水平，在產品品種需求多樣化、快速化的今天，生產不同系列的產品必然依賴更換不同的工裝得以實現(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品的質量和產出效率有著直接的影響，可見工裝對于精密電子產品生產制造及裝配非常重要，因此需要對工裝進行周密的可靠性設計并進行驗證。本文針對工裝基于六西格瑪DFSS的可靠性設計方法并對其可靠性進行分析驗證。

【關鍵詞】機械；工裝；設計；可靠性；DFSS；生產制造

精密電子產品生產制造業(yè)發(fā)展迅猛，企業(yè)競爭異常激烈，而各企業(yè)生產的產品質量參差不齊，一方面為規(guī)模能力，生產管理的問題，另一方面也是工裝設備穩(wěn)定可靠和質量管理的問題。企業(yè)生產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有著不同程度的影響，有的導致經常跟線返修，品質不穩(wěn)定，產出效率無法滿足交貨期，大批量產品的報廢，甚至導致企業(yè)停產賠款等。各企業(yè)對工裝的設計方法不一，工裝的精準度，合理性，可靠性也千差萬別，以下著重介紹基于六西格瑪DFSS的工裝可靠性設計并其驗證方法。

DFSS是實現(xiàn)六西格瑪過程能力的一條策略，主要關注研究，開發(fā)和設計階段，DFSS的首要目標是“首次就設計正確”，避免產品在壽命周期內產生問題。DFSS有DMADV，IDOV等幾種方法，針對相對設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品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力，可靠性設計與分析是可靠性工程的重點與核心工作，在運用DFSS-IDOV整個過程中應始終貫穿可靠性設計分析與驗證，下面主要介紹IDOV各階段工裝設計以及可靠性設計驗證的方法。

1.（I）識別需求

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

對于比較復雜的用戶需求，需要對用戶大量的VOC進行轉化，識別出客戶需求的關鍵質量特性（CTQ），在這里可以運用質量功能展開（QFD），卡諾分析等工具幫助識別真正的用戶需求，轉化為可測量的具體指標，對于中等或簡單明了的需求，則可不必進行QDF或卡諾分析?？煽啃苑矫娴闹笜私浽O計與用戶的協(xié)調確定最終的“目標值”和“門限值”，并確定研制結束時的“門限值”。

經過I階段識別出關鍵CTQ后需進行評審，評審內容包括VOC的完整性和CTQ的有效性，一般評審人員為流程所有者，利益相關者以及質量部門人員，對于簡單的工裝則可簡化評審的規(guī)模，但各利益相關方需參與。

2.（D）設計階段

目標確定后開始對所需的工裝功能和可靠性進行分解分配，將工裝設計成為“黑盒子”，確定輸入和輸出，畫出展示任務間相互關系的功能結構圖。對于可靠性的分配，則遵循以下幾條準則：

（1）復雜度集成度較高的子系統(tǒng)應分配較低的可靠性指標，因為組成單元越多，可靠性越低越不可控。

（2）惡劣條件下工作的子系統(tǒng)應分配較低的可靠性指標，因為惡劣的環(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)，應分配較低的可靠性指標。

（4）技術上還不成熟的方案的子系統(tǒng)，應分配較低的可靠性指標。

（5）重要度高的子系統(tǒng)，應分配較高的可靠性指標，因為重要度高的子系統(tǒng)的故障可能會影響人身安全或任務的完成。

可靠性建模是開展可靠性設計的基礎，也是系統(tǒng)維修性和保障性設計的前提，可靠性模型是從對系統(tǒng)故障規(guī)律認知的角度，對系統(tǒng)及其組成部件進行建模，反應系統(tǒng)的主要故障特征，用于預計或估算產品的可靠性。功能結構圖則是系統(tǒng)可靠性建模的基礎，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)分解成幾項關鍵的任務和指標，以任務和指標為導向產生概念，概念產生方法有頭腦風暴法，TRIZ等，兼顧可靠性考慮融入一些相對成熟的技術概念方案，在概念選擇上利用Pugh矩陣將最好的概念結合起來產生新的概念。

DFMEA即設計潛在失效模式影響分析，是工裝設計重要的一環(huán)，在設計之前通過做DFMEA分析，將功能細分，列出潛在的失效模式，找出頻度，可探測度以及嚴重度相乘得分較高的幾項進行重點關注改善，對于嚴重度滿分10分的項，不管三者乘積得分如何，都必須采取措施消除或降低風險。針對可靠性進行故障樹分析（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)設計中的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進措施。

3.（O）優(yōu)化階段

優(yōu)化階段將對各要素進行詳細設計，需要考慮生產的相關產品，生產工藝，生產設備，作業(yè)環(huán)境，操作人員和相關流程法規(guī)等，可利用許多種組合方式和工具進行參數(shù)化設計，實現(xiàn)3D仿真等，達成功能需求目標，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。在可靠性設計方面，需要考慮以下幾個方面：

3.1簡化設計

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

3.2冗余設計

復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計，因為會增加系統(tǒng)的復雜程度。

3.3容錯設計

設計能夠自動檢測并診斷本身的故障，并采取處理矯正措施。容錯設計通常和冗余設計密不可分，容錯設計中常利用冗余提供抵消故障效應所需的信息，一般容錯設計有基于結構的設計方法和基于冗余的設計方法。

3.4降額設計

提高額定值或降低工作值（應力，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)境設計

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

3.6熱設計

通過結構設計，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、機械零部件是工裝的基礎部件，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行詳細設計之外，還需要識別哪些設計實施后對設計效果有重要影響，綜合考慮可靠性設計，設計出最優(yōu)化的工裝。

4.（V）驗證階段

在識別階段已經定義了CTQ的目標和規(guī)格，在新工裝樣品出來后需要驗證是否達到預定的CTQ和可靠性目標值。此階段可以采用DOE，加速壽命試驗等驗證，一般通過試驗后使用統(tǒng)計分析方法來評估。在精準度穩(wěn)定性方面，可用GRR分析重復性和再現(xiàn)性，在過程能力方面，可以使用統(tǒng)計工具計算Cp，Cpk，Pp，Ppk等判斷工裝長短期過程能力及置信區(qū)間。而設計是否符合要求達到的可靠性水平，可以設計可靠性驗證試驗，試驗要求定義如下：

（1）定義可接受的可靠性水平以及一類錯誤、二類錯誤、置信區(qū)間。

（2）定義試驗條件。

（3）定義具體試驗計劃，包括MTBF，任務可靠性試驗以及可用性試驗。

（4）定義失效和評分標準。

（5）確定樣本大小。

在通過以上驗證后，可對文檔進行標準化歸檔，確保方案實施達到預期效果的同時，還需要采取適當?shù)拇胧└倪M成果長久持續(xù)下去。

5.結語

我國目前機械、工裝設計領域性能設計和可靠性設計還不能很好的結合，在設計方法、產品技術等多方面存在脫節(jié)，造成脫節(jié)的原因是可靠性專業(yè)和性能專業(yè)所用的是兩種技術體系，設計人員往往先關注性能設計，然后再進行可靠性設計與分析。解決思路在于運用一體化設計，DFSS-IDOV提供了很好的設計方法平臺，融入可靠性設計之后，將更有效幫助廣大設計人員設計出高質量高可靠性的產品。

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