基于FMEA和QFD的某專機(jī)工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)*

韓玉婷，叢　明，劉　冬

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

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基于FMEA和QFD的某專機(jī)工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)*

韓玉婷，叢明，劉冬

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

摘要：由于組成汽車發(fā)動機(jī)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(jì)等方法來改進(jìn)汽車發(fā)動機(jī)裝配線上專機(jī)的工藝過程。文中首先對發(fā)動機(jī)裝配線某專機(jī)的工藝過程進(jìn)行FMEA分析，發(fā)現(xiàn)工藝缺陷，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)；然后使用QFD(quality function deployment)和FMEA(Failure modes and effects analysis)的協(xié)同設(shè)計(jì)方法對專機(jī)工藝進(jìn)行了更加符合客戶需求的改進(jìn)設(shè)計(jì)，計(jì)算出改進(jìn)設(shè)計(jì)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(jìn)可以更符合客戶需求。

關(guān)鍵詞：FMEA；QFD；專機(jī)；工藝改進(jìn)

0引言

目前發(fā)動機(jī)裝配線具有高自動化、高效率的特點(diǎn)，采用人機(jī)結(jié)合操作的裝配方式，工人和機(jī)械手同時在一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)，而且工人的經(jīng)驗(yàn)價值影響也越來越小，更多的是用機(jī)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(jì)往往都是在接到訂單后再進(jìn)行具體的改進(jìn)設(shè)計(jì)，此時設(shè)計(jì)人員就需要將以前的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(jìn)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(jìn)設(shè)計(jì)并驗(yàn)證其適用性[8]，方健將FMEA方法應(yīng)用于汽車模具的改進(jìn)設(shè)計(jì)；何楨等將QFD(質(zhì)量功能展開)方法在工業(yè)設(shè)計(jì)與制作方面進(jìn)行了集成與應(yīng)用，對零部件、過程和生產(chǎn)計(jì)劃等都進(jìn)行了OFD方法的擴(kuò)展應(yīng)用。FMEA方法是一種逆向設(shè)計(jì)分析法，QFD是一種正向設(shè)計(jì)分析法，本文將這兩種方法結(jié)合并應(yīng)用到發(fā)動機(jī)裝配線某專機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)當(dāng)中。應(yīng)用FMEA和QFD的協(xié)同設(shè)計(jì)方法對某專機(jī)的工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高發(fā)動機(jī)裝配線上某專機(jī)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(jī)的工藝過程

本文改進(jìn)設(shè)計(jì)的主體是某發(fā)動機(jī)裝配線上的專機(jī)，某專機(jī)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(jìn)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(jī)的具體工藝流程如下：

專機(jī)開啟，機(jī)床對工件進(jìn)行預(yù)擋料動作；然后托盤將工件移動到工作位，機(jī)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(jìn)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(jī)的工藝路線圖

2某專機(jī)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(jī)制，而是提前預(yù)防機(jī)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(yùn)行，專機(jī)的工藝過程也需要通過FMEA的分析來進(jìn)行提高[3]。

本文對圖1中的所有工藝步驟進(jìn)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(jì)算了風(fēng)險優(yōu)先度RpN(risk priority number)[5,7]，計(jì)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(yàn)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(jìn)方案，最終得出的計(jì)算結(jié)果如表1所示。然后根據(jù)FMEA表統(tǒng)計(jì)出各個工藝改進(jìn)方案RpN均值并計(jì)算各個改進(jìn)方案相對所占的比重，如表2所示。

表1裝配線專機(jī)FMEA表

表2　工藝改進(jìn)方案比重表

工藝改進(jìn)方案擋料到位傳感器pLCpLC機(jī)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(jī)工藝進(jìn)行Q&F協(xié)同改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1QFD和FMEA的協(xié)同設(shè)計(jì)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(jì)要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求等多層次的設(shè)計(jì)要求[4]。而FMEA的設(shè)計(jì)是從產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自身的角度進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，與QFD的設(shè)計(jì)思路正好相反，本文利用這兩種方法，進(jìn)行專機(jī)工藝的協(xié)同改進(jìn)設(shè)計(jì)，也叫做Q&F(QFD&FMEA)協(xié)同改進(jìn)設(shè)計(jì)，利用QFD的質(zhì)量屋模型[11]并根據(jù)FMEA的分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)同時從產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)和客戶對產(chǎn)品需求兩方面進(jìn)行工藝的改進(jìn)設(shè)計(jì)，由此得出專機(jī)工藝的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。改進(jìn)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)要素。將影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要因素由設(shè)計(jì)人員整理輸入模型的B部分。

(3)C部分是需求與設(shè)計(jì)要素的關(guān)聯(lián)度矩陣。即產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(jì)要素進(jìn)行綜合評分，即考慮到市場的需求也考慮到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求。

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

圖2　協(xié)同設(shè)計(jì)模型

3.2QFD和FMEA協(xié)同工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)實(shí)例

對某專機(jī)工藝進(jìn)行QFD和FMEA的協(xié)同改進(jìn)設(shè)計(jì)，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(jìn)行共同的工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)。本文著重研究專機(jī)的改進(jìn)工藝的重要程度。具體分析計(jì)算過程如下：

(1)確定B(產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jìn)工藝主要有：擋料到位傳感器，pLC，機(jī)床報警，EST控制，人工處理。并把這些改進(jìn)工藝作為設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(dá)到要求，扭緊迅速可靠，由于專機(jī)的主要作用就是扭緊發(fā)動機(jī)上的各個螺栓，所以扭矩達(dá)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(jìn)一步的高層次要求，根據(jù)這個，專家對三個要求進(jìn)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(jì)要素之間的關(guān)聯(lián)程度)部分?jǐn)?shù)值

C部分是由設(shè)計(jì)人員根據(jù)客戶需求也就是A部分對專機(jī)的工藝改進(jìn)參數(shù)也就是B部分進(jìn)行評分，評分也是1~10之間的整數(shù)，10分說明某工藝改進(jìn)參數(shù)對于達(dá)到某客戶需求是十分必要的，1分說明某工藝改進(jìn)參數(shù)對于達(dá)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(jìn)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(jì)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(jì)算得出。最終可以得出協(xié)同設(shè)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3　Q&F工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)表

3.3Q&F協(xié)同改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)果分析

Q&F協(xié)同設(shè)計(jì)考慮到的不只是產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)結(jié)果，與FMEA分析結(jié)果(相對重要度)進(jìn)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(jī)床的維護(hù)和使用，而設(shè)計(jì)機(jī)床時由于是半自動工位設(shè)計(jì)，就需要人工的調(diào)試與改進(jìn)。所以改進(jìn)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(jī)床設(shè)計(jì)都是設(shè)計(jì)人員根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有的技術(shù)指標(biāo)來進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jī)的工藝過程進(jìn)行Q&F方法改進(jìn)，使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)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(jì)要求的產(chǎn)品，而且Q&F協(xié)同設(shè)計(jì)方法是對無論是專機(jī)還是其他機(jī)械產(chǎn)品都可以使用的設(shè)計(jì)改進(jìn)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(xiàn)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?yàn)榭煽啃约夹g(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，(E-mail)hanyt213@163.com。

*基金項(xiàng)目：遼寧省科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)(201408001)；大連市科技計(jì)劃項(xiàng)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