DMAIC方法在噴涂設(shè)備維護(hù)中的探索與實踐

馬超

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

目前的汽車制造行業(yè)，為了追求更快的噴涂速度、更精細(xì)的噴涂質(zhì)量、更可控的噴涂過程、更低的材料浪費，多數(shù)車企選擇在涂裝車間使用機(jī)器人噴涂代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工噴涂。高集成度和全自動化確實提升了工作效率，但也帶來了更高的故障率和更長的維修時間，這無疑給設(shè)備維護(hù)部門出了難題，帶來的挑戰(zhàn)也是層出不窮的。傳統(tǒng)設(shè)備維護(hù)中，存在過于依賴個人經(jīng)驗、“治標(biāo)不治本”、措施執(zhí)行不到位等現(xiàn)象，導(dǎo)致某些設(shè)備問題反復(fù)出現(xiàn)。DMAIC方法適用于對現(xiàn)有過程的改進(jìn)，是一個以數(shù)據(jù)為依據(jù)、以資料來驅(qū)動的改善循環(huán)。可以解決上述提到的問題，優(yōu)化設(shè)備維護(hù)工作流程。

1 六西格瑪與DMAIC方法的介紹

西格瑪（σ）是一個統(tǒng)計學(xué)單位，表示與平均值的標(biāo)準(zhǔn)差。而六西格瑪原本是質(zhì)量控制的概念，即六倍的標(biāo)準(zhǔn)差——每百萬個產(chǎn)品中缺陷率不多于3.4個。這個概念由摩托羅拉公司的工程師比爾·史密斯在1986年提出，旨在利用各種品質(zhì)控制體系、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、科學(xué)管理等方法，準(zhǔn)確地識別產(chǎn)品的瑕疵與錯誤，并將其降至最低，減少生產(chǎn)過程中的變異，提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品品質(zhì)。在后來幾十年的不斷創(chuàng)新發(fā)展中，其逐漸衍生出了一個更廣泛的管理方式：以客戶為中心，分析風(fēng)險與問題，優(yōu)化和控制流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，追求改進(jìn)的持續(xù)進(jìn)行。

DMAIC方法是一個資料驅(qū)動的改善循環(huán)，源自美國統(tǒng)計學(xué)家愛德華茲·戴明的循環(huán)品質(zhì)管理（戴明環(huán)），即“計劃——實施——檢查——行動循環(huán)”，是實現(xiàn)六西格瑪管理的重要工具之一。通過D（define，定義）——M（measure，測量）——A（analysis，分析）——I（improve，改善）——C（control，控制）的步驟，優(yōu)化、改善和穩(wěn)定現(xiàn)有的商業(yè)流程。

2 MRA2噴漆車間噴涂機(jī)器人問題現(xiàn)狀

MRA2噴漆車間面漆共有36臺德國DURR的ECORP機(jī)器人，6天×24小時連續(xù)生產(chǎn)。由于面漆區(qū)域是單線設(shè)計，發(fā)生停機(jī)時，所有車身都只能停留原地，等待設(shè)備恢復(fù)后才能向后續(xù)傳送，影響整個車間的生產(chǎn)進(jìn)度；如果發(fā)生大停機(jī)，中間烤箱區(qū)域的車身則可能由于長時間烘烤產(chǎn)生色差等質(zhì)量問題，即使給烤箱降溫也無法保證完全避免。2019年，噴涂機(jī)器人單次30分鐘以上的大停機(jī)13次共900分鐘，有越來越嚴(yán)重的趨勢，影響了車間生產(chǎn)目標(biāo)的完成和車身質(zhì)量的穩(wěn)定。因此，需要使用科學(xué)有效的方式優(yōu)化現(xiàn)有的設(shè)備維護(hù)模式。

3 DMAIC方法的具體實踐

3.1 定義階段（D）

此階段的目的是明確需要解決的問題、項目目的、潛在資源、項目規(guī)模、責(zé)任分工等。

改進(jìn)小組成員由組長/段長、主管工程師、設(shè)備維護(hù)班長、維修工技術(shù)骨干組成。基本分工如表1所示。

表1 人員分工表

因為噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障種類很多，所以，本次工作目標(biāo)是從突出的問題種類入手，使用DMAIC方法，優(yōu)化設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的管理流程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前工作中存在的問題，并對其進(jìn)行針對性的改進(jìn)，從而提高設(shè)備可靠性與穩(wěn)定性，減少大停機(jī)的時間和次數(shù)。

3.2 測量階段（M）

此階段的目的是客觀地收集現(xiàn)有的信息，作為改進(jìn)的支撐，要求是數(shù)據(jù)來源可靠，數(shù)值精確，表達(dá)呈現(xiàn)清晰。我們用到的工具是Pareto（帕累托）圖。

Pareto圖是一種折線圖和條形圖的組合圖形，按照事情發(fā)生的頻率或數(shù)量排序，可以直觀地從大量數(shù)據(jù)中體現(xiàn)的項目?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多軟件可以便捷地生成Pareto圖，只需將數(shù)據(jù)表格錄入軟件即可，我們此次使用Minitab軟件。

經(jīng)過對噴涂機(jī)器人2019年所有停機(jī)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、匯總與分類，發(fā)現(xiàn)停機(jī)的原因主要有轉(zhuǎn)速報警、機(jī)器人手軸故障、供給系統(tǒng)泄漏、油漆壓力異常、成型空氣異常等。依據(jù)數(shù)據(jù)繪制的Pareto圖，如圖1、2。

圖1 大停機(jī)次數(shù)Pareto圖

圖2 大停機(jī)時間Pareto圖

從圖1和2可以看出，僅轉(zhuǎn)速報警和手軸故障兩種問題導(dǎo)致的大停機(jī)，就達(dá)到7次，占總次數(shù)的53.8%，時間長達(dá)555分鐘，占總時間的61.7%，是影響設(shè)備運行的最主要問題。

3.3 分析階段（A）

此步驟的目的是識別、驗證當(dāng)前存在的風(fēng)險，并分析出問題的根本原因。

3.3.1 魚骨圖

魚骨圖是日本學(xué)者石川馨創(chuàng)立的一種因果模型，它被廣泛應(yīng)用在根本原因分析的過程中。在魚骨圖里，問題（魚頭）通常放在圖的右側(cè)，將影響因素劃分為幾個主要類別，然后從主要類別中再細(xì)分子類別，這些類別都位于圖表的左側(cè)，以便清晰地顯示層次分支。

我們通過內(nèi)部討論、設(shè)備廠家咨詢、供應(yīng)商交流等方式，集思廣益，從現(xiàn)場管理中的五個要素，即人員、機(jī)器、原料、方法、環(huán)境，對引起噴涂機(jī)器人故障的原因進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3。

圖3 噴涂機(jī)器人故障原因魚骨圖

引起故障的原因會有很多，但是風(fēng)險水平卻不盡相同，為了能更好的明確設(shè)備運行的風(fēng)險，基于以上的結(jié)果，我們又做了設(shè)備的失效模式與影響分析——FMEA。

3.3.2 失效模式分析

FMEA是一個結(jié)果直觀且易于上手的操作規(guī)程，旨在分析系統(tǒng)范圍內(nèi)的潛在故障模式，以便于按照嚴(yán)重程度對其進(jìn)行分類，或者確定故障對整個設(shè)備系統(tǒng)的影響，讓我們在故障發(fā)生前采取必要的措施來進(jìn)行預(yù)防性維修。

開始FMEA分析前首先要制作一個分析表，來體現(xiàn)設(shè)備失效模式、失效影響、問題原因等，可以根據(jù)實際情況進(jìn)行增刪，并且記錄PRN分值。PRN是風(fēng)險優(yōu)先級系數(shù)，計算公式是PRN=S×O×D。

式中，“S”代表嚴(yán)重程度，是設(shè)備失效影響的量化指標(biāo)，范圍從1（幾乎無影響）～10（極其嚴(yán)重的影響）?！癘”代表出現(xiàn)頻率，設(shè)備失效發(fā)生需要結(jié)合失效的根本原因和實際的發(fā)生次數(shù)來確定，范圍從1（幾乎不發(fā)生）～10（非常頻繁的發(fā)生）?！癉”代表檢測等級，即失效發(fā)生被察覺的難易程度。需要先明確該失效模式當(dāng)前的控制措施，再根據(jù)當(dāng)前措施的對癥情況確定具體數(shù)值，分為1（輕易地檢測到）～10（幾乎無法被檢測到）。

按照上述標(biāo)準(zhǔn)，我們組織班長、維修工技術(shù)骨干和工程師進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，參考同類企業(yè)的經(jīng)驗和網(wǎng)上相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)，對噴涂機(jī)器人進(jìn)行RPN風(fēng)險評估，找到發(fā)生最頻繁、影響最嚴(yán)重、最緊急的設(shè)備問題，詳見表2。

表2 噴涂機(jī)器人FMEA分析（僅展示高RPN條目）

綜上可以得出，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速大停機(jī)的主要原因是馬達(dá)老化、光纖更換麻煩、PM檢查作用有限、馬達(dá)維修困難、光電轉(zhuǎn)換器溫度高；導(dǎo)致手軸故障大停機(jī)的主要原因是設(shè)備老化、設(shè)備保養(yǎng)不到位、PM檢查缺失、電機(jī)環(huán)境溫度高。

3.4 改進(jìn)階段（I）

改進(jìn)階段的目標(biāo)是根據(jù)分析階段得出的故障原因和失效風(fēng)險，制定不同的改進(jìn)方案，并選擇高效和可執(zhí)行的方案，最終實施。

3.4.1 馬達(dá)轉(zhuǎn)速故障

（1）空氣馬達(dá)?？諝怦R達(dá)是消耗品，在長時間使用過程中內(nèi)部襯套會與轉(zhuǎn)子互相磨損，導(dǎo)致軸承空氣不平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子動平衡異常。杜爾馬達(dá)價格昂貴，單價約60000元，壽命也只有2年，如果每次故障后都直接換新將是很重的成本負(fù)擔(dān)。目前，老化馬達(dá)的處理方式都是拆開簡單清理，然后繼續(xù)使用。我們沒有專業(yè)的動平衡檢測設(shè)備和調(diào)整設(shè)備，清理后的馬達(dá)質(zhì)量遠(yuǎn)達(dá)不到原來的水平，經(jīng)測試使用壽命僅為1個月左右，這也是此RPN得分非常高的原因。

改善措施：①馬達(dá)老化——杜爾馬達(dá)的專利保護(hù)期已過，可以向其他設(shè)備廠商購買或者定制替代品馬達(dá)，以盡量低的成本對空氣馬達(dá)進(jìn)行更新；降低非必要顏色馬達(dá)轉(zhuǎn)速設(shè)定值，延緩空氣馬達(dá)老化。②馬達(dá)維修困難——尋找維修性高的空氣馬達(dá)替代品。

（2）光纖。光纖是空氣馬達(dá)轉(zhuǎn)速的反饋介質(zhì)，安裝在機(jī)器人一臂內(nèi)部到手軸前端霧化器的位置。由于設(shè)計問題，機(jī)器人未考慮光纖維修更換的便利性，導(dǎo)致發(fā)生故障更換時會耽誤較長時間。

改善措施：①增加光纖的PM更換計劃，根據(jù)光纖屬性即車間實際工況，定為4年更換一次，并將原先使用的光纖放在機(jī)器人內(nèi)做應(yīng)急使用。②更換光纖最費時間的步驟是將光纖在機(jī)器人一臂與二臂之間盲插，改進(jìn)機(jī)器人，在需要盲插的地方增加套管，提高插入速度。

（3）光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器安裝在機(jī)器人一臂內(nèi)部，是將馬達(dá)轉(zhuǎn)速的光信號轉(zhuǎn)化為電信號的裝置。由于防爆機(jī)器人內(nèi)部密封，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換器工作時的熱量無法散發(fā)，測試最高能超過65℃，使光電轉(zhuǎn)換功能異常。

改善措施：從主氣源處用氣管引一路壓縮空氣到光電轉(zhuǎn)換器處，通過空氣直吹來給其與整個一臂腔體降溫。

（4）PM檢查作用有限。目前，針對馬達(dá)轉(zhuǎn)速的PM工作只有定期聽馬達(dá)的轉(zhuǎn)動異響，對于噪聲的敏感程度因人而異無法量化，且受當(dāng)時環(huán)境影響較大，無法起到有效的預(yù)防措施。

改善措施：①購買便攜式動平衡測試儀，取代聽聲音來判斷馬達(dá)狀態(tài)，更清楚直觀。②定期通過PDA（一款杜爾的工藝數(shù)據(jù)查看軟件）檢查馬達(dá)轉(zhuǎn)速反饋情況與驅(qū)動空氣壓力情況，提前更換故障馬達(dá)。

3.4.2 手軸故障

（1）手軸老化與保養(yǎng)不到位。噴涂機(jī)器人工作中要將霧化器深入車身內(nèi)部，動作復(fù)雜，且噴涂的漆霧也會慢慢滲入手軸關(guān)節(jié)中，引起手軸卡頓，影響壽命。因為手軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非專業(yè)人員無法保養(yǎng)，目前僅能對其進(jìn)行加油潤滑。

改善措施：①尋找專業(yè)供應(yīng)商對手軸進(jìn)行拆卸保養(yǎng)，修復(fù)磨損部件。②更換新型手軸軟管和耐腐蝕手軸密封圈，延緩手軸污染速度，延長使用壽命。

（2）手軸PM檢查缺失。目前對手軸的PM計劃只有定期潤滑和更換軟管，無法及時地發(fā)現(xiàn)手軸異常，避免在生產(chǎn)過程中停機(jī)。

改善措施：①手軸磨損會發(fā)熱，計劃增加手軸測溫檢查，用測溫槍測試固定點位的溫度，高于正常值的手動檢查是否有卡頓或阻塞，酌情更換。②為機(jī)器人增加軸扭矩監(jiān)控功能，扭矩超過閾值則代表手軸異常，設(shè)備操作界面顯示報警提示。

（3）設(shè)備環(huán)境溫度高。機(jī)器人電機(jī)同樣安裝在機(jī)器人內(nèi)部，熱量無法散發(fā)，影響增大電機(jī)內(nèi)阻，影響電機(jī)壽命。改善措施同光電轉(zhuǎn)換器一樣，增加壓縮空氣直吹，改善散熱條件。

3.5 控制階段（C）

此步驟的目的是驗證改進(jìn)的效果，監(jiān)控改進(jìn)情況，確認(rèn)改進(jìn)的有效性和可持續(xù)性，并將成果固化到現(xiàn)有的流程體系中。

我們將增加的檢查類工作加入SAP系統(tǒng)中，任務(wù)會依據(jù)設(shè)定的周期按時派發(fā)到維修班組，并提醒班組及時執(zhí)行，按時完成，并有專人監(jiān)控SAP工單的反饋情況。為了確保檢查執(zhí)行的效果，我們還要求所有工作每次執(zhí)行都必須有圖片記錄，工程師每月檢查點檢完成情況，工段長不定期抽查工作執(zhí)行程度，并與員工績效工資掛鉤，確保改進(jìn)成果的可持續(xù)性。

4 實踐效果

經(jīng)過2020年的探索和實踐，MRA2噴漆車間噴涂機(jī)器人轉(zhuǎn)速和手軸大停機(jī)次數(shù)分別減少到了1次和2次，大停機(jī)時間也縮短至了100分鐘和104分鐘，取得了非常顯著的成果。同時，我們還舉一反三，將改進(jìn)結(jié)果衍生到其他故障的預(yù)防和控制中。2020年，全年總大停機(jī)次數(shù)從2019年的13次下降至7次，總停機(jī)時間從900分鐘下降至726分鐘；2021年，甚至下降到5次共372分鐘，實現(xiàn)了持續(xù)改進(jìn)的目標(biāo)。

5 結(jié)語

基于DMAIC方法得出的部分改進(jìn)措施，可以通過工作經(jīng)驗得出，但由于后者存在諸多主觀性和不確定性的因素，只能是暫時的解決問題，其根源實際上卻沒有斬斷。而DMAIC是用科學(xué)的方法對失效問題從源頭把控，進(jìn)而開始全面分析和深化處理。所以要想失效問題得到根本解決，DMAIC不失一種可靠的方法。隨著數(shù)字化、柔性化、綠色化生產(chǎn)的到來，設(shè)備維護(hù)已不再是單一的傳統(tǒng)工作，而是一項囊括機(jī)械電氣、質(zhì)量控制、成本管理、人力管理等多個領(lǐng)域的復(fù)合型職業(yè)，那么，就要跟上時代發(fā)展的腳步，追尋和探索更多類似DMAIC等其他領(lǐng)域的方法，跨專業(yè)的有機(jī)結(jié)合一定能擦出更多的火花。