基于DFSS的工装可靠性设计及验证

林杉

【摘 要】精密电子产品的生产及装配依靠精密的机械设备以及工装，而设备以其昂贵的成本和较长的研制周期使得生产线设备数量的投入往往控制在较低的合理水平，在产品品种需求多样化、快速化的今天，生产不同系列的产品必然依赖更换不同的工装得以实现，而工装的精度，一致性，互换性，可操作性以及可靠性对于产品的质量和产出效率有着直接的影响，可见工装对于精密电子产品生产制造及装配非常重要，因此需要对工装进行周密的可靠性设计并进行验证。本文针对工装基于六西格玛DFSS的可靠性设计方法并对其可靠性进行分析验证。

【关键词】机械；工装；设计；可靠性；DFSS；生产制造

精密电子产品生产制造业发展迅猛，企业竞争异常激烈，而各企业生产的产品质量参差不齐，一方面为规模能力，生产管理的问题，另一方面也是工装设备稳定可靠和质量管理的问题。企业生产基本都需要用到工装，而共同面临的问题是工装的异常对生产有着不同程度的影响，有的导致经常跟线返修，品质不稳定，产出效率无法满足交货期，大批量产品的报废，甚至导致企业停产赔款等。各企业对工装的设计方法不一，工装的精准度，合理性，可靠性也千差万别，以下着重介绍基于六西格玛DFSS的工装可靠性设计并其验证方法。

DFSS是实现六西格玛过程能力的一条策略，主要关注研究，开发和设计阶段，DFSS的首要目标是“首次就设计正确”，避免产品在寿命周期内产生问题。DFSS有DMADV，IDOV等几种方法，针对相对设备来说较为简单的工装，采用众周所熟悉的IDOV方法更容易上手。可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力，可靠性设计与分析是可靠性工程的重点与核心工作，在运用DFSS-IDOV整个过程中应始终贯穿可靠性设计分析与验证，下面主要介绍IDOV各阶段工装设计以及可靠性设计验证的方法。

1.（I）识别需求

I阶段即为识别需求阶段，对于工装设计乃至其他机械设计都非常重要，工装设计方面识别阶段最好能到实地考察，弄清楚5W1H，面对面沟通，全方面收集客户心声（VOC），重点放在产品特点以及工艺要求上，但不能忽视其他的方面，对于可靠性方面的要求，客户根据产品的使用需求和可能提出最初的“目标值”和“门限值”。

对于比较复杂的用户需求，需要对用户大量的VOC进行转化，识别出客户需求的关键质量特性（CTQ），在这里可以运用质量功能展开（QFD），卡诺分析等工具帮助识别真正的用户需求，转化为可测量的具体指标，对于中等或简单明了的需求，则可不必进行QDF或卡诺分析。可靠性方面的指标经设计与用户的协调确定最终的“目标值”和“门限值”，并确定研制结束时的“门限值”。

经过I阶段识别出关键CTQ后需进行评审，评审内容包括VOC的完整性和CTQ的有效性，一般评审人员为流程所有者，利益相关者以及质量部门人员，对于简单的工装则可简化评审的规模，但各利益相关方需参与。

2.（D）设计阶段

目标确定后开始对所需的工装功能和可靠性进行分解分配，将工装设计成为“黑盒子”，确定输入和输出，画出展示任务间相互关系的功能结构图。对于可靠性的分配，则遵循以下几条准则：

（1）复杂度集成度较高的子系统应分配较低的可靠性指标，因为组成单元越多，可靠性越低越不可控。

（2）恶劣条件下工作的子系统应分配较低的可靠性指标，因为恶劣的环境将增加零部件的故障率。

（3）对于需要长期工作的子系统，应分配较低的可靠性指标。

（4）技术上还不成熟的方案的子系统，应分配较低的可靠性指标。

（5）重要度高的子系统，应分配较高的可靠性指标，因为重要度高的子系统的故障可能会影响人身安全或任务的完成。

可靠性建模是开展可靠性设计的基础，也是系统维修性和保障性设计的前提，可靠性模型是从对系统故障规律认知的角度，对系统及其组成部件进行建模，反应系统的主要故障特征，用于预计或估算产品的可靠性。功能结构图则是系统可靠性建模的基础，可靠性模型有很多种，针对于工装主要推荐使用可靠性框图。

功能分解以及可靠性分配将系统分解成几项关键的任务和指标，以任务和指标为导向产生概念，概念产生方法有头脑风暴法，TRIZ等，兼顾可靠性考虑融入一些相对成熟的技术概念方案，在概念选择上利用Pugh矩阵将最好的概念结合起来产生新的概念。

DFMEA即设计潜在失效模式影响分析，是工装设计重要的一环，在设计之前通过做DFMEA分析，将功能细分，列出潜在的失效模式，找出频度，可探测度以及严重度相乘得分较高的几项进行重点关注改善，对于严重度满分10分的项，不管三者乘积得分如何，都必须采取措施消除或降低风险。针对可靠性进行故障树分析（FTA），分析造成工装某种故障（或事件）的原因和条件，确定出各种原因或原因的组合。发现设计中的薄弱环节，提出改进措施。

3.（O）优化阶段

优化阶段将对各要素进行详细设计，需要考虑生产的相关产品，生产工艺，生产设备，作业环境，操作人员和相关流程法规等，可利用许多种组合方式和工具进行参数化设计，实现3D仿真等，达成功能需求目标，优化是为寻求裁剪功能要求与可靠性兼容的最优方式。在可靠性设计方面，需要考虑以下几个方面：

3.1简化设计

在保证工装性能要求前提下尽可能减少非标准件的比例，实现零件的标准化，系列化，通用化，尽可能用最少的零部件实现多种功能，尽可能采用模块化，降低工装的复杂程度，提高其基本可靠性。

3.2冗余设计

复杂且可靠性要求较高的工装，可以采用多一种途径来完成规定的功能，以确保实现该功能的可靠性，但一般的不是特别重要的工装不建议采用冗余设计，因为会增加系统的复杂程度。

3.3容错设计

设计能够自动检测并诊断本身的故障，并采取处理矫正措施。容错设计通常和冗余设计密不可分，容错设计中常利用冗余提供抵消故障效应所需的信息，一般容错设计有基于结构的设计方法和基于冗余的设计方法。

3.4降额设计

提高额定值或降低工作值（应力，功率，温度）等，降低元器件或零部件的故障率，提高可靠性。

3.5耐环境设计

对于工装的耐环境设计，主要提高在冲击，震动，潮湿，腐蚀，高温，低温，强磁场等环境下工作的可靠性，特殊行业根据特殊情况设计。

3.6热设计

通过结构设计，元器件选择布线等，减少温度对可靠性的影响，主要针对有电子元器件应用较多的工装。

3.7元器件，零部件，原材料的选择

电子元器件、机械零部件是工装的基础部件，选择符合要求原材料、零部件和电子元器件对提高可靠性有很大帮助。

优化阶段除了对工装各部件进行详细设计之外，还需要识别哪些设计实施后对设计效果有重要影响，综合考虑可靠性设计，设计出最优化的工装。

4.（V）验证阶段

在识别阶段已经定义了CTQ的目标和规格，在新工装样品出来后需要验证是否达到预定的CTQ和可靠性目标值。此阶段可以采用DOE，加速寿命试验等验证，一般通过试验后使用统计分析方法来评估。在精准度稳定性方面，可用GRR分析重复性和再现性，在过程能力方面，可以使用统计工具计算Cp，Cpk，Pp，Ppk等判断工装长短期过程能力及置信区间。而设计是否符合要求达到的可靠性水平，可以设计可靠性验证试验，试验要求定义如下：

（1）定义可接受的可靠性水平以及一类错误、二类错误、置信区间。

（2）定义试验条件。

（3）定义具体试验计划，包括MTBF，任务可靠性试验以及可用性试验。

（4）定义失效和评分标准。

（5）确定样本大小。

在通过以上验证后，可对文档进行标准化归档，确保方案实施达到预期效果的同时，还需要采取适当的措施改进成果长久持续下去。

5.结语

我国目前机械、工装设计领域性能设计和可靠性设计还不能很好的结合，在设计方法、产品技术等多方面存在脱节，造成脱节的原因是可靠性专业和性能专业所用的是两种技术体系，设计人员往往先关注性能设计，然后再进行可靠性设计与分析。解决思路在于运用一体化设计，DFSS-IDOV提供了很好的设计方法平台，融入可靠性设计之后，将更有效帮助广大设计人员设计出高质量高可靠性的产品。

【参考文献】

[1]Peter，S.Newman，R P.Cavanagh.R R.The Six Sigma Way，McGraw-Hill，2000.

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