面向制造的防错设计
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1．1防错法的提出
研究表明，大部分的产品缺陷都是由于人为错误引起的，美国工程师Rook通过对23000个有缺陷的部件进行统计后得出人约80％的缺陷都是由人为差错引起的。为了对人为差错进行控制，1961年，丰田公司的Shigeo Shingo(新江滋生)博士提山Boka Yoke(fool proofing)方法，即防呆、防傻的意思。后米由于考虑到对员工的尊重，改为Boka Yoke(Error proofing)，即为现在的防错法。他认为，100％的检验只是能够剔除废品，但不能提高产品合格率，而防错法的目的就是要提高产品的合格率而不是为了剔除废品。防错法对于防止产品缺陷，提高产品的合格率是有着极大作州的。目前，国外很多公司如摩托罗拉、通用、联信／霍尼威尔等，都在积极运用防错法。在Shigeo Shingo博士的帮助下，丰田汽车公司建立了自己的防错体系，在生产车间，平均每台设备上有12道防错装置。
1．2防错法的特点
防错法的突出优点就是成本低、见效快、方法简单。应用这种方法除了能够消除产品缺陷、提高产品一次合格率外，还有以下几点好处：
(1)提高人力资源利用率，可以让操作人员节省精力以去从事其他增值活动；
(2)减少装夹时间，从而减少加工时间以提高生产能力；
(3)提高管理效率：
(4)提高安全性；
(5)降低成本：
(6)减少对熟练工人的依赖；
(7)提高加工柔性；
(8)改善操作人员的工作态度；
(9)减少返工率，缩短交货期。
由于我国制造企业比较落后，自动化程度不高，设备精度和
可靠性都比较差，操作人员的素质也比较低，防错法的优点正好可以弥补这些不足，因此这种方法在我国是有很大的应用空间的。
2面向制造的防错设计的提出
在产品制造过程中应用防错装置去消除造成产品缺陷的差错是一种很有效的手段。但是在实际应用中，经常会出现以下问题：
(1)无法使用防错装置；
(2)实施成本过高；
(3)使用防错装置反而会使加工工序变得复杂，影响加工效率；
这些问题的存在，很大原因是因为设计人员在进行产品的零部件设计时，没有考虑到加工制造过程要应用防错法。虽然目前人们采用了各种保质设计的方法，但大多是针对产品性能而言的，强调产品的可靠性。而对于制造过程，目前的设计方法虽然也提出了对制造缺陷进行预防，但这种预防是建立在产品制造过程中严格按照工艺要求的基础上的。在实际生产中，由于各种偶然因素或人为因素的缘故，产品制造过程往往会偏离设计者的期望，从而无法对质量缺陷进行有效控制。基于此，本文首次提出了面向制造的防错设计(Error Proofing Design For Manufacturing，EPDFM)的概念。
与传统的DFM相比，EPDFM是在其基础上的改进设计。DFM强调的是产品的可加工性、可装配性、加工经济性以及节省时间。EPDFM除了保留这些特点外，还强调产品的易加工性和易装配性，以及加工的保质性。其目的就是在设计的时候就考虑制造过程中可能会出现的潜在差错，力求在设计过程就解决它，或者便于在制造过程应用防错法进行解决。EPDFM在产品设计中的位置如图1所示。
2．1 EPDFM的设计原则
由于EPDFM并不是独立于DFM之外的设计方法，而是对DFM方法的一种改进和补充，因此，在进行面向制造的防错设计的时候，要遵循以下原则：
(1)性能优先原则
由于EPDFM的目的是针对产品加工中由于人为差错而造成的产品缺陷，力求在设计阶段
就给予解决，是产品质量保证的一部分。而产品性能是进行
产品开发的根本目的所在。因此，
在进行EPDFM时要首先保证不影响产品的性能。
(2)可加工原则
EPDFM追求的是在产品加工过程中便于实施防错方法来减轻操作人员负担，提高产品的一次合格率。因此在进行防错设计的时候，还要保证产品的结构与之前相比不能太过复杂，能够在现有条件下进行加工。
(3)注重成本原则
在进行防错设计的时候，如果因为对设计方案的改动而带米的生产成本远大丁实施防错法所节省的成本，那么这种防错设计就失去了意义，可以考虑对其进行改进甚至放弃。
(4)设计优先原则
对于潜在的差错，力求在设计时就能够消除差错产生的条件，如果不能达到目的或者成本太高，而考虑如何能在制造时更方便防错法的实施。
(5)简单原则
对于某种潜在的差错，如果有几种设计方案都可以消除，那么应选择实施起来最为简单、成本最低的方案。
2．2 EPDFM的设计原理
由于面向制造的防错设计是一种改进设计，主要是依靠对制造过程潜在差错的预测和来自生产部门的反馈而进行的经验设计，所以很难建立某种通用的设计模式，但是通过对制造过程防错法的总结，还是能够找到一些技巧加以应用的。以下就是EPDFM的几种设计原理。
(J)零件的通用性。由于现在的生产模式由大批量生产转为多品种、小批量，各种外型相似而型号不同的零部件交织混杂，使得员工在加工装配中很难区分，加工错误的机会也就会大量增加。因而，在设计时要考虑这种零部件的通用性和互换性，变多品种、小批量生产为大批量单一生产，能有效的降低加工装配差错。
(2)放大零件的差异性。如果在实际设计过程中外型相似而型号不同的零部件不能做到通用性，那么就应该放大他们之间的差异性，使员工能通过观察或使用某种防错装置很容易就能区分开来。
(3)唯一性原理。在制造中很多差错都是由于在安装时不注意而装错部位或安装不到位造成的，为避免这种情况，在设计时可以考虑将容易装错的部件设计成只有一种安装方式，比如将部件设计成不对称的，或者在上面施加干涉。这也是防错设计中最常用的一种方式。
(4)应用颜色。对于外观相似而型号不同的部件，或者安装时周围光线比较差的部件，可以为其涂上不同的颜色，使其变得醒目而易于区分或安装。这是一种极为简单而效果又非常明显的防错方式。
(5)改变材料。随着各种新型材料的不断出现，传统上用于产品制造的钢铁材料也有了成本和性能相当的其他材料可以替代，这就为利用这些材料的一些不同于钢铁的特性来进行防错设计，比如磁性和重量等。
3．EPDFM的设计流程
EPDFM的设计流程如图3．1所示，与传统的设计流程相比，EPDFM只是在初步设计利详细设计之间增加了防错设计环节。这一环节的主要步骤包括关键零件的选取、加工差错的识别、差错重要度评估排序和防错方案确定几个步骤。
(1)关键零件的选取。在进行防错设计时，由于可能要对零件的外形进行改进，这就可能导致整个产品的结构发生变化。因此首先要选择产品的关键零部件进行分析，以避免对产品装配造成影响。关键件的选择标准包括对产品功能的影响程度，零件外形的复杂度、零件的制造成本等。
(2)加工差错的识别。造成人为差错的冈素，主要就是人自身、设备的可靠性和环境三个方面。而对产品差错的识别，主要有预测和缺陷分析两种方式，这两种方式分别对应的方法就是
FMEA和FTA。而在对人为差错应用FMEA进行的分析主要是人的可靠性分析(HRA，Human Reliability Analysis)和作业安全分析(JSA，Job Safety Analysis)。对于在产品制造过程中经常容易出现的差错，可以借助FTA进行诊断分析，进而找到差错的源头。通过FMEA和FTA分析，设计人员就能够找到在制造过程中存在的和潜在的人为差错。
(3)对于这些造成人为差错的环节，由于人力、资源、技术等方面的原因，短时间内不可能全部得以解决。这就需要根据差错危害度、差错发生频度、差错消除的紧迫程度等指标对容易造成人为差错的环节进行重要度排序， 选择排序靠前的给予优先解决。
(4)防错方案的确定。对于特定的某个容易造成人为差错的环节来说，解决方案可能有很多种，可以在设计阶段解决，也可以在制造阶段解决，在不同的阶段还可能会有不同的解决方案。这就需要对每种解决方案进行可行性分析，对比各种解决方案的优缺点，从中确定可行、便于实施且实施成本较低的方案。由于设计阶段更接近差错的源头，所造成的损失也最低，因此，在很多情况下，EPDFM是预防人为差错的最佳方案。
防错方案的制定依据包括产品信息和制造资源。产品信息模型是指对产品自身数据的描述，包括产品的几何形状、材料、批量、颜色、重量、功能、精度等。制造资源与产品制造生产紧密联系的物理元素的总称，包括设备、工装、计量器具、辅助工具、环境等。这些因素都会对现场操作人员的可靠性产生影响，因此在设计时要充分考虑这些因素，以消除操作人员的差错。
实施EPDFM对产品进行改进设计后，要在制造过程中对改进产品进行跟踪，评价。要进行EPDFM前后产品的一次合格率、制造成本、工序变化、装配性等评价，以判定改进后是否大幅提高了产品的一次合格率，是否增加了制造成本，是否达到了易加工和易装配的目标。经过评价，如果确定设计方案可行且达到了预期目标，则将设计步骤进行规范并形成文档。
4总结
防错法是一种解决人为差错而造成产品缺陷的有效方法。面向制造的防错设计是对传统设计方法的一种改进，目的是在设计阶段就考虑到在制造阶段可能会出现的潜在差错，并在设计阶段给予解决或使其在制造阶段能更好的利用防错法给予解决。这种方法在实际应用中对于提高产品质量是很有帮助的。