面向制造的防错设计

论文题目：防错设计应用

课程名称：学科前沿专题

姓名：秦晔

学号：201214024

专业：工业设计工程

所在学院：艺术设计学院 2013年 1 月 3 日

摘要：在产品开发中我们常常会抱着侥幸心理寄希望于装配过程的管控和操作人员的专业度来掩盖和纠正设计本身的问题,但残酷的事实告诉我们该发生的问题终究会发生。我们试想一个操作人员每天进行同样的装配工作上百次千次甚至上万次如果产品设计不能防止提前预防装配错误的发生那么就算是万分之一的概率操作人员稍微不留神错误就发生了。因此产品设计必须进行防错的设计提前预防装配过程中可能发生的错误。

Abstract: in the development of products we often hold fluky psychology in the hope of assembly process control and operator expertise to cover and correct design problem itself, but the brutal truth told us that the problem will happen. We imagine a operation personnel every day the same assembly work hundreds of thousands and even tens of thousands of times if product design does not prevent early prevention assembly errors included it even 1/10000 probability operator slightly inattention mistake happened. Therefore the product design must be carried out to prevent the wrong design to prevent the assembly may occur in the process of error.

关键词：防错法原则特点原理思路模式方法等级

一.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。

二.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。

三.防错的2个途径：

the Design 重新设计产品

–消除犯错误的条件

–重新进行对称或不对称设计

–改变材料

–改变组件的类型、特征或供应商

–零件仅具有唯一正确的装配位置

–常用的防错设计特征

–零件的防错设计特征越明显越好

–夸大零件的不相似处

–夸大零件的不对称性

–设计明显防错标识

the Process 制造过程

–改变或增添工具、工装

–改变加工步骤

–增加使用清单、模板或测量仪

–执行控制图表

四.防错的基本原则：

使作业的动作轻松：难于观察、难拿、难动等作业即变得难做，变得易疲劳而发生失误。区分颜色使得容易看，或放大标示，或加上把手使得容易拿，或使用搬运器具使动作轻松；

使作业不要技能与直觉：需要高度技能与直觉的作业，容易发生失误．考虑治具及工具，进行机械化，使新进人员或支持人员也能做不出错的作业；

使作业不会有危险：因不安全或不安定而会给人或产品带来危险时，加以改善使之不会有危险．设法装设无法马虎或无法勉强的装置；

使作业不依赖感官：依赖像眼睛、耳朵、感触等感官进行作业时，容易发生误。制作治具或使之机械化，减少用人的感官来判断的作业。如果一定要依赖感官的作业，譬如，当信号一红即同时有声音出现，设法使之能做二重三重的判断。

五.防错的五大基本思路：

1.排除：剔除会造成错误的要因，这是从源头防止失误和缺陷的方法，符合质量的经济性原则, 是防错法的发展方向；

2.替代：利用更确实的方法来代替，使过程不过多依赖于作业人员，从而降

低由于人为原因造成的失误(占失误的部分)。可以大大防低失误率，缺点在于投入过大，另外由于设备问题导致的失误无法防止；

3.容易/简化：使作业变得更容易、更合适、更独特，或共同性以减低失败。适合化、共同化、集中化、特殊、个别化，流程越简单、出现操作失误的概率越低，但简化并不能完全防止人为缺陷的产生；

4.异常检出：虽然已经有不良或错误现象，但在下一制程中，能将之检出，以减少或剔除其危害性；

5.缓和影响：作业失败的影响在其波及的过程中，用方法使其缓和或吸收。

六.防错十大原理：

断根原理、保险原理、自动原理、相符原理、顺序原理、隔离原理、复制原理、层别原理、警告原理、缓和原理。

1.断根原理：将会造成错误的原因从根本上排除掉，使绝不发生错误。——藉“排除”的方法来达成。

例：录音带上若录有重要的资料想永久保存时，则可将侧边防再录孔之一小块塑料片剥下，便能防止再录音。

2.保险原理：藉用二个以上的动作必需共同或依序执行才能完成工作，藉“共同”动作必须同时执行来完成。

例：开银行保险箱时，须以顾客之钥匙与银行之钥匙，同时插入钥匙孔，才能将保险箱打开。

例：操作冲床之工作，为预防操作人员不小心手被夹伤，所以设计一双手必须同时按操作钮下去，才能执行工作。

3.自动原理：以各种光学、电学、力学、机构学、化学等原理来限制某些动作的执行或不执行，以避免错误之发生。目前这些自动开关非常普遍，也是非常简易的“自动化”之应用。

以“浮力”的方式来控制，例如：抽水马桶之水箱内设有浮球，水升至某一高度时，浮球推动拉杆，切断水源。

以“重量”控制的方式来完成，例：电梯超载时，门关不上，电梯不能上下，警告钟也鸣起。

以“光线”控制的方式来完成，例：自动照相机，光线若不足时，则快门按

不下去。

以“时间”控制的方式来完成，例：洗手间内的“烘手机”，按一次只有“一分钟”，时间一到自动停止。

以“方向”控制的方式来完成，例：超级市场内进口及出口之单向栏栅，只能进不能出。或只能出不能进。

以“电流”用量的方式来完成，例：家庭的电源开关皆装置保险丝，用电过量时保险丝就熔断，造成断电。

以“温度”控制的方式来完成，例：家庭内冷气机之温度控制，冷度够时，自动停止，温度上升时，自动开启。

以“压力”控制的方式来完成，例：厨房内之快锅内压力过大时，则“泄压阀”就开启，使锅内之压力外泄以免造成爆炸之危机。

4.相符原理：藉用检核是否相符合的动作，来防止错误的发生。

依“形状”的不同来达成，例：个人电脑与监视器或印表机之连结线用不同之形状设计，使能正确连接起来。

依“符号”指示来达成，例：干电池放入收音机时，有电池的放置方向符号批示如何放正确。

依“数学公式”检核方式来完成，例：“100029608”这一组数学中，最后一字为检查号码“8”。“8”之由来是将每一位数字加起来得为18（1+0+0+0+2+9+6+0=18），取个位数“8”做为检查号码。例如有人将此数字写错为“100029508”则“1+0+0+0+2+9+5+0=17”个位数为“7”与原先之检查号码“8”不符合，所以显然“100029508”这一组数字不对。此种应用情形在电脑中常见到。此为一简单之例子。

以“声音”方式来检核，例：附有音乐之计算机，当接键力道不够时，音乐不响表示数字没有键入，必须重新再键入。

以“数量“方式来检核，例：开刀手术前后必须点核数量有否符合，以免有工具遗留在人体内，忘了拿出来。

以“发音“方式来检核，例：在电话中老王：“老李！这是第5号投票所，现在向你报告我们这开票的结果：张大伟先生是4票”：老李：“什么，请再说一遍，是10票吗？”：老王：“不是，不是10票，是4票。”

5.顺序原理：避免工作之顺序或流程前后倒置，可依编号顺序排列，可以减少或避免错误的发生。

例：流程单上所记载之工作顺序，依数目字之顺序编列下去。

例：儿童之手工作业教材，加以编号依序工作，终能完成模型玩具。

6.隔离原理：藉分隔不同区域的方式，来达到保获某些地区，使其不能造成危险或错误的现象发生。隔离原理亦称保获原理。

例：家庭中危险的物品放入专门之柜子中加锁并置于高处，预防无知的小孩取用而造成危险。

例：将危害社会安全的坏人抓入监狱内以保障社会大众的安全。

例：家庭中之锅盖把手煮菜时太热，加上电木隔热不够时，仍需戴手套或取湿布来拿锅盖以达保护之作用。

例：电动圆锯有一保锯版套，以防止锯到手。

7.复制原理：同一件工作，如需做二次以上，最好采用“复制”方式来达成，省时又不错误。

例：信用卡上的号码都是浮凸起来的，购物时只须将信用卡放在拓印机上底下放上非碳复写纸，将滚轴辗过即可将号码拓印在纸上，又快又不会发生错误。

例：军队作战时，上级长官下达命令之后，必须同属下人员将命令复诵一次，以确保大家完全明了命令之内避免错误的发生。

8.层别原理：为避免将不同之工作做错，而设法加以区别出来。

例：1根鸡毛：代表正常文件；3根鸡毛：代表紧急文件。以线条之粗细或形状加以区别，

例：所得税之申报单:将申报人必需填写之资料范围记载在粗线框内。例：回函条请沿虚线之位置撕下。以不同之颜色来代表不同之意义或工作之内容，例：将不良品挂上“红色”之标贴；将重修品挂上“黄色”之标贴；将良品挂上“绿色”之标贴。（人类对颜色的共通认识是以:绿色：表示“安全”或“良好”；黄色：表示“警示，注意”或“重修品”；红色：表示“危险”或“不良品”。）

9.警告原理：如有不正常的现象发生，能以声光或其它方式显示出各种“警告”的讯号，以避免错误的发生。

例：安全带没系好，警告灯就亮了，或车速开不快了。

例：操作电脑时，按错键时，发出警告声音。

10.缓和原理：以藉各种方法来减少错误发生后所造成的损害，虽然不能完全排除错误的发生，但是可以降低其损害的程度。

例：汽车之安全带，骑机车戴安全帽。

例：鸡蛋之隔层装运盒减少搬运途中的损伤。

例：设立多层之检查方法，考试后检查一次看看，有没有犯错的地方。

例：自动消防洒水系统，火灾发生了开始自动洒水减火。

例：加纸板以减少产品在搬运中之碰伤。

例：原子笔放在桌上老是给别人不经意中拿走，怎么办呢？贴上姓名条或加绳子固定在桌上。

七.防错设计的技术思维

防错设计的技术思维源于两大内容：特性识别和流程识别。

1.特性识别。合格品与不合格品本质上就是产品的特性有差异。为了识别这种差异，物体的外形、重量、颜色、光泽度、比重、磁场、电场、电阻、粘度、温度、声音、振动等等特性，在一定的检测手段下均可以作为防错的设计原理。我们可以采用特性雷达图或特性比较表对需要检测的对象进行特性识别，从而找出差别最显著的特性．以提高检测的可靠性。

2.流程识别。人的操作动作顺序会有错误的可能，机器也会因故障而不按照标准的程序运行。当流程发生错误的时候．往往意味着不合格品的产生。防错的另一个目的就是监测流程。不仅监测，还可以促进作业的标准化。一旦标准化的作业被作业者培养为操作习惯，就能够最大幅度地减少人为操作中的变异，从而实现生产过程的稳定化．确保加工出来的产品质量稳定。

八.防错的四种模式：信息加强型防错编组和计数型防错有序型防错接触型防错。

1.信息加强型防错模式：是通过在不同的地点、不同的作业者之间传递特定产品信息以达到追溯的目的。它是一种警示感应装置或手段，用来提醒操作者问题的出现或发生，往往会使用颜色、声音、光线用来增强人的视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉和肌肉力量。它常常和后面的实体接触或能量接触防错一起使用。

2.多余部件检出是不依赖记数装置的点数形式。它将预先点出的正确数量从视觉上隔离，直观地告诉我们是否使用了所有的部件

对某一产品所需的部件预先清点出来交给工人。如果产品批装配完成后仍有部件剩余或者是部件不够，马上就知道有异常发生。这种检查方法可防止产品在缺件的情况下流入市场。

编码和计数型防错通过分组或编码方式防止作业失误的防错模式。在需要固定操作步骤或产品上要装上一定数量的零件时，可应用此方法用一个传感器计算操作的步骤或装入的零件数，只有达到规定数量时才放行。

例：某件产品上要攻十个螺纹孔。在钻机上加一个计数器，工人每加工一件就清零并确认正确的孔数。此法仅帮助工人的警觉，但几乎可以完全消除漏钻现象。

3.有序型防错针对过程操作步骤，对其顺序进行监控或优先对易出错、易忘

记的步骤进行作业，再对其他步骤进行作业的防错模式。动作顺序法就是运用一定装置来决定规定的动作是否被执行或按指定的顺序执行。

例：“先进先出”架用来以正确的测试顺序分派产品。当一盒产品拿出使用时，另一盒产品滑下，保证正确的次序。

4.接触型防错针对产品、设备、工具和作业者的物质属性，采用的一种硬件防错模式。通过接触点是否被碰到来判断。接触型防错又可进一步分为实体接触防错装置和能量接触防错装置。

实体接触防错装置：就是利用产品本身的结构，如不规则形状、凸台、边、块等来防止或检测出错误。限制开关或微动开关是最常用用到的电器装置。控制钻孔的深度。用两个限制开关固定在压杆上，在开关2触动之前开关1被松开则表示有错误发生。（说明孔未钻透）。蜂鸣器发声以警告操作者。

能量接触：它是利用传感器来探测和响应质量，安全和生产率等特性的电子装置或仪器。传感器可以高精度确定部件、工具或夹具的存在和位置，并可探测破裂、损坏或磨损。

九.防错的五种方法：

1.失效-安全装置（Fail-safe devices）互锁顺序（Interlooking sequences）：保证在前一个操作顺利完成前，下一个操作不能开始；预警与中断（Alarm and cutoff）：将在过程中出现法场情况时被激活；全部完成信号（All-clear signals）：将在全部补救措施完成后被激活；防傻型工件夹紧装置（Foolproof）：保证工作的一部分只能被固定在一个位置；限位机械装置（Limiting mechanisms）：用来保证工具不能超过某一位置或数量。

2.传感器放大（Magnification of senses）用来增强人的视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉和肌肉力量，如：光学放大、多重视觉和听觉信号、监控危险过程的遥控以及用图片代替文字等等。

3.冗余（Redundancy）多重确认码（Multiple-identify codes）：例如防止产品混淆的条码和彩色码；冗余措施和批准（Redundant actions and approvals）：需要两个人独立工作；审核评审和检查程序（Audit review and checking procedure）：保证计划被跟踪；验证设计（Design for verification）：利用特殊设计如：观察孔，来确定产品或过程是否在令人满意的执行；复合测试台（Multiple test stations）：可检查很多特征，如出现在高速生产线上的特征。

4.倒计数（Countdown）组织读出数据和信息过程与操作程序保持并行，以便检查每一个步骤，如航天器发射，它还在手术操作和焊接中被有效应用。

5.特殊检验、控制装置（Special checking and control devices）

如计算机检查信用帐号，无效帐号被拒绝，及时的反馈被提供。

十.防错的等级:

根据防错的效果，防错技术可分为如下三个等级：不制造缺陷的防错，即不可能制造出坏零件，可能损坏的零件数为零；不传递缺陷的防错，即不可能将坏零件传递到下一工位；不接受缺陷的防错，即后续工位不接受坏零件。

1.防错技术的理想状态是不制造缺陷的防错，这是最主动、最经济、可预见并防止错误的控制技术。如加工前的探头探测、导向限位、传感器感应等的防错就能达到不制造缺陷的目标。

2.但是由于可能出现的缺陷或造成的原因不同及机床功能布局等原因，因此避免不了采用其他两种不传递缺陷的防错和不接受缺陷的防错的防错技术，这也是最被动、最昂贵的防错措施。CNC加工中心及机加工自动线钻孔工位在本工位对刀具加工后的断刀检测，能达到不传递缺陷的目标；自动线中的钻孔、攻丝加工后面的探测工位的探测防错就只能达到不接受缺陷的目标。

3.基于防错措施的有效性和速度，可将其分为三个等级：警告：在错误发生之后发出信号。这是最低等级的防错方法；停机：当发生错误会自停止等候处理。这是防错中最容易用低成本的方案实现；纠正：消除犯错条件，防止错误发生。如文字编辑软件中的拼写自动更正功能，当你输入的英文单词有拼写错误时，软件会基于你的输入而自动更正为正确的单词。这是防错技术的最高级别。

十一.防错7步法：

防错技术是实践性很强的改进方法，主要依靠现场工作人员的经验来发现和实施。这在很大程度上妨碍了防错技术的技术的推广实施。为了更好地普及防错技术，一方面需要不断积累已有的应用案例，另外一方面还要考虑提供一个一般性的改进实施流程，帮助大家发现和解决问题，避免走弯路。

第1步：识别和描述详细识别和描述缺陷/红牌条件。出现缺陷后，考察缺陷的历史。为明确责任，指派一位团队队员跟踪缺陷/红牌条件。用FEMA (潜在失效模式分析) 的方法对过程进行分析,找出可能发生失误的地方。SPC数据、客户投诉、日常生产问题.

确定产品/ 服务缺陷并收集数据；追溯缺陷的发现工序和产生工序；确认缺陷产生工序的作业指导书；确认实际作业过程与作业指导书之间的差异；确认工序是否存在以下问题：该工序是否在调整中；该工序的作业工具或设备是否发生变更；该工序的规格、参数和作业标准是否发生变化；是否存在部品相混或堆放过多部品；该工序操作步骤是否太多；该工序是否作业量不足；该工序作业标准是否够；该工序作业是否平衡；该工序是否堆积过多品；该工序作业环境如何；

该工序作业节拍是否快；

第2步：缺陷分析，确定根本原因进行因果图分析以评估根本原因。确定根本原因对应用防错技术以消除缺陷/红旗是至关重要的。找出缺陷发生的源头，用质量管理七工具和“五个为什么”方法找出根本原因。涉及到生产中的哪些要素? 失误属于何种类型? 失误会造成什么缺陷? 找出失误和缺陷之间的联系。

第3步：提出防错方案脑力风暴是一种可以激发小组成员产生大量的有创意的点子的方法。利用防错装置数据库检索相关的防错装置。用四种防错方法(信息加强法、接触法、计数法和动作顺序控制法)确定所需用到的防错技术、标准及装置。

第4步：评估选择可行方案对方案进行成本/ 效益分析，评审行动方案，选择最优方案，在此基础上提出实施计划。投资、收益、回报周期、后期维护成本、实施时间、风险、可持续性然后确定工序上的更改，选择合适的防错装置，制定责任及时间表，分配所需的资源。需特别注意的是改进团队要与每一位相关的人员进行交流，使他们了解项目的目的防错装置的选择标准：可靠、耐用、易维护、杜绝重犯、不影响操作、设计精巧、易用好使、便宜(500元以下) 第5步：方案实施尽可能快地实施防错计划。不要苛求防错方案可以100% 的解决问题，如果有50%的有效性就值得尝试。在实施中要注意：得到所有相关人员的承诺。鼓励大家说出自己的疑问，澄清相关问题，不要盲从。一旦取得共识，大家就要全力以赴，达成目标。自始至终使用相同的人员、零件、设备和程序，以便减少差异，方便查找故障原因，尽量使方案能够完全消除缺陷；检查方案实施过程中是否满足周期时间的要求,生产成本是否增加,有没有新的问题出现等。根据顾客的反馈来决定缺陷是否已经消除。用“恶心的试验”来验证防误措施。“恶心的试验”就是故意制造一些错误以试验防错措施是否有效，可以缩短调试时间，对所采取的措施及时得到反馈。

第6步：运行和评估收集数据并与实施前相比较：操作工是距生产线最近的人，最适合观察记录的工作。工业工程师进行实地评测质量工程师跟踪产品质量的变化。不要急于结束改进小组的工作，改进小组还要定时召开会议，将收集数据并与实施前相比较，检查缺陷是否已经消除并没有新的问题产生。防错装置的验证：使用新的防错装置时，必须进行功能准确率的验证，预防差错率。只有通

过PPAP（生产件批准程序）方式的验证，方可使用。防错系统的验证应保证：确认防错系统运转正常；确认人为因素处于受控状态；确保防错措施不会引起其它问题。

第7步：标准化和推广对防错过程进行评审,，前面的过程和结果进行总结、归档并补充数据库，探讨方案能否复制、推广其它类似设备或和生产厂。特别要强调的是改进工作的标准化，它包括：为新的系统/装置建立文档、图纸；更新现有文档，清理无用的文档；重新评估现有的工作程序（包括操作、维护、检查等）并进行必要的修定；对相关人员进行培训。

十二.防错推广的关键事项：

首先，需要成立一个由高层管理人员组成的指挥小组，显示管理高层对项目的支持和承诺，并保证能够取得所需的资源。其次，需要成立一个质量实施小组，由质量人员和生产线上的各小组长组成，负责制定防错装置的实际引入计划和具体实施步骤，并将防错与“零缺陷”的战略目标相结合。

其次制定培训方案，对员工进行防错理论和应用的培训和教育。首先要根据防错的一般理论和方法，结合自己的生产工艺条件和已有的防错案例编写适合的防错培训材料。所有的操作工人、工程人员和管理人员都要经过防错概念和应用方面的培训。培训的目的是,通过个人和团队的实践,将防错与日常工作相联系。

再次通过示范项目引入防错体系。首先在各个生产线上实施示范项目。目的是通过层次化的方式引入防错的原则。下一个阶段就是对示范项目进行正式评审,对其中的方法和效果进行总结和评估,然后再进行全面实施。实施的长期目标是将防错过程融入到日常工作中，培养整个企业的防错意识，形成“零缺陷”文化。

防错装置数据库是防错技术实施的重要内容,不仅是以往成果积累的体现,更能为新的防错装置的设计和实施提供有效的参考,实现知识管理。建立的数据库可以按防错装置的功能、工具、产品类别以及安装工位等进行多维查询。

使每个人都参与：质量是全员参与才可成就的，这早已成为共识，但人人树产预防失误、防止缺陷的观念，并参与缺陷预防才是最重要的。人人参与预防了，零失误、零缺陷可有望实现。

（注：在质量管理体系中承担任何任务的人员都可能直接或间接地影响产品要求符合性。——ISO9001：2008 6.2.1 人力资源总则）

十三.防错推广的应用范围:

下列的情况下防错技术实施的效果佳作业工序相对固定,最好这些工序能连成一条明显的增值链; 每个作业都有明显确定的目的和规范,如果作业的目的是不清楚的,那么最好花时间去重新思考作业的设计而不是进行防错; 作业中所要控制的输入数量和范围都不大,虽然防错装置的一个突出长处就是控制多重输入,但简单的系统更易于实施防错; 工序的设计必须过硬,激励员工去对一个精心设计的合理的工序进行防错要比激励他们去对拙劣的工序防错要容易得多; 在需要工人提高警惕的手工操作、可能发生定位不正确的地方、需要进

行调整的地方、SPC难以应用或者明显无效的地方、重要的属性不能测量的地方、培训费用昂贵和人员调整频繁的地方、进行混合生产的地方以及某些原因重复发生的地方,更是防错装置大显身手的地方。

不宜采用防错的地方由于增加防错装置会加长生产的周期,所以在班次(批次) 转换太快和生产速率非常高的生产环境下是不合适应用防错装置的。在控制图可以有效地运用时,应该用SPC而不是防错装置。SPC 善于管理偏差,防错装置擅长防止错误,防错装置不能代替SPC。在进行破坏性测试的工序上,不宜采用防错装置。

十四.防错的发展方向:

更多通用、方便、廉价的防错装置的出现；防错技术更广泛的应用，不仅仅局限于生产制造和安全，例如在人们的日常生活中会用到越来越多的具有防错功能的产品；成熟的防错工具和规范的出现；随着科技产品的成本不断降低，传感器、视觉识别等部件或系统在防错装置中被更多地采用。