机械产品的防错技术

在美国三大汽车公司（通用、福特、克莱斯勒）推行的质量管理体系标准QS 9000∶1998《质量体系要求》中，将防错列入持续改进和制造能力两节内（2.3持续改进技术，3.2防错），并在3.2防错这一节中明确规定“防错是指靠过程或设计来防止生产不合格产品，当通过失效模式及结果分析、能力研究及服务报告鉴别出潜在的不合格因素时，必须在过程、设施设备和工装的计划中，在解决问题的过程中，采取防错方法加以标注”。

在ISO/TS 16949∶2009《质量管理体系—汽车行业生产件与相关服务件的组织实施ISO 9001∶2008的特殊要求》中，3.1.3防错这一条款给防错这一国际汽车行业常用的质量管理术语下的定义是：“产品
和制造过程设计和开发以防止制造不合格产品”；
并在8.5.2.2防错这一条款中明确规定：“组织必须
在其纠正措施过程中使用防错方法”。

可见，在国际汽车行业常用的QS 9000标准和
ISO/TS 16949技术规范中，都强调了必须采用防错
方法，即要求在设计和制造过程中采用防错的技术措施。

若给防错下一个通俗性的定义，那就是：“采用技术措施，防止出现不合格”。

上世纪60年代美国汽车行业的一个市场调研小组，在其调查报告中，建立了著名的“质量杠杆”模型，见图1。

由图1可知，对产品质量而言，在其形成之前越早采取措施效果愈明显。

预防是质量管理的精髓，预防也是最经济的。

根据欧美国家的经验数据：在设计和制造过程中采取预防措施则可避免80%以上的质量问题。

针对不同的过程，有不同的防错技术，如：
1产品和过程设计开发的防错技术
（1）潜在的失效模式及其后果分析(FMEA)运用FMEA 方法对各种潜在的失效模式及其后果进行全面分析，这是设计阶段(包括产品设计及其制造过程设计阶段)防错的关键。

按QS 9000五本工具箱/参考手册之一《潜在失效模式及其后果分析》
(FMEA 第四版)中规定：
FMEA 可用于产品设计和开发，称DFMEA ；产
品制造过程的设计和开发，称PFMEA ；系统的设计和开发(包括软件和硬件)，称SFMEA 。

评分规则由三方面组成：潜在失效造成的后果大小与失效的严重度、失效的发生频度和失效出现后的可探测度有关。

为了量化，将严重度(S )、发生频度(O )和探测度(D )各分成10个级别(其分值为1～10)分别进行打分(风险评估)，并规定风险系
数RPN=S ×O ×D ，（其值为1～1000)，用于风险评估
（分值越大，风险越大）。

一般人们可以根据风险评估的结果即RPN 数值的大小来决定是否采取改进措施。

如对于汽车的安
机械产品的防错技术
杭州弹簧有限公司□李和平
摘
要
在国际汽车行业常用的QS 9000标准和ISO/TS 16949技术规范中，都强调了必须采
用防错方法，即要求在设计和制造过程中采用防错的技术措施。

本文详细论述了产品和过程设计开发的防错技术单位及产品制造过程的防错技术。

关键词
机械
产品
防错
技术
图1
质量杠杆
1
2
3
5
4
1—设计开发（回报1∶100）；2—制造开发（回报1∶10）；
3—装配（回报1∶1）；4—服务（回报1∶1/2）；5—用户抱怨，投诉后处理（回报1∶1/20）
SOD 和SD 也应当和RPN 一样，经过小组讨论使
用。

仅仅根据SOD 来定义优先等级也和RPN 一样有不足之处，如SOD599应优先于SOD711。

注：按算术结合，RPN ＝S ×O ×D ＝7×7×3＝147；
按非算术组合，SOD ：RPN ＝S ×100＋O ×10＋D ×1＝7×
100＋7×10＋3×1＝773
SD ：RPN ＝S ×10＋D ×1＝7×10＋3×1＝73
（2）可靠性设计技术
可靠性技术是20世纪50年代兴起的一门综合性工程技术，是研究产品故障发生原因及其消除和预防的一门学科，其基本思想是通过产品现场使用信息和试验数据的反馈、分析，在设计和制造阶段，就能预测和预防以后可能发生的各种失效的隐患。

是在产品和制造过程设计开发阶段最关键、最有效的防错技术。

常用的可靠性设计技术有：
1）备份设计
根据电脑设计思想，为防掉电增加备份设计一样，备份设计就是试图增加可同时工作的子系统，“有备无患”。

为了保证系统运行的可靠性，可采用并联备用子系统的方法，当主子系统出现故障时，备用子系统立即自动启动，如发动机气门弹簧采用
内外簧组合的方式、有的大中型飞机上采用双发动机和多发动机设计等。

2）宽裕度设计
许多机械产品为了保证工作可靠性，防止应力—强度断裂及疲劳损伤，提高设计计算安全系数，对产品的设计强度、许用应力等留有较宽的裕度。

对机械产品来讲，就是工作应力及疲劳强度设计。

3）严酷化设计
以耐热设计来防止温升过高；以电磁兼容化设计来防止或尽量减少电磁干扰；以及充分考虑到机械产品使用的工作条件及环境条件对产品进行超乎常态的严酷化模拟化设计，如防湿热设计、防盐雾酸雾设计；防冲击与振动的设计等。

4）防误操作设计
为避免在装配、操作、维修中出现差错，可进行如下设计：
a ）对外形相近而功能不同的零部件应从结构
上保证不能安装互换；
b ）对于需要按规定次序顺序操作的控制器，
应有明显的顺序标号；
c ）对可能出现的误装配、误操作的零部件，
全件和关键件来说，决定是否要采取改进措施的RPN 值显然是不一样的，根据经验：安全件的RPN
值应≤65，关键件的RPN 值应≤85，否则就应采取改进措施。

当然由于行业不一，其起始值是不同的。

但上述不是绝对的，还要注意：不管RPN 的值多大，当严重度(S )高时要特别注意，一般可能要采取改进措施。

当危及顾客、制造和装配人员时，要采取改进措施。

若需要多个改进时，可按RPN 值的大小来排列优先解决的顺序。

《FMEA 第四版》不推荐使用上述RPN 阈值，并
建议不要把RPN 作为风险评估的首要方法或唯一的方法，同时，此版本提供了一些额外的方法以协助识别改进需求，如SO （S ×O ）法、SOD 、SD 法等。

替代RPN 的可选方法：
SO （S ×O ）：有些组织会选择主要侧重于严重
度和发生频度。

SO 指数是严重度和发生频度等级的产物。

通过使用这个指数，小组可以采取预防措施来降低“O ”的数值，从而降低SO 。

此外，该指数还能改进那些有最高SO 数值的后续探测度。

SOD 、SD ：有些组织选择使用SOD 或SD 。

SOD
是严重度，发生频度和探测度等级的非算术结合。

SD 是严重度和探测度等级的非算术结合。

S O D SD 37737737773
7
7
37
RPN SOD 147773147737147
377
例：
表1
SOD/SD 算术结合与非算术结合对照表
均应有明显的标识，以防止误操作；
d）对维修中可能因为维修不当而引起损坏的零部件、元器件，必须有特殊标志或专门规定。

例如对精密零件的贮存、防护、安装要求等；
e）对可能出现安装错位的零部件必须有定位装置(至少应有定位标记)。

如有大小头安装要求的轴承的安装方向标记。

5）产品防错设计
a）自动防错设计
一些产品设计具有自动防错能力，这些应用较普遍。

如各类冲压设备的采用光电扫描元件制作的安全防护装置，家电产品普遍采用的温控器、时控器等。

b）自动纠错设计
一些新的设计采用光机电一体化技术，具有自动纠错能力，如带有信号反馈、自动补偿系统的数控机床、三座标检测仪等。

c）出错报警设计
一些产品的设计具有出错报警的能力。

一些重要的涉及人身安全的产品都具有这种能力，如汽车的倒车雷达、宾馆的烟控器等，还有直接影响产品质量的过程监控设备如喷丸机的过时警报器、涂装生产线的烘干控制器等。

6）人机工程设计
为了减少人为的操作差错，应按人机工程的要求进行宜人设计，如：适当的操作位置和距离，考虑人的体力限制、适当的工作环境(照明、温度、湿度、噪声、振动等)。

7）维修性设计
维修性是广义可靠性(即可信性)的重要组成部分。

其目的在于通过缩短产品发生故障后的修复时间，并尽可能降低产品的寿命周期总费用。

如汽车上的各类故障自动检测报警系统等。

综上所述，可靠性设计实质上就是指在设计开发阶段运用各种技术和方法，预测和预防产品在制造和使用过程中可能发生的各种偏差、隐患和故障，保证设计一次成功的过程。

2产品制造过程的防错技术
（1）专用防错装置
专用防错装置包括专用防错工具、仪器、软件，如用异型截面钢丝卷制弹簧时，采用特制的滚轮、限位块等防止盘绕中有可能发生的因钢丝通条性差而产生的产品缺陷。

（2）防错检测技术
通常视不同情况和需要可采取以下方式：
a)判断式检测。

用止/通规或机械式、光电式尺寸分选仪实施100%检测，可以高效率地防止不合格流出，但无法避免废品损失；
b)信息监测。

当过程出现不合格时(如热处理加热炉因加热元件烧毁，炉内温度过低时)，立即以光电显示报警，引起操作工注意并避免错误；
c)溯源型检验。

在过程设计开发阶段通过验证、确认等方式可从源头上保证工艺设计能满足要求，因而是更为有效(损失最小)的防错方式。

（3）简化工序/标准化作业
精简工序是削减、简化和合并作业工序或作业步骤以减少错误的机会，这是一种在工艺设计阶段宜采用的防错方法。

标准化作业是指在作业顺序、作业节拍、作业动作时间、在制品流动、生产线运行速度等诸方面，在总结先进的、可行的优秀作业实践经验的基础上，提出完善的、科学的、合理的作业标准/规范并努力推行普遍实施的作业活动，以避免过多的无价值的作业活动带来的差错损失和浪费。

（4）统计过程控制(SPC)
SPC是采用统计技术(主要是控制图原理)来预见可能出现不合格的趋势，并针对性地采取措施，在过程控制中一种确保过程受控，满足质量控制要求的有效防错工具。

SPC是统计过程控制(Statistical Process Control)的简称。

是应用统计技术对过程中的各个阶段进行评估和监控，建立并保持过程处于可接受的并且稳定的水平，从而保证产品与服务符合规定的要求的一种质量管理技术。

它是过程控制的一部分，从内容上来说主要有两个方面：一是利用控制图分析过程的稳定性，对过程存在的异常因素进行预警；二是计算过程能力指数，分析稳定的过程能力满足技术要求的程度，对过程质量进行评价。

SPC的特点有：
a）SPC是在生产过程中的各个阶段(工序)对产品质量进行实时的监控与评估，因而是一种预防性方法；
（5）预控图
预控图是由德国的统计学专家弗兹克·撒塞络梯于上世纪70年代发明的，并在欧美、德国、日本等工业发达国家已经广泛的应用。

目前，在美国、日本等发达国家有近20%的企业应用预控图。

比如美国三大汽车公司之一的克莱斯勒公司就将预控图纳入了《统计方法的工序控制》一书，即纳入了对供应商的质量保证能力考核条件之内。

在克莱斯勒公司的指导性文件《统计工序控制的原理及应用》一书中，预控图也被称之为彩虹图，并明
b）SPC强调全员参加与团队精神，而不是只依靠少数质量管理人员；
c）SPC并不是简单地解决对特定工序用什么样控制图的问题，它强调整个过程，SPC的重点就在于“P(Process)，即过程”。

SPC技术的主要手段是控制图，控制图是对过程质量特性值进行测定、记录、评估，从而监察过程是否处于控制状态的一种用统计方法设计的图。

图上有中心线(CL，Central Line)、上控制限(UCL，Upper Control limit)和下控制限(LCL，Lower Control limit)，并有按时间顺序抽取的样本统计量数值的描点序列，参见图2。

UCL与LCL统称为控制线(Control lines)。

若控制图中的描点落在UCL与LCL之外或描点在UCL与LCL之间的排列不随机，则表明过程异常。

世界上第一张控制图是休哈特在1924年5月16日提出的不合格品率p控制图。

控制图
有一个很大的优点，即在图中将所描绘的点子与控制界限相比较，从而能够直观地看到产品或服务的质量的变化。

控制图在贯彻预防原则中的作用，可按两种情形进行讨论：
1）应用控制图对生产过程进行监控，如出现图3的点子上升趋势，显然过程有问题，故异因刚一出现，即可发现，于是可及时采取措施加以消除，这当然是预防。

但在现场出现这种情形是不多的。

2）更经常地是控制图上点子突然出界，显示异常。

这时必须查出异因，采取措施，加以消除。

控制图的作用是：及时告警。

只在控制图上描点，是不可能起到预防作用的。

必须强调要求现场第一线的工程技术人员来推行SPC，把它作为日常工作的一部分，而质量管理人员则应该起到组织、协调、监督、鉴定与当好领导参谋的作用。

按GB/T4091—2001idt ISO8258∶1991《常规控制图》的规定，常规控制图一共有八种，详见表2。

图2控制图示例
样
本
统
计
量
数
值
时间或样本号
LCL
CL
UCL ■
■
■
■
■
■
■
■
图3控制图点子形成趋势
LCL
CL
UCL ●
●
●
●
●
●
表2常规控制图
3防错管理技术
（1）APQP/CP 的运用
产品质量先期策划（APQP ）
（Advanced
Product Quality Planning ）放在文中是一种行之有效
的质量管理/项目管理方法，是与QS 9000标准及
ISO/TS 16949标准配套使用的一种工具，它把复杂
的质量先期策划过程进行了规范化和标准化的处理，使其变成结构化的过程，以便于应用。

APQP 活动的结果就是形成了书面的质量控制
计划(CP)。

CP 也是与QS 9000标准及ISO/TS 16949标准配
套使用的一种工具，它的中心内容就是反映当前企业制造过程使用的针对特定产品质量的控制方法和测量系统，随着控制方法和测量系统的变化而变化，是一个动态的文件。

为了方便使用，美国三大汽车公司已把CP 结构化和格式化。

在过程控制中正确地和积极地运用APQP/CP 方法，对过程防错具有重要的意义：
确规定它的适用范围是：a ）经常编排、调整或更换工装的工序；b ）用通止量规测量的工序；c ）工序能力较高的工序。

与X －R 图比较，彩虹图的优点是：允许用较小的样本(通常每半小时或将近半小时抽两件)，而且不需要计算，操作人员经过简单的培训后就能应用。

与X －R 图比较，彩虹图的不同点是：它对照公差限而不是控制限进行控制。

应用彩虹图，必须满足如下条件：
a ）数据测量结果必须符合正态分布；
b ）工序必须是有能力的，且C p ＞1.33。

按图4为克莱斯勒公司的彩虹图（预控图），
当：
a ）两个数据都在绿带中，继续控制；
b ）一个数据在绿带，另一个数据在黄带，继
续控制；
c ）两个数据都在黄带，调整工装并100%检
查，直到连续5个数据在绿带中；
d ）一个数据或两个数据在红带中，调整工装
并100%检查，直到连续5个数据在绿带中；
e ）如果一个数据在上黄带，另一个数据在下
黄带，要停止生产并报告工段长；
f ）如果一个数据在上红带，而另一个数据在下
红带，要停止生产并报告工段长；
校正措施采取以后，调整工装，100%检查，直到连续5个数据在绿带中。

图4克莱斯勒公司的彩虹图（预控图）
40
上规格限停产！
上
警
戒
限
70
62.5
中
心
线
55
下
警
戒
限
47.5
下规格限停产！
工厂部门
生产数据类别
安全项□
关键项◇重要项□次要项□
检验/试验数据
彩
虹
图
第一步：100%检验直到连续5个数据都在绿带中。

第二步：用规定的频率，每次抽两件。

彩虹图零件名称零件号
产量标准/小时
加工内容工序号设备
测量单位工位频数
检验/试验方法
红黄
绿
黄红
日期时间签字签
字
01234567891011121314151617181920212224252627282930313233343536373839404142434423454647484950515253545556575859606162636465666768697071727374757677787980
01234567891011121314151617181920212224252627282930313233343536373839404142434423454647484950515253545556575859606162636465666768697071727374757677787980
a）能合理地运用有效的质量控制手段，确保产品质量；
b）能预先发现过程控制的薄弱环节，有的放矢，采取预防措施，防止批量生产失控；
c）能及早发现必须纠正/改变的事项，避免误期纠正而造成的损失。

（2）“双三检”制度
在我国，通过上世纪70年代末到90年代初的全面质量管理活动(TQC)，又经过90年代初至今的贯彻国际质量管理体系标准(ISO9000)等活动，绝大部分机械产品企业均已建立起完善的质量检验制度，其中“双三检”制度更是首要的必须的检验制度，即“自检、互检、专职检”，“首检、巡检、完工检”制度。

顾名思义，自检以后还要经过互检、专职检就是为了防止检验失误/检验差错导致不合格产品流入下道工序以至顾客；首检的目的就是为了避免批量生产的不合格；巡检的目的就是为了防止过程进行中异常因素的影响而产生异常波动，导致批量生产的不合格；完工检的目的就是为了避免不合格产品流入顾客之手。

所以说，“双三检”制度是过程防错的重要管理手段。

（3）计量技术及MSA
计量是进行质量检验的重要技术手段，也是防错技术的重要内容之一。

计量具有统一性、准确性和强制性三个特点。

统一是目的、准确是基础、强制是手段。

计量技术已发展为一门管理和技术相结合的综合性学科。

它是利用技术和法律手段来实现单位统一、量值准确一致的测量。

企业的计量工作主要是指计量的管理与控制，其基本任务是：正确进行量值传递，保证国家计量单位制度统一；对计量器具进行检定、校准，保证所使用的计量器具的量值准确可靠；对各种物质的质量特性进行直接或间接的测量，以保证产品、过程及有关物质的质量特性获得一致准确的数据；对企业全部计量活动的条件和手段实施管理，为企业的经营管理活动奠定计量技术基础。

若计量管理不到位，计量器具使用不正确，计量器具本身精度不够或不准确，由此而产生的失误和差错是批量性的，造成的损失可能是十分惊人的。

故加强计量器具的管理和保证正确使用是防错的重要内容。

为此，美国三大汽车公司在实施QS 9000标准时，与其配套使用的五大核心方法中就包括测量系统分析MSA（Measurement System Anelysis）。

它详细地讲述了分析测量系统统计特性的方法和评价准则，是进行测量系统分析的指南。

MSA所提供的方法仅适用于工业（即生产环境）使用的测量系统。

凡是为了确保能正确反映过程质量特性和过程参数的测量系统，特别是与实施SPC有关的测量系统，均可采用MSA提供的方法对其进行评价，特别适用于需对每个零件能提供重复读数以控制和分析过程变差的测量系统（当然，这时被测零件的特性不因测量次数而变化或破坏）。

测量系统是用来对被测特性定量测量或定性评价的一套系统。

它由仪器或量具、标准、操作方法、夹具、软件、人员、环境和假设等组成。

测量系统的质量经常用它输出的测量值的质量来评价，它可由位置变差和宽度变差等统计特性来确定。

测量系统的变差是指多次测量结果的变异程度（又称波动），它直接影响测量值的位置变差和宽度变差。

它们的主要指标有：
a）位置变差：偏倚、稳定性（又称漂移）、线性及准确度，
b）宽度分布范围变差：重复性、再现性、精密度。

我们目前主要使用以下两种方法：
a）计量型测量系统/重复性和再现性
均值极差法又称GRR或量具R&R，有时也称大样法。

它是将测量系统分成两个独立部分(均值和极差)，然后对重复性和再现性采用类似于控制图的取样方法去采集数据来进行记录和运算，从而得到重复性、再现性以及零件间变差的估计。

其中R&R 的百分值可作为量具接受与否的依据。

接受准则：
①R&R的值＜10%，测量系统可接受；
②R&R的值≥10%~≤30%之间，根据应用的重要性、量具成本以及维修费用等，可考虑接受；
③R&R的值＞30%，则量具系统需要改进。

b）计数型测量系统/限值比较
计数型量具是指将各个零件与指定限值相比较，若满足限值则接受，否则拒绝，常用的止通规即属此类。

（上接第23页）
件下，成功地达到预期的淬透效果。

4结论及建议
（1）合金化及强化方法不断推陈出新，技术科学在不断进步
现在弹簧钢发展方向，一是向高强韧弹簧钢发展，即“低碳马氏体+碳化物沉淀强化”如28MnSiB 和38SiMnVB等；二是向耐高温的特殊弹簧钢方向发展，如30W4Cr2VA。

这些都是合金化理论和强化方法不断进步的结果。

那种认为弹簧钢只是“淬火+高温回火”的看法早就跟不上时代的进步了。

人类对合金化理论及强化方法的认知还有很长的路要走，不断的科技进步是我们科技人员的责任。

（2）淬透性应是普遍关心的问题
本着对最终用户负责的态度，淬透性问题应该是钢厂和弹簧制造商共同关注的问题。

对于钢厂而言，关注淬透性就不会为了降低成本而在成分上降低合金元素的含量，而且可以根据不同成份的冶炼结果，选择不同的轧材断面，满足客户对淬透性的要求。

对于弹簧制造商来说，关注淬透性，在自己的工艺条件可以满足的情况下向供货方提出符合淬透性要求的材料成份，并判断能否有较佳的淬火效果，为最终用户提供高质量的产品；特别是大截面的弹簧产品，最好是对每炉产品具体进行预测，这样才能做到具体情况具体分析。

总而言之，不论是哪一方，关注了淬透性，就可以做到知己知彼，使自己的企业在技术上处于主动的地位。

（收稿日期：2009-09-13）分析方法有两种：短期研究（小样法）和长期研究（大样法）。

通常使用短期研究（小样法）：
选20个零件（其中一些零件略低于技术规范，其余零件稍高于技术规范）。

若是双侧规范，则会有两个量具（止规、通规）。

这时要用每个量规测20个零件，有两个评价人分别对每个零件进行两次测量（用盲测法），将结果记录在表3所示的表格上。

接受准则：每个零件被测量多次，其所得结果要完全一致才可接受，否则不接受。

综上所述，防错技术是以杜绝错误为出发点，从事先预防的角度对产品和过程进行重新设计、加入防止错误的装置、程序等，使错误不发生或者即使发生也不致造成缺陷。

一般来说，防错技术的核心就是在产品和制造过程的设计开发中同步设计开发防错系统和程序来消除缺陷产生的根源。

理想的状态是，通过在线检测，系统有预防错误和缺陷的功能。

也就是说，在设计开发阶段设计出专门的防错系统来防止可能出现的错误，从而将出现错误的机会完全消除，使缺陷不可能发生，是最佳的防错选择。

（收稿日期：2009-09-07）
A评价人B评价人
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
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G 表3计数型量具研究（小样法）记录
注：G—Good；NG—Not Good。