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防错的原理与运用
防错的原理与运用
POKA-YOKEanditsusing
兰泰昌
（湖北襄樊东风康明斯发动机有限公司441004）
摘要：
本文就东风康明斯发动机生产线上的失误产生的原因和防止、纠正方法进行简要分析，并以现生产中得到应用的几种防错系统为样本，结合康明斯制造质量验证（MQV）系统，以及公司正在提倡的“精益化生产”，“质量零缺陷”等生产目标的实施，系统的介绍了防错的概念、分类、原理、设计流程、防错在质量控制中的意义及在公司的应用。
关键词：
防错，制造质量验证，质量控制，质量零缺陷
Abstract:
ThisarticleanalysisthefailurecauseandusedifferentPOKA-YOKEequipmentstobuildarobustassemblequalityassurecapacitytomeetthedifferentseriesengineassemblinginonassemblylinequalitydemand.POKA-YOKEisaveryimportantpartoftheDCECmanufacturingqualityverify（MQV）,it’sapowerfultoolforqualitycontrolpromoting"leanproduction","zero-defectquality"ofDCEC.Theconcept,classification,principlesandapplicationofPOKA-YOKEinATPUofDCECisatopicalsubjecttodiscussinthisarticle
Keywords:
POKA-YOKE,ManufacturingQualityVerify,QualityControl,Zero-defectQuality
一、引言
防错技术（POKA-YOKE）最早由日本丰田提出。
“POKA-YOKE”也被称为“防错”、“防傻”等。
防错的目的是在产品的设计和生产过程中尽可能早地发现和改正错误，杜绝产品缺陷的产生。
在现今的市场秩序下，顾客对产品质量的要求越来越严格，企业对质量的认识必须达到一个更高的层次，将顾客的需求作为质量符合的标准，才能使产品具有竞争力。
因此企业必须以“零缺陷”为质量目标制定各种质量活动。
“预防”是“零缺陷”质量体系的特征，要求到达顾客手中的产品必须是完全符合质量要求的。
而防错技术正是实现早期预防检验的有力工具。
作为自动化的重要构成部分，防错装置在精益生产体系中占有重要的地位。
在日本，正是由于数量众多的这种简单实用的小装置，保证了精益生产的实施，造就了日本的质量奇迹。
当前制造业竞争的全球化和用户需求的多样化对供应商、生产商的要求是：
更多的产品种类，更短的产品生命周期，更低的生产成本和更高的产品质量。
因而多品种柔性混合生产成为一种趋势，逐步得到广泛应用。
混合装配线的突出特征为在装配线上同时装配多种产品，装配物流呈现出以下特点：
一方面由于不同的零部件供给方式，造成各装配工作站装配操作的复杂性；另一方面在产品切换时，使问题更加复杂，经常造成零部件的错装与漏装，严重影响了产品质量。
为较好解决混合装配线的错装与漏装问题，保证产品质量，同时降低由于操作复杂而导致的操作人员的劳动强度和压力，混合装配线的防错系统应用是一个重要的手段。
二、防错概念及其作用
防错：
识别潜在失效模式，设计能够防止这些故障发生的产品和过程，当无法避免时，我们能够发现并控制。
它可能是工序中用来确定、排除手工与自动操作错误的方法，也可能是在产品设计中加入防错的能力，也可以通过制造设备来实现防错。
如果增加到制造设备当中，可能是连接到车间控制系统的机械装置或电气控制系统。
一般来说，防错技术在生产过程中可以起到以下作用：
1.遇到异常（缺陷）时停止；
2.控制过程，使缺陷件不能流到下道工序；
3.将要发生或遇到异常（缺陷）时发出警告。
由此，防错装置能够有效地防止各种人为的失误，保证了“不接受缺陷、不制造缺陷、不传递缺陷”的精益生产原则。
好的防错装置，无论实施的情况怎样，都应有一些共同的特征：
1.防错装置应该是简单而廉价的，如果太过复杂或昂贵，那么这些装置就不具有成本效益；
2.防错装置应该是具体而富有针对性的，不能是华而不实的东西；
3.防错装置应该放置在靠近错误发生的地方，可以向工人提供快速的反馈，使错误可以得到尽快的修正。
三、防错分类及其设计方法与流程（七步法）
防错分为两个主要的类别：
预防防错和检测防错。
预防防错就是在过程中进行设计，使错误根本不能发生。
如发动机上需要装配2条管径相同、并排走向的油管，设计成接口错位布置，管长稍有差别，这样如果接口连接了错误的油管，就无法装配到位，从根本上防止了错误的发生。
检测防错是在已经发生错误时通过检测装置发现并发出警告信号，以便可以迅速地修正错误。
分析了防错的概念，分类之后，我们就制造过程中可能出现问题的各个方面进行深入的挖掘和梳理，然后有针对性的设计相关的防错措施来保证产品质量。
3.1错误产生的原因分析
制造过程中常见的失误可分为十大类：
（1）漏掉某个作业步骤；
（2）作业失误；（3）工件设置错误；（4）缺件或漏装；（5）用错零件或材料；（6）工件加工错误；（7）错误操作；（8）调整失误；（9）设备参数设置不当；（10）工装夹具准备不当。
失误原因
原因归类
所占比例
忘记
人
77.8%
对过程/作业不熟悉
人
识别错误
人
缺乏工作经验
人
故意失误
人
疏忽
人
行动迟缓
人
缺乏适当的作业指导
方法
11.1%
突发事件
设备
11.1%
通过对发动机装配生产线上的失效进行分析和研究，在制造过程中引起失误的原因主要有九类，其中人的失误占77.8%，方法的失误占11.1%，设备的失误占11.1%。
因此对于人的失误防错，是防错技术使用的重点.
根据上面现场分析整理的数据，我们可以很清晰的发现制造过程可能出现的潜在失效模式，利用七步法来设计相关的防错手段。
3.2防错的七步设计方法
第一步，识别现有和潜在缺陷，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。
用帕拉图和风险顺序系数（RPN）分析方法根据不符合要求的代价、频率和严重程度对失误划分等级，充分了解其影响的程度。
第二步，缺陷分析，找出失误的所有作用因素，用流程图、鱼骨图和5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
◆失误和缺陷之间的联系
第三步，提出防错方案，利用如下三种方法（零件特性法、作业步骤法和统计法）确定所需用到的防错技术、标准及装置，并确定防错在生产过程中的作用。
1.零件特征法，用于检查处理零件的形状和特征，包括：
1形状，设定各种形状特性如孔、曲线或角度等的标准，用作目视或物理检测上的参考。
2尺寸，设定高度、宽度、厚度等的标准，用作检测差错的参考。
3重量，设定重量的标准以检查材料是否过多、数量是否正确，以及工件是否平衡等。
2.作业步骤法，用于检查工序的顺序，确保步骤完整，包括：
①过程之中，将操作员和机器的实际操作和标准操作程序（SOP）相比较，建立规范和目视辅助以确定偏差以及发生偏差的频率。
②过程之间，确定一系列过程之中的某一个步骤是否没有正确执行或者被忽略。
3.统计法，用于将观察到的数值数据与过程或操作的理想标准作对照，包括：
①计数，将过程中所需零件数或者操作步骤数与标准相比较，如果存在差别，则将过程停下并发出警报。
②零件剩余，如果零件成套使用，将所有的零件的数量与标准相比较，如果有零件剩出，就表示出现差错。
4临界条件，将压力、温度、阻值等的数值与标准值相比较，检测偏差。
第三步是防错的核心部分。
必须掌握充分的信息，确定需要防错的场合。
需要掌握头脑风暴方法、相互交流的技能以及小组工作的技能等。
参与的人员要越多越好，无论是专家还是不甚了解的人员，关键是要集思广益，不要轻易放弃一些看似荒谬的意见，有可能它就是最终解决方案中的一部分。
第四步，评估选择可行方案，用方案选择矩阵选择行动方案并提出实施计划：
◆用方案选择矩阵对可行方案进行选择
◆对方案进行成本、效益分析
◆确定工序上的更改，并选择合适的防错装置
◆制定责任及时间表
◆分配所需的资源
◆与每一位相关的人员进行交流
第五步，实施防错方案，尽可能快地实施防错计划：
◆所有相关人员的承诺
◆自始至终使用相同的人员、零件、设备和程序，保证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
第六步，防差错方案运行和评估，对实施过程进行监控并对结果进行评估：
◆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
第七步，标准化和推广，对防错过程进行评审，并确定下一个要消除的缺陷，回到第一步。
对前面的过程和结果进行总结、归档，并建立和扩充防错装置数据库，作为防错技术应用的经验积累。
四、防错在公司发动机装配车间的应用
4.1预防性防错
预防性防错是在生产前对装配的流程或者工艺进行规划，在流程上防止操作者犯错。
a.发动机缸盖进排气阀装配防错
在发动机缸盖进排气阀装配中，存在2组外形相似，而且装配数量相同的阀，分别是进气发和排气阀，需要安装到发动机缸盖上，阀的安装孔在缸盖上交错均匀分布，这样，在装配过程中，很容易出现差错，如：
将进气阀安装到排气阀孔或者将排气阀安装到进气阀孔德情况。
我们根据现场的操作环境，选择了预防性的防错措施：
首先在工艺上规定装配顺序，先安装进气阀，全部安装后，才能安装排气阀。
防错装置设计采用2套装配模板，由PLC控制，电、气驱动模板翻转和移动，在待装配发动机缸盖到位和翻转运行，达到装配状态时，首先指示进气阀装配，并控制装配模板运行到进气阀装配位置，模板上将所有排气阀孔等无关的装配孔位全部遮挡，只留出进气阀的装配孔位，并检测进气阀的装配，装配完成后，防错装置自动切换装配模板，采用另一套模板，将进气阀孔等无关孔位全部遮挡，只留出排气阀装配孔位，并检测排气阀装配，如果装配完成，则模板自动运动回复到出事位置，装配好的缸盖可以放行进入下一个装配工位。
图1进排气阀装配防错图
通过工艺规定和防错装置的强制，防止了出现装配差错，而且采用了预防性措施，装配前就阻止了错误的发生。
b套筒选择安装防错
操作工选择不同的套筒放置位置实现同一把拧紧工具不同拧紧力矩的控制，预防人工只换套筒而漏或者误调整拧紧程序造成的不合格零件。
4.2检测性防错
检测性防错是在生产过程中和过程结束时对操作者的操作结果进行反馈和警示，及时反馈错误的操作，不让不合格产品流到下一个工位。
检测性防错一般由一些电子或者电气机构来实现，还有一些是由软件和电气线路共同构成。
DCEC目前有两个发动机总成装配生产车间，包括超过6条装配线，装配的发动机涉及一千多个品种，零部件种类繁多，装配工位和人员众多，目前主要针对人的失误广泛采用设备防错和人工防错相结合的防错技术，应用于发动机制造过程的型号识别、装配验证、尺寸检测、泄漏测试、输送过程、工件定位、零件盛放等过程，从而避免众多的失效模式，保证发动机的制造质量。
我们针对车间工位众多，防错设施和类别众多的情况，设计了一套防错装置系统的综合控制管理软件，配合各工位现场安装的防错装置运行。
图2防错的综合系统图
如上图所示，整个车间的电脑共用一个服务器，每个站点都是客户端，每个站点的电脑装有ATPU信息软件系统，生产计划和BOM维护员把每个站点的BOM信息维护到系统中，扫描一台发动机的时候，在本地都会生成本装配工位的BOM清单及当前待装配的发动机相关信息。
防错系统软件实时监测本工位是否有待装配的发动机到达，并获取待装配发动机的流水号、机型、订单、装机BOM清单等信息，自动确定本工位安装的防错装置的工作参数，并将这些参数设置到防错装置，控制防错装置运行。
下面介绍一下车间设计使用较多的几种检测性防错装置：
a重要零件扫描防错
针对发动机容易装错或者漏装的一些形体较大零部件，我们设计了条码扫描防错的防错装置。
这类零件均为发动机的关键性零部件，出现装错或者漏装，将照成重大质量问题，零件自身出厂时带有零件管理条码，可以通过条码识别零件的型号类别，防错装置正是利用这一点来实现。
当本工位的操作者装配零件的同时，需要将零件的条码信息反馈到信息管理软件和防错装置，防错装置自动根据发动机的装机信息，判断被装配的零件是否正确，如果零件正确，则以指示灯和信息提示装机正确，发动机可以正常放行流入下一个工位，如果零件不正确或者防错系统没有读取到正确的零部件条码，则发动机不能放行，如果试图放行，则防错装置立即以声光方式明确警告操作者装配有错，操作者必须改正零件装配，并且防错装置获取正确的零件条码信息后，才允许发动机放行，这样，本工位的装配差错被限制在本工本纠正，并得到纠正确认，错误的零件不会流入下一个工序。
b.螺栓拧紧防错
装配车间螺栓和螺母的装配大量存在，对于一些发动机重要部件的螺栓螺母，均有明确的拧紧力矩规定和数量规定，并采用电枪或定扭矩扳手完成，但由于发动机多品种混线生产，导致拧紧力矩、拧紧数量多，而且随发动机不同频繁变化，很容易出现漏拧或没有达到合格力矩。
我们设计了螺栓拧紧防错装置防止和纠正这类差错。
发动机到达装配位置后，根据工位计算机上得到的发动机装机信息，确定本工位各把电枪的要求拧紧次数。
检测电枪到达合格拧紧力矩的次数，每次达到合格拧紧力矩，合格灯点亮一次，系统判断总的合格拧紧次数是否达到要求的次数，如果到达，则总合格灯点亮，发动机允许放行，否则发动机不能放行。
如果没有完成拧紧操作就放行，则声光报警提示装配没有完成，并阻止发动机流入下一个工位，只有按下复位按钮并继续完成所有的拧紧操作后，才能放行。
系统有一个强制放行的选择开关，当防错装置调试或维护等情况时，可以选择强制放行，系统不检测拧紧次数，发动机可以直接放行。
防错系统将发动机的放行及电枪的拧紧合格及出错信息回送到ATPU信息系统，供系统进行工艺分析，数据统计和产品追溯。
c.料架防错
多品种混流生产导致装配线两侧料架上零件堆积，品种繁多，数量规格不一，多种外形相似，用途类似而分别适应于不同发动机的零件很容易混淆或者漏装，设计料架防错系统有效地防止了这类差错。
防错系统对料架进行定置管理：
料架上最多为4层，每层可以最多分割成16个小区域，整个料架最多共有64个小区域，每个零件料盒占用1个或多个区域位置。
料盒之间用隔板隔开，拿取对应零件只能在预先规定好的放置位置拿取。
每个料架上的料盒位置固定放置一种零件，料盒位置与零件一一对应。
对于个别料架，有几个零件拿取不会出现混淆，也不同时装配的情况，为节省料架空间，可以允许设置一个组合料盒，即：
二个或者更多个零件放置到一个料盒区域。
如：
一个长螺杆，和一个螺母类零件，分别装于电控类发动机和机械类发动机，则可以放置到带隔板的料盒两格内，在料架上作为一个整体分配放置空间。
扫描发动机条码后，工位计算机传送过来的零件输出信息直接控制相应零件料盒上的指示灯，所要安装的零件相对应的料盒上方的指示灯会亮。
操作工根据亮灯的情况到料盒中取零件，在料盒的出口处安装有光电感应开关，操作工到料盒中取零件的动作发生后料盒口的光电感应开关发令，传送到PLC进行处理，当所有的零件都拿取了之后，料架上会亮一个总的合格灯，此时流水线上的停止器可以放行，如这个总的合格灯没有亮，则停止器无法放行，如遇无须装零件的发动机，在料架上安装一个“放行”开关，打到“放行”档后停止器可以任意放行。
图3料架防错图
料架防错一般设定为：
每个料盒只检测一次拿取零件，不管装机数量多少，检测到伸手拿取一次即认为本料盒零件装机已经完成。
如果有些特别重要的零件，也可以设定为按照实际的装机数量检测拿取次数，这样设定后，每次只拿取一个零件，严格达到装机数量后才认为本料盒零件装机已经完成。
如果装配过程中，试图拿取不需要装配的零件，则防错装置立即声光报警提示，防止装配错误的零件，报警提示在纠正后自动恢复正常。
只有所有需要装配的零件均已拿取后，才允许发动机放行，如果还没有完成装配就试图放行，则防错装置立即报警提示零件装配没完成，并阻止发动机放行到下一个工位，必须纠正错误，继续完成整个装配后，按下报警复位按钮予以确认，防错系统才允许发动机放行。
这样，有效防止了零件漏装的错误。
d.位置防错
对于很多有工艺规定的操作流程，比如连杆螺栓的拧紧顺序，我们设计了位置防错,在每个连杆螺栓位置的正上方，安装了一组传感器，来检测每个时候拧紧机构所处的位置，在程序里面加上传感器做为每一步的启动条件，就严格限制了操作工必须按照工艺规定的流程来进行工作，否则拧紧机构不会进入工作。
e.机器视觉防错
机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。
机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据比较结果来控制现场的设备动作。
人们运用机器视觉系统是为了提高生产的产品质量和生产线自动化程度，尤其在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人眼难以满足要求的场合，同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。
而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。
与机器视觉关联的学科有图像处理、计算机图形学、模式识别、人工智能、人工神经元网络等。
在识别系统中存入已正确安装零件发动机的标准图片和信息数据，待操作工完成零件安装后，给识别系统发信号，识别系统开始进行拍照并根据发动机信息提取标准图片和数据进行比较，如果发现实际图形与标准图片有误差许可范围外的差别，即判断为零件错、漏装，用声光报警的形式提示操作工，要求操作者纠正装配错误。
图3活塞销卡环机器视觉防错图像
f.称重防错
对于活塞轴瓦这样零件，主要的差错在于漏装，特表是上下轴瓦，颜色与发动机缸体不易区分，装配完成或漏装时，人工目测很容易眼疲劳而出现差错，设计了称重防错装置。
称重防错装置根据工位的发动机装机BOM清单，确定需要安装那些种轴瓦，各装机多少，然后通过精密测重仪实时监测轴瓦的取件数量，只有每种轴瓦均达到要求的装机数量后，合格灯点亮，允许发动机放行。
如果没有装配完成就试图放行，则防错装置立即声光报警并阻止发动机进入下一个工位，直到纠正错误，完成正确的装配后，才允许发动机放行。
五.防错应用前后的效果验证和改进
不同的发动机产品实施共线生产，是制造工业的发展趋势。
利用原生产线设备稍加改造,实施多品种的共线生产，应用更多的防错技术，达到降低制造成本的目的。
经过近两年的努力尝试和投入，大大减少了人的无意识错误，关键件、特殊零件的安装质量得到控制，制造部OEMPPM从2006年的4000到目前降低到520，质量的追求是永无止境的，为了质量的零缺陷，我们把“持续改进”作为我们的工作宗旨，把“用户是否满意作为衡量我们工作的唯一标准，不断满足用户对质量的需求。
数据是质量分析的基础，对于大量的数据，如何进行卓有成效的的收集整理，是企业质量信息系统成功的关键。
数据是质量状况的真实反映，是分析和决策的依据，只有详尽准确的数据，客观的信息，才能反映企业真实的质量状况。
康明斯发动机OEM信息，由派驻主机厂服务人收集，并通过相关部门汇总返回责任单位，流程如下：
派驻主机厂服务人员——服务部汇总——质量部——制造过程中的问题——制造部进行整理——问题分析——查找原因、采取措施。
这种一层一层的反馈最终对我们防错的改进提供了事实依据。
防错的使用和效果改进是个长期和动态的过程，和我们大家的质量意识息息相关，我们要提高质量意识，现在就要建立防错意识。
使用防错就是从行动上保证质量。
防错没有高深的理论，人们只要有了防错意识，略加学习，发挥自己的积极性、创造性，就能作出可喜成绩。
推行防错术应全员参与，因为产品质量同每个员工相关。
每个员工在其岗位上最了解本职工作的情况，容易有效运用防错。
我们在前面强调了设计和工艺，这是由于设计是产品的源头，工艺是产品制造的源头，相关处室、车间是它们的内部顾客，体现了以顾客为关注焦点的管理理念。
再者，源头出了差错造成的质量损失常常是成数量级增长。
防错术的运用将会带来可观的经济效益。
据《质量铄金》提供的资料，一家欧洲公司仅仅在组件上涂颜色作记号，防止可能出现的混淆，就使一条生产线的返工率下降了大约35%。
根据克劳斯比的说法，对不少企业来说，“把做错及重做事情的费用加起来，不符合要求的代价远超过销售收入的20%，是税前利润的5倍”。
可见，减少质量损失存在很大的挖掘潜力。
推行防错术，无疑会使企业效益大见成效。
防错的改进来自于我们的操作人员的反馈，好的防错应该是很容易被操作者接受的，操作者的意见和建议应该是防错改进的主要方向。
六、结束语
20世纪60年代初，当零缺陷管理大师克劳士比提出“零缺陷”思想时，并没有想到它能成为风靡世界的质量管理思想，如今，“零缺陷”已从制造业扩大到工商业的所有领域。
生产现场是一个复杂的环境，每一天，每一件事都可能出现，差错导致缺陷，缺陷导致顾客不满和资源浪费，而防错法也是“零缺陷”思想的精髓。
应用防错法，制造“零缺陷”产品已经成为企业的共识。
防错法的核心思想是：
以人为本、预防为主、差错是可以避免的、“零缺陷”是可以实现的。
实践表明，日本一些企业应用该方法，已经达到5.5个西格玛以上水平，取得了显著成效。
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