工业工程案例分析杜玉磊

C&E、FMEA与DOE在6σ项目中的综合应用摘要：在介绍分析C&E、FMEA与DOE方法工作原理的基础上,用实例阐明了在6σ项目实施的M阶段如何用C&E矩阵对输入因子进行量化评价的方法,以及用FMEA对初步选择的关键因子进行风险优先级评价的方法,并确定项目的关键因子;分析了在A、I阶段如何应用筛选设计、中心合成设计、响应曲面法,产生有效的DOE方案,得出最优的改善方案;结果表明在6σ项目中合理地综合应用C&E、FMEA与DOE方法,可使6σ项目的实施取得良好效果。关键词：6σ管理;原因与效果矩阵;失效模型效果分析;实验设计StudyontheApplicationsofC&E、FMEAandDOEin6σProjectAbstract：OnthebasisofintroducingandanalyzingtheimplicationprinciplesofC&E、FMEAandDOEmethodsillustrateshowtoemployC&EMatrixtoassessinputfactorsduringMphase.ItalsodescribeshowtoadoptFMEAtoevaluatepriorrisks,andthustoconfirmthekeyfactorsoftheprojectduringMphase,too.ItfurthermoreillustrateshowtoemployScreeningDesign,CCD,RSMtoachieveeffectiveplanofDesignofExperimentandhowtogettheoptimumimprovingmethodduringAandIphases.TheanalysesandillustrationsinthispaperconcludethatthereasonableapplicationsofC&E、FMEAandDOEcanmake6σprojectdrawbettereffect.Keywords:6σmanagement;C&E;FMEA;DOE0引言自20世纪80年代末摩托罗拉公司推行6σ(六西格玛)管理模式获得成功以来,几乎所有的世界财富500强的制造型企业都陆续开始实施6σ管理战略[1]。韦尔奇领导下的GE公司在1996年开始,更是将6σ战略列在GE三大战略之首,并逐渐使6σ从一种质量管理方法变成了企业追求管理卓越性的最为重要的战略举措[2]。在6σ项目D-M-A-I-C的不同进程阶段中会使用不同的工具(D:Define;M:Measure;A:Analyze;I:Improve;C:Control)[3]。本文在简要介绍C&E、FMEA、DOE3种方法使用原理的基础上,结合案例,对C&E、FMEA与DOE方法在6σ项目中的综合应用作了初步的研究。1C&E、FMEA与DOE方法的工作原理1.1C&E工作原理6σ项目在完成D(定义)阶段后,进入M(测量)阶段,在大多数情况下,有太多的输入变量因子可能对过程有影响,采集所有可能的输入变量数据需花费大量时间及财力,并且团队中各个成员也可能对流程中的输入因子关键程度有不同见解。此时,就需要合适的工具对输入因子关键程度进行评价与选择。C&E矩阵(Cause&EffectMatrix原因与效果矩阵)通过量化原因与效果的关联度,结合输出结果变量对顾客的影响度,从而对需要测量及分析的输入因子进行分析,初步选择出几个关键因子[4]。具体方法如下:①列出所有输出结果变量;②按输出结果变量对顾客的影响度大小取权数,一般惯例可取1、3、5、9;③按输入因子与输出变量的关联度大小打分数,一般惯例可取1、3、5、9,分数越高,关联度越高;④权数与相关分数交叉相乘,并累加得出总体分数;⑤根据计算总分由高至低作好标识,总分越高,表明相对应的输入因子越关键。假设:有n个输出结果变量,m个输入因子;Oi为第i(i=1,2,…,n)个输出结果变量对顾客的影响度权数,Oi∈（1,3,5,9);Pij为第j(j=1,2,…,m)个输入因子与第i个输出结果变量的关联度分数,Pij∈(1,3,5,9);Zj为第j个输入因子的关键总分,则n1ijiijPOZ，Zj越大,表明相对应的第j个输入因子越关键,一般而言,分数高于100的可视为关键因子进一步进行分析。由于C&E矩阵只是从原因与效果的关联度、输出结果变量对顾客的影响度两个维度对输入因子进行了评价,这是不够全面的。因此,需要通过其它工具对已初步选择的输入因子进一步分析。1.2FMEA工作原理FMEA是FailureModeandEffectAnalysis的缩写,通常翻译为失效模式及效果分析,FMEA的目的是通过事前预测产品或服务程设计中可能发生的缺陷点,评价其风险优先度,从而能够针对可能产生缺陷的因子采取事前预防措施。在6σ项目中,FMEA往往被使用在A(分析)阶段,实际上,在M阶段关键输入因子的选择与确定中,FMEA也是一种很有价值的分析工具。FMEA原理的核心是对失效模式的严重度、频度和探测度3个维度进行风险评估,通过量化指标确定高风险的失效模式及关键输入因子,并制定预防措施加以控制,从而将风险减小到可接受的水平。具体方法如下:①确定流程的步骤、输入因子及潜在失效模式;②明确每种失效的潜在失效影响并估计其严重度;③确定产生影响的失效原因并估计其发生频度;④确定检测每种失效模式能力的可检测度;⑤用上述3个数值相乘来确定风险优先数(RPN);⑥将RPN值由高至低作好标识,值越高,表明相对应的输入因子越关键;⑦确定降低或消除高RPN值因子风险的方法。假设:共有n(n≠0)个输入因子,其中,Si、Oi、Di分别为第i个输入因子失效模式的严重度、频度与探测度,RPNi为风险优先数,iiiiDOSRPN，由高到低对RPNi进行排列,RPNi越大,表明相对应的第i个输入因子越关键。一般而言,当RPNi值明显大于RPNi+1时,取序号≤i的输入因子为关键因子。1.3DOE工作原理通常人们采用OFAT(OneFactoratATime一次只改变一个因子)的方法进行实验。对于OFAT,其缺陷是明显的:一是效率低,要获得相同数量的信息,OFAT需要的实验次数远远大于DOE,人们往往在得到他们所满意的信息之前便已经用完了时间与资源;二是结论不准确,OFAT不能发现因子之间的交互作用,因而OFAT得到的优化结果往往与实际的最佳结果有出入[5]。OFAT方法在6σ项目中显然是不适用的。6σ项目在完成D、M阶段后,初步确定了输入变量Xs与输出变量Y,接着进入A和I阶段,在这两个阶段中,DOE方法是一种探索Xs和Y之间因果关系有力且有效的工具。DOE方法通过科学的分析产生合理的实验设计方案,达到如下效果:确定对结果有最大影响的“关键少数”Xs,量化关键Xs的效果以及它们之间的交互作用,量化Xs与Y之间的关系,用有限的资源最大限度地获取有用信息。DOE的设计类型一般分为全因子、部份因子、筛选、响应曲面4种。在实际应用中,根据流程的知识状态、资源情况及项目的不同需要选择其中的一种或几种类型[6]。对以上4种DOE类型的应用条件及选择可总结如表1。表1DOE类型的应用条件及选择2案例与分析2.1项目背景TCL手机公司作为TCL集团的支柱企业,在高速成长中,曾遭遇管理上的瓶颈,在2004年出现了较大程度的亏损。2005年上半年,在完成了对阿尔卡特手机业务的整合及战略调整后,TCL手机及相关内部配套企业开始全力推进6σ管理模式,并按照以顾客为导向的原则,确定20多个6σ项目作为第一批实施项目。手机电池作为手机的关键部件,也成为了被关注的重点之一。2004年,由于TCL手机电池封装不良导致的拆壳率高达3.1%,带来了物料损耗巨大、无效作业工时状态需求DOE类型筛选部分因子全因子响应曲面流程知识状况低中高最高通常因子个数43-151-78(因子为连续型变量)确定的目标最重要的因子一些交互关系所有因子关系优化因素设置分辨率ⅢⅣ、ⅤFull非线性高,、手机用户投诉增加等问题,直接损失达186万元。为此,确定了“降低手机电池封装过程拆壳率”6σ项目,目标是通过实施项目,在6个月内将拆壳率下降至1.5%以内,其中要将因超焊不良导致的拆壳率由0.28%下降至0.03%以内。2.2用C&E选择关键输入因子D阶段完成了关键质量特性(CriticaltoQuality,CTQ)及输出变量的定义;进入M阶段,很重要的工作就是选择与确定关键输入因子。通过对流程各个步骤及输入要素的分析,得出了3个关键输出变量,及58个输入因子。经项目小组讨论,得出C&E矩阵如表2所示。表2手机电池封装流程步骤C&E矩阵序号对顾客重要度974关键质量特性(CTQ)输出变量电池性电池外电池配总分能不良观不良机不良(Z)比例比例比例流程步骤输入1231扣壳壳料尺寸的一致性5991442超焊超焊参数5991443超焊下模结构尺寸5991444超焊调模技术水平5591165超焊上模结构尺寸5551006超焊超焊工艺195927超焊保护膜厚度195928扣壳保护板结构911929前加工电芯9008110焊接烙铁温度9008111前加工万用表90081…………………58前加工夹具1009从上述C&E矩阵可得出扣壳流程中的壳料尺寸一致性、保护板结构,超焊流程中的超焊参数、下模结构尺寸、调模技术水平、上模结构尺寸、超焊工艺、保护膜厚度共8个Z值超过90的输入因子可作为主要考察对象(考虑到C&E矩阵为初步分析,所以将考察范围增大为Z值大于90),并通过FMEA工具进一步分析,以确认其关键性。2.3用FMEA选择与确定关键输入因子对从C&E矩阵中选择出的8个关键因子,用FMEA工具进一步分析,从失效模式的严重度、频度和探测度3个维度进行风险评估,得出FMEA如表3所示。表3手机电池封装流程步骤FMEA表序号流程步骤输入潜在失效模式失效潜在影响SEV失效潜在原因OCC当前控制措施DETRPN建议措施1超焊下模结构尺寸超伤，变形量大，超不平影响外观和配机效果7模具结构与壳料不匹配9试模，修模8504对模具进行优化设计2扣壳壳料尺寸的唯一性超焊变形量大影响超焊的稳定性和配机效果6结构设计部合理/来料质量不稳定7来料控制7294设计改进/供应商改善3超焊超焊参数超不下影响配机6参数不稳定4凭听觉和经验9216对设备参数进行优化4超焊调模技术水平超焊质量部稳定，物料损耗大影响质量和成本6技术水平较差5更换或培训390增强PE功能，多做结构分析，提高技术水平5扣壳保护板结构和性能端子位移、下陷，原件超松电性能不良6保护板强度不够，保护板与壳料的结构匹配差4全检或加美纹胶372结构设计优化6超焊超焊工艺不熔胶、熔胶少、超伤、超焊后性能不良影响配机外观和性能8熔接时间短2更改参数464工艺优化7超焊保护膜厚度超伤超伤5保护膜厚或损坏4更换360选择适合的保护膜厚度8超焊上模结构尺寸朝韩质量不稳定超焊质量不稳定5工艺部合理3首件检查460试产保证和改善从上述FMEA分析表中,可以看出,RPN1、RPN2、RPN3明显大于其它因子的RPN,可把扣壳流程和超焊流程中的超焊参数、壳料尺寸一致性、下模结构尺寸3个RPN值明显较大的输入因子作为关键输入因子,进行数据收集,并进入A(分析)阶段。2.4用筛选设计进一步找出超焊参数的关键因子由M阶段的分析可知,扣壳流程和超焊流程中的超焊参数、壳料尺寸一致性、下模结构尺寸是造成手机电池拆壳率较高的关键因素。其中,下模结构尺寸需通过优化模具设计来解决,壳料尺寸一致性则需通过推动供应商改善解决,而超焊流程中的超焊参数的优化则可以通过DOE方法来解决。为此,6σ项目分别对输出变量Y(手机电池超焊过程拆壳率)与输入变量Xs(超焊流程中的超焊参数)进行定义与测量,并选出对Y有较大影响的7个潜在子因子,确定了各子因子的水平(见表4)。考虑到7个因子实验量仍然较大,须通过筛选设计进一步选出关键因子。项目组用MINITAB软件