进阶篇：4.3）DFA设计指南：防错设计（ 防呆设计）
本章目的：每一个装配步骤都有设计防错。
1.前言
2. 防错法
2.1 防错的由来：墨菲定律
可能出错的事情,就会出错( If anything can go wrong,it will)。--墨菲定律
翻译成纯中文就是：怕啥来啥。
爱德华·墨菲是一名工程师,他曾参加美国空军于1949年进行的MX981实验。这个实验的目的是为了测定人类对加速度的承受极限,其中一个实验项目是将16个火箭加速度计悬空装置在受试者上方,当时有两种方法将加速度计固定在支架上,而不可思议的是,竟然有人有条不紊地将16个加速度计全部装在错误的位置。于是墨菲得出了著名的论断:“如果有两种选择,其中一种将导致灾难,则必定有人会做出这种选择”,后来演变为“可能出错的事情,就会出错( if anything can go wrong, it will)”。
墨菲定律在生活中还有其他的延伸,以下仅供娱乐:
1)你携伴出游,越不想让人看见,越会遇见熟人。
2)你有两把相似的钥匙,你总会用错误的一把钥匙去开门。
3)你若帮助了一个急需用钱的朋友,那他一定会记得你—在下次他急需用钱的时候。
4)你早到了,会议却取消。你准时到,却还要等。迟到了,那就是真的迟到了。
5)另一排总是动得比较快。你换到另一排,你原来站的那一排,就开始动得比较快了。你站的越久,越可能是站错了排。
6)你买人一只股票,股票就一直下跌。你把股票抛了,股票却扶摇直上。
2.2 防错法的定义
防错法( mistake- proof,error-proof)是指通过产品设计和制造过程的管控来防止错误的产生。日本丰田公司第一次提出了防错的概念。我国台湾称之为防呆法,顾名思义,就是一个呆子来装配也不会产生错误。2.3 防错的目的
防错法能够达到以下目的:
1)减少错误、提高产品利润率。
2)减少时间浪费、提高生产效率。
3)减少由于检查而导致的浪费。
4)消除返工及其引起的浪费。
5)提高产品质量和可靠性。
6)提高产品使用人性化、消费者满意度和产品信誉。
2.4 防错的意义
防错的设计意味着:
不需要注意力——即使疏忽也不会发生错误。
不需要经验和知觉—外行人也可以做。
不需要专门知识——谁做都不会出错。
不需要检查——第一次就把事情做好。
在产品进行装配时,如果零件存在着一个以上的装配位置(即零件在多个位置都可以装配),但是只有一个正确位置,传统的方法是通过装配过程的管控和对操作人员的培训来指导操作人员把零件装配到正确位置。但是,残酷的事实告诉人们,在某一天,零件终将会被装配在错误的位置,这可能仅仅是因为操作人员的一次心不在焉。试想,一个操作人员每天进行同样的装配工作上百次、上千次甚至上万次,如果产品设计不能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。
2.5 日常生活中的防错实例
USB接口是计算机中最常用的一种接口方式,广泛应用于数码相机、数码摄像机、移动硬盘、U盘、鼠标和键盘等与计算机的连接。USB的接口设计是一种典型的防错设计。只有当USB插头插入方向正确时,USB插头才能够插入到计算机的USB接口中;当USB插头插入方向不对时,USB接口中孔槽的不对称设计会阻止USB设备的进一步插入。USB接口和USB插头的设计如图2-48所示。
那么,USB的接口设计是一个理想的防错设计吗?平均下来,作者每天会使用USB接口两到三次,但是并不是每次的使用心情都是愉快的。根据USB接口中孔槽的不对称防错设计,在USB插头接触到USB接口之前,USB插头有两种插入方向,一种是正确的方向,USB插头和USB接口中的不对称孔槽刚好对应,USB插头能够顺利插入到USB接口中。另外一种是错误的方向,USB插头和USB接口中的不对称孔槽不对应,USB接口阻止了USB插头的插入,此时必须调整USB插头的插入方向。理论上来说,每次插入USB都有50%的可能性插入方向不对,而每次当作者感觉到插入方向不对时,不得不放下手中的工作,把全部注意力放在USB上,仔细看清楚USB插头孔槽的位置和USB接口中孔槽的位置,再对齐,USB设备才能插入成功。相信很多读者都有这样的体会,期望着USB接口的设计也像电脑的耳机接口一样,我们闭着眼睛、漫不经心地就可以把USB设备插入到计算机中,这才是人性化的设计。如：现在的TYPE-C插头就是体现了这种人性化设计。
因此,USB的接口设计是一个好的防错设计,但不是最理想的防错设计,因为它不人性化。换句话说,最理想的防错设计不但能够防止错误的发生,还能够防止你产生错误的念头。
在面向装配的产品设计中,防错的设计不仅仅是满足产品制造过程中防错的要求,还需要满足消费者使用产品过程中的防错要求。消费者使用产品的过程也是产品装配过程的一部分,更为重要的是,消费者对于防错的要求更高,不但要做到防错,还需要做到使用人性化。因为不可能去教育消费者“你应该这样做”“你应该那样做”,作为很多产品(比如电脑、电视机、空调等)的消费者,他们根本不会花时间去阅读产品使用手册。
2.6 防错法的两大分类（不要丢锅）
防错的设计可以分为设计防错和制程防错,如图2-49所示。
传统的防错设计关注的是产品的装配阶段,为此,企业不得不花费大量的人力和物力来培训操作人员和花费大量的金钱来购买自动化设备。而面向装配的产品设计优先考虑产品的设计防错,只有当设计防错很难实现或者代价高的时候,才考虑制程防错。
2.6.1 设计防错
零件仅具有唯一正确的装配位置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
最后的选择：通过制程来防错
最完美的防错是不必防错
2.6.2 制程防错
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
2.7 本章介绍的防错范围
本章将重点介绍设计阶段的防错。
本章不介绍如何防止零件的多装和漏装，这点注意。因为有时候防止零件的多装和漏装也叫防错。
a）在DFMEA中，防错是一种可靠性设计手段，是一种设计上的要求或质量特性，多为能主动影响到用户使用的设计。
如汽车的某些安全设计，如自动紧急刹车系统、车道偏离预警系统、侧翻矫正系统等。这些智能的设计都是一种能在汽车失效之前给予的安全措施，视为防错。这些都属于某些车型的设计要求。
b）在DFMA中，防错是属于DFA的一种设计方法，本博文也有介绍。如：零件仅具有唯一正确的装配位置。
3. 零件仅具有唯一正确的装配位置
任何一个零件在产品装配中只能具有唯一正确的装配位置,只有当零件装配位置正确的时候,零件才能被固定。如果零件有多个装配位置,产品或者零件上应当具有特征来阻止零件被装配到错误的位置。上文说到的USB接口就是一个例子,USB接口有且只能有一个正确的装配位置,当USB插头插入方向不对时,USB接口上的不对称孔槽就会阻止USB插头的继续插入。
但仔细分析，防错设计的对象包括两种:
1）单个零件本身的防错,即零件在正确的装配位置旋转一定角度后,例如90°、180°等,零件是否还可以继续装配。如上文所说的USB接口的防错。
2）零件与零件之间的防错。一个零件在产品中应当只能在一个装配位置进行装配,如果一个零件在另外一个装配位置也可以进行装配,那就会带来装配错误问题。
3.1 单个零件本身的防错：防止零件在对应的装配位置装错
在产品设计中,最容易发生的装配错误是零件由两个点固定时。
如图2-50所示,零件A通过两个螺钉固定在零件B上。原始设计中,在进行实际的装配时零件A有图示的4种可能的装配位置,显然这很容易引起装配错误;
在改进的设计中,零件A增加了两个凸台,零件B增加了一个凸台,使得零件A不可能装配到图示的错误位置,零件A仅具有唯一正确的一个装配位置。
3.2 零件与零件之间的防错：防止零件装配到其它零件位置
4. 零件的防错设计特征越明显越好
在允许的情况下,零件的防错特征需要设计得越明显越好。非对称的孔、槽和凸台越不对称越好。PS2接口的防错设计不是一个很好的防错设计,正是因为其防错特征不够明显。
在USB接口出现之前,PS2接口是键盘和鼠标的通用接口。
如图2-53所示,PS2接口和PS/2插头的防错设计具有两个防错特征:其一是PS/2接口中长方形的孔与PS/2插头中间的长方形柱子;其二是P/2接口四周不对称的三个孔与PS/2插头四周的三个金属凸起。只有当以上两个防错特征一一对齐时,PS/2插头才能正确插入。
但是,两个防错特征尺寸都比较小,在实际操作过程中要对齐非常困难,必须把PS/2插头和接口完全对齐,才能保证正确插入,稍有偏差都不能成功。PS2接口的这种使用只有用“痛苦”来形容,使用过PS/2接口的键盘和鼠标的读者一定对此深有体会。因此,PS/2的防错设计不是一个理想的防错设计。
图2-54显示了电脑中常见的4种接口防错特征的明显程度。从左至右分别为PS2、视频接口、USB、电源接口,防错特征的明显程度从左至右逐步增加,PS/2的防错特征最不明显,装配最困难;电源接口的防错特征最明显,装配最容易。
5. 夸大零件的不相似性
5.1 尽量合并相似零件
尽量合并相似的零件。针对相似的零件,在进行防错设计时,尽量把他们合并成一个零件,参见kiss章节的合并相似的零件。
如果在产品装配的生产线上,有两个相似的零件需要装配在不同的位置实现不同的功能,它们的唯一判别方式是零件料号,那么这就存在着两个零件互相装错位置的风险。如果操作人员不仔细查对零件的料号,很容易误把一个零件当成另外个零件,产生装配错误,带来返工,造成时间和成本的浪费。如果当零件的固定不可拆卸时,如焊接、铆合、热熔等,这会造成整个产品的报废,带来更大的成本损失。
5.2 如果相似零件不可避免，则应尽量夸大零件的不相似性
针对相似的零件,如果不能合并成一个零件,则夸大零件的不相似处。
在kiss原则章节中讨论了如何把相似的零件合并成一个零件,对于相似的零件,最理想的防错设计是把它们合并成一个零件。如果不能,则需要把零件的不相似处设计得很明显,尽量使得两个零 件看上去完全不一样,这就可以避免在装配过程中,
零件被错误地装配到其他位置。如图2-55所示,如果两个零件实在不能合并成一个零件,那么就需要把这两个零件设计得明显不同,使得操作人员能够很清楚地认识到两个零件的区别,从而避免产生装配错误。
6. 夸大零件的不对称性
6.1 完美的零件是完全对称的零件
完美的零件是完全对称的零件,这是因为:
①零件完全对称,任何角度都可装配,可以减少操作人员的装配调整时间,减少产品整体装配时间。
②零件完全对称,可以进行盲装,大幅提高装配效率。
③有关消费者操作的零件如果完全对称,消费者操作时根本无须仔细对齐和调整即可正确操作到位,可提高使用人性化,提高用户体验度。
如图2-56所示,人们日常生活中使用的音频接口和音频插头在轴线上是完全对称的,因此把音频插头插入到音频接口中,无论插头怎么旋转,都不会插错,而且插入时不需调整对齐,使用非常人性化。
最好的防错设计是根本不需要防错,这是防错设计的最高境界。完全对称的零件符合这样的要求,产品设计时根本不需要担心防错问题。
在前面一节讲述的USB接口一例中,USB接口因为其不对称性使得其操作非常不方便、不人性化。最新的USB3.1 Type C的设计(见图2-57)考虑到了这点,从USB的对称性入手,将USB的接口设计得上下都对称,正反一样,正反插都能保证有效连接,解决了原来的“USB永远插不对”的问题,提高了使用人性化。
6.2 尽量提高零件的对称度
如果零件无法做到完全对称,则应该提高零件的对称度。
零件的对称度包括两种,如图2-58所示。
α对称度:α对称度指零件垂直于零件装配时插入方向轴的首尾对称角度。
β对称度:β对称度指零件绕着零件装配时插入方向轴的对称角度。
b)操作人员抓取零件后,需要较多调整,仔细对齐对应零件上的槽,才能装配到位。
c)操作人员抓取零件后,不需太多的调整对齐,即可装配到位。
d)操作人员抓取零件后,不需调整,直接插入对应零件的孔中,即可装配到位。
图2-61所示为一些具体的提高零件α和β对称度的实例。
6.3 如果零件的无法对称，则尽量夸大零件的不对称性
零件如果存在微小的不对称性:，那么就容易产生以下后果。
①容易装错。
②需仔细对齐,增加装配时间,降低装配效率。
如果零件因为设计限制无法做到对称,则需要夸大零件的不对称性,零件的不对称性越明显越好。
如图2-62所示,在原始的设计中,零件左右两侧凸台的高度一侧为4mm,一侧为5m,相差1mm,但这是零件的功能要求,无法更改,零件相对于两孔中心连线的对称性无法获得;在改进的设计中,增加左侧凸台的长度,夸大零件的不对称性,零件的不对称性非常明显,从而避免装配错误的产生。
7. 设计明显防错标识（标识不同于特征）
如果零件防错特征很难设计,至少需要在零件上做出明显的防错标识,以指导操作人员的装配,或者告诉消费者如何使用,这些标识包括符号、文字和鲜艳的颜色等。
//作者希望在有防错特征的情况下，也设计有明显的防错标识。
图2-63所示的零件是一个左右对称的零件,因为设计的限制,零件无法添加不对称的孔、槽以及凸台等防错特征,那么产品设计工程师至少需要在零件上添加明显的标识(例如符号或文字)来指导操作人员的装配或者消费者的使用。
PS/2的接口防错设计也是一个典型的颜色防错的实例。鼠标的PS/2接口和插头是绿色,键盘PS/2接口和插头是紫色,使用同一种颜色来告诉消费者哪一个接口该插鼠标、哪一个该插键盘,防止消费者把鼠标插头插到键盘接口上或者把键盘插头插到鼠标接口上。同时,在鼠标和键盘插头上分别有鼠标和键盘的符号,在电脑上相应的接口处也有鼠标和键盘的符号,这也是防错的标识。当然这些符号太小,不容易引起消费者的注意。
需要注意的是,这一类的防错特征（指防错标识）不是理想的防错设计方法,必须获得操作人员或者消费者的注意才能够保证防错设计的成功,这不是防错设计的最佳方法。
8. 最后的选择：制程防错
制程防错的方法包括以下几种:
1）改变或增添工具、工装。
2）改变加工步骤。
3）增加使用清单、模板或测量仪。
4）执行控制图表。
9. 最完美的防错（好图）
在上面的章节中讲述了多种防错方法,从产品的装配效率和装配质量等方面来看,不同的防错方法有着不同的级别,如图2-64所示。
在产品防错设计时,应尽量提高产品的防错级别,向着防错的最高级别“不必防错”靠近。
最完美的防错方法如下:
①零件根本就不必防错。
②装配效率高,装配质量高。
③不仅仅可以阻止错误的产生,还可以阻止产生错误的念头
④真正地做到防呆的设计,就算一个真正的“呆子”来操作也不会发生错误。
⑤最人性化的设计,具有高用户体验度的设计。
因此,对于防错设计的要求是：
1）不仅仅要做到防错,而且要做到最完美的防错!
2）如果无法实现完美的防错,也需要尽量提高防错的级别!
10.DFMA表格
DFMA学以致用，事前遵循，事后补缺。
