进阶篇：4.3）DFA设计指南：防错设计（ 防呆设计）

本章目的：每个装配步骤都有设计防错。

 

1.前言

关于防错设计，做者有想说的话：

1）防错设计是DFA重要的一条。由于太太重要，做者单独开一分章写！

2）只有理解了设计防错的重要，才会去设计防错特征。防错设计单对零件制造而言是要花钱的。嗯，对你的老板说的。╮(╯▽╰)╭

3）除非是特殊要求，例如产品多样化等。防错设计通常只能为设计防错，丢锅给制程防错可不地道。固然，你的老板给你钱和时间去设计防错了。

4） 防错有极限，通常不能防止多装，漏装。多装，漏装仍是要工序中的检测来防止的。

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,而难以想象的是,居然有人有条不紊地将16个加速度计所有装在错误的位置。因而墨菲得出了著名的论断:“若是有两种选择,其中一种将致使灾难,则一定有人会作出这种选择”,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余的延伸,如下仅供娱乐:
1)你携伴出游,越不想让人看见,越会碰见熟人。
2)你有两把类似的钥匙,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,那他必定会记得你—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)另外一排老是动得比较快。你换到另外一排,你原来站的那一排,就开始动得比较快了。你站的越久,越多是站错了排。
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)是指经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

防错法可以达到如下目的:
1)减小错误、提升产品利润率。
2)减小时间浪费、提升生产效率。
3)减小因为检查而致使的浪费。
4)消除返工及其引发的浪费。
5)提升产品质量和可靠性。
6)提升产品使用人性化、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:
不须要注意力——即便疏忽也不会发生错误。
不须要经验和知觉—外行人也能够作。
不须要专门知识——谁作都不会出错。
不须要检查——第一次就把事情作好。
在产品进行装配时,若是零件存在着一个以上的装配位置(即零件在多个位置均可以装配),可是只有一个正确位置,传统的方法是经过装配过程的管控和对操做人员的培训来指导操做人员把零件装配到正确位置。可是,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,这可能仅仅是由于操做人员的一次心不在焉。试想,一个操做人员天天进行一样的装配工做上百次、上千次甚至上万次,若是产品设计不能提早预防装配错误的发生,那么就算是万分之一的几率,操做人员稍微不留神,错误就发生了。所以,产品设计必须进行防错的设计,提早预防装配过程当中可能发生的错误。

2.5 平常生活中的防错实例

USB接口是计算机中最经常使用的一种接口方式,普遍应用于数码相机、数码摄像机、移动硬盘、U盘、鼠标和键盘等与计算机的链接。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插头才可以插入到计算机的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,做者天天会使用USB接口两到三次,可是并非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接口以前,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恰好对应,USB插头可以顺利插入到USB接口中。另一种是错误的方向,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。理论上来讲,每次插入USB都有50%的可能性插入方向不对,而每次看成者感受到插入方向不对时,不得不放下手中的工做,把所有注意力放在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。相信不少读者都有这样的体会,指望着USB接口的设计也像电脑的耳机接口同样,咱们闭着眼睛、漫不经心地就能够把USB设备插入到计算机中,这才是人性化的设计。如：如今的TYPE-C插头就是体现了这种人性化设计。

所以,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,由于它不人性化。换句话说,最理想的防错设计不但可以防止错误的发生,还可以防止你产生错误的念头。
在面向装配的产品设计中,防错的设计不只仅是知足产品制造过程当中防错的要求,还须要知足消费者使用产品过程当中的防错要求。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,不但要作到防错,还须要作到使用人性化。由于不可能去教育消费者“你应该这样作”“你应该那样作”,做为不少产品(好比电脑、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）

防错的设计能够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做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

零件仅具备惟一正确的装配位置
零件的防错设计特征越明显越好
夸大零件的不类似处
夸大零件的不对称性
设计明显防错标识
最后的选择：经过制程来防错
最完美的防错是没必要防错

2.6.2 制程防错

改变或增添工具、工装
改变加工步骤
增长使用清单、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。由于有时候防止零件的多装和漏装也叫防错。

建议设计师也是从防错开始设计。再逐步学习如何防漏和防多。

3. 零件仅具备惟一正确的装配位置

任何一个零件在产品装配中只能具备惟一正确的装配位置,只有当零件装配位置正确的时候,零件才能被固定。若是零件有多个装配位置,产品或者零件上应当具备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）单个零件自己的防错,即零件在正确的装配位置旋转必定角度后,例如90°、180°等,零件是否还能够继续装配。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,若是一个零件在另一个装配位置也能够进行装配,那就会带来装配错误问题。

3.1 单个零件自己的防错：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经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,显然这很容易引发装配错误;

在改进的设计中,零件A增长了两个凸台,零件B增长了一个凸台,使得零件A不可能装配到图示的错误位置,零件A仅具备惟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

 一个产品的全部装配工序中，很容易出现将一个零件安装在不属于它的位置。好比不一样规格的螺钉安装。

这时候，一般须要正确的工艺指导来进行防错。但若是能进行防错设计，好比标准化，会更胜一筹。

如图2-52所示,零件与零件之间经过不相同的形状特征来进行防错。

4. 零件的防错设计特征越明显越好

在容许的状况下,零件的防错特征须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,正是由于其防错特征不够明显。

在USB接口出现以前,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插头的防错设计具备两个防错特征: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。

可是,两个防错特征尺寸都比较小,在实际操做过程当中要对齐很是困难,必须把PS/2插头和接口彻底对齐,才能保证正确插入,稍有误差都不能成功。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必定对此深有体会。所以,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PS二、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长,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。

零件的防错设计特征越明显，防错效果越好。

防错特征不明显，会让人抓狂！！

 

5. 夸大零件的不类似性

5.1 尽可能合并类似零件

尽可能合并类似的零件。针对类似的零件,在进行防错设计时,尽可能把他们合并成一个零件,参见kiss章节的合并类似的零件。
若是在产品装配的生产线上,有两个类似的零件须要装配在不一样的位置实现不一样的功能,它们的惟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。若是操做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,形成时间和成本的浪费。若是当零件的固定不可拆卸时,如焊接、铆合、热熔等,这会形成整个产品的报废,带来更大的成本损失。

 

5.2 若是类似零件不可避免，则应尽可能夸大零件的不类似性

针对类似的零件,若是不能合并成一个零件,则夸大零件的不类似处。
在kiss原则章节中讨论了如何把类似的零件合并成一个零件,对于类似的零件,最理想的防错设计是把它们合并成一个零件。若是不能,则须要把零件的不类似处设计得很明显,尽可能使得两个零 件看上去彻底不同,这就能够避免在装配过程当中,

零件被错误地装配到其余位置。如图2-55所示,若是两个零件实在不能合并成一个零件,那么就须要把这两个零件设计得明显不一样,使得操做人员可以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 完美的零件是彻底对称的零件

完美的零件是彻底对称的零件,这是由于:
①零件彻底对称,任何角度均可装配,能够减小操做人员的装配调整时间,减小产品总体装配时间。
②零件彻底对称,能够进行盲装,大幅提升装配效率。
③有关消费者操做的零件若是彻底对称,消费者操做时根本无须仔细对齐和调整便可正确操做到位,可提升使用人性化,提升用户体验度。

如图2-56所示,人们平常生活中使用的音频接口和音频插头在轴线上是彻底对称的,所以把音频插头插入到音频接口中,不管插头怎么旋转,都不会插错,并且插入时不需调整对齐,使用很是人性化。

最好的防错设计是根本不须要防错,这是防错设计的最高境界。彻底对称的零件符合这样的要求,产品设计时根本不须要担忧防错问题。
在前面一节讲述的USB接口一例中,USB接口由于其不对称性使得其操做很是不方便、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,正反同样,正反插都能保证有效链接,解决了原来的“USB永远插不对”的问题,提升了使用人性化。

6.2 尽可能提升零件的对称度

若是零件没法作到彻底对称,则应该提升零件的对称度。
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。

图2-59显示了各类零件的α和β对称度,从左至右零件的综合对称度从低至高,零件的装配效率也从低至高。

 图2-60所示为一个零件的β对称度从低到高的实例,很显然,零件的装配效率随着β对称度的提升而逐渐提升。

a)操做人员抓取零件后,须要不少调整,仔细对齐对应零件上的槽,才能装配到位。

b)操做人员抓取零件后,须要较多调整,仔细对齐对应零件上的槽,才能装配到位。

c)操做人员抓取零件后,不需太多的调整对齐,便可装配到位。

d)操做人员抓取零件后,不需调整,直接插入对应零件的孔中,便可装配到位。

 

 

图2-61所示为一些具体的提升零件α和β对称度的实例。

 

6.3 若是零件的没法对称，则尽可能夸大零件的不对称性

零件若是存在微小的不对称性:，那么就容易产生如下后果。
①容易装错。
②需仔细对齐,增长装配时间,下降装配效率。
若是零件由于设计限制没法作到对称,则须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,没法更改,零件相对于两孔中心连线的对称性没法得到;在改进的设计中,增长左侧凸台的长度,夸大零件的不对称性,零件的不对称性很是明显,从而避免装配错误的产生。

7. 设计明显防错标识（标识不一样于特征）

若是零件防错特征很难设计,至少须要在零件上作出明显的防错标识,以指导操做人员的装配,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。

//做者但愿在有防错特征的状况下，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,由于设计的限制,零件没法添加不对称的孔、槽以及凸台等防错特征,那么产品设计工程师至少须要在零件上添加明显的标识(例如符号或文字)来指导操做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个接口该插鼠标、哪个该插键盘,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。固然这些符号过小,不容易引发消费者的注意。
须要注意的是,这一类的防错特征（指防错标识）不是理想的防错设计方法,必须得到操做人员或者消费者的注意才可以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

当经过产品设计进行防错形成产品成本高昂、甚至没法经过设计进行防错时，能够经过产品的制程管控来防错。此时，机械工程师应当把防错的要求准确、清晰的告诉装配工程师。

制程防错的方法包括如下几种:
1）改变或增添工具、工装。
2）改变加工步骤。
3）增长使用清单、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,不一样的防错方法有着不一样的级别,如图2-64所示。

在产品防错设计时,应尽可能提升产品的防错级别,向着防错的最高级别“没必要防错”靠近。

最完美的防错方法以下:
①零件根本就没必要防错。
②装配效率高,装配质量高。
③不只仅能够阻止错误的产生,还能够阻止产生错误的念头
④真正地作到防呆的设计,就算一个真正的“呆子”来操做也不会发生错误。
⑤最人性化的设计,具备高用户体验度的设计。
所以,对于防错设计的要求是：
1）不只仅要作到防错,并且要作到最完美的防错!
2）若是没法实现完美的防错,也须要尽可能提升防错的级别!

10.DFMA表格

DFMA学以至用，事前遵循，过后补缺。

11.DFA的防错设计章节对应的资料

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