PFMEA閉環質量管控分析體系數字化研究

王艷敏,康 瑛,張亞靜

(中車唐山機車車輛有限公司,河北 唐山 063035)

0 引言

FMEA( Failure Modes and Effects Analysis)失效模式及影響分析技術,目前被廣泛應用于航空航天、化工、電子、機械、汽車、醫療等眾多領域[1],汽車行業應用FMEA較為成熟,已形成規范的應用標準和指導手冊,可供其他行業借鑒應用。FMEA主要包含SFMEA、DFMEA、PFMEA、MFMEA等,應用較多的是DFMEA和PFMEA。PFMEA (Process Failure Modes and Effects Analysis)過程潛在失效模式及影響分析則是 FMEA 中針對制造過程進行分析的部分[2],是一種制造過程質量預防工具,主要用于識別風險和尋求有效控制,從而達到預防質量缺陷的目的。隨著用戶對軌道車輛產品質量、經濟性、可靠性要求更加嚴格,產品質量、成本、效益管控矛盾前移,事后評估解決逐步轉向事前預測預防。PFMEA分析結合軌道交通產品特點建立閉環質量管控數字化分析體系,建立一種系統識別、優化迭代和數據傳承機制,順應市場發展需求。

一般FMEA 都有嚴格的表單,以前用 Excel 的表格形式,現在根據需求,逐漸演變成 FMEA 軟件[3]。目前鐵路行業實施PFMEA分析基本使用表格樣式,各個項目分析內容孤立,PFMEA分析內容存在欠缺,且不能有效地實現設計、工藝、制造、運維及檢修全生命周期內技術質量問題的經驗積累和傳承。PFMEA、控制計劃等技術數據信息傳遞在不同表格間進行復制粘貼,分析數據容易丟漏和錯誤,影響技術要求的精準控制,不利于技術問題的持續積累沉淀和全生命周期數據追溯。

PFMEA閉環質量管控分析體系數字化研究正是為解決以上問題,開發軟件系統平臺。通過軟件系統創建結構化數據,實現平臺間數據貫通,進行質量管控,建立基礎PFMEA和家族PFMEA,構建PFMEA知識庫和標準庫。形成一套鐵路行業特有的、先進的、貫穿全生命周期的、數字化的PFMEA質量管控分析體系,有助于提高工藝設計質量,改善產品的可靠性,減低成本損失。

1 PFMEA分析原理

1.1 PFMEA分析模式簡介

PFMEA分析模式結構步驟包括系統分析、風險分析和降低、結果總結交流3個部分。首先,在系統分析部分進行策劃和準備、結構分析、功能分析、失效分析;然后,進行風險分析和優化;最后,將結果文件化,交流溝通風險。

1.2 PFMEA閉環分析體系

PFMEA分為基礎PFMEA、家族PFMEA和產品PFMEA?；APFMEA 和家族 PFMEA為新的分析提供基礎信息,這些可選實踐提供了利用過去經驗和知識的最大機會,以確保在產品生命周期內積累知識,并且不會重復先前的問題。此外,這種重復使用還可以減少工作量和費用支出?；APFMEA、家族PFMEA和產品PFMEA關系如圖1所示。

圖1 基礎PFMEA、家族PFMEA和產品PFMEA關系示意圖

PFMEA是一個動態文件,不斷持續優化,優化根據實際情況沉淀在基礎PFMEA、家族PFMEA和產品PFMEA。產品PFMEA貫穿工藝設計階段、生產階段、運營階段和檢修階段,生產階段、運營階段發生的問題失效分析均須完善到工藝設計階段PFMEA分析結果中。各個階段的優化需要有歷史記錄,從而建立質量問題的反饋、分析、優化、迭代機制,實現產品全生命周期管理。PFMEA分析結果落實到控制計劃,進一步落實到工藝文件、檢查卡片等文件中,指導現場生產,控制產品質量。PFMEA閉環分析架構如圖2所示。

圖2 PFMEA閉環分析架構

1.3 PFMEA與控制計劃的關系

控制計劃源于IATF 16949質量管理體系五大核心工具,控制計劃在過程分解(工藝流程)的基礎上,確定每個工序需要控制的產品和過程特性(即質量要求),再確定對應的控制措施?？刂朴媱潖腜FMEA風險分析中導出,并與流程圖、PFMEA的信息保持貫穿一致[4]?？刂朴媱澊蟛糠址治鲂畔碜訮FMEA,PFMEA與控制計劃關系如圖3所示。

圖3 PFMEA與控制計劃關系

2 PFMEA閉環質量管控分析數字化實現

PFMEA閉環質量管控分析是一套系統分析方法工具,分析過程較復雜,貫穿產品全生命周期,利用excel表格填寫信息模式,產品各個階段的質量信息不能全面反饋分析,經驗不能有效積累傳承。開發PFMEA軟件系統實現平臺間數據貫通,構建PFMEA知識庫和標準庫,形成貫穿全生命周期的PFMEA質量管控分析體系,提高工藝設計質量。

2.1 PFMEA軟件系統總體要求和系統架構

PFMEA軟件系統形成數字化、結構化管理平臺,打通質量數據傳輸,實現工藝設計PFMEA分析系統與制造、運營、檢修質量數據貫通,形成覆蓋產品工藝設計、制造、運營維護和檢修完整鏈條的功能、失效、原因、影響、措施的數據資源庫,實現PFMEA分析系統與BOP、控制計劃等數據的全貫通,使PFMEA分析結果以結構化數據的方式傳遞到控制計劃中。PFMEA軟件系統建立質量數據的反饋、分析、優化迭代機制,實現產品的全生命周期管理。

PFMEA軟件系統以標準分析步驟為核心,輔以系統管理、個人工作臺、團隊管理、權限管理、基礎知識庫管理、基礎和家族PFMEA庫管理、項目產品庫管理、變更管理、統計查詢、BI展示、審批等多模塊協同,以菜單的形式對各個板塊歸集管理,構建完整的PFMEA動態管理體系。

PFMEA系統提供多種接入標準的數據總線,滿足現有企業互聯網和工業物聯網中目前分散多類第三方系統與設備軟件所有接口方式,并且提供統一的API接口,能夠滿足第三方系統的調用及對接,實現業務數據的互聯與共享。在網絡整體設計和設備配置上提供關鍵設備的故障切換功能,保證工業互聯系統的核心業務不中斷運行。系統實現企業互聯網和工業物聯網的雙向隔離,能夠時刻滿足其中1個及以上網絡正常使用,并且能夠通過企業防火墻進行雙網絡環境互通,通過分布式集群實現高并發與數據安全。

PFMEA系統整體采用B/S架構,采用Spring框架,前端基于Vue.js,數據庫采用MySQL數據庫,能夠兼容IE、Chrome、火狐、360、Safari等主流瀏覽器,并且能夠適配不同分辨率的顯示器。

2.2 PFMEA核心分析步驟實現

PFMEA軟件系統確定分析工序所屬管理層、三層結構、功能分析、失效分析以結構樹形式呈現。失效模式分析編輯界面添加抱怨來源字段,記錄生產制造階段、運營階段發生失效的問題編號,進行閉環追溯。軟件系統在操作界面快捷點擊菜單按照結構分析、功能分析、失效分析順序進行創建和修改,各個功能塊用不同符號或顏色進行區分,如圖4所示。

圖4 結構樹形結構、功能、失效分析示意圖

功能、失效創建關聯,形成關聯網。利用失效創建關聯帶動功能創建關聯。系統可直觀查看功能失效網,如圖5所示。失效關聯后自動生成PFMEA分析表格。自動生成PFMEA結果文件,直接導出項目PFMEA分析清單,風險程度排序表,提高總結效率和結果準確性。

圖5 功能失效網示意圖

2.3 基礎知識庫形成

基礎知識庫包括功能庫、失效庫,措施庫,以形成規范統一的技術描述和分析借鑒。在PFMEA各階段數據分析過程中系統根據分析數據所在層級自動歸類到大類庫,選擇大類庫中小分類,數據即歸集沉淀到相應數據庫中。系統設置查重功能,在錄入數據時自動出現模糊描述彈出功能,核查已有描述是否滿足需求;不需要新數據描述時則取消錄入,借用數據庫中已有描述。以第二層過程步驟功能增加描述為例,數據選擇分類歸集及查重示例見圖6。

圖6 基礎數據庫數據選擇分類歸集及查重示意圖

2.4 引用家族及相似產品PFMEA數據

為了減少產品PFMEA分析時間,提高分析效率,產品PFMEA引用家族及相似產品PFMEA數據。產品項目進行PFMEA分析,先建立產品結構樹,然后引用家族或相似產品PFMEA對應數據分析,在此基礎上進行適應性修改,編輯數據不會對家族PFEMA和相似產品PFMEA的數據產生影響,分析過程中增加的數據分析反饋到家族PFMEA進行數據庫的優化及完善。通過模板名稱進行篩選或直接選中模板后可在頁面右側展示模板結構樹,選中所要引用的節點進行引用復制,整個復制引用的操作在同一界面,簡單方便。

2.5 PFMEA數據與BOP數據貫通

PFMEA分析工序以技術流程部位劃分,BOP以現場節拍化工位工序為單元劃分,BOP通過MBOM為載體體現,為保證PFMEA分析與BOP數據貫通,PFMEA分析工序及工步覆蓋BOP項點,一份PFMEA分析數據可以關聯MBOM多個物料號。PFMEA軟件系統與Windchill系統打通,Windchill系統項目MBOM結構數據傳遞到PFMEA軟件系統。PFMEA分析數據結構樹與項目MBOM結構樹在同一界面操作,選中需要關聯的PFMEA工序和MBOM工序,直接點擊關聯物料即可完成數據關聯貫通,操作簡單方便。

2.6 PFMEA數據與控制計劃數據貫通

為實現PFMEA分析數據與控制計劃數據貫通傳遞,PFMEA分析與控制計劃編制在一個系統平臺進行,產品PFMEA以結構樹工序元素為索引,將分析數據傳遞到對應控制計劃。

PFMEA分析以字段形式設定,程序設定分析字段與控制計劃字段為對應關系,PFMEA分析字段數據自動傳遞到控制計字段。

PFMEA分析工序中“過程步驟編號”和“過程步驟名稱”為2個字段,自動傳遞到控制計劃“工序號”和“工序名稱”字段。

PFMEA過程工作要素4M填寫時進行“人員、裝備、材料、環境”分類,分類為“裝備”的數據自動傳遞到控制計劃“工藝裝備”字段。

過程步驟和過程工作要素功能描述設置為2個字段,2個字段內容分別傳遞到控制計劃“產品”、“過程”和“產品/工藝規范/公差”字段。

PFMEA預防措施、探測措施描述直接對應工步傳遞到控制計劃“控制方法”選擇庫中,編制控制計劃時進行適應性選擇。

2.7 生產、運營及檢修階段質量數據承接

PFMEA軟件系統開發與SAP、CS、中臺等系統的接口程序,實現數據打通。優化QM、CS系統,增加質量問題類型、質量信息聯絡單號等字段,滿足PFMEA平臺數據分析的需求。QM、CS系統數據上傳至PFMEA軟件平臺,檢修階段PFMEA跟新造階段PFMEA分析在同一軟件平臺進行,分析數據互通,分析人員根據質量數據完善PFMEA分析,升級優化迭代數據。

3 應用效果

PFMEA軟件系統開發完成并應用,分版塊創建基礎PFMEA、家族PFMEA、產品PFMEA大類,完成焊接、粘接、涂裝等基礎PFMEA,然后以譜系平臺產品分類創建家族PFMEA,涉及基礎技術分析引用基礎PFMEA數據;產品項目PFMEA直接引用家族PFMEA、基礎PFMEA數據,在引用數據基礎上進行適應性改動,數據直接在創建時分類存儲到數據庫,通過數據的復用,編制產品PFMEA效率明顯提高,編制周期由5天縮短為3天,效率提高了將近1倍?？刂朴媱澊蟛糠謹祿蒔FMEA數據傳遞,編制效率提高1倍,實現控制項點零丟漏,降低發生產品質量風險。數據創建應用如圖7所示。

圖7 數據創建應用示例

生產過程及運維過程中發生的質量問題及處理措施,在PFMEA系統中以通知的形式傳遞給負責技術人員,技術人員完善相應PFMEA分析,為下一個產品項目提供參考,通過不斷優化,同類質量問題明顯減少,某個產品質量問題數量較以前同類產品降低45%。

4 結論

通過系統分析PFMEA閉環質量管控原理和老模式的弊端,結合軌道交通產品特點開發PFMEA軟件系統,實現數字化PFMEA閉環質量管控分析體系。PFMEA軟件系統進行閉環質量管控分析優點如下:

1)PFMEA軟件系統基于最新版FMEA方法論,自上而下,建1棵樹,織2張網,規范操作流程,PFMEA分析實現規范化、流程化、標準化。

2)PFMEA軟件系統實現數據結構化,1個數據源的技術質量數據貫穿于工藝設計、制造、運營、檢修各個階段,形成覆蓋工藝設計、制造、運營維護、檢修完整鏈條的功能、失效、措施的數據資源庫。

3)PFMEA軟件系統高效快捷,提升PFMEA分析效率,實現高效協同和措施追蹤。

4)基礎PFMEA和家族PFMEA的應用,通過關聯引用關系,為平臺系列產品提供經驗數據庫和分析模板。

5)PFMEA軟件系統打通質量數據傳輸,實現數字化工藝設計PFMEA分析系統與制造、運營、檢修質量數據貫通,最終建立一種系統識別、優化迭代和數據傳承機制,實現產品全生命周期管理。