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电子产品制造中防呆防差错POKA YOKE方法原理及应用案例

摘要：电子产品的组装过程隐藏着大量的人为出错机会。在印制板组装、电缆加工和系统制造的过程中，人们常常因疏忽大意而出现错误。本文将通过一些案例的分析说明在新产品导入(NPI-new product introduction)过程中人为错误的防范和纠正方法，过些都是EMS (Electronics Manufacturing Services,电子制造服务)厂商日常工作中的重要内容。
一、出错的防范
在工作中，我们总是不断地告诫组装操作人员要细心和勤奋，并通过培训和惩罚来避免错误的发生。但实践证明，这些防范措施并不能长期有效。在传统的方法中，为了保证操作员的正确操作，我们总是对操作员进行培训。而一旦出现差错，为了让犯错误的人记取教训，不再重犯，我们总是他们进行纪律惩罚。但专门从事制造过程错误防范问题研究的人员相信，只要人就难免出现差错。尽管每次差错的出现都会涉及到人，但造成错误的原因往往是人所不能控制的。因此，我们需要建立一套系统的防范“制造”差错的方法。日本丰田汽车公司的一位名叫Shigeo Shingo的工程师，利用一种被称作Poka-yoke(Pronounced POH-kah YOH-kay)的设备创立了一套质量管理方法（Poka-kah 的日文意思是防范差错）。
所谓Poka-yoke，它可以是任何一种机械装置，它能够防止人为错误的发生或者是让人一眼就能够找到出现错误的位置。也就是说，Poka-yoke装置的用途包括两个方面，一个是杜绝产生特定产品缺陷的原因，另一个是通过廉价的手段对生产产品进行逐一的检查，以确定其是否合格。这种检查的操作员在执行组装的过程中完成的，它们对操作员应该是透明的。也就是说，只要Poka-yoke的条件不满足，则操作就不能继续下去。Poka-yoke设备与其它过程控制（SPC）的主要区别在于：
●可以对全部的产品实行检查；
●对生产过程的透明性，不会增加操作员的额外负担；
●要求所有产品都必须通过这种错误防范的设备，否则工序操作就无法完成；
●实施成本很低（有时可以没有成本）；
●检查结果可以马上反馈给操作员。
二、什么是人为差错？
出于不同的目的和看问题的角度，关于人为差错的定义也不尽相同。以下是对电子产品制造过程中人为差错的定义：“人为差错：人们在特定目标和特定环境下实施的不当行为或企图。”
1、人为技能差错

技能是指人们执行某项任务的能力。人们一旦获得这种技能，他们的感知和动作过程就变成一种简单的下意识行为。这种行为过程的发生速度通常都很快，很少需要进行为人的刻意努力。就像我们每天早上的起床、穿T恤衫或出门等动作，它们都是下意识的，我们不需要对这些动作做专门的思考，所有的决策都是自动完成的（如穿T恤衫哪只手系哪个扣子等）。
我们的大多数操作培训考虑都是这种技能的开发，也就是要建立人们的一种习惯性行为过程。组装操作员所需知道的只是如何去完成一系列的规定动作，而不需要去理解这些动作背后的原理。我们的培训就是要使操作员对这些动作非常熟练，熟练到不需要任何说明就可以操作。如果这种技能操作不能解决问题，就需要依靠各种规则或知识的方法来完成任务。
2、人为规则差错
基于规则的操作过程一般需要操作员按照一定的规则对问题的因果关系做出判断。典型的规则形式就是“如果X，则Y”，它们主要基于人们过去的经验或专门操作说明等。例如，当你准备要离开房间时，你一般会去推门（这是一个下意识动作）。但如果此时门没有推开，为了继续完成你原定的离开房间和任务，你就会从各种因素中去分析门打不开的原因。它可能应该向里拉，或是可能上了锁等。
正如前面提到的，当一般操作技能不解决问题时，操作员就需要考虑用一定的规则来进行处理。此时他需要对眼前的情况进行分析和解释，并从一套明确的指导说明或规则中选择适当的处理方法。例如，一个实验室技术员在调整监视系统时，他可以按照一套规则来指导操作：如果屏幕太亮了，将这个旋钮向左旋；如果太暗了，将这个旋钮向右旋等。
3、人为知识差错
如果我们按照规则仍然无法解决部问题，这时就需调动我们的知识了，这通常都是一些新的，我们不熟悉的或是低级规则不适用的情况（例如，制定战略决策、实施医疗诊断或求解代数方程等）。一般来讲，此类处理都会涉及符号信息的处理（如牌桌上的不同花色或代数公式中的图形符号等）。在用户系统中适当引入标记符号可以方便用户的识别。
基于知识的处理，与基于规则的处理过程一样，也是一种理性过程，它涉及个人主观意识的分析和处理。如果说技能是我们执行任务的能力，那么，知识就是我们所拥有的关于任务的“信息、事实和理解”。人们在这种认识机理中所常犯错误就是失手和疏忽。
4、失手：动作的差错
失手是一种非本人意志的行为，它的计划可能不错，但执行的结果很糟。就像足球比赛的漏球。失手都是一种潜意识行为，只是在行为的过程中出现了差错。失手的机理包括：
失控：一般是指人们不自觉地去做某种自已原本没有打算去做的动作，而且造成这种失控的原因常常是因为这种动作模式太熟悉了。例如，当某人经常拨打某一电话时，他的手指就会不自觉地习惯这种特定的按键顺序。
描述错误：一般的指行为人对于自已要想做的事情不明确，也就是这个行为是在一种“不完整或模糊的行为意识”下完成的。这种差错多发生在计划的动作与自已习惯的动作相类似的情况，从而将正确的动作施加在了错误的对象上。例如，将沙拉放进了烤炉，而将蛋糕放进了冰箱。
反应失误：主要是指大脑对两种事物产生了错误的联想或关联，特别是发生在某个外部刺激需要触发某项特定动作的情况下。例如，当听到门铃声后却去接听电话。生产现场的操作员在通过音响等方式取得信号的情况下也潜在着类似的问题。例如，SMT生产线上多台设备都存在着音响报警信号。如果操作员将A设备的报警错当成是B设备的报警，就会产生这种反应失误问题。这里要注意的一点是，这种反应失误的发生不与每台设备的报警声响是否相似有关，即使是不同的报警声响仍会发生类似的错误。
记忆丧失：是指行为人对于正在做的或准备做的事情的原因（过程的“激励”）暂时失去记忆，产生这种现象的原因通常是由于行为过程被外部事情突然打断，如有人递给你某件东西或问你某个问题。
5、过失：意识的差错
过失是一种有计划的差错，它的行为是计划的，只是这个计划是错的。这种失误一般会涉及到判断或推理过程，并且由此产生错误的意图、错误的判定尺度或错误的价值认定。在人类错误的分析中，失误是一种真正的挑战。对于人们的疏忽，我们常常可以在设备和工具中加入某些监测点来加以避免，例如，一个O2/N2O气体比率限制器就可以防止麻醉师因管理不当而造成两种气体的危险混合。但对于人们的过失来说，它们多源于人们感知能力的紊乱，并且很容易受到多种外部因素的影响。因此，非常难于预测和防范。
规则的过失
规则的过失主要是由于对情况的错误认识而选择了错误的规则或错误地应用规则。例如，在制造过程中选用了错误的焊膏。该焊膏的订购和管理可能都没问题（也就是说，流程是正常），但对于这个特定的工艺过程，它就是用错了。造成这种错误的原因很多，包括设备的文字说明不清、图例含糊或试验结果不明等外部原因。事实上，越是最常用的规则就越容易被错用，因为操作太熟悉了，并且看起来似乎也适用。
知识的过失
知识的过失是我们目前最为复杂的一类错误。可以想象，此类错误的产生主要是由于知识的不足或知识的误用。而行为者的企图往往就是错误的根源。
6、航空业对过错防范的健康态度
航空业一般认为人的错误总是难免的，即使是最好的飞行员也会有判断或操作失误的时候，因此，这种错误应该是飞行风险的一个组成部分。为此，飞行系统在设计上总是希望通过缓冲器、自动和备份等手段来吸收这些错误。另外他们制定严格的标准化操作流程，通过专门的规程和操作检查表最大限度地减少发生错误的机会。制造业可以从航空业的这种对待错误的健康态度上学到很多有益的东西。
在航空业，人们一直在努力对飞行中的错误和事故进行跟踪，并希望从中取得经验和教训。另外，由于承认错误是难免的，于是就有了交叉检查和验证系统，以便在错误尚未造成太大的损害时尽快地发现它们。但对于制造业来说，错误的跟踪和分析是一件困难的事情，因它没有相应的“黑盒子”来记录各种动作和决策，最好也就是有一台记录仪（记录产量和Pareto曲线）。此外，在航空业有许多协会专门从事有关飞行错误防范这一领域的研究，如美国联邦航空管理局（FFA）和美国国家交通安全委员会（NTSB）等。这些组织负责对所有的商业飞行事故进行调查，确定造成事故的原因，并制定改进措施，以避免类似事故的再次发生。航空业的这些方法很值得制造业的借鉴，我们要消除一切发生错误的可能，从被动的缺陷检查和统计过程控制（SPC）向主动的错误防范方面转移。
三、错误防范的设计原理
我们知道，改善生产过程和生产线设计为目的错误与分析与事故灾难的事后分析是不同的。我们的系统设计应建立在人类错误研究的基础上，让所设计的系统不仅易于使用，而且让使用者不容易犯错误。另外既然我们承认不能预测和防范所有的错误，我们的设计就必须具有容错能力。在有关人类错误的研究方面已有大量的论文发表，它们都可以作为我们的设计指导。这些研究成果再配合有关错误分析的基础理论，一定可以帮助我们的设计者设计出更好的系统。
1、失控意味着需要更好的反馈
如果设备所提供的错误通知都是相似的，不对错误的性质加以区分，那么，人们很容易对它们做出相同的处理，尽管这种做法可能并不总是合适的。
2、描述错误需要采用更好的系统配置
描述错误的发生主要是没有对行为做出足够准确的说明，从而导致一个完全不同但十分类似的动作发生（像将蛋糕放进了冰箱，而将沙拉放进烤箱的例子）。当操作涉及开关切换或按钮操作时，如果这些操作十分类似，就很容易产生此类错误。例如，如果将FedEx准备发运的箱子与UPS准备发运的箱子放在一起，就难免出现装错车情况。
3、不可避免的错误需要提供可逆的操作
既然我们承认，即使用户是专家也会出现错误，那么，系统就应该宽容用户错误。特别是应该提供用户操作的可逆性，就像我们熟悉的台式机系统，它们都支持“取消”命令。但在用户自主开发的制造软件中似乎很少具备这一特点，即使是许多通用的制造软件包，特别是那些采用非Windows操作系统的软件也同样不具备这一切功能。
记忆丧失问题可以通过视觉提示系统的设计加发解决，该系统可以为用户提供一个与系统交互和反蚀的机会。譬如，在您去取东西的途中，由于受到外界打扰而想不起去取什么了。如果此时您手中有一份所需物品的清单，您就能很快明白您来这里的目的了。通过联机系统将工作流程以可视的方式提供用户也可以起到类似的作用，它可以帮助引导用户去进行与完成任务有关的每一个步骤的操作。
四、制造系统的集成
Poka-yoke设备一般是通过NPI过程集成在生产过程中的，特别是在NPI过程需要考虑错误防范手段以确保过程质量发及NPI过程涉及多种功能的时候，Poka-yoke设备常常成为制造过程控制的第一个响应。
QS-9000是三大汽车厂商（通用汽车福特汽车和克莱斯勒）为其供应商的选择而开发的一种质量管理系统标准，它提供了将错误防范措施集成到生产过程的方法。尽管QS-9000是以ISO-9000系列标准为基础的，但它同时又有许多额外的要求，诸如考虑采用Poka-yoke作为全过程控制的工具等。QS-9000的开发者以客户的最大介入为先决条件，以通过质量工具确保产品尽快完成从概念到生产的转变过程为目的，编写了一份NPI流程。该流程不仅让各个专业团队尽早地介入NPI过程，最大限度地减少各种不可预见的质量和安全问题，还要求在过程的控制中有效地采用诸如故障模式和影响分析、过程控制计划、SPC和Poka-yoke等手段。QS-9000模型的NPI流程中所要求的与Poka-yoke有关的项目包括：
特殊特性：对于这些变量或产品属性，如果我们在组装的过程中不对其进行适当的控制，将会影响到用户的安全或必要的功能。因此，我们的生产过程必须对这些特性采取特殊的控制手段，特别是采用SPC或Poka-yoke方法。在NPI的整个流程中，每一项计划的制定，包括工艺计划、设施计划、设备和工具计划等，都需要考虑Poka-yoke。
安全性：Poka-yoke需要考虑的安全问题包括产品安全、工作场地新化工材料的引入以及生产操作人员的安全等。
故障模式和影响分析（FMEA）：过程的FMEA可以对与特殊性有关的过程以及可能导致产品不安全或重要产品功能丧失的各处故障模式起到改善作用。FMEA的重点是缺陷的防范和减少，而不是缺陷的检测。这种防范的努力主要是通过SPC和Poka-yoke。
控制计划：为了确保产品满足所有技术规范的要求，必须制定一项详细的质量控制计划，对过程控制的要求、工具、建立验证过程以及其他处理步骤进行明确的规定。该控制计划涉及系统、子系统、部件和材料等各个层次。对于Poka-yoke，需要在控制计划中确定它的工装、过程标识以及使用方法。
QS-9000要求所有关键产品特性的处理，包括工艺、设计、设备和工具等都要通过SPC或Poka-yoke进行控制，以确保产品的安全性。与SPC相比，Poka-yoke对工艺修改的敏感程度要大得多，因为所有的产品组装流程都要通过Poka-yoke。因此，上面提到的有关产品安全的关键特性应尽可能采用Poka-yoke方法。
从系统的角度对制造过程进行观察是质量系统防范缺陷的基石。当我们设计制造系统的时候，我们总会遇到用户差错的问题。这些差错很少是一种单一的孤立事件，而是系列差错的一部分。因此，在发现问题时，我们一定要从直接的问题原因中去寻找重新设计和组织工艺的方法，以防止未来同类问题的发生，而不是简单地在工艺过程增加质量检查环节。另外，通过对操作员的任务、工作流程和信息需求的分析也可以帮助找出操作过程中的方法问题。记住，一定要通过系统的设计来避免问题的发生（例如，对用户动作的宽裕数据存储的冗余等），而不是在问题发生后再来补救。只有通过分析才能将错误的防范措施融入到重新设计的工艺中，避免传统的检查或者SPC方法。航空工业经常通过飞行模拟器对新型驾驶仓设计进行试验。与此相类似，制造厂商也可以通过模拟方式对操作员进行培训，并通过模拟及时发现潜在的人为错误，以便在制造生产线建立之前加以解决。
五、EMS设施中的Poka-yoke范例
在工厂环境中电子产品组装过程存着许多出错的机会。下面是四个利用Poka-yoke原理实现错误防范的实例，它们分别介绍了问题产生的原因以及解决的办法。
实例研究1——电缆组装
问题：在焊接过程中，焊工需要在华氏700度的焊接温度下确保所有焊接部件的性能不受影响。但许多部件承受不了这样高的焊接温度。如图1中所示的电缆，它的端部需要焊接一个滤波器，但如果烙铁的温度超出滤波器的允许温度的话，则可能造成滤波器的损坏。为了达到散热的目的，焊接工艺在滤波器上附加了了一个散热夹。只要使用散热夹，这种焊接工艺还是没有问题的。但由于滤波器的外型是圆的，所以在焊接过程中滤波器的固定就是一个非常麻烦的事情，这也影响了焊工使用散热夹的积极性。不久焊工们的操作就开始偏离工艺要求，他们按照自已的方法来固定滤波器，有些时候，他们甚至连散热夹都不用了。
解决方案：工厂组织了有关工艺、质量、控制和生产等各方面的人士一起研究和解决这一问题。他们按照Poka-yoke的错误防范原理，设计了一种两用支架，它一方面将电缆和滤波器固定在一起，另一方面又起到散热的作用。
随后，他们对新支架下滤波器的焊接温度进行了测试。他们分别测量了滤波器六边型的引线经及散热点之间的温度结果证明温度没有超过技术规范的要求。
现在，按照工艺要求，如果滤波器引线没有散热手段，焊工就无法进行焊接。而且，焊工对这种支架的接受程度远远高于散热夹，因为它不仅为焊工的操作提供了方便，而且没有增加焊工的任何负担。在采用这种支架之后，客户的故障率也降为了零。
实例研究2——系统组装的实施
问题：软件、安全说明和用户手册等是被装在一个介质包（Media Kit）中提供给客户的，但它们在到达客户手中时不是多项，就是缺项。这种现象一直没有得到解决，即使是对组装操作员提出了更加细心的要求也还是如此。于是，作为一个防范缺陷的一个措施，工厂又组建了介质包生产线，但效果仍然不佳。
解决方案：他们为每一种介质套件准备了一个介质套件托板。在该板上他们以一比一的比例画出了套件中每个物料的码放位置，包括物料的外型、物料编号以及托板的工具编号等。在使用的时候，操作员首先将所需的物料按照填空的方式依次码放在托板上，然后再将托板上的物料一次装入介质包中封口。只要托板上的所有空间都占满了，物料短缺的问题就不会再发生了。
实例研究3——工厂设施的Poka-yoke
问题：在生产现场有一个门是双向开闭的，人们常常由于同时的进出而造成成品的损坏。另外，在洗手间中，洗手池的龙头总是忘关，造成水资源的浪费。而便池在使用后又常常忘记放水冲刷。
解决方案：综合小组决定对生产制造区的门进行重新布置，让人们分别从两个门进出，并且，每个门都是单向开闭的。但门上没有任何特殊标记，因为在这种情况下，标记并不能起到防范错误的作用。另外，他们在洗手间的洗手池和便池上安装了自动开关。
实例研究4——电缆绑扎的错误防范
问题：在电缆绑扎生产线上，操作员需要将长20foot、直径为2inch的电缆绑扎在一起是一项非常耗时的工作。操作员不仅容易疲劳，而且走线的形状很难把握，造成组装过程中的错误。
解决方案：在这种情况下，他们设计了一种电缆绑扎板。这种绑扎板实际就是Poka-yoke工具，它的大小完全按照质量部认定的电缆尺寸确定，并通过一些定位的钉子确定电缆的走向，通过画线确定电路的接线位置。当然板上还有一些说明的信息。
一旦绑扎的尺寸得到确认，绑扎的电缆就再也不需要检验了。另外如果在绑扎板上增加一些电路连接，绑扎的电缆可以在绑扎板上直接进行连接测试，板上的标签准确地标明了电缆的标签位置，从而使电缆标签的绑扎非常简单。
结论：
在EMS的新产品引入过程中采用Poka-yoke方法可以带来很多积极的因素。首先，它可以让各个层次和专业的人员改变对待差错的态度，从“事后检测”模式向“防范模式”的转移；其次，像客户服务这样一些过去并不包含在产品制造过程的业务，现在也有机会成为客户需求的输入和生产过程的改善手段；最后是产品缺陷率的下降，因为这种工艺过程是不允许未经确认的缺陷产品进入下一道工艺的。不断严格质量管理系统的趋势（如QS-9000和最新版的ISO-9000）为EMS提供了进一步实现错误防范的模式。