【OSATE学习笔记】失效模式与影响分析，FMEA（failure mode and effects analysis）

参考文献

• OSATE环境下FMEA自动分析插件的设计与实现
• 天行健咨询：六西格玛工具FMEA是什么

简介

• 失效模式与影响分析，简称FMEA (failure modes and effects analysis)，由失效模式(FM)和影响分析(EA)两部分组成。
• 失效模式(FM)是指能被观察到的错误和缺陷现象，如操作程序不正确，线路接触不良，产品开裂等；影响分析(EA)是指通过分析该失效模式对系统的安全和功能的影响程度，提出可以或可能采取的预防改进措施，以减少过程缺陷；提高过程质量的技术。
• 简言之，做FM是发现问题；做EA则是分析问题并解决问题。

FMEA显著的作用案例

案例一

• 福特要求汽车液位浮子制造商同时进行设计/产品FMEA和工艺FMEA。制造商成立了三个FMEA团队，每个团队负责流程/产品的不同方面。指派了三名团队负责人，负责确保团队的工作得到协调。
• 结果：
  • 这些团队的共同努力减少了次品百万分之0.2
  • 设备正常运行时间从74%增加到89%
  • 客户投诉从平均每年两起下降到零起
  • 每小时劳动生产率提高了22%

案例二

• 一家飞机发动机制造商对其发动机装配操作进行了FMEA测试。成立了一个跨职能团队，其中包括来自装配部门以外的个人，尽管他们都在一定程度上熟悉装配。
• 结果：
  • 该团队确定了最大的失败风险，并对过程进行了防错，以至于没有机会再次发生
  • 内部故障减少到原来的三分之一，消除了存在多年但在FMEA会议之前没有得到优先解决的问题
  • 制造商每月在发动机拆卸上节省6000美元

案例三

• 一家拥有35名员工的小型印刷电路板制造商组成了一个FMEA团队。虽然经理是团队成员，但他的角色是做记录，而不是领导团队。经过短暂的FMEA培训后，该团队决定从不在团队中的其他操作员那里收集数据和信息。有了这些信息，他们能够在四次两小时的训练中完成FMEA。
• 结果：
  • 最高优先级的项目与波峰焊接操作相关。
  • 该团队发现，许多故障模式与焊接设备的预防性维护有关。
  • 在建立并实施预防性维护计划后，团队将他们制造的复杂电路板的焊接缺陷从平均每块电路板11个减少到平均每块电路板1个。团队继续努力进一步减少缺陷。

FMEA目标

• FMEA的目标是寻找一个过程或产品失败的所有方式。当产品不能正常工作或以某种方式出现故障时，就发生了产品故障。即使是最简单的产品也有很多失败的机会。
• 例如，一个滴水咖啡机——一个相对简单的家用电器——可能有几件事情会导致咖啡机无法工作。以下是咖啡机可能出现故障的几种方式：
  • 加热元件不会将水加热到足以冲泡咖啡的温度。
  • 泵不会将水泵入过滤篮。
  • 咖啡机不会根据时钟自动打开。
  • 时钟停止工作或运行过快或过慢。
  • 不纯水中的钙沉淀会堵塞酿造过程。
  • 不是咖啡不够就是咖啡喝多了。
  • 电线短路了。
• 故障不仅限于产品问题。因为当用户出错时也会出现故障，所以这些类型的故障也应该包括在FMEA中。无论用户如何操作，为确保产品正常工作而做的任何事情都将使产品接近100%的总客户满意度。

FMEA进程

• 产品或过程失效的方式称为失效模式。每种故障模式都有潜在的影响，有些影响比其他影响更容易发生。此外，每个潜在影响都有相关的相对风险。
• FMEA进程是一种识别产品或进程中的故障、影响和风险，然后消除或减少它们的方法。

风险（Risk）

• 失败的相对风险及其影响由三个因素决定：
  • 严重性：故障发生时的后果。
  • 发生率：故障发生的概率或频率。
  • 检测：在影响实现之前检测到故障的概率。
• 评估风险优先级数：
  • 使用过程或产品的数据和知识，在上述三个因素中的每一个因素中，对每个潜在的故障模式和效果进行评级，评级范围从1到10，从低到高。
  • 通过将三个因素（严重性×发生×检测）的排名相乘，将为每个潜在的故障模式和影响确定风险优先级数（RPN）。
  • 风险优先级数（对于每种故障模式，范围从1到1000）用于对消除或减少潜在故障模式的纠正措施的需求进行排序。应该首先关注那些具有最高RPN的故障模式，尽管当严重性等级为高（9或10）时，无论RPN如何，都应该给予特别关注。
  • 一旦采取了纠正措施，通过重新评估严重性、发生率和检测等级来确定故障的新RPN。这个新的RPN被称为“结果RPN”，改进和纠正措施必须持续进行，直到所有潜在故障模式的最终RPN达到可接受的水平。
  • 下图为面积图，显示优先级级别，横坐标为严重性，纵坐标为发生率
    

FMEA的特点及作用

FMEA的特点

• FMEA的特点是将失效模式的严重度(SEV Severity)，发生的频度(OCC Occurrence)，不易探测度(DET Detection)三个方面进行量化;通过量化，识别潜在的失效模式，确定并优先选定措施，对潜在的失效模式及其影响进行预防，防患于未然。

FMEA的分类

根据其用途和适用阶段的不同，FMEA可分为：

• 设计阶段FMEA(DFMEA----DesignFMEA)
  如新产品设计，新工序设计，可预先进行FMEA，尽可能周全地考虑产品规格，工序操作水平，工序能力等因素，使设计符合规定要求。
• 过程FMEA(PFMEA----ProcessFMEA)
  针对工序间可能或已知的主要坏品，可运用PFMEA作量化分析，在影响坏品的诸因素中，哪一个系统原因影响最大是否主要原因其他如Cpk低，生产过程异常等均可通过采用PFMEA直观地找出主要原因，进行改善以达到应用的效果。
• 设备FMEA(EFMEA----EquipmentFMEA)
  如新设备投入运行前，我们可以预先进行EFMEA分析，考虑由于设备可能造成的产品品质问题及可靠性问题等原因，采取预防措施，消除不良因素。

专业术语

• 设计意图：希望产品能做什么、不能做什么。如设计打印机意图，希望能打印所有office文档，能双面打印、能复印、能扫描。
• 设计验证/确认：通过试验或测试确认是否达到设计目的或意图。
• 过程：由人、机、料、法、环组成。
• QFD：质量功能展开，就是在设计的每个阶段，把客户要求转化为产品要求，把产品要求转为过程要求。如客户对桌子要求美观，承受200公斤力、环保，那么我们在产品设计时就要转为桌面要承受200公斤力，四个桌脚至少承受120公斤力。
• 失效模式：异常现象或不良现象，如产品刮花、尺寸偏大等。
• 失效原因：产生异常的原因，主要从4M1E（人、机、事、物）找原因，要找到根本原因，如温度过低、时间过长等。
• 失效效应：失效后果，失效对下道工序或客户导致的影响，如产品不能用，顾客感受欠佳。
• 特殊特性：影响产品功能性能，组装最关键的特性，如影响装配的某个关键尺寸、短路、耐压、不导通等。产品特殊特性是从产品或半成品上表现出来的，而过程特殊特性则是从设备、工装、环境上表面出来的，如温度、时间、压力、速度等。
• 严重度S：指失效效应的程度，具体根据失效效应来评分，如果违反法律法规，一般是8分以上。
• 发生频度O：指失效模式发生的概率，一般根据不良情况的多少或异常出现的次数来打分。
• 探测度D：指用测量系统发现不良或异常的概率，主要取决于用什么测量系统，以及在什么时候能发现异常。PFMEA中，通过目视、感觉等方法进行的测量系统分数就高，用防呆措施的测量方法分数就低。
• 现行过程控制-预防：就是指现在和过去的预防方法，如员工培训、设备保养、参数点检、作业指导书等。
• 现行过程控制-探测：也就是过去和现在的检验试验方法，如首检、巡检、全检、定期抽检等。
• RPN：是风险顺序数，是评价制程或设计方案是否要改善的依据之一。RPN越大，改善的必要性就越高。

DFMEA与PFMEA的差别

• DFMEA是设计开发的FMEA，评价设计方案潜在失效，寻找最佳产品设计方案。它从客户要求出发，然后进一步展开到子系统，以及部件的功能和性能，基本出发点要从整体和部件的功能和性能展开。DFMEA的前提假设是生产过程没有任何问题。
• PFMEA是生产过程的FMEA，用于评价生产工序可能的不良、改善生产工艺、提升良率、降低成本、其出发点要从工序来做。PFMEA的前提假设是设计过程和前工序或材料没有任何问题。
  

六西格玛（SIX SIGMA）

• FMEA代表了一种技术，旨在避免项目过程中的未来问题，消除可能妨碍解决方案的风险。因此，在识别和评估可能导致产品质量下降的缺陷时，它符合SIX SIGMA方法。方法中的缺陷被定义为降低产品或服务交付给满意客户的速度或质量的任何东西。当实施了SIX SIGMA技术来发现和减少流程中导致非随机影响的变量时，FMEA被用于发现流程中需要改进的方面并确定其优先级，以及对抢先解决方案的成功进行统计分析。

嵌入式系统FMEA

嵌入式系统FMEA的步骤

系统定义

• 系统定义的目的是使工作人员有针对性地对系统所有可能的故障模式、原因和影响进行分析。
• 嵌入式系统包括嵌入式软件及硬件。系统硬件的定义主要是对不同硬件的功能、工作方式、接口及数据（信息）流进行分析。嵌入式软件的系统定义即绘制软件功能流程图及定义软件约定层次结构。功能流程图中给出系统中每个软件部件或软件单元之间的功能逻辑关系，它表示了系统自上而下的层次关系。定义软件约定层次结构即将软件分为程序、分程序、模块和程序单元。

故障模式分析

• 故障模式分析的主要目的是找出软件及硬件所有可能出现的故障模式

硬件典型的故障模式

软件故障模式分类及其典型示例

故障原因分析

• 故障原因分析的目的是对每个故障模式产生的原因进行分析，从而可以采取有针对性的措施进行改进，防止或减少故障模式发生的可能性。
• 软件的故障原因往往是软件开发过程中形成的各类缺陷所引起的。
• 软件故障原因按其缺陷分类及典型示例：
  

故障影响及严酷度分析

• 故障影响分析的目的是找出产品的每个可能的故障模式所产生的影响，并对其严重程度进行分析。
• 软件故障影响的严酷度一严酷度等级的划分依据是每个软件故障模式影响的严重程度
• 推荐采用下表规定的要求，划分软件严酷度等级。
  

改进措施分析

• 设计改进与使用补偿措施分析目的是：为每个故障模式的影响采取有针对性的的措施，以消除或减少故障的影响，从而提高产品的可靠性。
• 设计改进与使用补偿措施的主要内容：-
  • 设计改进措施：当产品发生故障时，应考虑是否具备能够继续工作的冗余设备；安全或保险装置(例如监控及报警装置)；替换的工作方式(例如备用或辅助设备)；可以消除或减轻故障影响的设计改进(例如优选元器件、热设计、降额设计等)。
  • 使用补偿措施：为了尽量避免或预防故障的发生，在使用和维护过程中规定的使用维护措施。一旦出现某故障后，操作人员应采取的最恰当的补救措施等。

FMEA报告

• 此表格来自文件GJB《故障模式、影响及危害性分析指南》。主要内容有序号、单元、功能、故障模式、故障原因、故障影响、严酷度类别、改进措施和备注。单元即嵌入式系统中各个组件，功能即组件执行的主要功能，故障模式即与功能、性能有关的所有故障模式，并注明故障原因；故障影响根据分析结果依次填写局部、高一层次和最终影响：严酷度类别则按故障最终影响严重程度确定。

FMEA相关软件

• Excel
• Plex
• Plato
• AIAG CTFD
• IQS
• Powerway
• APICS
• QSys
• APIS
• Pro FMEA
• Aquo
• QFMEA
• Reliasoft(xFMEA)

如何生成FMEA

建立团队

• 建立一个合适的团队是成功实施FMEA的先决条件。干法工艺或产品/系统设计涉及不同的职能部门。需要识别各种可能的失效模式，评估其影响程度，采取改进措施等。所以要求各种人员都要参加。

预计故障模式

• 团队使用头脑风暴的方法来获得过程中可能的失败模式。

评估故障模式造成影响的严重程度

• 通常采用1-10分的方法，最严重的情况10分，比如危及生命安全且无影响的情况1分。有时候也建议用1、3、9的评分标准，这样会拉大分数和分数的差距。

分析失败原因

• 尽可能列出每种潜在故障模式的原因，如设备维护不当、维护不及时、零部件缺失等。

评估各种原因的概率

• 分为10个等级，10分代表必然发生，1分代表几乎没有发生。

描述当前的控制措施

• 评估现有控制手段下的检测程度，分为10个等级。10分几乎检测不到，1分几乎肯定可以检测到。

计算风险序号RPN

• RPN = 严重性 * 出现频率 * 可检测性
• 如果RPN值或严重性分值较大，应首先提出改进措施，降低故障风险。

提出改进措施并实施

重新计算RPN值

FMEA是一个随着过程的变化而不断变化的文件，应及时更新和归档。当设计FMEA开始正式生产时，它将停止使用，并被工艺FMEA取代。只要产品还在生产，过程FMEA就会一直被使用、更新和存在。