可靠度技术应用之探讨.docx
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可靠度技术应用之探讨
可靠度技術應用之探討
張 文 珍
一、前言
我國產業過去著重在量的生產,以高效率生產較低價位的產品,創造了舉世注目的經濟奇蹟。
但是,國際區域經濟體的形成,漸漸造成我國對外貿易的壓力,未來的產業勢必要經得起更激烈的競爭,才能維持永續的經營與發展。
面對新時代的來臨,產業必須重新調整腳步,不斷注重生產的效率,更要提高產品的價值。
由於可靠度是產品使用期間最重要的品質指標,面對品質與生產力提升的競爭局勢,任何一個企業不得不尋求因應之道,以維繫企業之生存。
可靠度驗證常被聯想為花錢與時間的作為,而令人卻步,其實可靠度試驗可隨時程及經費,做適當的規劃剪裁,選擇產品壽命週其中較為關鍵性對品質較大的項目先來執行較符合經濟效益的原則。
產品的可靠度包括了功能、環境條件、壽命﹙含任務時間﹚及機率四大要素,四者為可靠度的一體四面,應同時考量通過可靠度試驗的產品,在平均故障間隔時間內,其任務可靠度(MissionReliability)是保持不變的,此亦意謂在MTBF的時間內,產品的功能在既定的環境下應可維持其精準度。
二、產品可靠度是「競爭致勝」之鑰
好的設計源自於充分了解顧客的需求,並能將顧客的需求轉換為設計者與製造者能有效執行的規格。
規格要力求周詳完整及合理化,除了用心調查與傾聽顧客的聲音外,更需透過有系統的設計管制作業來完成。
產品於設計過程中經由設計分析,事先查證並預防失效發生,以確保設計品質符合需求,所使用的方法包括可靠度預估、可靠度成長、設計審查、FMEA及FAT等。
當硬品完成後,則採用試驗與實證﹙實際環境操作試用﹚等手段,來評估「驗證」產品的可靠度水準是否滿足需求,因此可靠度的設計發展過程中,預防與驗證同等重要,倘有偏廢或不足將造成品質的缺陷,而形成壽命週期成本的浪費。
若產品通過了製造性、耐用性、經久性的實際驗證評估與文件估證的考驗,則表示設計品質已達穩定、精準、適用的境界,此時再考慮導入量產及生產,若能配合製程品質計劃的規劃與合理的運作,則製程中的不良率自然能控制在偶發性的既定範圍內,可有效地減少製程問題及降低內、外部失敗成本。
「穩定」、「精準」及「適用」為產品用可靠度,不可缺少的屬性。
傳統的靜態檢驗及試驗,並不能保證產品的時間品質,而動態的可靠度試驗正可彌補其不足。
在ISO-9000於設計管制章節中,特別強調產品研究開發專案之設計規劃,除考慮顧客需求外,尚須考慮可靠度安全性等之設計品質指標,且試驗方法須予以規定,包括目標值、公差、允收準則及試驗設備等,足見可靠度為設計管制不可缺少的指標,已漸為國際上所接受。
三、將使用需求轉換為可靠度設計
一般公司在發展一種新的或改進之產品,通常是利用使用操作需求建立最低允收之功能。
而使用需求用以說明產品實地工作時,系統操作的功能,例如一些產品須衡量與追蹤妥善度﹙Availability﹚、任務可靠度及其他特性,以期待符合使用需求,其間各項因素之計算均會影響功能,以操作妥善度為例,將計算所有可能失效、直接維修時間、供應品之延誤及其他等;易言之,操作需求之衡量就是以總體環境來決定的。
3.1使用需求轉換為可靠度規格之主要目的
1.發展一種以使用產品妥善度高(HiAvailability)的需求之可靠度﹙Reliability﹚、維修度﹙Maintainability﹚、可測度﹙Diagnostics﹚﹙R.D.M﹚規格。
2.可適用於各類型產品之設計研製工作。
3.2使用需求轉換為規格之方法
將使用需求轉換規格前,應先獲得下列資訊:
一種較佳的操作R.M.D.需求,如產品最長操作時間、最大允許停機時間及可能維修更換之項目等,應在產品系統中定義。
操作需求能以需求定義發展出確定性公式。
確定基線系統,這些基線系統數據能存在於產品實地使用數據蒐集之系統中。
使用需求轉換為規格之方法
1.操作妥善度需求之規格
一般之R.M.D.需求通常在操作文件中無法協調一致,因此,大部分的方法要將R.M.D轉換成最佳組合。
2.以確定公式說明操作需求
正式之規格定義及追溯目前類似產品之操作功能,這些規格如一定的平均失效時間﹙MTBF﹚、平均維修間隔時間﹙MTTR﹚、平均停機時間﹙MTBM﹚等。
3.確認基線系統(BaselineSystem)
依使用目的建立基線系統,利用基線或預估系統做為新系統之可靠度規格,利用以往失效分析與可靠度評估的資料,藉由實地使用數據,以計算MTBF、MTTR等的平均值做為規格之下限。
基線系統也應建立可行範圍﹙nσ﹚,這比單純指規定下限要好,此外,亦應有基線的選擇方法來提供一組初始答案,以滿足所有使用需求。
此後使用者可以平衡取捨﹙Trade-off﹚及敏感度分析來看可行性之效果。
四、建立顧客滿意可靠度之道
商品供應商是以掌握顧客滿意及未來生意出處為其開發之目標,而非接受指定之工作項目去開發產品。
今日顧客只需提出產品性能需求,而不用指定供應商如何開發產品;因此供應商必須充分了解顧客的需要,最後並向顧客保證這些需求已做到,這種做法使供應商的發展更具彈性及創新,並能達成顧客需要。
一般而言,設計上有問題會造成先天不足的產品,製造上也必然是問題重重,且將註定要為應付顧客抱怨,而使得業務及品保人員疲於奔命。
顧客花錢在市場上採購所需的產品,很少人能忍受可靠度差的產品,因為此類產品維修成本必將形成顧客的抱怨,也是市場佔有率的隱形殺手,經營者不可不慎。
4.1開發可靠產品之道
可靠度作業經常因公司或產品不同而異,但所有的可靠度作業必須遵循一項「實用原則」,亦即提供一個滿足顧客需要的產品是供應商的責任。
圖一為供應商說明他們有能力開發可靠產品,而必須答覆顧客之問題。
圖一、供應商需答覆顧客之問題
開發可靠產品的工作目標說明如下:
1.充分了解顧客需求
開發可靠產品的第一個目標就是供應商與顧客必須充分了解產品的指定需求特性及用途,供應商在將顧客需求轉換為相關參數,以執行產品設計作業。
今日產品越來越複雜,若未能充分了解顧客需求,可能做不出令人滿意的產品。
2.建立發展程序,以滿足顧客需要
瞭解顧客需求之後,供應商必須考慮開發可靠產品的各種方案。
因此,開發可靠產品的第二項目標就是在符合成本效益及時程條件下,設法找出一套發展程序以滿足顧客的各項需要。
當供應商知道哪些資源及特性可應用以開發產品後,便能建立合適的發展程序。
這些資料有助於供應商評估產品潛在的可靠度問題或選擇其他開發方案,以避免問題發生。
3.保證已達成顧客需求
開發可靠產品的最終目標就是能向顧客保證開發的產品已符合之定的需要,包括可靠度、維護度及性能,這亦是供應商發展作業中最重要的部分。
供應商必須能做到:
量化表示個向執行結果。
提供相關之可靠度保證制度。
向顧客展示所執行作業及其想要的產品。
能評估產品於生產及使用時之風險,及降低風險方法。
4.2建立顧客滿意之可靠度作業
為達成開發可靠產品之工作目標,在可靠度作業中要有不同的工作要項配合之,各工作要項有密切關係,因此供應商必須應用發展過程所獲得的知識或經驗不斷更新各項作業。
圖二表示開發可靠產品之工作目標即達成目標之工作要項。
詳細說明如下:
1.瞭解顧客需要之工作要項
要做到充分瞭解顧客需要之工作要項為「定義產品需求」及「確認產品用途」,定義產品需求之目的是:
要以顧客需要及供應商有能力做到這些需求的字眼來定義產品需求,這包含瞭解顧客理念及需要,並將他轉換為產品發展方向、目標及需求。
因而訂定了產品操作、物理特性、可靠度、可測試性、維護度、成本、安全及服務的目標。
確認產品用途的目的在訂出產品生命週期中,可能遭遇條件,包括製造、組裝、測試、儲存、運輸及使用條件,以及在不同應用條件下較重要參數為何,這些條件及參數將導入設計,提供評估產品在生命週期輪廓中更具韌性。
2.開發符合顧客需要的產品之工作要項:
要做好建立發展程序以滿足顧客需要之工作要項為「應用各種資源特性」與「設計可靠的產品」,各項資源特性之應用,必須根據產品主要參數再確定各種需求資源,以執行產品開發。
設計一個可靠的產品需要確認有哪些潛在的可靠度問題處理,評估哪些問題對符合需要的影響為何並找出解決方案。
一個可靠產品的設計必須在指定的需求及有限的資源內,使其設計符合指定用途,並建立產品使用準則及預防維護準則。
3.保證已達成顧客需求之工作項目
向顧客保證需求已達成之工作項目為「鑑定產品及製程」、「控制程並持續改進」及「產品生命週期之管理」。
鑑定產品及製程之目的在建立基本之產品設計、製造及組裝規格有能力符合需求.。
鑑定、設計製造及組裝程序,以確保正常的設計與製造規格,能夠產製符合顧客需要的產品。
控制製程並持續改進製程之目的在於監視及管制重要的產品與製程參數,以確保製程變異在規定範圍,製程管制必須針對關鍵的製程參數持續監視,並維持於規定範圍,另需降低各項製程之變異量,以持續改進製程及產品可靠度。
產品生命週期之管理在於建立一套封閉迴路程序,蒐集產品現場使用資料,用以持續評估及改進產品品質、可靠度及成本效益,該項工作要項必須結合顧客及供應商共同檢討產品在性能、支援或妥善率方面之偏差,找出真正原因並採取改正行動,必須改進至可接受水準。
顧客滿意導向之可靠度作業係顧客指定可靠度作業目標,供應商負責開發具成本效益及可靠的產品。
通常顧客對產品最會批評的項目是產品可靠度,如果產品符合顧客需要且可靠,顧客就沒什麼好批評了,要開發可靠產品,供應商應做到充分了解顧客需要、建立發展程序以符合顧客需要即向顧客保證以達到需要。
五、提升系統可靠度之概念與作法
可靠度模式之建立與分析是產品或系統設計暨評鑑中的一項重要工具。
由可靠度之定義,系統在所給予之環境條件下,於指定時限內成功地完成特定功能之機率,可知系統可靠度之目標可以用機率,失效率及兩次失效所經過之時間()等三種方式表示之。
愈達成提昇此一系統可靠度目標之做法,簡單地說不外乎
(1)增加備用元件﹔
(2)增加維修人員﹔及(3)制定良好的維修政策三項方法。
5.1系統可靠度提昇方案之要素
為了提昇產品或系統可靠度,一般國防或高科技的公司均組成跨部門的專案小組訂定可靠度提昇方案。
而可靠度提昇方案之要素包括
(1)工程規格之審查﹔
(2)產品或系統環境之界定:
環境條件是影響產品可靠度之要素,因此在產品對特殊環境下之存活要求亦必須詳加界定。
(3)系統複雜度之研究:
產品或系統之結構,如串聯、並聯、含備用元件或子系統、以及複雜之電路模組,均可能對系統可靠度造成影響,因此有必要對其作深入探討。
(4)設計審查:
設計審查小組必須由最優秀之技術專家所組成,且原先參與系統或產品設計之人員亦應該參與評核有關可靠度、可製性及維修度等關鍵參數之討論與評估。
(5)決定關鍵之零組件:
凡是在系統中大量使用且缺乏高可靠度之零件,若其規格十分嚴謹或供應商僅一家,均是可能的關鍵零組件。
可以事故發生之可能性、嚴重性即可偵測性等風險評估之手法來界定所謂之關鍵零組件。
關鍵零組件界定後,經由產品之失效模式與效益分析中所列出之失效原因,才能提醒設計者加強特預防措施,並在產品製造及使用過程中增加特別之處理步驟.。
(6)零組件之測試:
即一般可靠度之功能測試、環境與應力測試及壽命測試.。
(7)統計測試之計劃與資料分析﹔
(8)失效資料之收集系統:
工程師可以由產品最後檢驗及測試之缺失、退貨之失效紀錄‵環境應力篩選等三種資料之相關分析中,找出失效之要因而與以改善。
(9)失效資料之分析/報告:
由上數之資料分析中,專案小組針對失效之要因給予分數,一般可以分為:
機械方面之缺失、電子方面及軟體方面之缺失等三類,在交由該方面專長之工程師限期予以改善。
(10)失效模式及效益分析:
一般而言FMEA有兩種型態:
一種是與產品設計有關的DesignFMEA﹔另一種是與成品及半成品製造有關的ProcessFMEA。
(11)產品之協調與聯繫:
對上述有關製程改善之FMEA必須和品質及製造部門充分配合,方能了解現場之問題以提昇產品之可製性。
(12)環境應力及其篩選報告﹔
(13)產品生產過程中之測試及報告﹔
(14)原型品測試及報告﹔
(15)可靠度之功能及壽命測試報告﹔
(16)現場測試:
為提供產品售後服務,通常由現場工程師進行此項測試以保證產品之功能滿足顧客需求。
(17)可靠度之分派及元件之可靠度預估:
可靠度分派之目的是將專案小組所制定的可靠度目標分配到每一個子系統中,使每一元件能達到系統要求,並盡可能使系統在有限成本或之限制條件下,其可靠度仍大。
(18)對待售系統之可靠度預估:
這是指以量化之方式對一產品可完成任務程度之估計過程,它提供了對產品設計改良之客觀評鑑,更提示了如何對產品可靠度提昇最有幫助,工業界進行可靠度之預估與量測,通常分為設計初始階段、細部設計之過程、設計之最後階段、系統測試與顧客使用情形等五個階段。
5.2提昇系統可靠度之作法
(1)事前評估、元件子系統及系統可靠度之指標是否可達到顧客要求:
在設計時考慮到完善之維修計劃,或許較純粹提昇系統可靠度之做法來得容易且經濟。
(2)盡可能去除步可靠之元件:
第一次使用之元件及開關在Failing-open狀態下之失效對系統可靠度之影響最大,系統設計者應考慮去除這些零件。
(3)使用經可靠度測試認可之標準零組件:
以電阻器為例經可靠度認可之產品雖然價格較貴,但若該元件影響系統可靠度,吾人不應考慮採用價格便宜之劣質貨。
(4)考慮採取減額定(Derating)之概念:
選用之零組件必須要能承受規定之應力水準。
如系統之要求200伏特電壓,則採用能承受300伏特電壓之元件,使其強度(Strength)能遠操過所承受之應力(Stress)。
(5)使用環境之控制:
如前所述,一般產品使用之環境條件(如溫度、溼度、高度、衝擊力等)均有限制。
因此,吾人對其使用環境亦須有所控制。
(6)增加備用元件之考量﹔
(7)對可靠度及成本或重量限制等設計參數之間取捨作一權衡。
(8)以預防維修(PreventiveMaintenance)及矯正維修(CorrectiveMaintenance)兩種方式提昇系統之可維修度(Maintainability)並建立對不可靠零組件置換/維修時間的保守估計:
可維修度是指一個失效系統能在特定的停機(Downtime)期限內恢復運作之機率。
此期限包含了行政作業、修理及後勤支援等時間。
六、失效模式與效應分析
失效模式與效益分析(FMEA)是一套改善的分析方式,是一項事前預防性的分析工作,在設計與製造確定之前用來探討失效因果關係。
本項方法由產品低層零組件發生失效評估對其上層系統的影響,並檢討改進方法減低失效發生機率,藉以早期找出失效原因與預防措施,提高產品可靠度。
在國際上許多知名企業對失效分析都做了下面類似的規定:
(1)在產品研製各階段中,例如在完成概念與初步設計之後,要進行設計結構失效模式的分析,在生產設計失效之後,要進行製程加工失效模式的分析。
(2)供應商提供詳細的FMEA資料,這些資料應該能主導設計審查與製程分析,以反映供應商設計與製程失效分析的結果與處理。
(3)失效分析的報告,除了數據失效分析之後,還要記載試驗條件、失效模式、失效原因與樣本的數量。
失效分析實施的目的:
在利用表格列舉產品零組件或製程的所有失效模式,並假設當期發生時,對產品功能所造成的影響進行分析,確定失效等級,鑑定它的失敗原因,提出改進對策,因此FMEA的特點即在建立產品的每個零組件之所有失效模式(即一個零件上有多個失效模式),在此基礎上再去分析上一層的各種失效模式,是一種定性的分析方法。
採用此法對故障進行分析時,無須很多數據和複雜公式進行計算,主要採用歸納法,分析者容易掌握因而被廣泛應用。
6.1失效的定義
FMEA在製表之前最重要的是要對產品作失效分析,用以找出失效模式、效應結果與失效原因,因此失效分析的目的在分析產品結構(即零組件間的關聯)的薄弱環節,找出潛在的弱點,在失效分析中首先必需要定義產品的失效是什麼,否則產品的數據分析和評估結果不一樣。
6.2失效的判定
在進行FMEA定量與定性分析時,要區分失效產生後對產品的危害度,以便進行可靠度評估與效應分析,因此要把失效之影響性劃分成若干等級:
(1)失效造成的人員傷亡程度;
(2)失效造成產品本身、週邊設備或環境的損失情形;(3)失效造成公司直接或間接經濟損失情況,因此失效等級的劃分要綜合考量失效帶來人員的傷亡、外部環境的影響、經濟損失大小和風險程度等。
要判定產是否失效,必須訂定明確合理的失效判定標準,不同產品、不同使用狀況、不同失效模式,失效的判定也就不一樣,很難做到統一標準,例如:
齒輪鏽蝕對精密儀器和重型機械的失效判定自然也就不同。
6.3FMEA作業程序
1.產品定義
根據產品設定資料,瞭解產品功能、另組件構成結構、工作原理、使用環境、另組件特點與材質,從製程設計資料,瞭解生產過程中之裝配、加工與檢驗方法,上述資料若不易蒐集,也可以利用同類形成或相近產品之資料作某些假設,在以後的試驗或使用過程中逐步充實、修改即可。
2.繪製功能方塊圖
描述各組件之間的功能聯繫,其作用在使分析者了解各組件功能信號在傳遞時,其輸出與輸入的邏輯關係。
3.繪製可靠度方塊圖
將所繪製的功能方塊圖,利用可靠度的原理及另組件的失效定義,會製程串並聯組合的可靠度方塊圖,以利後續效應分析的探討。
表1-1
失效模式與效應分析表
系統:
日期
層次:
第 頁共 頁
參考圖號:
分析者
任務:
審查者
編號
名稱/規格
功能
失效模式
失效原因
失效效應
檢測
方法
補救
措施
嚴重
等級
備註
本身
上一層
最高層
表1(續)
關鍵性分析表
系統:
日期
層次:
第 頁共 頁
參考圖號:
分析者
任務:
審查者
編號
名稱/規格
功能
失效
模式
嚴重
等級
失效率
數據來源
失效率
λ
失效效應機率β
失效模式分布α
操作時間t
失效模式關鍵性Cm
物件關鍵性Cr
備註
表2.
失效模式效應與關鍵性分析表
零件或製程名稱:
外界製造商:
負責分析人員:
設計/製造負責單位:
工程提出時間:
分析日期:
相關單位:
製造關鍵日期:
說明/
目的
失效模式
失效效應
關鍵特性
嚴重度
失控原因
發生度
現行管制措施
難檢度
風險優先數
建議改正措施
負責部門與完成日期
改善結果
已採行動
嚴重度
發生度
難檢度
風險優先數
4.FMEA製表
按前三項的資料和先期規劃的準備,利用表1或表2的格式,可以列出產品或製成的失效模式、效應分析和失效原因,並根據現行管制方法,對產品做關鍵性評估,找出優先待改進的失效模式。
5.預防措施
關鍵性評估指數愈大者,其對應之失效模式,應在FMEA表中填寫防止失效的措施,在下一次的設計驗證與生產測試中加以鑑定,以重新評估關指數是否降低。
6.4FMECA
FMECA是FMEA和FCA(失效關鍵性分析)的綜合稱作失效模式,效應與關鍵性分析,因此FMECA比FMEA多一項關鍵性分析,具有定量性分析的特點,在實務上可以根據定量分析的大小確定失效模式的重要程度,以集中力量解決產品重大品質問題。
七、廿一世紀可靠度工程師的考驗
7.1廿一世紀的挑戰
過去40年正好可涵蓋整個可靠度工程技術與食物演變的主要歷程,50年代所強調的是技術的開發,主要訴求是藉各類可靠度專業技術的開發,以解決個種產品現場使用上的品質問題。
70年代歷經石油危機之後,日本汽車以高品質、省由等特性開始攻佔世界各地的主要汽車市場,此時可靠度工程技術的價值開始展現消費市場的競爭力。
到了80年代,可靠度工程技術持續的發展,但可靠度技術之推動做法開始受到各界的討論,主要重點在評估是否必須強調獨立的可靠度作業組織與工作要求,尋求將可靠度作業制度納入既有的品質保證與產品保證作業組織中,以提高組織工作的彈性與靈活度,並降低成本,增加市場佔有率。
隨著世界貿易組織的成立,可以預期在進入廿一世紀之後將進入世界性自由市場的貿易競爭。
市場競爭貸給產業界的主要壓力是產品性能要求提高、經費〈預算〉削減以及時間的壓力;所造成的影響可就三方面來說明:
第一、由於產品的銷售對象遍及世界各地,因此顧客對產品需求將有極大的變化;第二、與產品相關的資訊來源極廣〈如使用環境、工作要求及操作型態的變化等〉,所需蒐集、分析的資料量極大;第三、科技產業的最大特徵是新產品由開發、設計到上市的時間縮短,如何以產品壽命週期為基礎,協助高科技產業適應「速度」的要求,進而增強產品「質」的改善、提高市場佔有率並創造利潤,便成為邁入廿一世紀的重要課題。
7.2可靠度工程師的因應之道
面對新環境的變化與衝擊,可靠度工程師必須加以思考,如何確認本身專業的質,進而在企業經營與市場競爭的環境中,突顯、展現自己的價值。
以下提出幾點作為今後可靠度工程師應努力的方向:
1.加強系統工程的應用:
可靠度工程師需依預算、時程與效益,分別就所有可行的方法進行取捨分析,以有效推動產品研製計劃之管理與運作。
重點是要引用系統工程的觀念,建立整體的開發程序,不僅期望產品能滿足顧客的需求,更要求以最有效率與效益的方式來達成各種可靠度作業的目標。
2.強調開發多元化的產品:
不同的銷售對象對產品特性與性能的需求將產生極大的差異,全球競爭趨勢的另一個涵義是廠商需以極具彈性與多元性的品質水準,以符合多元化的顧客價值標準或要求。
對任何一種高科技、高附加價值產品之可靠度保證而言,廠商必須先了解既有技術,將顧客需求明確轉為產品需求;其次必須擴展專業的技術與資訊,使能確實符合顧客的使用環境與條件。
3.售後服務與維護支援效益的提昇:
由於顧客對於產品的滿意度不單指產品本身,更包含使用階段之售後服務的成效。
售後服務與維護支援的重要性可由下列數據獲得證明:
工商時報有關汽機車廠使用工具之新聞報導〈1993〉指出「根據台灣地區機器工會所做的調查顯示,加工精度、可靠度及售後服務的好壞,為決定汽機車業是否購買國際工具機的三大考慮因素」,此外電腦晶片製造大廠英代爾公司執行副總1996也說明,在英代爾一不價值2000美元的電腦每年所需之軟體、操作與維修費用約是800美元,幾達採購成本的四成。
4.結合軍民通用科技促進整體產業發展:
二十世紀末世界局勢的大變動,以讓世界主要工業國家意識到政治與經濟實為一體的兩面,不能再以簡單的二分法來區隔。
民間產
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