DMAIC方法在喷涂设备维护中的探索与实践

马超

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

目前的汽车制造行业，为了追求更快的喷涂速度、更精细的喷涂质量、更可控的喷涂过程、更低的材料浪费，多数车企选择在涂装车间使用机器人喷涂代替传统的人工喷涂。高集成度和全自动化确实提升了工作效率，但也带来了更高的故障率和更长的维修时间，这无疑给设备维护部门出了难题，带来的挑战也是层出不穷的。传统设备维护中，存在过于依赖个人经验、“治标不治本”、措施执行不到位等现象，导致某些设备问题反复出现。DMAIC方法适用于对现有过程的改进，是一个以数据为依据、以资料来驱动的改善循环。可以解决上述提到的问题，优化设备维护工作流程。

1 六西格玛与DMAIC方法的介绍

西格玛（σ）是一个统计学单位，表示与平均值的标准差。而六西格玛原本是质量控制的概念，即六倍的标准差——每百万个产品中缺陷率不多于3.4个。这个概念由摩托罗拉公司的工程师比尔·史密斯在1986年提出，旨在利用各种品质控制体系、数据统计、科学管理等方法，准确地识别产品的瑕疵与错误，并将其降至最低，减少生产过程中的变异，提高产品质量的稳定性，提升产品品质。在后来几十年的不断创新发展中，其逐渐衍生出了一个更广泛的管理方式：以客户为中心，分析风险与问题，优化和控制流程，提高产品质量，追求改进的持续进行。

DMAIC方法是一个资料驱动的改善循环，源自美国统计学家爱德华兹·戴明的循环品质管理（戴明环），即“计划——实施——检查——行动循环”，是实现六西格玛管理的重要工具之一。通过D（define，定义）——M（measure，测量）——A（analysis，分析）——I（improve，改善）——C（control，控制）的步骤，优化、改善和稳定现有的商业流程。

2 MRA2喷漆车间喷涂机器人问题现状

MRA2喷漆车间面漆共有36台德国DURR的ECORP机器人，6天×24小时连续生产。由于面漆区域是单线设计，发生停机时，所有车身都只能停留原地，等待设备恢复后才能向后续传送，影响整个车间的生产进度；如果发生大停机，中间烤箱区域的车身则可能由于长时间烘烤产生色差等质量问题，即使给烤箱降温也无法保证完全避免。2019年，喷涂机器人单次30分钟以上的大停机13次共900分钟，有越来越严重的趋势，影响了车间生产目标的完成和车身质量的稳定。因此，需要使用科学有效的方式优化现有的设备维护模式。

3 DMAIC方法的具体实践

3.1 定义阶段（D）

此阶段的目的是明确需要解决的问题、项目目的、潜在资源、项目规模、责任分工等。

改进小组成员由组长/段长、主管工程师、设备维护班长、维修工技术骨干组成。基本分工如表1所示。

表1 人员分工表

因为喷涂机器人结构复杂、故障种类很多，所以，本次工作目标是从突出的问题种类入手，使用DMAIC方法，优化设备维护保养的管理流程，发现当前工作中存在的问题，并对其进行针对性的改进，从而提高设备可靠性与稳定性，减少大停机的时间和次数。

3.2 测量阶段（M）

此阶段的目的是客观地收集现有的信息，作为改进的支撑，要求是数据来源可靠，数值精确，表达呈现清晰。我们用到的工具是Pareto（帕累托）图。

Pareto图是一种折线图和条形图的组合图形，按照事情发生的频率或数量排序，可以直观地从大量数据中体现的项目。现在已经有很多软件可以便捷地生成Pareto图，只需将数据表格录入软件即可，我们此次使用Minitab软件。

经过对喷涂机器人2019年所有停机的数据统计、汇总与分类，发现停机的原因主要有转速报警、机器人手轴故障、供给系统泄漏、油漆压力异常、成型空气异常等。依据数据绘制的Pareto图，如图1、2。

图1 大停机次数Pareto图

图2 大停机时间Pareto图

从图1和2可以看出，仅转速报警和手轴故障两种问题导致的大停机，就达到7次，占总次数的53.8%，时间长达555分钟，占总时间的61.7%，是影响设备运行的最主要问题。

3.3 分析阶段（A）

此步骤的目的是识别、验证当前存在的风险，并分析出问题的根本原因。

3.3.1 鱼骨图

鱼骨图是日本学者石川馨创立的一种因果模型，它被广泛应用在根本原因分析的过程中。在鱼骨图里，问题（鱼头）通常放在图的右侧，将影响因素划分为几个主要类别，然后从主要类别中再细分子类别，这些类别都位于图表的左侧，以便清晰地显示层次分支。

我们通过内部讨论、设备厂家咨询、供应商交流等方式，集思广益，从现场管理中的五个要素，即人员、机器、原料、方法、环境，对引起喷涂机器人故障的原因进行分析，结果如图3。

图3 喷涂机器人故障原因鱼骨图

引起故障的原因会有很多，但是风险水平却不尽相同，为了能更好的明确设备运行的风险，基于以上的结果，我们又做了设备的失效模式与影响分析——FMEA。

3.3.2 失效模式分析

FMEA是一个结果直观且易于上手的操作规程，旨在分析系统范围内的潜在故障模式，以便于按照严重程度对其进行分类，或者确定故障对整个设备系统的影响，让我们在故障发生前采取必要的措施来进行预防性维修。

开始FMEA分析前首先要制作一个分析表，来体现设备失效模式、失效影响、问题原因等，可以根据实际情况进行增删，并且记录PRN分值。PRN是风险优先级系数，计算公式是PRN=S×O×D。

式中，“S”代表严重程度，是设备失效影响的量化指标，范围从1（几乎无影响）～10（极其严重的影响）。“O”代表出现频率，设备失效发生需要结合失效的根本原因和实际的发生次数来确定，范围从1（几乎不发生）～10（非常频繁的发生）。“D”代表检测等级，即失效发生被察觉的难易程度。需要先明确该失效模式当前的控制措施，再根据当前措施的对症情况确定具体数值，分为1（轻易地检测到）～10（几乎无法被检测到）。

按照上述标准，我们组织班长、维修工技术骨干和工程师进行头脑风暴，参考同类企业的经验和网上相关的技术文献，对喷涂机器人进行RPN风险评估，找到发生最频繁、影响最严重、最紧急的设备问题，详见表2。

表2 喷涂机器人FMEA分析（仅展示高RPN条目）

综上可以得出，导致转速大停机的主要原因是马达老化、光纤更换麻烦、PM检查作用有限、马达维修困难、光电转换器温度高；导致手轴故障大停机的主要原因是设备老化、设备保养不到位、PM检查缺失、电机环境温度高。

3.4 改进阶段（I）

改进阶段的目标是根据分析阶段得出的故障原因和失效风险，制定不同的改进方案，并选择高效和可执行的方案，最终实施。

3.4.1 马达转速故障

（1）空气马达。空气马达是消耗品，在长时间使用过程中内部衬套会与转子互相磨损，导致轴承空气不平稳，转子动平衡异常。杜尔马达价格昂贵，单价约60000元，寿命也只有2年，如果每次故障后都直接换新将是很重的成本负担。目前，老化马达的处理方式都是拆开简单清理，然后继续使用。我们没有专业的动平衡检测设备和调整设备，清理后的马达质量远达不到原来的水平，经测试使用寿命仅为1个月左右，这也是此RPN得分非常高的原因。

改善措施：①马达老化——杜尔马达的专利保护期已过，可以向其他设备厂商购买或者定制替代品马达，以尽量低的成本对空气马达进行更新；降低非必要颜色马达转速设定值，延缓空气马达老化。②马达维修困难——寻找维修性高的空气马达替代品。

（2）光纤。光纤是空气马达转速的反馈介质，安装在机器人一臂内部到手轴前端雾化器的位置。由于设计问题，机器人未考虑光纤维修更换的便利性，导致发生故障更换时会耽误较长时间。

改善措施：①增加光纤的PM更换计划，根据光纤属性即车间实际工况，定为4年更换一次，并将原先使用的光纤放在机器人内做应急使用。②更换光纤最费时间的步骤是将光纤在机器人一臂与二臂之间盲插，改进机器人，在需要盲插的地方增加套管，提高插入速度。

（3）光电转换器。光电转换器安装在机器人一臂内部，是将马达转速的光信号转化为电信号的装置。由于防爆机器人内部密封，导致光电转换器工作时的热量无法散发，测试最高能超过65℃，使光电转换功能异常。

改善措施：从主气源处用气管引一路压缩空气到光电转换器处，通过空气直吹来给其与整个一臂腔体降温。

（4）PM检查作用有限。目前，针对马达转速的PM工作只有定期听马达的转动异响，对于噪声的敏感程度因人而异无法量化，且受当时环境影响较大，无法起到有效的预防措施。

改善措施：①购买便携式动平衡测试仪，取代听声音来判断马达状态，更清楚直观。②定期通过PDA（一款杜尔的工艺数据查看软件）检查马达转速反馈情况与驱动空气压力情况，提前更换故障马达。

3.4.2 手轴故障

（1）手轴老化与保养不到位。喷涂机器人工作中要将雾化器深入车身内部，动作复杂，且喷涂的漆雾也会慢慢渗入手轴关节中，引起手轴卡顿，影响寿命。因为手轴结构复杂，非专业人员无法保养，目前仅能对其进行加油润滑。

改善措施：①寻找专业供应商对手轴进行拆卸保养，修复磨损部件。②更换新型手轴软管和耐腐蚀手轴密封圈，延缓手轴污染速度，延长使用寿命。

（2）手轴PM检查缺失。目前对手轴的PM计划只有定期润滑和更换软管，无法及时地发现手轴异常，避免在生产过程中停机。

改善措施：①手轴磨损会发热，计划增加手轴测温检查，用测温枪测试固定点位的温度，高于正常值的手动检查是否有卡顿或阻塞，酌情更换。②为机器人增加轴扭矩监控功能，扭矩超过阈值则代表手轴异常，设备操作界面显示报警提示。

（3）设备环境温度高。机器人电机同样安装在机器人内部，热量无法散发，影响增大电机内阻，影响电机寿命。改善措施同光电转换器一样，增加压缩空气直吹，改善散热条件。

3.5 控制阶段（C）

此步骤的目的是验证改进的效果，监控改进情况，确认改进的有效性和可持续性，并将成果固化到现有的流程体系中。

我们将增加的检查类工作加入SAP系统中，任务会依据设定的周期按时派发到维修班组，并提醒班组及时执行，按时完成，并有专人监控SAP工单的反馈情况。为了确保检查执行的效果，我们还要求所有工作每次执行都必须有图片记录，工程师每月检查点检完成情况，工段长不定期抽查工作执行程度，并与员工绩效工资挂钩，确保改进成果的可持续性。

4 实践效果

经过2020年的探索和实践，MRA2喷漆车间喷涂机器人转速和手轴大停机次数分别减少到了1次和2次，大停机时间也缩短至了100分钟和104分钟，取得了非常显著的成果。同时，我们还举一反三，将改进结果衍生到其他故障的预防和控制中。2020年，全年总大停机次数从2019年的13次下降至7次，总停机时间从900分钟下降至726分钟；2021年，甚至下降到5次共372分钟，实现了持续改进的目标。

5 结语

基于DMAIC方法得出的部分改进措施，可以通过工作经验得出，但由于后者存在诸多主观性和不确定性的因素，只能是暂时的解决问题，其根源实际上却没有斩断。而DMAIC是用科学的方法对失效问题从源头把控，进而开始全面分析和深化处理。所以要想失效问题得到根本解决，DMAIC不失一种可靠的方法。随着数字化、柔性化、绿色化生产的到来，设备维护已不再是单一的传统工作，而是一项囊括机械电气、质量控制、成本管理、人力管理等多个领域的复合型职业，那么，就要跟上时代发展的脚步，追寻和探索更多类似DMAIC等其他领域的方法，跨专业的有机结合一定能擦出更多的火花。