智能研发要求企业人员具有非常高的应变能力，能够灵活使用多种工具，从而使设计到生产、销售、售后服务等各个环节高效嵌入。随着质量管理方法论、研发管理方法论和IT技术的发展，大量的工具与方法逐步应用到研发管理中，FMEA就是被企业广泛应用的可靠性设计分析方法之一，是帮助企业从“制造”走向“智造”的利器。
初识FMEA
作为一种能够最大程度的识别并帮助减少潜在的隐患的一种技术手段，失效模式与后果分析FMEA已经被列为ISO/TS16949的5大工具之一（其余四大工具为产品质量先期策划APQP、测量分析系统MSA、统计过程控制SPC、生产件批准程序PPAP）。说得通俗一点，FMEA是评估设计可靠度的一种方法，用来对产品、过程、体系误差的纠正预防，该方法最早诞生于美国。
1950年，美国的GRUMMAN公司研发新型喷射战斗机时，为了评估飞机操作系统某一元件之失效分析采用了FEMA的解析方法；1957年，Boeing飞机公司与Martin公司正式将FMEA列入工程指导手册，同时期美国NASA与军方也开始应用FMEA技术；1993年，美国汽车工业为连贯设计、开发与制造的程序，整合各个汽车公司的FMEA应用程序，当时的三大汽车公司委托ASOC整合潜在失效模式与效果分析参考手册SEA-J-1739。我国于1970年左右引进FMEA技术，用于航空航天及汽车工业上。
什么是FMEA？百度百科的官方定义为：FMEA，即Failure Mode and Effects Analysis，是在产品设计阶段和过程设计阶段，对构成产品、设备的子系统、零件，以及构成过程的各个工序逐一进行分析，找出所有潜在的失效模式，并分析其可能的后果，从而预先采取必要的措施，以提高产品或设备的质量和可靠性的一种系统化的活动。
图1 事后处理到前期预防
概况地讲，FMEA是一种系统化的工程设计辅助工具，用来协助工程师进行新产品新技术的开发与工程分析，强调在工程设计的早期发现潜在缺陷及其影响程度，以及时谋求解决之道，从而避免失效的发生或降低其发生时产生的影响，提高系统的可靠性。
FMEA的应用目的可以概括为三方面：第一，认可、评价产品或过程中潜在的失效及后果；第二，识别能够消除或减少潜在失效发生的措施；第三，总结上述过程并形成文件，以便日后的持续改进使用。
FMEA分类
根据其用途和适用阶段不同，FMEA可分为六类：SFMEA（系统失效模式与后果分析，System）、DFMEA（设计失效模式与后果分析，Design）、PFMEA（过程失效模式与后果分析，Process）、MFMEA（机器失效模式与后果分析，Machine）、EFMEA（设备失效模式与后果分析，Equipment）、SEFMEA（维护失效模式与后果分析，Service），以下将一一介绍，重点介绍经常会用到的DFMEA和PFMEA这两种类型。
SFMEA——系统失效模式与后果分析，是用来识别在总体设计中潜在弱点的分析技术，通过系统、子系统、分系统不同层次的展开，自上而下逐级分析。SFMEA规定必须在确定硬件之前的早期概念阶段中进行实施，重点放在系统、子系统和分系统所执行功能和相联系的潜在失效上。
DFMEA——设计失效模式与后果分析，是由设计工程师针对产品本身采用的一种分析技术，指在产品设计开发时，充分考虑到产品在生产、运输、使用的过程中的各种潜在失效模式以及相关的后果、起因、机理，主要针对的是部件，包括主系统、子系统、零件、组件、机构，其主要作用有以下几点：
●帮助选择高可靠度和高安全性零件；
●彻底了解各阶层机构、组件、零件之功能；
●设计初期阶段，了解制造和装配的需求；
●改善设计的弱点、改善顺序的依据；
●提供分析资讯，进行设计验证与设计审查；
●评估设计变革和新设计的必要性。
图2 DFMEA风险的评估与改善评估
PFMEA——过程失效模式与后果分析，是由负责制造、装配等的工程师主要采用的一种分析技术，用以最大限度地保证各种潜在的失效模式及其相关的起因、机理已得到充分的考虑和论述，主要针对制造过程而言，包含设备、机器、工具、工作站、生产线、制程、治具等。PFEMA是改善顺序的依据，需要确认制造和装配的失效原因与制程变异，找出管制及改善方法，同时确认制程潜在的失效模式及影响。
图3 PFMEA风险的评估与改善评估
MFMEA——机器失效模式与后果分析，是由设备工程师对设备进行系统的一种分析技术，用以最大限度地保证机器在运行过程中的各种潜在的失效模式以及相关的后果、起因、机理的考虑和论述，主要针对的是工具。
EFMEA——设备失效模式与后果分析，是由设备工程师对设备进行系统的一种分析技术，是进行设备策划时对潜在可能失效的模式及其失效后会引起的后果所进行的分析，主要针对的是新设备的引进前的策划。
SEFMEA——维护失效模式与后果分析，主要指用于产品送到客户前所有服务失效模式的分析。
此外，为了防止分析时的偏差，各个部门的代表，每个功能单位、专业技术和管理人员都应该参与，集思广益。例如，进行PFMEA需要参与的部门有：PE（工艺工程师）、ME（材料工程师）、TE（测试工程师）、QA（品质保证人员）、IE（工业工程师）；进行DFMEA需要参与的部门有：R&D（研究与开发工程师）、TE（测试工程师）、QE（品质工程师）、ME（材料工程师）、QA（品质保证人员）、PE（工艺工程师）……
FMEA应用时机
FMEA一般的应用原则是，越早越好，这样才能消除或减少设计错误的发生。笔者收罗了大家比较认可的FMEA几种应用时机，供大家参考。
●情形一，用于新产品的设计、新技术的应用和过程设计时。FMEA覆盖了全部产品设计、技术应用和过程。例如新设计、新制程、新方法导入。
●情形二，用于现有的设计过过程修改时。FMEA的范围集中于对设计或过程更改的部分。例如工程变更、制程变更、材料更改。
●情形三，用于将现有设计或过程用于新的环境、场所时。FMEA的范围集中于新环境或场所对现有设计或过程的影响。
图4 DFMEA和PFMEA的应用时机
此外，对设施的预测性维护，对行政管理过程的风险分析也可使用FMEA。
如何进行FMEA分析？
聪明的工程师们定义了FMEA的量化指标——风险关键指数RPN（Risk Priority Number），以数据来评估失效模式风险。风险关键指数由失效严重度S（seriousness）、失效发生率O（Occurrence）和侦测度D（detect）组成。
失效严重度S：指失效模式发生是引发其对零件本身或对其他零件、主系统、子系统的特性、功能、可靠度的影响程度，以及对客户的安全性、经济性、环境的冲击程度。一般而言，要降低失效严重度，DMEA类只能借助系统重新设计来改善，PFMEA类需要DFMEA类的协助改善。
失效发生率O：指失效模式发生的原因造成失效发生的机率。发生率的判断依赖于经验及历史数据发生的程度，不在于精确的数值。通常来讲，DFMEA类若要降低失效发生率则利用设计修改来排除失效原因，如对材料、零组件的修改；PFMEA则针对影响失效控制参数进行修改。
侦测度D：指零件、组件、机构装置或系统投产前先行的控制方法检测发生失效的原因或失效模式的评价指标。一般而言，DFMEA通过改变设计测试方式、验证方式、实验计划或强化设计审查来降低检测度；PFMEA则通过改善检验对象、方式、方法与频率来降低检测度。
图5 RPN风险率的组成
风险关键指数RPN：计算方式为RPN=S*O*D。使用时，工程师需要对SOD的每一项定义自己的等级，SOD的尺度可以不同，但是其分级比率应用必须持续、一致。SOD的分级必须在构成要素展开之前界定清楚，必须随着FMEA的结果一起发表。通常企业针对RPN的分级为5分级或10分级。
FMEA共性要素
尽管FMEA有那么多种分类，但依然可以找出他们的共性要素，实际应用中大家可以参照以下几方面考量：
●功能框图或过程流程图
●功能：该设计或过程要执行的功能是什么？（设计意图）
●失效模式：设计产品或过程失效的表现形式
●失效后果：失效模式发生后，失效后果怎样？
●严重度S：失效模式的后果有多严重？
●失效原因：什么会导致失效模式的发生？
●失效发生率：失效原因发生的概率如何？
●现行控制：检测或预防将失效传递到后续的现行方法，模式或原因是怎样被检测或预防的？
●检测度：失效模式或原因一旦发生，能否检测得出。
●全部失效风险的总和是多大（RPN）？
●消除失效原因，减少风险的纠正、预防措施是什么？
图6 FMEA标准化文档格式
智能FEMA框架
图7 智能FMEA框架
尽管FMEA已经广泛应用在航空航天、电子、机械、电力、造船和交通运输等行业，但在智能制造时代，随着可靠性分析、系统化工程设计辅助工具等技术的发展，针对FMEA的应用要求日益提高，为此有很多学者提出了智能FMEA的框架，以下做简要介绍，感兴趣的读者可深入研究。
智能FMEA的总体框架包括四部分：知识库/模型库，系统模型，故障模式选择和故障影响推理，以下逐一介绍：
●知识库/模型库：包括产品典型故障模式，以及专家经验的收集汇总。在知识的表达上，采用面向对象的知识表达方式，基于典型单元模型进行专家知识的表达。
●系统模型：是对被分析系统结构或者功能的抽象描述，包括描述系统结构或功能的层次模型，描述同层次内部各单元间输入输出关系的网络模型。
●故障模式选择：单元故障模式的发生受环境因素、任务等约束条件的限制，目的是根据系统的工作环境以及任务等信息确定需要分析其影响的故障模式，这些故障模式是产品单元所有可能发生故障模式集合的子集。
●故障影响推理：模型不同，推理方式也不同，对于系统层次模型，主要根据专家知识直接对选定故障模式的影响进行推理；对于网络模型，则主要通过故障模式对产品单元间的输入输出关系进行推理。
此外，智能FMEA可以结合很多其他技术，如CAD、CAE、可靠性信息系统、FTA（故障树分析）技术，从而使智能FMEA更完整，反过来也可支持其他技术，这样可形成一个闭环的系统框架，实现全生命周期的智能FMEA的应用。
需要强调的是，FEMA是一种用于评价潜在失效模式及其原因的事前分析工具，它并不是问题的解决者，只能显示问题发生的机会，实际应用还需要结合其他解决问题的方法。当然，本文的初衷也是为大家科普FMEA的基本知识，希望企业通过应用FMEA来识别和评估在设计或工程中可能存在的缺陷模式及其影响，并确定能消除或减少潜在失效发生的改善措施，从而防患于未然。
来源：PLMgod
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