导读
对于制造业企业而言，避免产品缺陷，降低安全生产事故的几率，最好的办法就是预防。而“防呆防错”就是从预防的角度出发，采取有效措施尽可能避免生产过程中可能出现的差错，并避免由于差错而产生的质量问题以及安全生产问题。
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本文由e-works编辑部杨培原创发布。
在制造业的生产制造过程中，容易出现各种各样的错误，不仅可能会造成物料浪费、生产返工、产品缺陷、经济损失等，导致与制造业所追求的质量管理“零缺陷”的目标背道而驰；严重的甚至还可能会造成安全事故、人员伤亡等。比如，2022年4月17日，浙江某公司内一外包车间发生因操作工误操作而导致的中毒事故，且施救人员因未穿戴安全防护用品盲目施救，导致中毒事故扩大，事故共造成3死3伤。2022年4月9日,东莞某精密压铸公司发生因员工违规操作压铸机而导致的机械伤害事故，事故造成该员工头部被机器模具挤压，当场身亡。
对于制造业企业而言，避免产品缺陷，降低安全生产事故的几率，最好的办法就是预防。而“防呆防错”就是从预防的角度出发，采取有效措施尽可能避免生产过程中可能出现的差错，并避免由于差错而产生的质量问题以及安全生产问题。如今，各类防呆防错解决方案已被逐渐发明出来，用于分工日益精细、质量与安全要求越来越高的现代制造业中。本文主要对工厂生产制造过程中的防呆防错解决方案进行盘点和介绍。
01
工厂防呆防错助力质量管理“零缺陷”
1949年，美国工程师爱德华•墨菲（Edward A. Murphy）提出了著名的“墨菲定律”，也称“墨菲法则”、“墨菲定理”，原文为“如果有两种或两种以上的方式去做某件事情，而其中一种选择方式将导致灾难，则必定有人会做出这种选择”；其根本内容是“如果事情有变坏的可能，不管这种可能性有多小，它总会发生”。它所带来的启发，一是不能忽视小概率事件，即使是小错误的发生，也可能引起大的祸患；二是面对极有可能发生的错误，预防得当可以减少错误发生的几率。作为一种心理学效应，“墨菲定律”适用于所有受概率影响的事件和心理，同样也包括工厂的生产制造与质量管理过程。
“人、机、料、法、环、测”，简称“5M1E”，是生产管理的六大要素，也是全面质量管理（Total Quality Management，TQM）理论中的六个影响产品质量的主要因素。对制造业而言，最担心的就是出现产品缺陷，而“人、机、料、法、环、测”各个环节都有可能导致缺陷的发生。这其中，“人”是最重要的因素，也是最不稳定和最不可控的因素，是最大的风险源。无论是设备的操作、检修、保养，还是材料的验收把关，以及作业方法的遵守和改进，都依靠工人的智慧和积极性。但是，“人”犯错是自然事件，所有的人都会犯错，无意识的错误不仅是可能的，而且是难以完全避免的。
比如，长时间重复性的工作，不仅会使操作者产生疲倦、迟钝，对于一些外形、颜色、触感相似的物料敏感度下降，也会对一些零件判别产生迟钝，容易造成错装、漏装。在生产制造过程中，这些人为错误不仅存在，而且还会影响“机、料、法、环、测”等因素。
有人曾总结了错误发生的十大原因，包括遗忘、误解、对过程/作业不熟悉、识别错误、缺乏经验、疏忽、行动迟缓、缺乏适当的作业指导、突发事件、故意失误等，这其中“人”的因素占据了绝大部分；而对应到生产制造过程中，可能造成的后果则是漏掉某个工序、作业失误、工件设置失误、缺件、漏掉零件、工件加工错误、误操作、调整失误、设备参数不当、工装夹具不当等。
图1 错误产生的原因及其可能造成的后果
为了采取措施来预防产品缺陷以及错误发生的诱因，丰田生产体系创建人、工业工程领域著名的品质管理专家新乡重夫（Shigeo Shingo），根据其长期从事现场质量改进的丰富经验，首创了POKE-YOKE的概念，并将其发展成为用以获得零缺陷，最终免除质量检验的工具。
POKE-YOKE中文称为防错法、愚巧法、防呆法，英文又称Error Proofing或Fool Proofing，意为防错误/防呆技术，也即让呆笨的人来做事也不会做错。其主要目的是预防生产过程中可能出现的差错，并避免由于差错而产生的质量问题与安全生产问题。其基本原理为“用一套设备或方法使作业者在作业时直接可以明显发现缺陷或使操作失误后不产生缺陷”。
长期以来，被各大企业所沿用的防止人为错误的主要措施是“培训与惩罚”，也就是对操作人员进行大量培训，管理者也一直劝诫操作人员在工作上要更加认真努力，要有质量意识；而当错误发生的时候，管理者则往往采取扣工资、扣奖金等方式，对出现差错的操作人员进行惩罚。然而，大量实践与研究证明，“培训与惩罚”的防错纠错方式并不太成功。
这是因为，虽然通过培训确实可以避免相当一部分的人为失误，比如，对过程/作业不熟悉，缺乏工作经验、缺乏适当的作业指导所导致的失误。但由于人为疏忽、忘记等所造成的失误却很难防止。而且，出错后采取惩罚的方式，虽然出发点在于警示操作人员，让其吸取教训，但是也可能使其长期处于消极状态中，产生负面情绪反应和行为，反而还可能埋下新的隐患。
防呆防错是从预防角度出发所采取的预防措施。其特点在于，一是全检产品但不增加作业者负担；二是必须满足防错防呆规定的操作要求，作业方可完成；三是尽可能低成本；四是实时发现错误，实时反馈。
因此，对制造业的工厂而言，防错防呆意味着“第一次就把事情做好”，以及“有人疏忽或者外行人来做也不会出错”，其优势在于将对质量的把控环节直接融入生产过程，带来的直接结果就是提升产品质量，减少由于检查而导致的浪费，并消除返工及其引起的浪费。而且，通过采取防错防呆措施，也能提高生产效率，并防止操作人员因失误或其它原因而引起的安全隐患，降低安全事故的发生几率，保障生产流程正常运行。
02
防呆防错的五大思路与十大原理
防呆防错是一门技术，它采用一系列方法和工具，旨在最大限度地防止各类错误的发生。而且，即使错误发生后，也能第一时间知晓并停止，将损害降至最低，并避免不再继续发生同样的错误。一般而言，防呆防错可从三个维度来考虑：消灭错误发生的原因；即使犯错也不会产生不良；防止不良品流出。而基于以上三个维度，防呆防错有五大基本思路：消除失误、替代、简化作业、检测和减少失误。
表1 防呆防错的五大基本思路
◉ 其中，消除失误，也即通过对产品及制造过程的重新设计，加入防错方法，以达到消除可能出现的错误的目的。
◉ 替代是对硬件设施进行更新和改善，使过程不过多依赖于作业人员，从而降低由于人为原因造成的失误(占失误的部分)。这种防错方法可以大大降低失误率，但其缺点是投入过大，而且，由于设备问题导致的失误也无法防止。
◉ 简化作业是通过合并、削减等方法对作业流程进行简化。作业步骤越多，出现失误的几率越多；而操作步骤和流程越简单，出现操作失误的概率越低。削减、简化和合并操作流程，相当于为减少失误创造了条件。在新产品开发阶段、生产过程设计阶段遵循该原则和思路，可大大降低后续生产中的不良现象发生；对现有过程的分析和改善时，遵循该思路和原则，同样也会降低失误概率。但是，其缺点在于流程简化并不能完全防止人为缺陷的产生。
◉ 检测是在作业失误时自动提示的防错方法, 大多是通过计算机软件实现，是目前广泛使用的防错方法。
◉ 减少也即从减少由于失误所造成的损失的角度出发,发生失误之后将损失降至最低或可接受范围。比如，当操作者的手部或身体其它部位误入危险区域时,区域内的设备自动制动或停止运行。
从目标和采用的方法来看，消除失误是最好的防呆防错思路与方法。这是因为，最好的系统是预防，最好的品质是不用检查和测试。如果将出错的机会完全消除掉，失误和缺陷自然也就会消失。消除失误这一思路和原则，从设计角度即考虑到了可能出现的作业等失误，并用防错方法进行预防，是从源头防止失误和缺陷的方法，不仅符合质量的经济性原则，也是防错法的发展方向。
另外，从原理和执行层面来看，由于错误发生的原因多种多样，在识别和纠正错误方面，最常用的主要有十大防呆防错原理，包括断根原理、保险原理、自动原理、相符原理、顺序原理、隔离原理、复制原理、层别原理、警告原理和缓和原理等。
表2 防呆防错的十大原理及举例
03
工厂防呆防错解决方案巡礼
俗话说，“人非圣贤，孰能无过，过而能改，善莫大焉”。意思是，人做错事是很正常的，只有积极改过就好。但这种观点却不太适用于分工日益精细、质量及安全要求越来越高的现代制造业。因为一旦犯了错，可能都没有补救机会，造成的损失可能也是难以估量的。
从防呆防错的角度而言，设计阶段的防呆防错、工艺流程的防呆防错，以及生产制造过程的防呆防错等，都是工厂防呆防错的重点。设计阶段的防呆防错，即在产品设计过程中运用防错技术和工具，使产品具有自动防错能力，从源头上防止出错的机会。工艺流程的防呆防错，即通过合理编排或简化工艺流程等，来防止错误的发生。生产制造阶段的防呆防错，即通过各种防错技术与手段，避免或减少生产制造阶段的错误发生，降低生产异常出现的可能性，提升生产制造过程可控性。以下对生产制造阶段主要的防呆防错解决方案进行盘点和介绍。
1、光栅防错
光栅是由大量平行、等宽、等距狭缝排列起来形成的光学元件，它是利用光的衍射和干涉原理进行分光的一种色散元件，因其形如栅栏，故名为“光栅”。常见的光栅有安全光栅和测量光栅，在工厂防呆防错中都有广泛应用。
安全光栅即安全光幕，又称光电安全保护装置、安全保护器、红外线安全保护装置等，是避免人员接近移动机械或误入危险区域的一种光电设备。一般而言，安全光栅成对存在，分为发射端和接收端。
安全光栅的工作原理是，发射器发出红外线，由接收器接收，形成光幕，当有物体进入光幕中，通过内部控制线路，受光器马上做出反应，控制设备进行停止或者报警等动作，保障作业人员的人身安全以及设备的正常安全运作。现代工厂中，人与机器一起工作，而具有潜在危险性的机械设备有很多，如冲压机、龙门式装载机、切割机、卷绕机、工业机器人、自动装配线、自动焊接线等，安全光栅通过一组红外线光束，形成保护光栅，当光栅被遮挡时，光电保护装置就会发出信号，控制具有潜在危险的机械设备停止工作，从而降低作业人员在工作环境中受到伤害的可能性，有效保护作业人员人身安全。
安全光栅厂商众多，国际厂商包括基恩士（Keyence）、邦纳（Banner）、皮尔磁（Pliz）、图尔克（Turck）、西克（Sick）、雷尼绍（Renishaw）、易福门（IFM）、倍加福（Pepperl Fuchs）、康睿得（Contrinex）、松下（Panasonic）等；国内厂商包括意普兴科技、西肯工业、深浦电气、辰竹仪表、赛加得、科恩光电、品拓科技、安协科技、安一光电、斯格易科技、兴兆业光电科技、东方数控、山东穆柯、三井机电、施特安邦科技等。
图2 安全光栅在汽车冲压线的应用示意图 （图源：皮尔磁工业自动化）
测量光栅，也称测量光幕，主要用于检测和测量物体，比如大小、位置、体积、高度、长度等是否符合规定要求。测量光栅发射器产生的检测光线并非如普通光电传感器只有一束，而是沿长度方向定间距生成光线阵列，形成一个“光幕”，以一种扫描的方式，配合控制器及其软件，实现检测和测量物体外形尺寸的功能。测量光栅在工厂防呆防错中应用也较多。比如，用于验证孔洞位置，实现品质监控；在自动涂装系统中，用于检测工件位置以及形状；用于检测输送的物体是否位于正确且安全的输送位置等。测量光栅一般属于非标产品，精度要求更高，而且很多功能需要定制。测量光栅是安全光栅的衍生品，如今安全光栅厂商大多也都推出了测量光栅产品。
图2 测量光栅用于确认 物件是否处于正确位置 （图源：ifm易福门电子）
2、行程开关与接近开关防错
行程开关是一种利用生产机械的某些运动部件的碰撞来发出控制指令的主令电器，用于控制生产机械的运动方向、行程大小和位置保护等。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等，并可达到防呆防错的目的。比如，在机床上有很多行程开关，用于控制工件运动或自动进刀的行程，避免发生碰撞事故。在汽车车体焊接过程中，通过增加限位行程开关，焊钳移动焊接完规定数量的焊点后，才会与限位行程开关接触，程序进入车体搬运，从而避免批量漏焊的产生。
图2 行程开关工作原理图 （图源：德力西电气e电工）
接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，当物体接近开的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力，即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机（PLC）装置提供控制指令。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节等。接近开关又称无触点接近开关，是常用的防错装置之一。比如，利用接近开关感应螺母，控制继电器的通断，利用继电器的通断控制焊机的工作，以此达到防止螺母漏焊的目的。
行程开关和接近开关作为作用相同（都用于检测位置）、原理不同的传感器，是传感器的常见品类。国内外主要的传感器与工业自动化厂商如堡盟、易福门、倍加福、巴鲁夫、奥托尼克斯、施耐德电气、欧姆龙、劳易测、德力西电气、正泰电气等，大多都有相关产品推出。
图3 接近开关检测夹具位置 （图源：劳易测）
3、防呆防错工装
对于通过工装或夹具来装配的零部件，可以在工装上设置防错机构，使工装或夹具不通用，从而起到防错作用。设备上的防错装置技术的应用，一般都是不制造缺陷的防错，可消除返工、降低检验成本，是比较经济的防错措施。目前，已有一些厂商推出了自动化的防呆防错工装设备。
比如，深圳市兴千田电子科技就推出了一系列LCIA低成本自动化的防错工装，包括智能防错防呆工装、多库位智能防呆工装等。其中，智能防错防呆工装的原理是通过操作人员手伸进伸出，感应器自动感应，如果操作人员操作顺序错误，该工装会自动报警，从而减少员工在工作中错拿、误拿、漏拿等现象发生，可适用于各个行业的包装工位。多库位智能防呆工装可实现自动设置需要防呆的位置和顺序，一旦错误拿取即报警，避免错误操作，提高工作效率。济南易恒技术可针对混线生产的产品，采用精巧设计专用工装，防止混入其他品种产品，以满足柔性化生产。
而且，针对传统的SMT物料仓物料管理，存在对操作人员技能要求较高且容易出错，物料种类较多需要更多、更大的存储位置等问题，万紫科技、精极科技、金讯祥科技、未来亚特、合信智能装备等也都推出了SMT智能电子料架，通过智能亮灯指引取料，提高入库，发料、备料速度，实现快速备料，防止发错料。
图4 SMT智能料架 （图源：万紫科技）
4、视觉防呆防错检测系统
视觉防呆防错检测系统就是使用机器视觉来代替人眼对产品进行测量与判断以及报错，减少对人员技能及感官的依赖，避免因工人疏忽、疲劳等因素，导致出现产品漏装、错装、混装、多加工以及缺陷品未检出等问题，从而达到减少错误发生几率，保证产品品质的目的。
比如，上海图漾信息科技有限公司推出了紧固件定位防错系统（Industrial Location Security Solution，简称ILS），由3D工业相机、标记板和软件三部分组成，可以与市场主流品牌的拧紧工具和电枪对接，实现拧紧工位的防错防呆功能，可用于新能源电池Pack以及汽车发动机等重要设备的组装工艺中。
图5 紧固件定位防错系统 （图源：图漾科技）
杭州力视科技有限公司推出的激光3D视觉防错系统，该系统安装于产线上，可针对单个面，单个或多个位置进行3D防错检测，当出现异常时进行报警，触发自动踢废或者提醒工人处理，避免质量事故的发生，适用于配件错装、漏装、未安装到位等的检测。
嘉铭科技根据发动机物流科物料配送的要求，针对性研发出的汽车零部件物料配送防错漏视觉检测工作站，利用AI深度学习软件配合视觉系统实现零部件分配的防错检测功能，可从源头上降低物料错配漏配的质量风险。
图6 汽车零部件物料配送防错漏视觉检测工作站应用案例 （图源：嘉铭科技）
此外，康耐视、中元通科技、林阳智能、晟拓智能、菲烁易维、盈泰德科技、深眸科技等也都推出了视觉防呆防错检测系统，可用于防漏装检测、装配防错检测以及产品缺陷检测等。
5、条码扫描防错系统
条码扫描是工厂防呆防错的重要手段之一。比如，将条码应用于生产过程的信息识别、采集、分类、传递、汇总，以实现对生产流动过程的控制。每一段工序都需对条码进行扫描，如果系统发现前一工序没有扫描或没有数据时，就不能往下流转，可以有效防止漏掉某个工序。或者，在成品装箱过程中，运用扫码枪对成品进行逐条扫码，当扫码数量满足整箱的时候，发出声音报警，同时打印机自动打印外箱标签，然后直接封箱贴外合格标签，能有效避免装箱错误。
条码扫码防错系统则适用于各种需要对条码进行检查的场合，如标签打印检查、装箱前对箱型检查等，主要用于生产线、包装线以及进出库环节，对产品进行防呆控制，即防止产线员工对产品条码进行重复扫描、错误扫描、缺漏扫描，并对以上情况进行报警提示，及时防止错误的发生，减少产品的退货返工，提高工作效率。该系统一般配合智能数据采集终端和固定式扫描器（或条码扫描枪）等使用。
比如，深圳昂德高电子科技开发的RS1流水线条码防重防错防呆防混料扫描系统，支持产品条码标签漏贴检测、产品条码标签错贴检测、产品条码标签唯一性检测、产品条码标签打印错误检测、包装时混入其它种类产品检测、包装多种产品条码的数量及顺序检测，以及出现错漏不良现象时停机报警及剔除等，可用于企业生产线、包装线、仓库分拣货物的防呆防错。
图7 流水线装箱条码防呆防重 （图源：昂德高电子科技）
东莞邦越的防重防错防漏防呆条码管理系统，支持相同条码防呆、流水条码防呆、唯一条码防呆三种条码防呆规则，配合自动化条码数据采集，使用固定式条码扫描器，系统报警时采集器可实现产线停拉控制，能够有效地进行标签防错、包装防错、条码防错、产品防呆等。此外，永卓欣科技、奥深条码、昂德高等厂商也都推出了条码防呆防错检测系统。
6、安灯（Andon）系统
Andon系统，也称“安灯系统”、“暗灯系统”，起源于日本丰田汽车公司，指企业用分布于车间各处的灯光和声音报警系统收集生产线上有关设备和质量等信息的信息管理工具。Andon系统的主要功能包括异常上报、协同通知、问题处理、声光提醒、接收确认、看板提示和异常分析等，主要用于解决品质异常、物料缺料、设备故障、生产安全等问题，当出现以上异常时可手动或自动激活安灯系统，以此来发出报警信号通知相关人员到现场解决问题。
Andon系统是目前广泛使用的防错装置，并已从最初的拉绳模式Andon系统，发展到按钮模式Andon系统、触摸模式Andon系统以及数字化Andon系统。Andon系统厂商包括霍尼韦尔、施耐德电气、北京安腾软件、安灯信息、后米物联、榛子物联、凌犀物联、智企信息、迈斯软件、讯鹏科技、深亿杰、太友科技、AMAX等。而且，安灯系统也在与MES系统其它模块进一步融合，成为MES系统中重要的组成部分，工人在安灯系统上的报工、报修等都会与MES联动，自动生成对应的数据报告，帮助企业持续改进生产。
图8 霍尼韦尔智能安灯系统架构 （图源:霍尼韦尔传感智联与智能仓储）
7、基于AR技术的防呆防错解决方案
AR增强现实技术作为一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，可以全方位展示工业产品的内部结构、运作模式、合成部件等各项信息，同样也可以用于工厂防呆防错之中。
比如，阿依瓦（ALVA Systems）的AR智能防呆系统，可用于生产现场辅助装配与防呆防错，它通过骨骼特征检测摄像头扫描员工工作流程步骤，并与后台标准工作步骤进行对比，发现员工异常操作动作时发出警报，提示员工检查工作流程，优化现有生产线生产工艺。通过置于真实设备上的设备模型，现场工作人员能够更加高效、准确地进行装配工作，同时叠加专家的指导信息、设备操作说明书、图纸、文件等信息，有效提升现场操作人员的装配水平，实现装配过程的智能化，提升装配效率。
图9 AR智能防呆系统实际应用场景 （图源：ALVA Systems）
知津科技的BQMS-AR增强现实制造质量检测系统，基于5G技术，结合AR显示和人工智能、机器视觉技术，针对C2B大规模定制化生产场景，可实现智能化检测。BQMS-AR通过在真实场景中叠加检测指导，人工智能机器视觉辅助检验，能提高效率，增加准确率，降低质检员的工作强度。
深圳增强现实技术有限公司（简称“0glasses”）设计的以AR眼镜为载体的工作辅助系统PSS，可用于人工装配作业指引，可避免人工粗心大意造成的误判，并提高工人工作效率，提高良品率，可应用的场景包括航空智能维修、结合大数据的电网智能巡检及汽车智能维修和培训等。
此外，生产制造过程的防呆防错解决方案还有很多，比如机械防错（如利用导向挡块区分零件的输送导向）、气动防错（如通过控制气动回路的通/断进行零件的防错）、计数器防错（用于防止生产过多或过少，或用于控制设备的工作周期等）、标签/标记防错（如在易发生错装、漏装的零部件上做容易识别且醒目的标签/标记），以及采用作业指导书（SOP）或电子作业指导书（E-SOP）来指导现场人员操作，降低人为出错几率；通过统计过程控制SPC，实时发现制造过程的特殊变异，从而达到尽快实施改善，将损失降至最低程度的目的等。
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