周 健 姚仁暉

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

1 概述

1.1 論文背景非連續(xù)型調(diào)角器的介紹

AYM汽車座椅有限公司就是一家生產(chǎn)汽車座椅調(diào)角器的制造類公司，隨著汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，為了滿足消費(fèi)者持續(xù)增長(zhǎng)的差異化需求。各大廠家都推出大量的汽車型號(hào)，從而導(dǎo)致汽車座椅以及配件的種類越來越多。為了降低設(shè)備投入，不得不采用大量不同型號(hào)產(chǎn)品共線生產(chǎn)。為了避免產(chǎn)品裝配的錯(cuò)漏裝，開發(fā)新型的智能防錯(cuò)技術(shù)來保證生產(chǎn)的質(zhì)量需求已是迫在眉睫。

1.2 調(diào)角器的介紹

L2000 調(diào)角器是一款手動(dòng)非連續(xù)性調(diào)角器。用來調(diào)角器汽車靠背的角度，同時(shí)，在汽車發(fā)生碰撞時(shí)牢牢將乘員按在座椅上，避免嚴(yán)重傷害。因此也是汽車上很重要的一個(gè)安全件，其零部件爆炸圖見圖1。

圖1 調(diào)角器零部件爆炸圖

1.3 調(diào)角器裝配線的介紹

而裝配調(diào)角器的生產(chǎn)線以環(huán)形輸送線為傳送方式，以工裝托盤作為工件的載體。托盤流轉(zhuǎn)于每個(gè)工位之間。每個(gè)工裝托盤運(yùn)用RFID射頻技術(shù)，將所有加工和測(cè)試信息計(jì)入托盤。并與裝配線末端的中央工控機(jī)交互。利用總工控機(jī)可以查詢?nèi)魏螘r(shí)間段的生產(chǎn)情況、合格率、不合格率、不合格原因。或者根據(jù)每個(gè)產(chǎn)品的產(chǎn)品序列號(hào)搜索該產(chǎn)品在每個(gè)工位的安裝數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果。為了保證生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，整個(gè)裝配線為全自動(dòng)化生產(chǎn)線，僅有的3名作業(yè)員工，只負(fù)責(zé)原材料的上料和設(shè)備故障排故等工作。但是，作為汽車上重要的安全部件，對(duì)質(zhì)量要求極高，不允許任何的錯(cuò)漏裝。所以設(shè)計(jì)了一整套的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于每個(gè)工位的安裝質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

2 問題分析

2.1 現(xiàn)有的調(diào)角器裝配線防錯(cuò)功能介紹

由于裝配線的高度自動(dòng)化，如果有檢測(cè)工位的設(shè)備失效，人工是很難發(fā)現(xiàn)的。一旦防錯(cuò)失效，那就意味著裝配不合格品有可能流出生產(chǎn)線進(jìn)入后續(xù)生產(chǎn)，甚至留到消費(fèi)者手中，帶來了巨大的風(fēng)險(xiǎn)。所以，必須對(duì)所有檢測(cè)設(shè)備也制定了一套防錯(cuò)體系。

之前的防錯(cuò)體系是針對(duì)不同的錯(cuò)誤類型或者產(chǎn)品類型制作不同的防錯(cuò)樣件，需要手工放置到被測(cè)工站下。完成測(cè)試后，人工確認(rèn)測(cè)試站的反饋信號(hào)是否是不良品，在防錯(cuò)記錄上打鉤確認(rèn)。L20002#手動(dòng)調(diào)角器防錯(cuò)點(diǎn)檢表見表1，人工防錯(cuò)流程見圖2。

表1 L20002#手動(dòng)調(diào)角器生產(chǎn)線防錯(cuò)布局圖

續(xù)表1 L20002#手動(dòng)調(diào)角器生產(chǎn)線防錯(cuò)布局圖

圖2 人工防錯(cuò)流程圖

2.2 調(diào)角器裝配線防錯(cuò)系統(tǒng)缺陷

由于設(shè)計(jì)的比較早，目前的防錯(cuò)流程還比較落后，基本以員工手工操作為主，實(shí)際運(yùn)用起來問題也比較多。

（1） 耗時(shí)比較長(zhǎng)：由于客戶的需求多變，在正常情況下，每班都要進(jìn)行2到3次的換型，每次換型后都需要做防錯(cuò)點(diǎn)檢。在傳統(tǒng)的人工防錯(cuò)中，周期性的防錯(cuò)點(diǎn)檢不可避免的打亂生產(chǎn)節(jié)奏。每次完整的防錯(cuò)時(shí)間需要20 min，單單防錯(cuò)測(cè)試就需要100 min，占到全部生產(chǎn)時(shí)間的14%，嚴(yán)重影響了效率。

（2） 操作復(fù)雜：在整套防錯(cuò)點(diǎn)檢過程中都包含了機(jī)械防錯(cuò)、硬度防錯(cuò)、影像防錯(cuò)3個(gè)大類，涉及了多種位移傳感器、照相機(jī)和硬度檢測(cè)儀等。需要操作工熟練掌握各種檢測(cè)系統(tǒng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，要求過高且容易出錯(cuò)。

（3） 成本高：之前的防錯(cuò)模式需要員工人為將托盤上的在制件替換成防錯(cuò)樣件來做防錯(cuò)，而被替換下來的在制件只能當(dāng)作不合格件來處理，而頻繁的停線和開啟也造成裝配線的混亂，從而造成相當(dāng)多的在制件報(bào)廢。

（4） 防錯(cuò)追溯性差：目前，所有防錯(cuò)記錄均由人工記錄在紙質(zhì)清單上，往往存在內(nèi)容缺失、填寫錯(cuò)誤、查詢不便、信息記錄不全等不利情況。尤其是無法將每個(gè)工件與當(dāng)時(shí)的裝配線防錯(cuò)狀態(tài)聯(lián)系在一起。導(dǎo)致工件出現(xiàn)質(zhì)量問題后很難查詢到當(dāng)時(shí)的防錯(cuò)實(shí)施情況。

由于存在這些弊端，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化、智能化、可追溯性好的防錯(cuò)系統(tǒng)迫在眉睫。

3 改善方案設(shè)計(jì)實(shí)施及效果評(píng)價(jià)

3.1 現(xiàn)有的調(diào)角器裝配線防錯(cuò)系統(tǒng)改進(jìn)

先找一個(gè)具有代表性的OP20主板寬度測(cè)試工位進(jìn)行研究，裝配線上有個(gè)工件稱為主板，工件上有2個(gè)凹槽，為了后續(xù)安裝其他零部件。這2個(gè)凹槽的寬度需要非常精確的測(cè)量。目前采用的測(cè)量方式是，工件定位后，一個(gè)氣缸下降將測(cè)寬頭卡入凹槽中心，再完全張開。測(cè)寬頭上部安裝有位移傳感器，感知到測(cè)寬頭地張開量后，得出凹槽的寬度，精確到小數(shù)點(diǎn)第三位。測(cè)寬頭的磨損或者污染等等因素對(duì)測(cè)試的結(jié)果有很大的影響。所以設(shè)立了此工站的防錯(cuò)。之前的方式是，特制了一塊寬度為24的合金標(biāo)準(zhǔn)塊，人工設(shè)定標(biāo)定頻次。每次標(biāo)定時(shí)將該標(biāo)準(zhǔn)塊投入生產(chǎn)線，開始執(zhí)行標(biāo)定，測(cè)試頭下降，如果測(cè)得標(biāo)定塊的寬度數(shù)據(jù)符合規(guī)定的區(qū)間，則認(rèn)為測(cè)寬正確； 如果不符合，則認(rèn)為標(biāo)定有誤，系統(tǒng)報(bào)警，人工進(jìn)行干預(yù)檢查。這樣的防錯(cuò)流程雖然可以很大程度上避免了測(cè)試頭不穩(wěn)定造成的測(cè)試數(shù)據(jù)失真，但是仍然有很多弊端，例如時(shí)間長(zhǎng)、每次標(biāo)定都需要對(duì)標(biāo)定塊重新定位、重復(fù)性不好等。

對(duì)這個(gè)防錯(cuò)工位進(jìn)行研究可以看出，整個(gè)流程中真正測(cè)寬的時(shí)間是5 s，而其余的拿取防錯(cuò)零件，開、關(guān)設(shè)備門、停止和啟動(dòng)生產(chǎn)線等無效的重復(fù)勞動(dòng)為120 s，所以很自然地想到利用裝配線內(nèi)部的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)來取代線外人工操作來進(jìn)行防錯(cuò)。

所以對(duì)這個(gè)防錯(cuò)的改造從合金標(biāo)準(zhǔn)塊方式入手，將合金標(biāo)準(zhǔn)塊安裝在裝配線內(nèi)部的防錯(cuò)測(cè)寬頭側(cè)面。標(biāo)準(zhǔn)塊下方再安裝一個(gè)橫移氣缸，允許標(biāo)定塊橫移到測(cè)寬頭下方，再下降完成標(biāo)定。由于標(biāo)定塊是固定的，受到外部的干擾影響很小。然后修改該工站的程序，可以自由設(shè)定標(biāo)定頻次，計(jì)數(shù)到達(dá)時(shí)，啟動(dòng)標(biāo)定程序。前方托盤不再流入，標(biāo)定塊橫移到測(cè)寬頭下方，測(cè)寬頭下降進(jìn)行標(biāo)定，然后標(biāo)定塊退回原位。

全部防錯(cuò)過程僅需要10 s，且不會(huì)造成裝配線任何混亂和報(bào)廢。防錯(cuò)樣件單件放置區(qū)見圖3。而且根據(jù)需要，可以任意設(shè)定防錯(cuò)頻次。受到OP20測(cè)寬改進(jìn)工位的啟發(fā)，很多工位都可以進(jìn)行此類改進(jìn)。例如OP10主板硬度檢測(cè)工位等。

圖3 防錯(cuò)樣件單件放置區(qū)

對(duì)于OP20的改進(jìn)只適用與一個(gè)工站只有一個(gè)防錯(cuò)樣件的情況。如果有一個(gè)工站有多個(gè)防錯(cuò)樣件的話，而測(cè)試工站只有一個(gè)測(cè)試位置，那就需要在防錯(cuò)樣件區(qū)域再設(shè)置機(jī)械結(jié)構(gòu)從而選擇多個(gè)防錯(cuò)樣件，會(huì)造成成本上升和占地面積增加大。如果有多個(gè)工站都存在多種防錯(cuò)樣件，那整線成本及復(fù)雜度將成倍提高，那顯然是不合適的。以O(shè)P40彈簧安裝檢測(cè)工位為例，這個(gè)工位需要檢測(cè)左右2側(cè)的彈簧是否安裝到位，之前需要2個(gè)不同的防錯(cuò)樣件。員工需要將生產(chǎn)線停止，從防錯(cuò)樣件料架上選取編號(hào)正確的樣件，放入測(cè)試工站下，啟動(dòng)測(cè)試站。測(cè)試完成后，界面給出NG信號(hào)，員工再停下生產(chǎn)線，取出樣件，將另外一個(gè)防錯(cuò)樣件放入其中，進(jìn)行第二次測(cè)試。二次測(cè)試都完成后，才能開始正式生產(chǎn)。由于2個(gè)不合格判斷條件是“與”的關(guān)系，所以需要2個(gè)不同的防錯(cuò)樣件。對(duì)于此工站需要采取不同的改進(jìn)方式。同樣的將防錯(cuò)樣件直接放置于測(cè)試站一側(cè)，通過新增一個(gè)氣缸將防錯(cuò)樣件推至測(cè)試工站下方。因?yàn)椴扇×俗詣?dòng)操作，不再有人工放置錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，所以有條件修改判斷條件，將原本需要2個(gè)樣件的合并為1個(gè)，系統(tǒng)中需要同時(shí)滿足2個(gè)防錯(cuò)條件才認(rèn)為是防錯(cuò)合格。

接下來來看OP120功能測(cè)試工位，由于防錯(cuò)樣件種類比較多，類型也不一樣。難以利用第一種方式只放一個(gè)防錯(cuò)工裝，但是可以利用原有的機(jī)器人可以取放多個(gè)位置的特點(diǎn)，根據(jù)程序設(shè)定，在不同的頻次抓取不同的防錯(cuò)樣件進(jìn)入不同的測(cè)試工站，從而也實(shí)現(xiàn)多對(duì)多的防錯(cuò)步驟。防錯(cuò)樣件集中放置區(qū)見圖4。

圖4 防錯(cuò)樣件集中放置區(qū)

還有一類情況就是單個(gè)測(cè)試站有多個(gè)防錯(cuò)樣件，無法合并為一個(gè)，也沒有機(jī)器人可以選取多個(gè)位置的樣件。可以轉(zhuǎn)換下思路，在裝配線有機(jī)器人或者機(jī)械手等有條件可以抓取多個(gè)位置的區(qū)域，設(shè)置一塊專用的防錯(cuò)樣件安置區(qū)，將所需防錯(cuò)樣件按照不同的位置放置在工裝上，同時(shí)特制1到2塊防錯(cuò)專用托盤，利用機(jī)械手將防錯(cuò)樣件放置到托盤上，進(jìn)入裝配線流轉(zhuǎn)，并在指定的測(cè)試工站下，進(jìn)行防錯(cuò)測(cè)試，在其他工站則不作任何動(dòng)作。一旦防錯(cuò)失效，托盤停留在該工位并報(bào)警提示操作工對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷，能否自己獨(dú)立解決，如果能，解決問題后，再次啟動(dòng)。如果不能則必須完成維修后才可以繼續(xù)生產(chǎn)。

3.2 現(xiàn)有的調(diào)角器裝配線防錯(cuò)結(jié)果的有效追溯

在改進(jìn)后的自動(dòng)防錯(cuò)模式中，只需要工程師在程序中根據(jù)不同的點(diǎn)檢內(nèi)容，在防錯(cuò)程序上輸入相應(yīng)的防錯(cuò)頻次，建立起防錯(cuò)工件與防錯(cuò)工位之前的聯(lián)系。托盤就會(huì)把對(duì)應(yīng)的防錯(cuò)樣件準(zhǔn)時(shí)送到指定工位進(jìn)行防錯(cuò)點(diǎn)檢，大大提升防錯(cuò)點(diǎn)檢的時(shí)效性。每個(gè)工位的防錯(cuò)時(shí)間及結(jié)果也會(huì)記錄在數(shù)據(jù)庫中，從而建立起和工件生產(chǎn)時(shí)間的直接聯(lián)系。最終，即使某個(gè)工位防錯(cuò)失效也能迅速追溯到上次防錯(cuò)有效到失效之間間隔的工件序列號(hào)，避免可疑品范圍的擴(kuò)大。

3.3 改進(jìn)效果評(píng)價(jià)

針對(duì)傳統(tǒng)手工防錯(cuò)的幾大痛點(diǎn)都實(shí)施了對(duì)應(yīng)的改進(jìn)手段，收到了不錯(cuò)的效果。智能防錯(cuò)與人工防錯(cuò)的優(yōu)劣對(duì)比見表2。

表2 智能防錯(cuò)與人工防錯(cuò)的優(yōu)劣對(duì)比

綜上所述，對(duì)比傳統(tǒng)的人工防錯(cuò)操作，智能防錯(cuò)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，可以有效提高裝配線的質(zhì)量水平。

4 結(jié)語

隨著多品種小批量生產(chǎn)模式日益盛行，傳統(tǒng)人工防錯(cuò)手段已經(jīng)力不從心，自動(dòng)化智能化的防錯(cuò)手段如果能夠大量的應(yīng)用，對(duì)于全行業(yè)的質(zhì)量管理都將是一種有效的提升手段。