劉庸奇，錢(qián)葉昶，鄭廣輝，王寶軍，孟 偉，陳文佳

（北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094）

動(dòng)車(chē)組制動(dòng)控制類(lèi)集成板是動(dòng)車(chē)組控制裝置核心部件載體，動(dòng)車(chē)組控制閥及相關(guān)部件都要安裝到集成板上，通過(guò)各種集成板的氣路實(shí)現(xiàn)各部件不同功能的集成，集成板的氣密性直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，因此集成板的氣密性檢測(cè)至關(guān)重要。

隨著產(chǎn)品生產(chǎn)批量的不斷增加，現(xiàn)有的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)方式已無(wú)法滿(mǎn)足交付需求，主要表現(xiàn)形式如下：

（1）純手工作業(yè)生產(chǎn)方式，搬運(yùn)、組裝較重產(chǎn)品無(wú)助力設(shè)備輔助，勞動(dòng)強(qiáng)度大；

（2）各型號(hào)集成板工裝種類(lèi)繁多，安裝不便；

（3）增加的產(chǎn)能只能通過(guò)增加工人數(shù)量及延長(zhǎng)工作時(shí)間來(lái)完成生產(chǎn)任務(wù)。

集成板氣密性測(cè)試過(guò)程通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)集成板氣密性全程自動(dòng)化測(cè)試，消除測(cè)試工裝的組裝和拆卸作業(yè)，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)全程數(shù)據(jù)自動(dòng)采集記錄和生產(chǎn)管理的“精益化”，提高集成板氣密性測(cè)試的生產(chǎn)效率。因此急需設(shè)計(jì)集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線用于集成板氣密性測(cè)試工作。

1 集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線方案分析

1.1 產(chǎn)線設(shè)計(jì)要求

（1）集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線具有機(jī)能自檢功能，自檢合格后方能進(jìn)行正常生產(chǎn)測(cè)試工作。當(dāng)設(shè)備自檢出現(xiàn)故障時(shí)，故障點(diǎn)能夠自動(dòng)顯示，反饋到集控中心，報(bào)警解決問(wèn)題。

（2）集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線通過(guò)產(chǎn)線控制中心，通過(guò)智能機(jī)械臂自動(dòng)完成對(duì)集成板、相應(yīng)工裝的抓取、運(yùn)送、放置、測(cè)試及測(cè)試完成后集成板的抓取、運(yùn)送和放置。

（3）集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)集成板的氣密性測(cè)試，實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)試部件的性能，能自動(dòng)記錄被測(cè)部件的可靠性數(shù)據(jù)。

（4）集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線信息系統(tǒng)具有與SCE（Supply Chain Execution）系統(tǒng)互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)接口。SCE是本公司的供應(yīng)鏈執(zhí)行系統(tǒng)，是SAP軟件的一個(gè)模塊，在本公司扮演著MES系統(tǒng)功能角色。

（5）集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和通用性，通過(guò)設(shè)計(jì)新的轉(zhuǎn)接模板可支持未來(lái)更多類(lèi)型工件的檢測(cè)。

1.2 產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案分析

根據(jù)集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線設(shè)計(jì)要求，最初有2種設(shè)計(jì)方案，2種設(shè)計(jì)方案的不同點(diǎn)在于：

（1）工件定位方式不同；

（2）工件抓取方式不同；

（3）視覺(jué)識(shí)別應(yīng)用不同。

方案1：機(jī)器臂終端安裝真空吸盤(pán)，采用真空吸附形式抓取產(chǎn)品，同時(shí)抓手上安裝視覺(jué)識(shí)別設(shè)備，用于引導(dǎo)工件定位。

方案2：機(jī)器臂終端安裝雄克抓手，設(shè)計(jì)相應(yīng)工裝抓取工件；定位方式采用工件坐標(biāo)定位；視覺(jué)識(shí)別設(shè)備安裝到上料口，用于對(duì)工件放入上料工裝時(shí)的坐標(biāo)定位分析，滿(mǎn)足定位精度偏差小于0.1 mm時(shí)，機(jī)械臂進(jìn)行抓取任務(wù)；若精度偏差大于0.1 mm，報(bào)警定位錯(cuò)誤。

經(jīng)對(duì)兩種方案的對(duì)比分析，雄克機(jī)械抓手較真空吸盤(pán)抓取方式，定位精度更高；視覺(jué)識(shí)別引導(dǎo)技術(shù)較工件坐標(biāo)定位方式，費(fèi)用高，且定位精度實(shí)現(xiàn)困難，因此最終選擇了方案2。

方案2主要分為5個(gè)模塊：上下料模塊、搬運(yùn)模塊、夾緊檢測(cè)模塊、輔助模塊、中控模塊。

工件放到上料模塊，當(dāng)產(chǎn)品上的二維碼被識(shí)別后，視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)工件定位信息進(jìn)行分析確認(rèn)。中央處理系統(tǒng)分配機(jī)器人系統(tǒng)完成集成板的自動(dòng)化抓取、運(yùn)輸、換模、卸夾及卸夾后的抓取和運(yùn)送功能，分配檢測(cè)系統(tǒng)完成測(cè)試功能；同時(shí)實(shí)現(xiàn)集成板測(cè)試過(guò)程關(guān)建數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和存儲(chǔ)。產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。產(chǎn)線布局圖如圖2所示。

圖1 產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)方案

圖2 產(chǎn)線布局圖

整條檢測(cè)線布局形成封閉空間，同時(shí)兼顧方便操作和維護(hù)，設(shè)置通道移門(mén)，增加門(mén)關(guān)閉檢測(cè)和空間紅外檢測(cè)，保證設(shè)備工作安全和人員人身安全。

2 產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案

2.1 上下料模塊設(shè)計(jì)

上下料模塊主要由上下料定位工裝、視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)、二維碼識(shí)別系統(tǒng)、上下料運(yùn)輸線體及上下料控制開(kāi)關(guān)組成。一個(gè)完整的上下料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將被測(cè)板運(yùn)進(jìn)待檢區(qū)以及運(yùn)出檢測(cè)區(qū)的工作流程。

通過(guò)設(shè)計(jì)通用上料工裝，滿(mǎn)足公司在產(chǎn)16種不同型號(hào)集成板的裝夾定位，再通過(guò)二維碼識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別物料，最后通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品定位點(diǎn)及產(chǎn)品型號(hào)再次信息確認(rèn)，滿(mǎn)足試驗(yàn)條件，物料由機(jī)械手抓進(jìn)產(chǎn)線檢測(cè)區(qū)測(cè)試。上下料模塊如圖3所示。

圖3 上下料模塊

2.2 搬運(yùn)模塊設(shè)計(jì)

搬運(yùn)模塊是由機(jī)械手、導(dǎo)軌、機(jī)械手終端執(zhí)行器系統(tǒng)組成。這些機(jī)器在一起組成了一個(gè)完整的搬運(yùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將被測(cè)板在上下料工作臺(tái)與測(cè)試裝夾臺(tái)之間進(jìn)行搬運(yùn)的工作流程。

為保證高精度、高可靠性，采用瑞典ABB的IRB6700-150/3.2型6軸工業(yè)機(jī)器人。機(jī)器人系統(tǒng)的主要配置：負(fù)載150 kg、臂展3.2 m、重復(fù)定位精度±0.05 mm，軌跡定位精度±0.14 mm，機(jī)器人本體防護(hù)等級(jí)IP65；機(jī)器手終端執(zhí)行夾具、附加第七軸。

附加第七軸線性導(dǎo)軌采用瑞典GUDEL TMF-3-8000型機(jī)器人線性導(dǎo)軌，行程為6 m，重復(fù)定位精度0.02 mm，最大速度150 m/min，最大加速度3 m/s2。

集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線的機(jī)器人末端執(zhí)行器包括安裝法蘭機(jī)構(gòu)、快換機(jī)構(gòu)、拉緊機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，其中機(jī)器人安裝法蘭機(jī)構(gòu)、快換機(jī)構(gòu)、拉緊機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)均安裝于集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線的安裝法蘭上。

2.3 夾緊、檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

夾緊、檢測(cè)模塊是由測(cè)試裝夾臺(tái)、集成板測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)（氣控柜）、轉(zhuǎn)接工裝板組成，如圖4所示。這些機(jī)器與部件在一起組成了一個(gè)夾緊、檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)板由測(cè)試裝夾臺(tái)夾緊至檢測(cè)完成的整套流程。主線步驟為：

圖4 測(cè)試裝夾臺(tái)

機(jī)械手由轉(zhuǎn)接模板庫(kù)處夾取與被測(cè)板對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)接工裝模板放置在檢測(cè)板相應(yīng)位置并固定；

機(jī)械手將被測(cè)板準(zhǔn)確安放在轉(zhuǎn)接板上，測(cè)試工作臺(tái)夾緊被測(cè)板；

集成板氣密性測(cè)試臺(tái)通氣并將檢測(cè)結(jié)果上傳至中央控制臺(tái)，裝夾臺(tái)夾緊機(jī)構(gòu)松開(kāi)；

機(jī)械手將檢測(cè)完畢的被測(cè)板取出放置在出料平臺(tái)。

其中測(cè)試裝夾臺(tái)為專(zhuān)用機(jī)，平放檢測(cè)、上下打開(kāi)（有效空間≥500 mm）。轉(zhuǎn)接工裝模板型號(hào)與被測(cè)板號(hào)一一對(duì)應(yīng)，被測(cè)板號(hào)更換時(shí)，工裝板也要更換，檢測(cè)時(shí)下工裝模板上升與上工裝板一起將被測(cè)板壓緊，進(jìn)行檢測(cè)。（氣密性測(cè)試保證機(jī)械結(jié)構(gòu)）。

2.4 輔助模塊設(shè)計(jì)

輔助模塊是由場(chǎng)地、空間圍欄、移門(mén)、轉(zhuǎn)接模板庫(kù)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。這些機(jī)器與部件在一起組成了輔助檢測(cè)系統(tǒng)，保證了整條檢測(cè)線安全穩(wěn)定的運(yùn)行。主線步驟為：安全檢測(cè)系統(tǒng)→中央控制臺(tái)→檢測(cè)線系統(tǒng)。

2個(gè)紅外模塊安放在移門(mén)處，監(jiān)測(cè)整條檢測(cè)線運(yùn)行過(guò)程中是否有人員進(jìn)出，如有人員進(jìn)入檢測(cè)場(chǎng)地應(yīng)立即停止機(jī)器運(yùn)行，確保人員與場(chǎng)內(nèi)設(shè)備安全。

轉(zhuǎn)接模板庫(kù)主要用來(lái)放置轉(zhuǎn)接板，為機(jī)械手夾取提供便捷。

2.5 中控模塊設(shè)計(jì)

中控模塊主要包括電氣控制架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、安全控制架構(gòu)、人機(jī)界面等。集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)采用S7-1200型可編程控制器，通過(guò)西門(mén)子交換機(jī)實(shí)現(xiàn)工控機(jī)、PLC與機(jī)器人控制柜的組網(wǎng)，研華工控機(jī)與機(jī)器人控制柜通過(guò)PCInterterface通訊接口進(jìn)行通訊；另外與8臺(tái)測(cè)試臺(tái)設(shè)備通訊也采用Profinet方式。

電氣控制架構(gòu)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、安全控制架構(gòu)如圖5~圖7所示。

圖5 電氣控制架構(gòu)

圖6 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖7 安全控制架構(gòu)

中控模塊控制包括：測(cè)試工作過(guò)程控制，安全控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份查詢(xún)檢索、遠(yuǎn)程傳輸控制。操作人員可通過(guò)中控模塊對(duì)整條檢測(cè)線的所有動(dòng)作進(jìn)行控制和操作，對(duì)所有歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)和檢索，也可通過(guò)中控臺(tái)遠(yuǎn)程控制端完成上述工作。確保整條檢測(cè)線高效、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行及對(duì)歷史檢測(cè)進(jìn)行記錄和追溯。

2.6 產(chǎn)線測(cè)試流程設(shè)計(jì)

集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線測(cè)試過(guò)程完全由中控模塊控制，實(shí)現(xiàn)集成板測(cè)試的全自動(dòng)化流程。產(chǎn)線氣路板測(cè)試流程如圖8所示。

圖8 氣路板檢測(cè)流程圖

（1）中央控制臺(tái)，啟動(dòng)產(chǎn)線自檢流程，檢測(cè)各安全信號(hào)和工作信號(hào)。

（2）同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)接模板庫(kù)和裝夾臺(tái)進(jìn)行檢查，目的在于：避免轉(zhuǎn)接模板庫(kù)中轉(zhuǎn)接模板不全，在過(guò)程中更換轉(zhuǎn)接模板時(shí)缺件報(bào)警耽擱時(shí)間，以及因意外斷電或人為遺漏導(dǎo)致裝夾臺(tái)有工件或其他物體遺留，導(dǎo)致測(cè)試裝夾臺(tái)裝夾時(shí)損壞設(shè)備。

（3）自檢完成后，在檢測(cè)開(kāi)始前需選擇待測(cè)工件的序號(hào)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)目前測(cè)試臺(tái)上的轉(zhuǎn)接模板與工件是否匹配，如不匹配，機(jī)械手自動(dòng)從轉(zhuǎn)接模板庫(kù)中更換與當(dāng)前待測(cè)工件匹配的轉(zhuǎn)接模板。

（4）同時(shí)在控制屏上還需選擇測(cè)試數(shù)量或連續(xù)檢測(cè)。該選擇決定系統(tǒng)檢測(cè)完指定數(shù)量后自動(dòng)停止并輸出完成信號(hào)通知工作人員進(jìn)行下一步工作安排。

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）公司所有種類(lèi)的集成板可以在8臺(tái)裝夾臺(tái)（對(duì)應(yīng)8臺(tái)測(cè)試臺(tái)）上分別測(cè)試。

（2）安全設(shè)計(jì)：工作空間柵欄封閉，進(jìn)出門(mén)紅外光柵，人員進(jìn)入工作區(qū)，設(shè)備自動(dòng)停止，保證安全。

（3）測(cè)試工作臺(tái)全自動(dòng)氣動(dòng)控制，自動(dòng)裝夾。

（4）過(guò)程搬運(yùn)采用6軸機(jī)械手（ABB）加導(dǎo)軌，工作范圍大并適應(yīng)柔性化需求，無(wú)需人力參與。

（5）擴(kuò)展性好，通過(guò)設(shè)計(jì)新的轉(zhuǎn)接模板可支持未來(lái)更多類(lèi)型集成板的檢測(cè)。檢測(cè)線全自動(dòng)控制，觸摸屏操作，可遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)；測(cè)試過(guò)程，可無(wú)人值守工作。

（6）檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存?zhèn)浞?，方便歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、追溯。

（7）產(chǎn)線測(cè)試系統(tǒng)具備手動(dòng)和自動(dòng)2種控制方式。

（8）可手動(dòng)選擇控制測(cè)試任意一條氣路的氣密性。

4 性能驗(yàn)證及效果評(píng)價(jià)

集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線于2019年6月5日通過(guò)設(shè)備驗(yàn)收，縱橫公司標(biāo)動(dòng)、城軌共16種在產(chǎn)集成板開(kāi)始進(jìn)行小批量試生產(chǎn)測(cè)試任務(wù)。經(jīng)過(guò)多品種、小批量的測(cè)試生產(chǎn)，集成板氣密性測(cè)試結(jié)果合格，能夠打印測(cè)試報(bào)告，產(chǎn)線具備當(dāng)初設(shè)想功能，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人干預(yù)情況下自動(dòng)測(cè)試生產(chǎn)任務(wù)。小批量試生產(chǎn)期間集成板自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 集成板自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從集成板自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表可知，9月2日至10月31日期間，2個(gè)工人應(yīng)用產(chǎn)線共測(cè)試963塊集成板，其中927塊集成板在產(chǎn)線上測(cè)試氣密性合格。由于發(fā)生9次工裝模板泄漏、2次測(cè)試數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題，產(chǎn)線測(cè)試共失敗36次。經(jīng)過(guò)工裝模板修復(fù)，系統(tǒng)完善，失敗的36塊集成板再次進(jìn)行測(cè)試，全部合格。

應(yīng)用全自動(dòng)測(cè)試生產(chǎn)方式與手工作業(yè)測(cè)試生產(chǎn)方式對(duì)比：

（1）963塊集成板測(cè)試時(shí)間：963×40（40 min為氣密性測(cè)試時(shí)間）=38 520（min）；

（2）全自動(dòng)測(cè)試963塊集成板機(jī)械手取放產(chǎn)品時(shí)間：963×0.5=481.5（min）（2個(gè)人，0.5 min為機(jī)器手操作時(shí)間）；

由于泄漏及數(shù)據(jù)丟失損失工時(shí)：36×（40+15）=3 680（min）（40 min為氣密性測(cè)試時(shí)間，15 min為裝、拆工裝平均時(shí)間）；

全自動(dòng)測(cè)試963塊集成板所用總時(shí)間：481.5+3 680+38 520=42 681.5（min）；

（3）手動(dòng)測(cè)試963塊集成板所用時(shí)間：963×15+38 520=52 965（min）；（3個(gè)人，15 min為裝、拆工裝平均時(shí)間）；

表2 全自動(dòng)化測(cè)試與手工測(cè)試時(shí)間對(duì)比表

從以上數(shù)據(jù)分析可知，應(yīng)用此產(chǎn)線進(jìn)行測(cè)試生產(chǎn)任務(wù)，工時(shí)節(jié)省明顯，人均效率可提升46.2%，使用效果良好。同時(shí)，由于產(chǎn)線在初運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，配備2人操作，當(dāng)產(chǎn)線正常運(yùn)行時(shí)，以目前產(chǎn)量只需配備1人即可完成任務(wù)，此時(shí)人均效率將可提升73.1%。但由于工裝模板泄漏問(wèn)題引起的時(shí)間損失比較嚴(yán)重，造成產(chǎn)線測(cè)試合格率96.3%，與預(yù)期測(cè)試合格率99.9%相比較，還有些差距，需要解決。

經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)線運(yùn)行近半年時(shí)間出現(xiàn)的泄漏情況統(tǒng)計(jì)分析，泄漏多是由密封圈原因造成。2020年3月以來(lái)，鐵科縱橫（天津）公司對(duì)產(chǎn)線用橡膠件配方進(jìn)行了調(diào)整，材質(zhì)變軟。截止到2020年3月，每2周測(cè)試合格率在99.9%以上，原每2周更換橡膠件變?yōu)槊吭禄蚋L(zhǎng)時(shí)間更換橡膠件，基本解決了產(chǎn)線測(cè)試泄漏問(wèn)題。但如何延長(zhǎng)橡膠件的使用壽命及裝夾時(shí)的壓縮量控制還需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

集成板氣密性自動(dòng)化測(cè)試產(chǎn)線，使用高精度工業(yè)機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品及工裝進(jìn)行抓取運(yùn)輸，精度高、質(zhì)量可靠。集成板氣密性測(cè)試的裝夾靠自動(dòng)化設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，工藝參數(shù)、測(cè)試過(guò)程完全由中控系統(tǒng)控制，保證了裝夾力的一致性、測(cè)試過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化，使產(chǎn)品測(cè)試工藝一致性得到了有效保障。是縱橫公司在探索“縱橫智造”新模式應(yīng)用上的又一次大膽嘗試，標(biāo)識(shí)著在探索“少人化”生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用方面，邁出堅(jiān)實(shí)的一步，對(duì)“縱橫智造”后續(xù)的工作，具有重要的指導(dǎo)意義和借鑒作用。