開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)與制造協(xié)同優(yōu)化技術(shù)

胡進(jìn)壽，王 莎，蘇曉毅，趙 勇，趙東平

（1.西安西電電氣研究院有限責(zé)任公司，西安 710075；2.西安航空學(xué)院，西安 710077）

0 引言

開關(guān)設(shè)備生產(chǎn)模式涉及多品種小批量、單件中小批量和單件大批量等多種方式，屬于典型的復(fù)雜離散制造模式。開關(guān)設(shè)備作為一種機(jī)電混合裝備，具有整機(jī)組成復(fù)雜，包括結(jié)構(gòu)件、元器件、PCB、線纜等成分；產(chǎn)品布局復(fù)雜、空間狹小、結(jié)構(gòu)密集等特點(diǎn)[1,2]，總裝成套難度大。目前，其產(chǎn)品制造過程以手工裝配為主，工藝指令復(fù)雜，生產(chǎn)流程長(zhǎng)；大多采用“按訂單設(shè)計(jì)和制造”的生產(chǎn)模式，個(gè)性化需求高，設(shè)計(jì)變更頻繁；產(chǎn)品類型多，車間產(chǎn)線多，混流生產(chǎn)現(xiàn)象普遍；外購(gòu)件成品件多、標(biāo)準(zhǔn)件多，物料齊套性要求高。嚴(yán)密有序、分工明確、高效協(xié)作的工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造過程是保證開關(guān)設(shè)備高效率、高質(zhì)量制造的基礎(chǔ)[3,4]。

為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的智能化設(shè)計(jì)與制造，學(xué)者們?cè)谠O(shè)計(jì)與制造協(xié)同技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了探索。李雙躍、殷國(guó)富等人[5]根據(jù)敏捷制造和機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)特征的要求，論述了協(xié)同工藝設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)、協(xié)同工藝設(shè)計(jì)中工藝制造資源中間件的解決方案、服務(wù)器端應(yīng)用程序的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)方法，為實(shí)現(xiàn)協(xié)同工藝設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。李田、成思源[6]對(duì)開關(guān)盒裝配現(xiàn)存問題進(jìn)行組件分析和問題分解，根據(jù)創(chuàng)新原理模塊得出多種解決方案，并進(jìn)行方案評(píng)估。吳瀛峰[7]針對(duì)高壓開關(guān)產(chǎn)品的裝配線提出一個(gè)實(shí)際的裝配過程優(yōu)化問題，即在傳統(tǒng)的空間布局問題中，加入了裝配線工藝流程約束，建立了整數(shù)規(guī)劃模型，并為該模型開發(fā)了啟發(fā)式算法。

然而，目前開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)制造的協(xié)同運(yùn)行仍然存在問題，裝配工藝數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)集成度不高。裝配工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，尤其是產(chǎn)品三維模型數(shù)據(jù)、工藝仿真數(shù)據(jù)等在裝配現(xiàn)場(chǎng)沒有得到充分應(yīng)用，裝配工藝設(shè)計(jì)過程和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)沒有形成信息閉環(huán)，不能基于現(xiàn)場(chǎng)制造數(shù)據(jù)進(jìn)行裝配工藝優(yōu)化，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)物料齊套性準(zhǔn)確度不高、工藝指令對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配的指導(dǎo)性和示教性不理想、裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)不能反饋工藝設(shè)計(jì)、裝配工藝設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性不高等突出問題。為此，本文研究開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)制造的協(xié)同優(yōu)化，構(gòu)建開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)制造協(xié)同優(yōu)化流程，重點(diǎn)研究基于工藝數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)制造優(yōu)化和基于生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)反饋的裝配工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 開關(guān)設(shè)備工藝設(shè)計(jì)與制造協(xié)同優(yōu)化流程構(gòu)建

1.1 開關(guān)設(shè)備工藝設(shè)計(jì)與制造過程分析

開關(guān)設(shè)備的組成為框架、三相極柱、斷路器、底盤車、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，其核心部件是斷路器。斷路器的裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配過程能夠充分反映開關(guān)設(shè)備的制造特點(diǎn)，其裝配過程如圖1所示。

圖1 斷路器裝配流程

目前，斷路器產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)了基于MBD（Model Based Definition，基于模型的定義）的數(shù)字化定義，具有完整、清晰的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，具備裝配工藝設(shè)計(jì)制造協(xié)同優(yōu)化的條件[8～10]。

1.2 裝配工藝設(shè)計(jì)與制造協(xié)同優(yōu)化流程構(gòu)建

開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)與制造協(xié)同優(yōu)化依賴于開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配生產(chǎn)過程之間的數(shù)據(jù)交換與業(yè)務(wù)協(xié)同，其協(xié)同優(yōu)化流程如圖2所示。

開關(guān)設(shè)備的裝配工藝設(shè)計(jì)包括裝配工藝總體規(guī)劃、工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)、裝配過程仿真和裝配精度仿真環(huán)節(jié)；制造現(xiàn)場(chǎng)主要包括生產(chǎn)計(jì)劃制定、裝配操作執(zhí)行、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)、裝配問題反饋與更改等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)與制造協(xié)同優(yōu)化流程主要包含三方面的協(xié)同優(yōu)化，即基于仿真數(shù)據(jù)的裝配工藝優(yōu)化、裝配工藝驅(qū)動(dòng)的制造過程優(yōu)化和基于質(zhì)量數(shù)據(jù)反饋的裝配工藝優(yōu)化。

3 基于仿真數(shù)據(jù)的裝配工藝優(yōu)化

在裝配工藝設(shè)計(jì)完成后，裝配工藝仿真人員對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性和合理性進(jìn)行仿真驗(yàn)證（包括裝配過程仿真、裝配精度仿真）。將仿真數(shù)據(jù)和仿真問題與建議反饋給工藝設(shè)計(jì)人員，進(jìn)行裝配工藝優(yōu)化，如圖3所示。

基于仿真的工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化包括開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)、開關(guān)設(shè)備裝配過程仿真和開關(guān)設(shè)備裝配精度仿真三方面。

1）開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)

開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行工藝規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)工藝可行性分析、工藝組件調(diào)整、工藝路線劃分和裝配單元?jiǎng)澐?。通過添加工藝組件、工藝路線等信息，形成PBOM（Plan BOM）和初步的工藝數(shù)模。接著，進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，包括裝配順序規(guī)劃、裝配過程仿真（含操作仿真、人機(jī)仿真）、裝配精度仿真和作業(yè)指導(dǎo)書編制，實(shí)現(xiàn)對(duì)可裝配性和裝配精度的仿真驗(yàn)證，編制三維作業(yè)指導(dǎo)書，添加制造資源，分配工位BOM（Bill of Material，物料清單），加入基準(zhǔn)、公差等仿真用信息和PMI（Product manufacturing information，產(chǎn)品制造信息）等指導(dǎo)書標(biāo)注信息，形成MBOM和工藝設(shè)計(jì)結(jié)果。

2）開關(guān)設(shè)備裝配過程仿真與優(yōu)化

裝配工藝過程仿真是在開關(guān)設(shè)備工藝模型和裝配資源模型（如設(shè)備模型、工裝模型、工具模型等）的基礎(chǔ)上，進(jìn)行裝配順序設(shè)計(jì)、裝配路徑規(guī)劃，仿真開關(guān)設(shè)備零部件之間、零部件與裝配工具之間可能存在的干涉區(qū)和干涉量等，并輔助工藝設(shè)計(jì)人員查找和分析干涉原因。通過裝配過程仿真消除潛在的裝配沖突與缺陷，提升開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性。

3）開關(guān)設(shè)備裝配精度仿真與優(yōu)化

裝配精度仿真是在初始工藝組合件劃分和工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行裝配精度信息建模，并仿真計(jì)算裝配累積偏差，分析評(píng)估開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品關(guān)鍵裝配精度的可達(dá)性和裝配工藝能力。通過進(jìn)一步分析裝配偏差影響因素的貢獻(xiàn)度，對(duì)開關(guān)設(shè)備裝配工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，而達(dá)到減少生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省制造成本、提高生產(chǎn)效率的目的。

圖2 開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)與制造協(xié)同優(yōu)化流程

圖3 基于仿真的工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化

4 裝配工藝驅(qū)動(dòng)的制造過程優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)裝配人員依據(jù)裝配作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行裝配生產(chǎn)執(zhí)行，并根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書中的檢驗(yàn)要求或數(shù)模中預(yù)定義的檢驗(yàn)信息進(jìn)行產(chǎn)品裝配質(zhì)量檢測(cè)。裝配工藝驅(qū)動(dòng)的制造過程優(yōu)化包裝配工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的裝配生產(chǎn)執(zhí)行、裝配精度仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的裝配質(zhì)量檢驗(yàn)兩方面，如圖2所示。

4.1 裝配工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的裝配生產(chǎn)執(zhí)行

生產(chǎn)人員依據(jù)裝配工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃，進(jìn)行裝配工藝數(shù)據(jù)發(fā)放、現(xiàn)場(chǎng)可視化查看、裝配操作執(zhí)行、現(xiàn)場(chǎng)物料配送，最終實(shí)現(xiàn)基于裝配工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)執(zhí)行。

1）裝配工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)放。開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)完畢后，需要將PBOM、工藝過程信息、作業(yè)指導(dǎo)書和工藝數(shù)模等工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙或者數(shù)模通過協(xié)同制造系統(tǒng)發(fā)放到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，作為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的技術(shù)依據(jù)。同時(shí)，開關(guān)設(shè)備裝配工藝數(shù)據(jù)發(fā)放應(yīng)考慮與生產(chǎn)計(jì)劃的協(xié)同，通過獲取生產(chǎn)計(jì)劃信息控制工藝數(shù)據(jù)發(fā)放的時(shí)間、地點(diǎn)等。

2）裝配工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)可視化。為了使開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到充分應(yīng)用，需要對(duì)裝配工藝包含的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看、裝配工藝過程、裝配操作指導(dǎo)書、工序裝配動(dòng)畫等進(jìn)行可視化查看，以實(shí)現(xiàn)基于可視化裝配工藝指令的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和裝配示教。

3）裝配現(xiàn)場(chǎng)操作執(zhí)行與物料配送?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員基于可視化的裝配工藝指令，進(jìn)行工位、工序、工步的裝配操作，使現(xiàn)場(chǎng)裝配操作正確、有序地進(jìn)行。同時(shí)，基于工位BOM數(shù)據(jù)，進(jìn)行精準(zhǔn)、有序地物流配送。

4.2 裝配精度仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)

裝配工藝設(shè)計(jì)階段的精度仿真確定了裝配體容差分析方案，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)設(shè)備的檢驗(yàn)提供了檢驗(yàn)要求和合格判定標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，通過計(jì)算偏差源敏感度，可識(shí)別出對(duì)目標(biāo)裝配精度影響大的關(guān)鍵特征。以開關(guān)設(shè)備關(guān)鍵特性為基礎(chǔ)，制定質(zhì)量檢驗(yàn)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)裝配精度仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量檢驗(yàn)。

1）確定關(guān)鍵檢驗(yàn)工序?；谘b配精度仿真結(jié)果，識(shí)別對(duì)產(chǎn)品裝配精度影響較大的關(guān)鍵工序，定義為關(guān)鍵檢驗(yàn)工序。通過控制關(guān)鍵檢驗(yàn)工序的產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)有的放矢地精度控制，避免和減少非關(guān)鍵工序的檢驗(yàn)，降低檢驗(yàn)成本。

2）確定關(guān)鍵檢驗(yàn)項(xiàng)目。開關(guān)設(shè)備裝配過程中產(chǎn)品的制造公差、裝配容差、工具和夾具定位誤差、裝配方法等都會(huì)影響開關(guān)設(shè)備最終的裝配質(zhì)量?；谘b配精度仿真結(jié)果，對(duì)關(guān)鍵檢驗(yàn)工序進(jìn)一步細(xì)化，確定關(guān)鍵檢驗(yàn)項(xiàng)目。通過控制關(guān)鍵檢驗(yàn)項(xiàng)目，如平面度、輪廓度等，實(shí)現(xiàn)在開關(guān)設(shè)備質(zhì)量控制范圍內(nèi)減少不必要的檢驗(yàn)項(xiàng)目。

5 基于質(zhì)量數(shù)據(jù)反饋的裝配工藝優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)裝配完成后，裝配執(zhí)行人員依據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書中的檢驗(yàn)要求進(jìn)行裝配質(zhì)量檢測(cè)、裝配質(zhì)量校驗(yàn)，記錄裝配信息，形成產(chǎn)品質(zhì)量報(bào)表，將在此過程中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題，通過變更申請(qǐng)反饋給工藝設(shè)計(jì)人員，實(shí)現(xiàn)基于質(zhì)量數(shù)據(jù)反饋的裝配工藝優(yōu)化。為此，需要構(gòu)建生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量數(shù)據(jù)反饋機(jī)制，并與裝配工藝設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)進(jìn)行協(xié)同，達(dá)到持續(xù)優(yōu)化裝配工藝，改善產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

開關(guān)設(shè)備的裝配質(zhì)量，受裝配工藝眾多參數(shù)的耦合影響。當(dāng)裝配生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)，需將現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量問題反饋至工藝設(shè)計(jì)，追溯工藝數(shù)據(jù)，分析對(duì)裝配質(zhì)量影響較大的裝配工藝參數(shù)，并針對(duì)該參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整。

5.1 開關(guān)設(shè)備質(zhì)量影響因素分析

在開關(guān)設(shè)備裝配過程中，常由于多種工藝因素影響導(dǎo)致開關(guān)最終的裝配精度難以滿足要求。這時(shí)，則需要對(duì)開關(guān)設(shè)備裝配過程中的工藝影響因素進(jìn)行分析。這些工藝影響因素包括零部件制造偏差、裝配定位偏差、制造資源及其定位偏差、裝配順序、裝配容差方案等。同時(shí)，開關(guān)設(shè)備裝配中的受力變形、受熱變形等也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品裝配精度超差。影響開關(guān)設(shè)備裝配質(zhì)量的因素如圖4所示。

1）零部件制造偏差。開關(guān)設(shè)備零部件制造精度受加工流程、加工方法、生產(chǎn)設(shè)備、溫度和材料內(nèi)應(yīng)力等因素的影響，使零部件的幾何外形和相關(guān)尺寸產(chǎn)生偏差，表現(xiàn)為對(duì)稱度、同軸度、位置度，直線度、平面度、圓度、圓柱度、面輪廓度，平行度、垂直度、傾斜度，圓跳動(dòng)和全跳動(dòng)等。這些制造偏差通過零部件結(jié)構(gòu)上的關(guān)鍵特性進(jìn)行傳遞，最終對(duì)開關(guān)設(shè)備的裝配質(zhì)量產(chǎn)生影響；同時(shí)，由于某些零部件本身剛度不足，在裝配過程中受自身重力、裝配力等作用而產(chǎn)生較大變形，變形偏差與零部件尺寸偏差、裝配定位偏差等進(jìn)行耦合，沿著偏差傳遞路徑傳遞到目標(biāo)裝配特征上，從而對(duì)開關(guān)設(shè)備最終的裝配質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖4 開關(guān)設(shè)備裝配質(zhì)量影響因素分析

2）工具、夾具的制造與定位偏差。工具、夾具除在制造過程中產(chǎn)生的偏差外，在安裝調(diào)試時(shí)會(huì)受到測(cè)量設(shè)備的精度、自身重力等因素的影響，產(chǎn)生定位、夾緊偏差，從而對(duì)開關(guān)設(shè)備裝配質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3）裝配偏差。裝配偏差包括裝配基準(zhǔn)、零部件定位方案、裝配順序、裝配方法、裝配路徑、連接工藝等。如裝配順序、定位基準(zhǔn)等因素決定了偏差的傳遞方向；不同的連接方式對(duì)參與裝配的零部件產(chǎn)生的連接力不同，這些因素最終都反映到了開關(guān)設(shè)備最終的裝配精度上。

4）其他因素。在實(shí)際裝配中，車間溫度變化、現(xiàn)場(chǎng)工人操作熟練度等因素引入的偏差，使得裝配路徑發(fā)生偏移、裝配的工具、夾具、零組件等產(chǎn)生變形，從而對(duì)最終裝配偏差產(chǎn)生影響。

5.2 質(zhì)量影響因素敏感度分析

通過上述分析，現(xiàn)場(chǎng)裝配質(zhì)量受裝配過程多種因素制約和影響。為了在眾多質(zhì)量影響因素中確定主要因素，實(shí)現(xiàn)面向裝配質(zhì)量控制的工藝優(yōu)化，需要進(jìn)行敏感度分析。

影響開關(guān)設(shè)備裝配質(zhì)量的偏差來(lái)源可進(jìn)一步用數(shù)學(xué)模型來(lái)表示。若E為某一裝配偏差來(lái)源，則其數(shù)學(xué)表示模型可寫為：

其中，x，y，z為偏差的沿空間坐標(biāo)的大小。

α，β，γ為偏差的沿空間坐標(biāo)的方向。

裝配過程中的多種偏差沿著裝配流程進(jìn)行逐步積累，最終將積累結(jié)果反映到開關(guān)設(shè)備的目標(biāo)質(zhì)量上。待裝配完成后，目標(biāo)裝配質(zhì)量的偏差積累可表示為：

H為目標(biāo)裝配要求的精度。

M為裝配過程偏差來(lái)源。

A子裝配體間的偏差。

由于偏差傳遞是沿著裝配尺寸鏈進(jìn)行傳遞和積累的。因此，可由開環(huán)和閉環(huán)尺寸鏈原理將式(2)表達(dá)為：

其中，HC表示目標(biāo)裝配尺寸的開環(huán)偏差積累效應(yīng)。

HO表示目標(biāo)裝配尺寸的閉環(huán)偏差積累效應(yīng)。

為進(jìn)一步計(jì)算目標(biāo)裝配尺寸的偏差源敏感度，對(duì)式(3)進(jìn)行泰勒展開，即：

其中，δmi表示裝配過程偏差的微小變化。

ai表示子裝配偏差的微小變化。

泰勒展開后，閉環(huán)和開環(huán)偏差傳遞模型可線性化為：

[L]，[N]分別為開環(huán)偏差傳遞模型對(duì)裝配過程偏差和子裝配體偏差的系數(shù)矩陣。

[B]，[C]分別為閉環(huán)偏差傳遞模型對(duì)裝配過程偏差和子裝配體偏差的系數(shù)矩陣。

通過公式變化可得：

其中，[B-CN-1L]為影響最終目標(biāo)裝配質(zhì)量的偏差因素敏感度。

得到了影響質(zhì)量的各因素敏感度，即識(shí)別出了關(guān)鍵影響因素。則可通過對(duì)關(guān)鍵影響因素的調(diào)整，優(yōu)化開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)結(jié)果，控制裝配質(zhì)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)開關(guān)設(shè)備目前裝配設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)制造之間缺乏協(xié)同優(yōu)化環(huán)節(jié)，導(dǎo)致裝配工藝設(shè)計(jì)結(jié)果可行性不高，產(chǎn)品質(zhì)量不能持續(xù)提升的問題，研究了開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)與制造協(xié)同優(yōu)化技術(shù)。構(gòu)建的開關(guān)設(shè)備裝配工藝設(shè)計(jì)與制造協(xié)同優(yōu)化流程，以及提出的基于仿真數(shù)據(jù)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量數(shù)據(jù)的裝配工藝優(yōu)化思路與方法，為開關(guān)設(shè)備工藝設(shè)計(jì)與制造協(xié)同優(yōu)化提供了理論依據(jù)。