AYM工廠調角器裝配線的自動化智能防錯系統(tǒng)的設計與應用

周 健 姚仁暉

（同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804）

1 概述

1.1 論文背景非連續(xù)型調角器的介紹

AYM汽車座椅有限公司就是一家生產汽車座椅調角器的制造類公司，隨著汽車市場的競爭越來越激烈，為了滿足消費者持續(xù)增長的差異化需求。各大廠家都推出大量的汽車型號，從而導致汽車座椅以及配件的種類越來越多。為了降低設備投入，不得不采用大量不同型號產品共線生產。為了避免產品裝配的錯漏裝，開發(fā)新型的智能防錯技術來保證生產的質量需求已是迫在眉睫。

1.2 調角器的介紹

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

圖1 調角器零部件爆炸圖

1.3 調角器裝配線的介紹

而裝配調角器的生產線以環(huán)形輸送線為傳送方式，以工裝托盤作為工件的載體。托盤流轉于每個工位之間。每個工裝托盤運用RFID射頻技術，將所有加工和測試信息計入托盤。并與裝配線末端的中央工控機交互。利用總工控機可以查詢任何時間段的生產情況、合格率、不合格率、不合格原因。或者根據(jù)每個產品的產品序列號搜索該產品在每個工位的安裝數(shù)據(jù)和測試結果。為了保證生產效率和生產質量，整個裝配線為全自動化生產線，僅有的3名作業(yè)員工，只負責原材料的上料和設備故障排故等工作。但是，作為汽車上重要的安全部件，對質量要求極高，不允許任何的錯漏裝。所以設計了一整套的檢測系統(tǒng)，對于每個工位的安裝質量進行檢測。

2 問題分析

2.1 現(xiàn)有的調角器裝配線防錯功能介紹

由于裝配線的高度自動化，如果有檢測工位的設備失效，人工是很難發(fā)現(xiàn)的。一旦防錯失效，那就意味著裝配不合格品有可能流出生產線進入后續(xù)生產，甚至留到消費者手中，帶來了巨大的風險。所以，必須對所有檢測設備也制定了一套防錯體系。

之前的防錯體系是針對不同的錯誤類型或者產品類型制作不同的防錯樣件，需要手工放置到被測工站下。完成測試后，人工確認測試站的反饋信號是否是不良品，在防錯記錄上打鉤確認。L20002#手動調角器防錯點檢表見表1，人工防錯流程見圖2。

表1 L20002#手動調角器生產線防錯布局圖

續(xù)表1 L20002#手動調角器生產線防錯布局圖

圖2 人工防錯流程圖

2.2 調角器裝配線防錯系統(tǒng)缺陷

由于設計的比較早，目前的防錯流程還比較落后，基本以員工手工操作為主，實際運用起來問題也比較多。

（1） 耗時比較長：由于客戶的需求多變，在正常情況下，每班都要進行2到3次的換型，每次換型后都需要做防錯點檢。在傳統(tǒng)的人工防錯中，周期性的防錯點檢不可避免的打亂生產節(jié)奏。每次完整的防錯時間需要20 min，單單防錯測試就需要100 min，占到全部生產時間的14%，嚴重影響了效率。

（2） 操作復雜：在整套防錯點檢過程中都包含了機械防錯、硬度防錯、影像防錯3個大類，涉及了多種位移傳感器、照相機和硬度檢測儀等。需要操作工熟練掌握各種檢測系統(tǒng)的評判標準，要求過高且容易出錯。

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

（4） 防錯追溯性差：目前，所有防錯記錄均由人工記錄在紙質清單上，往往存在內容缺失、填寫錯誤、查詢不便、信息記錄不全等不利情況。尤其是無法將每個工件與當時的裝配線防錯狀態(tài)聯(lián)系在一起。導致工件出現(xiàn)質量問題后很難查詢到當時的防錯實施情況。

由于存在這些弊端，設計一套自動化、智能化、可追溯性好的防錯系統(tǒng)迫在眉睫。

3 改善方案設計實施及效果評價

3.1 現(xiàn)有的調角器裝配線防錯系統(tǒng)改進

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

對這個防錯工位進行研究可以看出，整個流程中真正測寬的時間是5 s，而其余的拿取防錯零件，開、關設備門、停止和啟動生產線等無效的重復勞動為120 s，所以很自然地想到利用裝配線內部的自動化結構來取代線外人工操作來進行防錯。

所以對這個防錯的改造從合金標準塊方式入手，將合金標準塊安裝在裝配線內部的防錯測寬頭側面。標準塊下方再安裝一個橫移氣缸，允許標定塊橫移到測寬頭下方，再下降完成標定。由于標定塊是固定的，受到外部的干擾影響很小。然后修改該工站的程序，可以自由設定標定頻次，計數(shù)到達時，啟動標定程序。前方托盤不再流入，標定塊橫移到測寬頭下方，測寬頭下降進行標定，然后標定塊退回原位。

全部防錯過程僅需要10 s，且不會造成裝配線任何混亂和報廢。防錯樣件單件放置區(qū)見圖3。而且根據(jù)需要，可以任意設定防錯頻次。受到OP20測寬改進工位的啟發(fā)，很多工位都可以進行此類改進。例如OP10主板硬度檢測工位等。

圖3 防錯樣件單件放置區(qū)

對于OP20的改進只適用與一個工站只有一個防錯樣件的情況。如果有一個工站有多個防錯樣件的話，而測試工站只有一個測試位置，那就需要在防錯樣件區(qū)域再設置機械結構從而選擇多個防錯樣件，會造成成本上升和占地面積增加大。如果有多個工站都存在多種防錯樣件，那整線成本及復雜度將成倍提高，那顯然是不合適的。以OP40彈簧安裝檢測工位為例，這個工位需要檢測左右2側的彈簧是否安裝到位，之前需要2個不同的防錯樣件。員工需要將生產線停止，從防錯樣件料架上選取編號正確的樣件，放入測試工站下，啟動測試站。測試完成后，界面給出NG信號，員工再停下生產線，取出樣件，將另外一個防錯樣件放入其中，進行第二次測試。二次測試都完成后，才能開始正式生產。由于2個不合格判斷條件是“與”的關系，所以需要2個不同的防錯樣件。對于此工站需要采取不同的改進方式。同樣的將防錯樣件直接放置于測試站一側，通過新增一個氣缸將防錯樣件推至測試工站下方。因為采取了自動操作，不再有人工放置錯誤的風險，所以有條件修改判斷條件，將原本需要2個樣件的合并為1個，系統(tǒng)中需要同時滿足2個防錯條件才認為是防錯合格。

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

圖4 防錯樣件集中放置區(qū)

還有一類情況就是單個測試站有多個防錯樣件，無法合并為一個，也沒有機器人可以選取多個位置的樣件?？梢赞D換下思路，在裝配線有機器人或者機械手等有條件可以抓取多個位置的區(qū)域，設置一塊專用的防錯樣件安置區(qū)，將所需防錯樣件按照不同的位置放置在工裝上，同時特制1到2塊防錯專用托盤，利用機械手將防錯樣件放置到托盤上，進入裝配線流轉，并在指定的測試工站下，進行防錯測試，在其他工站則不作任何動作。一旦防錯失效，托盤停留在該工位并報警提示操作工對設備進行簡單的判斷，能否自己獨立解決，如果能，解決問題后，再次啟動。如果不能則必須完成維修后才可以繼續(xù)生產。

3.2 現(xiàn)有的調角器裝配線防錯結果的有效追溯

在改進后的自動防錯模式中，只需要工程師在程序中根據(jù)不同的點檢內容，在防錯程序上輸入相應的防錯頻次，建立起防錯工件與防錯工位之前的聯(lián)系。托盤就會把對應的防錯樣件準時送到指定工位進行防錯點檢，大大提升防錯點檢的時效性。每個工位的防錯時間及結果也會記錄在數(shù)據(jù)庫中，從而建立起和工件生產時間的直接聯(lián)系。最終，即使某個工位防錯失效也能迅速追溯到上次防錯有效到失效之間間隔的工件序列號，避免可疑品范圍的擴大。

3.3 改進效果評價

針對傳統(tǒng)手工防錯的幾大痛點都實施了對應的改進手段，收到了不錯的效果。智能防錯與人工防錯的優(yōu)劣對比見表2。

表2 智能防錯與人工防錯的優(yōu)劣對比

綜上所述，對比傳統(tǒng)的人工防錯操作，智能防錯系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，可以有效提高裝配線的質量水平。

4 結語

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