集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線研究

劉庸奇，錢葉昶，鄭廣輝，王寶軍，孟 偉，陳文佳

（北京縱橫機電科技有限公司，北京100094）

動車組制動控制類集成板是動車組控制裝置核心部件載體，動車組控制閥及相關部件都要安裝到集成板上，通過各種集成板的氣路實現(xiàn)各部件不同功能的集成，集成板的氣密性直接關系到控制系統(tǒng)的各項性能，因此集成板的氣密性檢測至關重要。

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)方式已無法滿足交付需求，主要表現(xiàn)形式如下：

（1）純手工作業(yè)生產(chǎn)方式，搬運、組裝較重產(chǎn)品無助力設備輔助，勞動強度大；

（2）各型號集成板工裝種類繁多，安裝不便；

（3）增加的產(chǎn)能只能通過增加工人數(shù)量及延長工作時間來完成生產(chǎn)任務。

集成板氣密性測試過程通過自動化設備實現(xiàn)集成板氣密性全程自動化測試，消除測試工裝的組裝和拆卸作業(yè)，減少工人勞動強度，并實現(xiàn)全程數(shù)據(jù)自動采集記錄和生產(chǎn)管理的“精益化”，提高集成板氣密性測試的生產(chǎn)效率。因此急需設計集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線用于集成板氣密性測試工作。

1 集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線方案分析

1.1 產(chǎn)線設計要求

（1）集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線具有機能自檢功能，自檢合格后方能進行正常生產(chǎn)測試工作。當設備自檢出現(xiàn)故障時，故障點能夠自動顯示，反饋到集控中心，報警解決問題。

（2）集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線通過產(chǎn)線控制中心，通過智能機械臂自動完成對集成板、相應工裝的抓取、運送、放置、測試及測試完成后集成板的抓取、運送和放置。

（3）集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線實現(xiàn)集成板的氣密性測試，實時監(jiān)控測試部件的性能，能自動記錄被測部件的可靠性數(shù)據(jù)。

（4）集成板氣密性自動化測試產(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是本公司的供應鏈執(zhí)行系統(tǒng)，是SAP軟件的一個模塊，在本公司扮演著MES系統(tǒng)功能角色。

（5）集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線有較強的擴展性和通用性，通過設計新的轉接模板可支持未來更多類型工件的檢測。

1.2 產(chǎn)線設計方案分析

根據(jù)集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線設計要求，最初有2種設計方案，2種設計方案的不同點在于：

（1）工件定位方式不同；

（2）工件抓取方式不同；

（3）視覺識別應用不同。

方案1：機器臂終端安裝真空吸盤，采用真空吸附形式抓取產(chǎn)品，同時抓手上安裝視覺識別設備，用于引導工件定位。

方案2：機器臂終端安裝雄克抓手，設計相應工裝抓取工件；定位方式采用工件坐標定位；視覺識別設備安裝到上料口，用于對工件放入上料工裝時的坐標定位分析，滿足定位精度偏差小于0.1 mm時，機械臂進行抓取任務；若精度偏差大于0.1 mm，報警定位錯誤。

經(jīng)對兩種方案的對比分析，雄克機械抓手較真空吸盤抓取方式，定位精度更高；視覺識別引導技術較工件坐標定位方式，費用高，且定位精度實現(xiàn)困難，因此最終選擇了方案2。

方案2主要分為5個模塊：上下料模塊、搬運模塊、夾緊檢測模塊、輔助模塊、中控模塊。

工件放到上料模塊，當產(chǎn)品上的二維碼被識別后，視覺識別系統(tǒng)對工件定位信息進行分析確認。中央處理系統(tǒng)分配機器人系統(tǒng)完成集成板的自動化抓取、運輸、換模、卸夾及卸夾后的抓取和運送功能，分配檢測系統(tǒng)完成測試功能；同時實現(xiàn)集成板測試過程關建數(shù)據(jù)的自動化采集和存儲。產(chǎn)線總體設計方案如圖1所示。產(chǎn)線布局圖如圖2所示。

圖1 產(chǎn)線總體設計方案

圖2 產(chǎn)線布局圖

整條檢測線布局形成封閉空間，同時兼顧方便操作和維護，設置通道移門，增加門關閉檢測和空間紅外檢測，保證設備工作安全和人員人身安全。

2 產(chǎn)線設計方案

2.1 上下料模塊設計

上下料模塊主要由上下料定位工裝、視覺檢測系統(tǒng)、二維碼識別系統(tǒng)、上下料運輸線體及上下料控制開關組成。一個完整的上下料系統(tǒng)，實現(xiàn)了將被測板運進待檢區(qū)以及運出檢測區(qū)的工作流程。

通過設計通用上料工裝，滿足公司在產(chǎn)16種不同型號集成板的裝夾定位，再通過二維碼識別系統(tǒng)識別物料，最后通過視覺檢測系統(tǒng)對產(chǎn)品定位點及產(chǎn)品型號再次信息確認，滿足試驗條件，物料由機械手抓進產(chǎn)線檢測區(qū)測試。上下料模塊如圖3所示。

圖3 上下料模塊

2.2 搬運模塊設計

搬運模塊是由機械手、導軌、機械手終端執(zhí)行器系統(tǒng)組成。這些機器在一起組成了一個完整的搬運系統(tǒng)，實現(xiàn)了將被測板在上下料工作臺與測試裝夾臺之間進行搬運的工作流程。

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)機器人。機器人系統(tǒng)的主要配置：負載150 kg、臂展3.2 m、重復定位精度±0.05 mm，軌跡定位精度±0.14 mm，機器人本體防護等級IP65；機器手終端執(zhí)行夾具、附加第七軸。

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

集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線的機器人末端執(zhí)行器包括安裝法蘭機構、快換機構、拉緊機構、信號檢測系統(tǒng)，其中機器人安裝法蘭機構、快換機構、拉緊機構、信號檢測系統(tǒng)均安裝于集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線的安裝法蘭上。

2.3 夾緊、檢測模塊設計

夾緊、檢測模塊是由測試裝夾臺、集成板測試試驗臺（氣控柜）、轉接工裝板組成，如圖4所示。這些機器與部件在一起組成了一個夾緊、檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了被測板由測試裝夾臺夾緊至檢測完成的整套流程。主線步驟為：

圖4 測試裝夾臺

機械手由轉接模板庫處夾取與被測板對應的轉接工裝模板放置在檢測板相應位置并固定；

機械手將被測板準確安放在轉接板上，測試工作臺夾緊被測板；

集成板氣密性測試臺通氣并將檢測結果上傳至中央控制臺，裝夾臺夾緊機構松開；

機械手將檢測完畢的被測板取出放置在出料平臺。

其中測試裝夾臺為專用機，平放檢測、上下打開（有效空間≥500 mm）。轉接工裝模板型號與被測板號一一對應，被測板號更換時，工裝板也要更換，檢測時下工裝模板上升與上工裝板一起將被測板壓緊，進行檢測。（氣密性測試保證機械結構）。

2.4 輔助模塊設計

輔助模塊是由場地、空間圍欄、移門、轉接模板庫、安全監(jiān)測系統(tǒng)組成。這些機器與部件在一起組成了輔助檢測系統(tǒng)，保證了整條檢測線安全穩(wěn)定的運行。主線步驟為：安全檢測系統(tǒng)→中央控制臺→檢測線系統(tǒng)。

2個紅外模塊安放在移門處，監(jiān)測整條檢測線運行過程中是否有人員進出，如有人員進入檢測場地應立即停止機器運行，確保人員與場內設備安全。

轉接模板庫主要用來放置轉接板，為機械手夾取提供便捷。

2.5 中控模塊設計

中控模塊主要包括電氣控制架構、網(wǎng)絡架構、安全控制架構、人機界面等。集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)采用S7-1200型可編程控制器，通過西門子交換機實現(xiàn)工控機、PLC與機器人控制柜的組網(wǎng)，研華工控機與機器人控制柜通過PCInterterface通訊接口進行通訊；另外與8臺測試臺設備通訊也采用Profinet方式。

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

圖5 電氣控制架構

圖6 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

圖7 安全控制架構

中控模塊控制包括：測試工作過程控制，安全控制、數(shù)據(jù)存儲備份查詢檢索、遠程傳輸控制。操作人員可通過中控模塊對整條檢測線的所有動作進行控制和操作，對所有歷史檢測數(shù)據(jù)進行查詢和檢索，也可通過中控臺遠程控制端完成上述工作。確保整條檢測線高效、安全、穩(wěn)定的運行及對歷史檢測進行記錄和追溯。

2.6 產(chǎn)線測試流程設計

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

圖8 氣路板檢測流程圖

（1）中央控制臺，啟動產(chǎn)線自檢流程，檢測各安全信號和工作信號。

（2）同時對轉接模板庫和裝夾臺進行檢查，目的在于：避免轉接模板庫中轉接模板不全，在過程中更換轉接模板時缺件報警耽擱時間，以及因意外斷電或人為遺漏導致裝夾臺有工件或其他物體遺留，導致測試裝夾臺裝夾時損壞設備。

（3）自檢完成后，在檢測開始前需選擇待測工件的序號，系統(tǒng)會檢測目前測試臺上的轉接模板與工件是否匹配，如不匹配，機械手自動從轉接模板庫中更換與當前待測工件匹配的轉接模板。

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

3 結構特點

（1）公司所有種類的集成板可以在8臺裝夾臺（對應8臺測試臺）上分別測試。

（2）安全設計：工作空間柵欄封閉，進出門紅外光柵，人員進入工作區(qū)，設備自動停止，保證安全。

（3）測試工作臺全自動氣動控制，自動裝夾。

（4）過程搬運采用6軸機械手（ABB）加導軌，工作范圍大并適應柔性化需求，無需人力參與。

（5）擴展性好，通過設計新的轉接模板可支持未來更多類型集成板的檢測。檢測線全自動控制，觸摸屏操作，可遠程控制、監(jiān)測；測試過程，可無人值守工作。

（6）檢測數(shù)據(jù)自動儲存?zhèn)浞?，方便歷史數(shù)據(jù)查詢、追溯。

（7）產(chǎn)線測試系統(tǒng)具備手動和自動2種控制方式。

（8）可手動選擇控制測試任意一條氣路的氣密性。

4 性能驗證及效果評價

集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線于2019年6月5日通過設備驗收，縱橫公司標動、城軌共16種在產(chǎn)集成板開始進行小批量試生產(chǎn)測試任務。經(jīng)過多品種、小批量的測試生產(chǎn)，集成板氣密性測試結果合格，能夠打印測試報告，產(chǎn)線具備當初設想功能，能夠實現(xiàn)無人干預情況下自動測試生產(chǎn)任務。小批量試生產(chǎn)期間集成板自動化測試產(chǎn)線測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 集成板自動化測試產(chǎn)線測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

從集成板自動化測試產(chǎn)線測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表可知，9月2日至10月31日期間，2個工人應用產(chǎn)線共測試963塊集成板，其中927塊集成板在產(chǎn)線上測試氣密性合格。由于發(fā)生9次工裝模板泄漏、2次測試數(shù)據(jù)丟失等問題，產(chǎn)線測試共失敗36次。經(jīng)過工裝模板修復，系統(tǒng)完善，失敗的36塊集成板再次進行測試，全部合格。

應用全自動測試生產(chǎn)方式與手工作業(yè)測試生產(chǎn)方式對比：

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

（2）全自動測試963塊集成板機械手取放產(chǎn)品時間：963×0.5=481.5（min）（2個人，0.5 min為機器手操作時間）；

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

全自動測試963塊集成板所用總時間：481.5+3 680+38 520=42 681.5（min）；

（3）手動測試963塊集成板所用時間：963×15+38 520=52 965（min）；（3個人，15 min為裝、拆工裝平均時間）；

表2 全自動化測試與手工測試時間對比表

從以上數(shù)據(jù)分析可知，應用此產(chǎn)線進行測試生產(chǎn)任務，工時節(jié)省明顯，人均效率可提升46.2%，使用效果良好。同時，由于產(chǎn)線在初運營狀態(tài)，配備2人操作，當產(chǎn)線正常運行時，以目前產(chǎn)量只需配備1人即可完成任務，此時人均效率將可提升73.1%。但由于工裝模板泄漏問題引起的時間損失比較嚴重，造成產(chǎn)線測試合格率96.3%，與預期測試合格率99.9%相比較，還有些差距，需要解決。

經(jīng)過對產(chǎn)線運行近半年時間出現(xiàn)的泄漏情況統(tǒng)計分析，泄漏多是由密封圈原因造成。2020年3月以來，鐵科縱橫（天津）公司對產(chǎn)線用橡膠件配方進行了調整，材質變軟。截止到2020年3月，每2周測試合格率在99.9%以上，原每2周更換橡膠件變?yōu)槊吭禄蚋L時間更換橡膠件，基本解決了產(chǎn)線測試泄漏問題。但如何延長橡膠件的使用壽命及裝夾時的壓縮量控制還需進一步研究。

5 結論

集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線，使用高精度工業(yè)機器人對產(chǎn)品及工裝進行抓取運輸，精度高、質量可靠。集成板氣密性測試的裝夾靠自動化設備來實現(xiàn)，工藝參數(shù)、測試過程完全由中控系統(tǒng)控制，保證了裝夾力的一致性、測試過程的標準化，使產(chǎn)品測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”新模式應用上的又一次大膽嘗試，標識著在探索“少人化”生產(chǎn)技術應用方面，邁出堅實的一步，對“縱橫智造”后續(xù)的工作，具有重要的指導意義和借鑒作用。