鮑滕霄 ,顧新建
(1.上海新時(shí)達(dá)智能科技有限公司 研發(fā)部,上海 201800; 2.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州 310027)
隨著我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí),智能化生產(chǎn)線個(gè)性化定制的需求量越來(lái)越大[1]。通常個(gè)性化定制的智能化生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造周期長(zhǎng),成本高。模塊化設(shè)計(jì)有助于簡(jiǎn)化智能化生產(chǎn)線結(jié)構(gòu),縮短其制造周期,降低制造成本[2]。智能化生產(chǎn)線模塊化設(shè)計(jì)的主要方法如下:首先基于模塊化設(shè)計(jì)理論和方法[3],合理劃分智能化生產(chǎn)線的不同功能和結(jié)構(gòu)模塊;然后設(shè)計(jì)各獨(dú)立模塊,建立智能化生產(chǎn)線模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái);最后根據(jù)客戶需求,對(duì)通用模塊進(jìn)行重新組合,并通過(guò)個(gè)別專用模塊的全新設(shè)計(jì),快速設(shè)計(jì)個(gè)性化的智能化生產(chǎn)線,以滿足客戶對(duì)智能化生產(chǎn)線的定制要求。
電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線的零部件非常多,每條智能化生產(chǎn)線有2~3萬(wàn)個(gè)零部件。其結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜,裝配精度很高,且其重要零部件需要耐高溫、耐沖擊,零部件的精度要求也非常高。用于不同類型汽車的電子制動(dòng)器一般都不相同,所需生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)也必然存在差異。由于電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線需要按照不同客戶的不同需求來(lái)定制,因此其技術(shù)準(zhǔn)備周期和生產(chǎn)周期都比較長(zhǎng)。為縮短個(gè)性化電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期、減少制造成本、提高生產(chǎn)線的可靠性,有必要對(duì)電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。本文將汽車電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線分為成套層、單元層和零部件層,進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)方法的研究和實(shí)踐。
智能化生產(chǎn)線成套層的模塊化設(shè)計(jì)就是將一條完整的智能化生產(chǎn)線按不同功能和結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行拆分,對(duì)拆分后的功能和結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì),并組合各功能和結(jié)構(gòu)單元,使其成為具有不同功能的智能化生產(chǎn)線。不同功能和結(jié)構(gòu)單元相當(dāng)于搭積木時(shí)的積木塊,只要對(duì)這些不同的“積木塊”進(jìn)行組合即可快速搭建具有不同功能和結(jié)構(gòu)的智能化生產(chǎn)線,解決電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線個(gè)性化程度高引起設(shè)計(jì)周期過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。目前,關(guān)于模塊化設(shè)計(jì)方法的研究論文很多[4-6],但針對(duì)智能化生產(chǎn)線的研究還比較少。
智能制造生產(chǎn)線需考慮單元與單元之間的快速連接和更換,因此可將能夠完整實(shí)現(xiàn)某功能的單元設(shè)計(jì)成單獨(dú)的模塊。模塊是可組合成系統(tǒng)的、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨(dú)立單元[7]??蓪⒛K分成通用模塊與專用模塊[8]。在各獨(dú)立單元中,結(jié)構(gòu)模塊可以作為最小單元存在,結(jié)構(gòu)模塊是功能模塊的載體[9]。智能制造生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)模塊應(yīng)結(jié)合功能模塊劃分需要,按照相似性原則、相對(duì)獨(dú)立原則[10]等進(jìn)行劃分,其目的是讓各單元成為獨(dú)立模塊,便于后續(xù)調(diào)用、組裝、搭配和最終調(diào)試。智能化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先選用與現(xiàn)有單元相同或類似的模塊,盡可能選擇符合地方標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)規(guī)范的通用模塊。在無(wú)法選用現(xiàn)有通用模塊時(shí),應(yīng)進(jìn)行新模塊的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計(jì),使其成為通用模塊;同時(shí),應(yīng)考慮未來(lái)的生產(chǎn)線需求和產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)趨勢(shì),進(jìn)行一定的預(yù)留性設(shè)計(jì)。對(duì)于某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的單元,可先將其分成幾個(gè)不同功能的部件,然后對(duì)不同功能的部件進(jìn)行分解,并將一些基本參數(shù)規(guī)律性較強(qiáng)且設(shè)計(jì)理念、使用條件和結(jié)構(gòu)特征均相同的模塊歸為相似單元。
模塊化設(shè)計(jì)方法具有許多優(yōu)點(diǎn)。采用模塊化設(shè)計(jì)方法不僅可以顯著縮短設(shè)計(jì)周期,減少設(shè)計(jì)問(wèn)題,降低設(shè)計(jì)難度,還可以有效降低項(xiàng)目成本,縮短調(diào)試周期,提高技術(shù)資源的重用率。電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中應(yīng)用的大量模塊化單元包括:兩立柱單元、四立柱單元、工裝快換單元、壓機(jī)C型架單元、激光打標(biāo)單元、啟動(dòng)按鈕單元、輸送線標(biāo)準(zhǔn)頂升定位單元、轉(zhuǎn)盤單元、框架單元、氣路單元和機(jī)器人單元等。
采用模塊化設(shè)計(jì)方法,能夠在智能化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的前期規(guī)劃、中期整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、后期裝配以及售后服務(wù)的整個(gè)流程中,建立完整的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)庫(kù);能夠在設(shè)計(jì)裝配過(guò)程將產(chǎn)生的問(wèn)題點(diǎn)記錄下來(lái),制作演示文稿并分享給其他相關(guān)工作人員,以免類似問(wèn)題再次發(fā)生。
電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線上產(chǎn)品在各工位之間的傳輸是通過(guò)輸送線來(lái)完成的。將制動(dòng)器零部件裝在托盤上,托盤隨輸送線逐一進(jìn)入工位,通過(guò)射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)讀寫傳感器和標(biāo)準(zhǔn)頂升定位單元,將零部件準(zhǔn)確放置在工位指定位置,以便于生產(chǎn)線上的工位操作(如涂膠、壓裝、檢測(cè)等)。
智能化生產(chǎn)線輸送系統(tǒng)是最常見(jiàn)的生產(chǎn)線單元,對(duì)其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)是非常必要的。圖1所示為輸送系統(tǒng)的模塊化標(biāo)準(zhǔn)工位。
圖1 輸送系統(tǒng)的模塊化標(biāo)準(zhǔn)工位
輸送系統(tǒng)模塊化標(biāo)準(zhǔn)工位的執(zhí)行步驟如下:①將制動(dòng)器零部件通過(guò)輸送線輸送到該工位;②用傳感器檢測(cè)托盤上有無(wú)零部件以及零部件所處位置的正確性;③托盤上有零部件且所處位置正確時(shí), RFID讀寫傳感器和標(biāo)準(zhǔn)頂升定位單元讀取托盤上零部件的信息,將該零部件在前道工序的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)對(duì)比,判斷零部件在前道工序的生產(chǎn)是否達(dá)標(biāo);④當(dāng)前道工序中零部件的生產(chǎn)達(dá)標(biāo)時(shí),將托盤頂升、定位并執(zhí)行該工位操作,例如涂膠、壓裝等工藝環(huán)節(jié);⑤該工位操作結(jié)束時(shí),根據(jù)生產(chǎn)工藝參數(shù),判斷該工序的生產(chǎn)是否合格,并將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù);⑥托盤下降釋放,并隨輸送線傳送到下一工位,重復(fù)執(zhí)行上述操作。
對(duì)智能化生產(chǎn)線托盤頂升機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),可快速在模塊庫(kù)中調(diào)取模塊,通過(guò)更改頂升行程并改變零部件檢測(cè)方式,快速投入應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)功能模塊和結(jié)構(gòu)模塊的模塊化設(shè)計(jì)。
電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線中多處使用壓裝工藝。該工藝涉及銅套壓裝工位、鋼圈防塵罩安裝工位和活塞壓裝工位等。圖2所示為電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線上四立柱壓裝機(jī)的結(jié)構(gòu)。它主要由頂板、立柱、底板等構(gòu)成結(jié)構(gòu)框架,由電子壓機(jī)、氣液增壓缸、油缸等構(gòu)成動(dòng)力單元。
圖2 電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線上四立柱壓裝機(jī)的結(jié)構(gòu)
電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線的多個(gè)裝配壓裝工位所需壓力不同,壓裝行程也不同。在模塊化設(shè)計(jì)時(shí),可對(duì)圖3所示四立柱壓裝機(jī)的模塊化單元進(jìn)行變型設(shè)計(jì)。在圖3中:(a)的壓裝力可達(dá)5 kN;(b)的壓裝力可達(dá)15 kN;(c)的壓裝力可達(dá)30 kN。
圖3 四立柱壓裝機(jī)的模塊化單元
從圖3可以看出,具有不同壓裝力的四立柱壓裝機(jī)模塊化單元各有特點(diǎn),重載壓裝機(jī)構(gòu)配置了橫梁,且有更粗的軸徑。為適應(yīng)不同壓裝工藝,只需設(shè)計(jì)時(shí)修改立柱長(zhǎng)度便可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。銅套壓裝工位所需壓裝力為1.2 kN,可選擇30 mm軸徑的壓裝單元和對(duì)應(yīng)的鋼圈防塵罩等;安裝工位所需壓裝力為8 kN,應(yīng)選用40 mm軸徑的壓裝單元;活塞壓裝工位所需壓裝力為0.2 kN,選用30 mm軸徑壓裝單元即可。
采用模塊化設(shè)計(jì)方法,可直接從模塊庫(kù)里調(diào)用所需模塊,有效降低智能化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)難度,縮短整個(gè)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)周期,從而給企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
圖4所示為電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線的模塊化頂升定位單元。它屬于通用模塊,可兼顧生產(chǎn)線上所有工位的功能需要,配合使用通用托盤后能讓整套機(jī)構(gòu)具有很強(qiáng)的通用性。
圖4 模塊化頂升定位單元
在設(shè)計(jì)電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線的模塊化頂升定位單元時(shí),只要變更有關(guān)部件的某些尺寸,就能讓該單元具有不同的工作行程和結(jié)構(gòu)特征。頂升氣缸可以根據(jù)需要,在100~350 mm范圍內(nèi)任意選擇行程。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)每個(gè)工位所需頂升高度,首先調(diào)用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模塊,然后選擇行程合適的氣缸即可。變型設(shè)計(jì)顯著減小了設(shè)計(jì)難度,大大減少了重復(fù)性工作。
在裝配智能化生產(chǎn)線的某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊時(shí),可以先對(duì)該模塊的部分單元進(jìn)行預(yù)裝配,使其成為一個(gè)小模塊,然后將各小模塊裝配到一起,形成完整的大模塊。因?yàn)槟K之間具有的相對(duì)獨(dú)立性,當(dāng)某個(gè)模塊出現(xiàn)問(wèn)題需要維修或調(diào)整時(shí),只需對(duì)該模塊進(jìn)行單獨(dú)拆裝即可,以節(jié)省組裝和維修時(shí)間。
圖5所示為電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線的模塊化拾取單元。它主要由水平移載氣缸、豎直移載氣缸、抓手、送料機(jī)構(gòu)和其他零部件組成。
在圖5中,豎直移載氣缸和水平移載氣缸負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)構(gòu)的移動(dòng),送料機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將零部件送到抓手下方,抓手抓起零部件,移動(dòng)后放到設(shè)定的位置。
圖5 模塊化拾取單元
設(shè)計(jì)智能化生產(chǎn)線中具有抓取功能的上料機(jī)構(gòu)時(shí),可直接選用該模塊化拾取單元,并根據(jù)搬運(yùn)的距離,選擇不同行程的氣缸,以快速實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。
氣缸模塊和各氣缸之間的安裝連接模塊均已高度通用化和系列化,可多工位共用,減少了安裝連接模塊的種類,降低了生產(chǎn)線組裝難度。
在完成智能化生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,需要電氣工程師對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和程序編寫。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異直接決定了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。過(guò)多的差異化結(jié)構(gòu)使程序編寫過(guò)程變得很復(fù)雜,對(duì)電氣工程師的要求也更高,易出現(xiàn)程序編寫錯(cuò)誤等問(wèn)題而影響項(xiàng)目進(jìn)度。
目前,市場(chǎng)上大部分智能化生產(chǎn)線的工業(yè)控制器以PLC為主,以用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和與工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)集成的工控機(jī)為輔,外加人機(jī)接口(Human Machine Interface,HMI)觸摸屏作為人機(jī)交互界面,用于生產(chǎn)線的監(jiān)控和一些生產(chǎn)模式的選擇。在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的選擇方面,自動(dòng)化設(shè)備的功能完整性及其異常情況的處理能力與PLC程序的設(shè)計(jì)有十分緊密的聯(lián)系。好的PLC程序能夠支持各種工況下的快速生產(chǎn),并能在異常情況發(fā)生時(shí)做出及時(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng),以避免錯(cuò)誤執(zhí)行程序而造成安全事故。程序的邏輯嚴(yán)密性與軟件的模塊化設(shè)計(jì)密不可分。對(duì)PLC程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),能在保障智能化生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的情況下,對(duì)發(fā)生的異常現(xiàn)象進(jìn)行排查。
控制程序的模塊化設(shè)計(jì)最先在C語(yǔ)言、JAVA高級(jí)語(yǔ)言中得到運(yùn)用。它能通過(guò)程序模塊調(diào)用快速實(shí)現(xiàn)程序功能的變化。隨著HMI和上位機(jī)程序在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中運(yùn)用的增多,PLC工程師也越來(lái)越認(rèn)可模塊化程序應(yīng)用的便利性,并逐漸擴(kuò)大了模塊化程序的應(yīng)用。PLC的模塊化編程過(guò)程如下:首先將程序按照組成劃分為報(bào)警系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、初始化系統(tǒng)等模塊;然后根據(jù)具體的執(zhí)行元件劃分具體的執(zhí)行程序,例如氣缸控制單元、伺服電機(jī)控制單元、分割器控制單元以及輸送線控制單元等;最后通過(guò)這些控制單元的不同排列組合,形成具有一定功能的執(zhí)行系統(tǒng)。例如,伺服電機(jī)控制單元和氣缸控制單元組合,可形成完整的伺服抓取系統(tǒng),而輸送線控制單元和分割器控制單元可與具體的功能模塊組合,形成生產(chǎn)線上一個(gè)工位的控制系統(tǒng)。
在智能化生產(chǎn)線模塊化設(shè)計(jì)中,當(dāng)產(chǎn)品生產(chǎn)裝配工藝需要大量拾取單元時(shí),可采用圖6所示的凸輪拾取單元。它能夠通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)抓手,使抓手沿著凸輪導(dǎo)向槽運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)零部件的快速抓取和搬運(yùn)。凸輪拾取單元的豎直導(dǎo)向件和水平導(dǎo)向件負(fù)責(zé)對(duì)抓手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限定,凸輪導(dǎo)向槽負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向。
圖6 凸輪拾取單元
通過(guò)模塊化程序設(shè)計(jì),只要調(diào)節(jié)抓取機(jī)構(gòu)的行程和運(yùn)動(dòng)速度等個(gè)別參數(shù)即能實(shí)現(xiàn)對(duì)各套抓取系統(tǒng)的獨(dú)立控制。這樣,既降低了程序編寫難度,又能讓未參加程序編寫的PLC工程師快速理解程序,以提高相關(guān)技術(shù)工作的效率。
零部件是生產(chǎn)線的基本構(gòu)件。電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線通常為客戶定制類項(xiàng)目??蛻舳ㄖ粕a(chǎn)線的機(jī)械類零部件通常為非標(biāo)準(zhǔn)零部件,零部件種類多且批量又非常小。因此,這些零部件加工制造的交貨期通常較長(zhǎng),尤其在裝配調(diào)試環(huán)節(jié),當(dāng)零部件質(zhì)量存在問(wèn)題,需要及時(shí)返工時(shí),為了趕交期,通常需要以數(shù)倍于正常情況的成本進(jìn)行零部件加工,會(huì)在成本和時(shí)間上造成巨大的損失。
零部件的模塊化設(shè)計(jì),可大幅減少零部件種類,使零部件批量增大。這對(duì)于供應(yīng)商來(lái)說(shuō),通過(guò)一次材料采購(gòu)、工藝規(guī)劃即可生產(chǎn)大量零部件,大大縮短單個(gè)零部件加工制造的周期;對(duì)于企業(yè)本身來(lái)說(shuō),通過(guò)配備模塊化設(shè)計(jì)的零部件庫(kù)存,在裝配調(diào)試中,若出現(xiàn)零部件質(zhì)量缺陷或調(diào)試過(guò)程中因誤操作和程序調(diào)試而造成零部件損壞,可直接調(diào)用庫(kù)存零部件,以節(jié)約零部件返修或重新加工的時(shí)間與成本。據(jù)統(tǒng)計(jì),電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)后,交貨期縮短了20%以上。
智能化生產(chǎn)線交付后,隨著使用年限的延長(zhǎng),零部件尤其是一些關(guān)鍵的受力零部件難免會(huì)出現(xiàn)磨損和故障,客戶需要配備這些關(guān)鍵零部件的大量庫(kù)存。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì),可大幅減少零部件種類,使客戶能針對(duì)多工位應(yīng)用的同一種零部件進(jìn)行備料,從而減少備用零部件種類和總量,降低維護(hù)成本。當(dāng)零部件出現(xiàn)損壞時(shí),可進(jìn)行快速更換。例如,電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線上多工位使用的限位柱,用于托盤和零部件頂升后的高度限位。其主要功能是在托盤頂起后確定托盤最后停止的位置。針對(duì)不同厚度的零部件,需要選擇不同高度的限位柱,使得所有零部件的頂升高度一致。生產(chǎn)過(guò)程的限位柱需承受整個(gè)頂升定位單元的舉升力,隨著頂升次數(shù)的增多,其磨損會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。因此,限位柱為易損零件。采用模塊化設(shè)計(jì)后,客戶只要備有少量的限位柱,即可滿足多工位的大量更換需求,減少了備件種類和庫(kù)存,降低了生產(chǎn)線的維護(hù)成本。
對(duì)智能化生產(chǎn)線的零部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),能夠保證這些零部件的大批量采購(gòu)和制造,大幅度降低智能化生產(chǎn)線的零部件成本,提高智能化生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。
研究發(fā)現(xiàn),電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線要大量使用不同行程和不同類型的氣缸,在采用模塊化設(shè)計(jì)前,選用的氣缸種類很雜,不同氣缸有不同安裝方式,給氣缸的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、安裝帶來(lái)很大麻煩,造成了很大的浪費(fèi);采用模塊化設(shè)計(jì)后,生產(chǎn)線選用的是同類型氣缸,只要改變氣缸的行程和缸徑就可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的幾種功能。由于同類型氣缸的大批量應(yīng)用,大大降低了生產(chǎn)線的零部件采購(gòu)成本。
電子制動(dòng)器智能化生產(chǎn)線可以分為成套層、單元層和零部件層。本文采用模塊化設(shè)計(jì)理念,對(duì)生產(chǎn)線不同層級(jí)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。研究表明,模塊化設(shè)計(jì)能夠簡(jiǎn)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程,顯著縮短智能化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和制造周期,降低生產(chǎn)線的制造和維護(hù)成本。