防錯(cuò)裝置的能力模型構(gòu)建及其在汽車行業(yè)的應(yīng)用

王良濤

聯(lián)合汽車電子有限公司西安廠 陜西西安 710017

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，人類對(duì)汽車的個(gè)性化追求也在不斷提高，為了滿足消費(fèi)者個(gè)性化的需求，所有汽車無(wú)論從顏色、造型還是配置上都給出了不同的方案。所以在市場(chǎng)上可以看到各種形形色色的汽車，即使是同一款車也出現(xiàn)了不同的顏色和配置。當(dāng)然主機(jī)廠會(huì)將自身整車的個(gè)性化需求，傳遞到各個(gè)供應(yīng)商，要求供應(yīng)商所供應(yīng)的零件也必須有不同的配置和外形，因此，整個(gè)汽車行業(yè)出現(xiàn)五彩紛呈的車型和各式各樣的零部件。同一種零部件不同主機(jī)廠要求不同，故而同一個(gè)產(chǎn)品族，出現(xiàn)各種各樣的產(chǎn)品，包括外形、顏色和性能。

聯(lián)合汽車電子作為國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的供應(yīng)商，配套的主機(jī)廠為國(guó)內(nèi)外各大主機(jī)廠。為了滿足不同主機(jī)廠的需求，所有生產(chǎn)線都具有柔性化生產(chǎn)能力，即生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)快速換型，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品的兼容性生產(chǎn)。同時(shí)隨著汽車市場(chǎng)的逐漸飽和，汽車行業(yè)利潤(rùn)的降低以及汽車更新?lián)Q代的速度加快，作為配套公司也必須做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。從整個(gè)汽車行業(yè)來(lái)看，生產(chǎn)線柔性化成了必然趨勢(shì)。

柔性化可實(shí)現(xiàn)小批量、多品種的生產(chǎn)模式[1]，雖然能降低制造成本，但隨之而來(lái)的缺點(diǎn)也暴露無(wú)遺。對(duì)于裝配產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，常見的問題是錯(cuò)裝、漏裝和多裝。目前常見的解決此問題的方法就是使用防錯(cuò)防呆[2]，即在可能產(chǎn)生缺陷的位置設(shè)計(jì)相應(yīng)的防錯(cuò)裝置或者設(shè)計(jì)特定防錯(cuò)結(jié)構(gòu)，防止缺陷產(chǎn)生和流出。

當(dāng)前存在的問題

目前對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)防錯(cuò)的應(yīng)用比較成熟，但是很多防錯(cuò)沒辦法通過(guò)機(jī)械防錯(cuò)實(shí)現(xiàn)，這時(shí)候就需要搭建一定的防錯(cuò)裝置，使用防錯(cuò)裝置的方法進(jìn)行防錯(cuò)。隨著新技術(shù)的導(dǎo)入應(yīng)用越來(lái)越多，例如力傳感器、位移傳感器、工業(yè)相機(jī)、接近傳感器、負(fù)壓及顏色傳感器等方法大量地被應(yīng)用到防錯(cuò)中，加之智能制造的逐步推進(jìn)，更多的防錯(cuò)技術(shù)會(huì)逐步引入到汽車工業(yè)的生產(chǎn)中。但是目前汽車工業(yè)對(duì)于防錯(cuò)裝置的防錯(cuò)有效性評(píng)估，只能做定性化的判斷，只知道其功能可以防錯(cuò)，但是具體到防錯(cuò)有效性水平高低，還沒法給出數(shù)據(jù)化的評(píng)價(jià)模型。這也就意味著存在一定的防錯(cuò)失效的風(fēng)險(xiǎn)，即在某些特定條件下，工裝或者零件逐漸變化，當(dāng)這些變化累加，忽然越過(guò)了某個(gè)臨界值，防錯(cuò)就不再有效了。同時(shí)這些防錯(cuò)裝置，一般都設(shè)置一定的閾值，閾值如何設(shè)定也存在一定的難度，目前的設(shè)定方法一般是通過(guò)多次試驗(yàn)，得到經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如果太嚴(yán)格，則誤報(bào)警率過(guò)高，太松則防錯(cuò)不穩(wěn)定。為了得到科學(xué)合理的閾值設(shè)置范圍，急需通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到科學(xué)的閾值范圍。

防錯(cuò)原理和防錯(cuò)裝置的構(gòu)成

以聯(lián)合汽車電子某電子產(chǎn)品為例，該產(chǎn)品一共3個(gè)平臺(tái)，分別是1.2平臺(tái)、1.3平臺(tái)以及6平臺(tái)，一共涉及產(chǎn)品型號(hào)多達(dá)167個(gè)，不同型號(hào)產(chǎn)品要求的力學(xué)性能不同。這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同力學(xué)性能的彈簧，為了便于裝配，同平臺(tái)產(chǎn)品的彈簧尺寸設(shè)計(jì)相近，非常容易出現(xiàn)錯(cuò)裝的情況。為了保證每個(gè)產(chǎn)品上裝的彈簧都是正確的，不同力學(xué)性能的彈簧設(shè)計(jì)不同的顏色，如圖1所示。

生產(chǎn)過(guò)程中彈簧采用自動(dòng)上料方式，設(shè)備將彈簧自動(dòng)送到待裝位置，使用顏色傳感器，在待料位置檢測(cè)每一個(gè)彈簧顏色，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。顏色傳感器檢測(cè)到彈簧顏色后，控制軟件通過(guò)計(jì)算與設(shè)備中庫(kù)文件數(shù)據(jù)的相似度，通過(guò)對(duì)比判斷該彈簧是否是正確的型號(hào)，以實(shí)現(xiàn)防錯(cuò)功能。當(dāng)相似度低于設(shè)置的閾值范圍時(shí)設(shè)備自動(dòng)報(bào)警，只有在設(shè)置的閾值范圍內(nèi)才能正常生產(chǎn)。

圖2 彈簧顏色檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

防錯(cuò)裝置搭建完成伊始，裝置內(nèi)是沒有數(shù)據(jù)的，也沒有判斷的閾值，需要通過(guò)外部放置待檢測(cè)零件，此案例中就是某種顏色的彈簧。因此，首先需要建立彈簧顏色的數(shù)據(jù)庫(kù)，考慮到同一個(gè)型號(hào)的彈簧，不同個(gè)體的差異、位置的差異以及工裝和環(huán)境的影響，建立數(shù)據(jù)盡量和實(shí)際生產(chǎn)模式相同或相近的條件。一般需要采用多個(gè)樣本，為了保證樣本數(shù)據(jù)足夠又不影響效率，一般選擇25～50個(gè)樣本為佳。每個(gè)樣本需要選擇特定區(qū)域的顏色特征，通過(guò)傳感器的學(xué)習(xí)，將這些樣本存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

樣本數(shù)據(jù)庫(kù)建立完成后，只需要設(shè)置合理的閾值范圍，生產(chǎn)時(shí)傳感器檢測(cè)到新的彈簧，將彈簧的顏色特征和樣本數(shù)據(jù)的特性進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)相似度判斷彈簧型號(hào)是否正確，如相似度不在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，則報(bào)警提示“NG”信號(hào)（見圖3），只有在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)提示“OK”才能正常生產(chǎn)。

圖3 彈簧防錯(cuò)相似度檢測(cè)

模型的構(gòu)建

防錯(cuò)裝置數(shù)據(jù)庫(kù)中學(xué)習(xí)了足夠的數(shù)據(jù)庫(kù)相當(dāng)于設(shè)備數(shù)據(jù)中樞中保存了足夠的合格樣本，接下來(lái)需要在自動(dòng)生產(chǎn)模式下，不同外部光照條件，不同批次的彈簧，統(tǒng)計(jì)正確彈簧的相似度數(shù)據(jù)，以得到此彈簧的閾值設(shè)置范圍。為了確保閾值的設(shè)置能兼容因設(shè)備、環(huán)境、彈簧等變化產(chǎn)生的變差，閾值該模型設(shè)計(jì)了±3σ的計(jì)算方法，即合格彈簧數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后，自動(dòng)計(jì)算±3σ的控制線L1和L2，閾值設(shè)置需要包含這個(gè)控制線。

為了確保閾值的設(shè)置合理，防錯(cuò)裝置要能有效防止其他型號(hào)彈簧的混入，還需要統(tǒng)計(jì)其他型號(hào)彈簧在此模型下的相似度數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)依然在自動(dòng)生產(chǎn)模式下，收集25組其他顏色彈簧的數(shù)據(jù)，輸入到模型的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

為了保證設(shè)備、環(huán)境以及原材料的變差都被考慮在內(nèi)，該模型依然在自動(dòng)模式下，計(jì)算其他顏色彈簧檢測(cè)數(shù)據(jù)的±3σ的數(shù)據(jù)分布線L3和L4。只有L1、L2黃色曲線組成的區(qū)間和L3、L4藍(lán)色曲線的區(qū)間完全分離，才認(rèn)為該防錯(cuò)裝置能實(shí)現(xiàn)防錯(cuò)功能，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為曲線如圖4所示，其中紅色曲線為人為設(shè)置閾值曲線。

圖4 閾值設(shè)置曲線

對(duì)于相似度這種指標(biāo)不可能大于100%，因此可以看作是單邊公差，超過(guò)100%計(jì)算結(jié)果認(rèn)為是100%，因此只要設(shè)置下面的紅色曲線即可。從圖中可以看出，閾值設(shè)置在L2和L3之間都可以有效區(qū)分OK和NOK的彈簧，但是具體設(shè)置在哪里合適，需要看公司的策略。如果把安全性放在首位，則閾值線可以接近OK區(qū)域L2的下邊界；如果把報(bào)廢放在首位則閾值設(shè)置靠近NOK區(qū)域上邊界L3。一般防錯(cuò)會(huì)把安全性放在首位，因此，案例中將閾值設(shè)置在靠近OK區(qū)域下邊。

防錯(cuò)裝置能力評(píng)估

為了將防錯(cuò)裝置的能力量化，需要將防錯(cuò)裝置對(duì)OK件和NOK件的區(qū)分度和防錯(cuò)裝置的分辨率考慮在內(nèi)。防錯(cuò)能力Capabilities（以下簡(jiǎn)稱CaPa），CaPa=安全區(qū)域?qū)挾?（NOK區(qū)域?qū)挾?OK區(qū)域?qū)挾取裂b置分辨率）。

以彈簧顏色防錯(cuò)為例，安全區(qū)域?qū)挾葹長(zhǎng)2-L3=86.973%-56.858%=30.115%；OK區(qū)域?qū)挾葹長(zhǎng)1-L2=104.675%-86.973%=17.702%；NOK區(qū)域?qū)挾葹長(zhǎng)3-L4=56.858%-29.622%=27.236%。設(shè)備使用的傳感器為顏色傳感器，其分辨率為1，因此該防錯(cuò)裝置的能力為：

其中，（|L3-L4|·|L1-L2|）可以理解為防錯(cuò)裝置對(duì)OK件和NOK零件的區(qū)分風(fēng)險(xiǎn)程度，NOK檢測(cè)數(shù)據(jù)越穩(wěn)定L3-L4越小，說(shuō)明風(fēng)險(xiǎn)程度越低，防錯(cuò)能力越強(qiáng)；同時(shí)OK件檢測(cè)數(shù)據(jù)越穩(wěn)定則L1-L2越小，說(shuō)明OK件分布很穩(wěn)定，風(fēng)險(xiǎn)也越低。|L2-L3|·|閾值min-L3|可以理解為防錯(cuò)裝置的安全程度，這個(gè)數(shù)據(jù)越大說(shuō)明越安全，防錯(cuò)能力越強(qiáng)。防錯(cuò)能力通過(guò)模型自動(dòng)計(jì)算如圖5所示。

圖5 防錯(cuò)能力模型計(jì)算結(jié)果

防錯(cuò)裝置的能力評(píng)估，需要建立在裝置能有效防錯(cuò)的基礎(chǔ)上，即OK區(qū)域和NOK區(qū)域完全分離。即L2-L3＞0，因此，必須防錯(cuò)能力CaPa＞0才認(rèn)為此裝置是可用的，才做能力計(jì)算。CaPa數(shù)值越大說(shuō)明防錯(cuò)裝置的防錯(cuò)能力越強(qiáng)，對(duì)工作環(huán)境、原材料及設(shè)備的變差兼容性越高。在實(shí)際應(yīng)用中為了確保防錯(cuò)裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定有效，還需要定期對(duì)防錯(cuò)裝置進(jìn)行能力分析評(píng)估，發(fā)現(xiàn)能力不足時(shí)需要及時(shí)對(duì)防錯(cuò)裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。一般Capa＞1，則認(rèn)為此防錯(cuò)能力處于非常高的水平，每?jī)赡陮?duì)裝置做一次能力評(píng)估即可；0.5＜Capa≤1，則防錯(cuò)能力較高，需要每年做一次防錯(cuò)能力驗(yàn)證；0＜Capa≤0.5，則說(shuō)明防錯(cuò)能力比較有限，需要半年甚至每月做一次防錯(cuò)能力驗(yàn)證；CaPa＜0，則說(shuō)明防錯(cuò)裝置無(wú)法有效防錯(cuò)，存在缺陷流出風(fēng)險(xiǎn)，需要重新考慮搭建防錯(cuò)裝置或者防錯(cuò)方法。

運(yùn)用此方法對(duì)其他的防錯(cuò)裝置進(jìn)行了防錯(cuò)能力分析評(píng)估，目前此方法已經(jīng)運(yùn)用到嵌件長(zhǎng)短的負(fù)壓防錯(cuò)，PCB壓裝后pin針高度及裂紋防錯(cuò)，摩擦元件有無(wú)的位移防錯(cuò)等。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)防錯(cuò)裝置的防錯(cuò)原理分析，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)防錯(cuò)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和數(shù)理運(yùn)算，構(gòu)建出防錯(cuò)能力模型，在評(píng)估生產(chǎn)環(huán)境、原材料和設(shè)備變差等因素后，構(gòu)建了防錯(cuò)能力計(jì)算方法。量化評(píng)估了防錯(cuò)裝置的防錯(cuò)能力，便于工程人員對(duì)防錯(cuò)裝置的有效性有一個(gè)量化的概念。對(duì)于日益多樣化、個(gè)性化的汽車行業(yè)以及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，具有一定的指導(dǎo)意義。實(shí)際批量生產(chǎn)驗(yàn)證，文章的構(gòu)建防錯(cuò)能力模型，可以橫展并應(yīng)用到其他防錯(cuò)裝置的能力評(píng)估，提升了人們對(duì)防錯(cuò)裝置有效性的理解。同時(shí)該模型不僅用于汽車行業(yè)，在類似使用防錯(cuò)裝置的制造行業(yè)均可采用。