段彬,張湘鄂,張勇,成劍,易平,吳雄
(上汽通用汽車有限公司 武漢分公司,湖北 武漢 430208)
隨著汽車銷量的逐年增加及消費(fèi)者對(duì)汽車多樣化的追求,汽車企業(yè)在推出不同新車型的同時(shí),對(duì)整車制造的成本、改造周期、場(chǎng)地、生產(chǎn)速度提出了更高的要求。車身車間作為新車型整車制造中四大車間投資比例最高的一項(xiàng),其工裝柔性化程度關(guān)系整車制造成本的控制,其區(qū)別于油漆車間和總裝車間,車身車間工裝具備高精度、高負(fù)載、高速傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。目前隨行工裝Pallet(托盤)加上高速輥床作為白車身機(jī)運(yùn)線體傳輸?shù)闹髁鞣桨副桓鞔笾鳈C(jī)廠運(yùn)用,Pallet在前期設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中只針對(duì)某一款車型平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì),即對(duì)應(yīng)某一固定的車體軸距和機(jī)械搬運(yùn)孔尺寸。在新的平臺(tái)投入時(shí),由于車體尺寸存在差異,Pallet在新平臺(tái)中不再適用,需要定制新Pallet匹配新的尺寸,柔性Pallet作為解決方案應(yīng)運(yùn)而生,現(xiàn)結(jié)合某車身車間柔性Pallet改造案例進(jìn)行介紹,從柔性Pallet的工裝結(jié)構(gòu)和尺寸控制2個(gè)方面,對(duì)其系統(tǒng)構(gòu)成和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行描述。
Pallet和高速輥床用于白車身傳輸和工裝定位,其具備傳輸時(shí)間短、節(jié)約能源、尺寸精度高、故障率低、可維護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn),如圖1所示。Pallet作為隨行工裝承載白車身在高速輥床上進(jìn)行運(yùn)動(dòng),在無(wú)精度要求的補(bǔ)焊工位,高速輥床只需按照編碼尺進(jìn)行定位完成補(bǔ)焊。在精度要求高的GEO、涂膠、激光焊等工位采用編碼尺粗定位,然后輥床下降利用工位上布置的定位銷和基準(zhǔn)塊進(jìn)行精定位。上述策略在保證生產(chǎn)線高節(jié)拍運(yùn)行的同時(shí),也保證了整車尺寸的精度[1]。
圖1 Pallet和高速輥床結(jié)構(gòu)
當(dāng)新車型推出時(shí),由于平臺(tái)的變化,車體的尺寸也發(fā)生變化,現(xiàn)有的固定式Pallet無(wú)法在新平臺(tái)的新車型上使用,而直接新增固定Pallet會(huì)導(dǎo)致成本、場(chǎng)地的浪費(fèi),因此將固定Pallet改造成多車型共用很有必要。
柔性Pallet結(jié)構(gòu)如圖2所示,將現(xiàn)有的固定式Pallet進(jìn)行柔性化改造,成為柔性Pallet本體。針對(duì)不同的車型平臺(tái)機(jī)械搬運(yùn)孔尺寸設(shè)計(jì)柔性Bar,即快速切換部件,配合機(jī)器人進(jìn)行柔性Bar切換,匹配造車隊(duì)列,使用對(duì)應(yīng)的柔性Bar安裝至柔性Pallet本體上,如圖3所示,組合成為具體的柔性Pallet。
圖2 柔性Pallet結(jié)構(gòu)
圖3 柔性Bar切換示意圖
對(duì)比新增固定式Pallet方案,柔性Pallet由于投入成本低、導(dǎo)入時(shí)間短等特點(diǎn),更能適應(yīng)目前汽車制造對(duì)于多車型、多平臺(tái)、高柔性程度的需求,對(duì)比如表1所示。
表1 固定式Pallet與柔性Pallet對(duì)比
鑒于柔性Pallet的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)比固定式Pallet增加切換Bar定位機(jī)構(gòu),尺寸鏈增長(zhǎng),且由于Pallet與柔性Bar隨機(jī)組合,其Pallet定位銷尺寸的穩(wěn)定性和重復(fù)性需要進(jìn)行確認(rèn)和監(jiān)控。
柔性Pallet投入使用時(shí),需要Pallet本體與柔性Bar配對(duì)使用,以某車身車間為例,現(xiàn)場(chǎng)使用133個(gè)柔性Pallet本體與200個(gè)柔性Bar進(jìn)行匹配,其中A/B兩種平臺(tái)的車型柔性Bar各100個(gè)。在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中2種Bar根據(jù)車型隊(duì)列與柔性Pallet本體隨機(jī)匹配,存在26 600種隨機(jī)組合,現(xiàn)場(chǎng)需要將造車過(guò)程中使用的Pallet ID以及Bar ID和車輛序列號(hào)進(jìn)行匹配保存,通過(guò)這些記錄的數(shù)據(jù),便于問(wèn)題分析和缺陷追溯。由于RFID在汽車制造過(guò)程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[2],使用RFID技術(shù)對(duì)Pallet ID和Bar ID進(jìn)行記錄,并與整車序列號(hào)進(jìn)行綁定上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)中,實(shí)現(xiàn)過(guò)程可追溯。
圖4所示與行業(yè)內(nèi)使用小型隨行工裝系統(tǒng)類似[3],整個(gè)柔性Bar切換系統(tǒng)分為以下3個(gè)部分。
(1)立體庫(kù):用于柔性Bar的存儲(chǔ),內(nèi)部使用叉式移載機(jī)進(jìn)行柔性Bar的存取。
(2)平面庫(kù):用于將柔性Bar向Bar切換工位輸送,并在線緩存。
(3)Bar切換區(qū)域:根據(jù)生產(chǎn)的隊(duì)列匹配具體的柔性Bar,使用機(jī)器人進(jìn)行Bar的切換安裝。
整個(gè)切換系統(tǒng)中布置了RFID讀碼器節(jié)點(diǎn),具體位置如圖4中圓圈位置所示。在柔性Bar和Pallet上布置RFID存儲(chǔ)器,通過(guò)不同節(jié)點(diǎn)讀碼器在存儲(chǔ)器中的讀寫實(shí)現(xiàn)工裝信息的匹配。以任意一次柔性Bar在系統(tǒng)中的循環(huán)過(guò)程為例,其工裝信息和車輛信息循環(huán)如下。
圖4 柔性Bar切換系統(tǒng)及RFID讀碼器分布
(1)柔性Bar初次入庫(kù),在立體庫(kù)上下線口,上線前輸入具體的Bar ID,通過(guò)讀碼器寫入托盤RFID存儲(chǔ)器中。
(2)當(dāng)需要調(diào)取柔性Bar時(shí),叉式移載機(jī)根據(jù)具體的庫(kù)位移動(dòng)至對(duì)應(yīng)的位置,對(duì)Bar進(jìn)行確認(rèn)后將柔性Bar和托盤取出。
(3)取出的柔性Bar和托盤通過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)入平面庫(kù)運(yùn)輸至緩存區(qū),進(jìn)入緩存區(qū)之前通過(guò)RFID讀碼器識(shí)別具體托盤上Bar的類型,確定具體存放的緩存區(qū)域。
(4)當(dāng)需要切換柔性Bar時(shí),柔性Bar和托盤通過(guò)橫移機(jī)輸送至Bar切換工位,首先通過(guò)RFID讀碼器讀取托盤中的柔性Bar類型,與具體造車隊(duì)列進(jìn)行匹配,進(jìn)行工裝防錯(cuò),同時(shí)PLC會(huì)記錄具體Bar ID等待裝Bar。
(5)在Bar切換區(qū)域,當(dāng)Pallet來(lái)車需要切換時(shí),在拆除機(jī)器人位置,通過(guò)RFID讀碼器讀取柔性Pallet中柔性Bar ID,當(dāng)柔性Bar拆除后放置在Bar存放區(qū),PLC通過(guò)RFID讀碼器將取Bar時(shí)讀取的Bar ID寫入柔性Bar托盤中。
(6)取消Bar的柔性Pallet進(jìn)入裝Bar工位,機(jī)器人抓手從托盤中取出柔性Bar安裝至柔性Pallet上,PLC控制裝Bar工裝的讀碼器將Bar ID寫入柔性Pallet的RFID存儲(chǔ)器中,與其中已有的Pallet ID綁定。同時(shí)取消柔性Bar的空托盤進(jìn)入拆B(yǎng)ar工位的Bar存放區(qū),待取Bar后RFID存儲(chǔ)器寫入新的ID。
(7)新組裝的柔性Pallet在線體中運(yùn)行時(shí),線體中通過(guò)讀碼器將車輛序號(hào)讀取并寫入Pallet的RFID存儲(chǔ)器中,并在固定的工位上傳至大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。
以上即為整個(gè)柔性Pallet系統(tǒng)中工裝信息和車輛信息記錄和追溯過(guò)程。
對(duì)比固定式Pallet,柔性Pallet需要與多組柔性Bar進(jìn)行切換,因此在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些特定的問(wèn)題,其中設(shè)備報(bào)錯(cuò)和切換卡滯為柔性Pallet系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中常見(jiàn)的2個(gè)問(wèn)題。
1.4.1 設(shè)備報(bào)錯(cuò)
柔性Pallet需要使用不同的柔性Bar,在自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)景中,設(shè)備報(bào)錯(cuò)頻繁,因此需要對(duì)柔性Pallet系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行防錯(cuò)設(shè)計(jì)。根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題,梳理最容易導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)2個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),基于防錯(cuò)設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行防錯(cuò)設(shè)計(jì)[4]。
(1)柔性Bar上線工位。如柔性Bar上線時(shí)錯(cuò)裝或裝反,會(huì)導(dǎo)致后續(xù)Bar切換工位出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)。在上線工位進(jìn)行防錯(cuò)設(shè)計(jì),現(xiàn)場(chǎng)布置光電傳感器,如圖5所示,根據(jù)2種柔性Bar具體的特點(diǎn),能夠檢測(cè)所有失效模式,防止錯(cuò)誤的狀態(tài)上線入庫(kù)。
圖5 柔性Bar上線工位防錯(cuò)設(shè)計(jì)
(2)柔性Pallet上線工位。如柔性Pallet下線后,經(jīng)過(guò)標(biāo)定或者其他的操作,導(dǎo)致柔性Bar錯(cuò)裝裝反,會(huì)導(dǎo)致上線后車輛無(wú)法安裝在Pallet上,導(dǎo)致設(shè)備報(bào)錯(cuò)。在Pallet上線準(zhǔn)備工位布置光電傳感器,如圖6所示,檢測(cè)2種柔性Bar所有的失效模式,避免錯(cuò)誤的狀態(tài)進(jìn)入線體。
圖6 柔性Pallet上線工位防錯(cuò)設(shè)計(jì)
1.4.2 切換卡滯
柔性Bar切換工位時(shí),需要對(duì)柔性Bar進(jìn)行拆換,在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中出現(xiàn)的高頻問(wèn)題為切換卡滯,導(dǎo)致機(jī)器人報(bào)錯(cuò),其根本原因有3個(gè),并針對(duì)性進(jìn)行改進(jìn)。
(1)柔性Bar只有1個(gè)抓取點(diǎn),無(wú)法保證所有的Bar重心與抓取點(diǎn)同軸,如圖7所示,在抓取時(shí),其重心與抓取點(diǎn)之間不可避免地形成重力彎矩,易導(dǎo)致銷套與定位銷之間存在卡滯。由于具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)原因,此處無(wú)法消除,可以在機(jī)器人載荷不重的情況下考慮增加配重塊,使其抓取點(diǎn)與重心同軸。
圖7 柔性Bar與抓取點(diǎn)偏心
(2)柔性Bar抓手為消除機(jī)運(yùn)線體系統(tǒng)的公差累積,設(shè)計(jì)為X/Y/Z三方向浮動(dòng)抓手,其剛度不足放大了重心與抓取點(diǎn)之間的偏心彎矩導(dǎo)致的形變,增大卡滯風(fēng)險(xiǎn)。為解決此問(wèn)題,現(xiàn)場(chǎng)將Z向浮動(dòng)取消,增加抓手抗彎矩剛性,同時(shí)在柔性Bar標(biāo)定過(guò)程中,增加抓取點(diǎn)位置Z向精度要求,現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)際精度在抓手零點(diǎn)機(jī)構(gòu)的容錯(cuò)范圍內(nèi)。
(3)柔性Pallet本體上的柔性Bar定位銷與定位銷套設(shè)計(jì)定位長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),初始設(shè)計(jì)定位長(zhǎng)度10.0 mm,在機(jī)器人抓取過(guò)程中出現(xiàn)切換卡滯。為解決此問(wèn)題,現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證在不改變銷套和銷直徑的前提下,將定位長(zhǎng)度從10.0 mm改為2.0 mm,如圖8所示。銷孔配合從面接觸變?yōu)榫€接觸,在Bar拆換過(guò)程中降低卡滯風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)運(yùn)營(yíng)驗(yàn)證,現(xiàn)場(chǎng)卡滯問(wèn)題消除,并且尺寸表現(xiàn)穩(wěn)定,與改進(jìn)前一致。
圖8 銷套設(shè)計(jì)改進(jìn)
Pallet作為主線車身隨行工裝,關(guān)系整個(gè)主線工藝鏈的尺寸精度,包括主線零件GEO焊接、涂膠、激光釬焊、激光割孔、在線沖孔等高精度工藝。因此在柔性Pallet上線前對(duì)基準(zhǔn)尺寸進(jìn)行標(biāo)定確認(rèn)后才可進(jìn)行使用,同時(shí)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需要對(duì)關(guān)鍵基準(zhǔn)尺寸進(jìn)行監(jiān)控,對(duì)異常的Pallet本體和Bar進(jìn)行標(biāo)定檢查。
為保證柔性Pallet尺寸精度和重復(fù)性,在上線前使用便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂對(duì)柔性Pallet進(jìn)行精度標(biāo)定[5],根據(jù)柔性Pallet結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)柔性Pallet本體和柔性Bar分別進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定方法與常規(guī)Pallet一致[1],區(qū)別在于標(biāo)定對(duì)象及元素結(jié)合因柔性Pallet結(jié)構(gòu)特點(diǎn)存在差異,需要單獨(dú)對(duì)柔性Pallet本體及柔性Bar使用便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂進(jìn)行標(biāo)定。其中柔性Pallet本體需要對(duì)柔性Bar基準(zhǔn)面和定位銷進(jìn)行標(biāo)定,柔性Bar對(duì)定位銷進(jìn)行標(biāo)定,如圖9所示,其標(biāo)定精度如表2所示。
圖9 柔性Pallet標(biāo)定元素
表2 標(biāo)定精度
在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,測(cè)量一套柔性Pallet需要耗時(shí)3~4 h,以某工廠為例,完成全部的柔性Pallet本體和Bar的覆蓋式標(biāo)定需要雙班連續(xù)標(biāo)定耗時(shí)2個(gè)月才能完成,因此引入在線監(jiān)控,對(duì)運(yùn)行中異常的柔性Pallet進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警成為必要。
由于采用CMM對(duì)工裝進(jìn)行標(biāo)定耗時(shí)較長(zhǎng),在Pallet和Bar數(shù)量多的情況下,雖然循環(huán)覆蓋式測(cè)量能保證精度,但是無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行中的異常Pallet和柔性Bar,需要使用快速的在線測(cè)量方法對(duì)Pallet定位元素尺寸進(jìn)行監(jiān)控,快速發(fā)現(xiàn)異常Pallet并及時(shí)進(jìn)行精確的標(biāo)定檢查[6]。
非接觸式的在線測(cè)量已在白車身制造中廣泛應(yīng)用,雖然其系統(tǒng)精度0.4 mm無(wú)法匹配柔性Pallet標(biāo)定測(cè)量精度要求,但是由于其測(cè)量速度快、對(duì)環(huán)境要求低等特點(diǎn)可以在尺寸監(jiān)控中得到應(yīng)用,可利用在線測(cè)量和相關(guān)數(shù)據(jù)軟件構(gòu)建在線監(jiān)控系統(tǒng)[7]。
(1)VISION在線測(cè)量。在進(jìn)行柔性Pallet改造時(shí),利用線體中已有的視覺(jué)測(cè)量設(shè)備,對(duì)柔性Pallet上VISION監(jiān)控孔進(jìn)行測(cè)量,此方案可降低項(xiàng)目前期投資,提高現(xiàn)有設(shè)備利用率。使用線體中已有的設(shè)備測(cè)量柔性Bar定位銷基座上的特征監(jiān)控孔,如圖10所示,通過(guò)判斷此監(jiān)控孔X/Y/Z值的穩(wěn)定性,判斷不同組合的Pallet和柔性Bar穩(wěn)定性和重復(fù)性。
圖10 VISION監(jiān)控孔及在線測(cè)量
(2)大數(shù)據(jù)搜集和匯總分析。將測(cè)量的特征孔數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)工裝信息進(jìn)行匹配,在大數(shù)據(jù)匯總后進(jìn)行分析,生成具體的報(bào)表呈現(xiàn)給工程師。根據(jù)搜集的大數(shù)據(jù)信息,甄別現(xiàn)場(chǎng)異常的柔性Pallet和柔性Bar,以此輔助現(xiàn)場(chǎng)精確的標(biāo)定和測(cè)量,提升現(xiàn)場(chǎng)工作效率,遏制缺陷的產(chǎn)生,其實(shí)施方案如圖11所示。
圖11 大數(shù)據(jù)搜集和匯總分析
(3)報(bào)表展示。根據(jù)匯總的相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)同一個(gè)柔性Bar與不同Pallet組合的特征孔測(cè)量數(shù)據(jù)X/Y/Z值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析?;赟PC(統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制)使用6σ和Range值判斷其具體的穩(wěn)定性和重復(fù)性狀態(tài)[8]。對(duì)于6σ和Range值較大的柔性Pallet組合,判定為異常,報(bào)表中采用柱狀圖深色進(jìn)行預(yù)警,其軟件界面如圖12所示,對(duì)異常Pallet優(yōu)先進(jìn)行下線標(biāo)定。
圖12 大數(shù)據(jù)報(bào)表展示
在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,通過(guò)大數(shù)據(jù)的累積,基于SPC和實(shí)際失效模式的診斷,能夠發(fā)現(xiàn)具體失效模式和數(shù)據(jù)特征之間的關(guān)系[9]。
選取VISION監(jiān)控的2個(gè)測(cè)點(diǎn),一個(gè)是整車上靠近Pallet定位銷附近的測(cè)點(diǎn);另一個(gè)是柔性Pallet的VISION監(jiān)控孔,如圖10所示。通過(guò)觀察2個(gè)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)性可以判斷出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)具體的失效模式,以此進(jìn)行大數(shù)據(jù)診斷。
正常狀態(tài)下,整車上的監(jiān)控測(cè)點(diǎn)與Pallet上VISION監(jiān)控孔正常波動(dòng),兩者之間不會(huì)出現(xiàn)異常大幅度波動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí),如圖13所示中的失效狀態(tài)一,整車和監(jiān)控孔數(shù)據(jù)同步突變,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)Pallet進(jìn)行下線標(biāo)定檢查,發(fā)現(xiàn)Pallet出現(xiàn)局部變形導(dǎo)致。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,此數(shù)據(jù)特征伴隨著工裝變形失效模式,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量標(biāo)定人員利用監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)此數(shù)據(jù)特征后及時(shí)下線Pallet進(jìn)行標(biāo)定維護(hù),遏制問(wèn)題溢出。此外如圖13所示中的失效狀態(tài)二,整車和監(jiān)控孔同步波動(dòng),且波動(dòng)幅度逐漸放大,現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)異常后對(duì)Pallet進(jìn)行下線檢查,同時(shí)對(duì)測(cè)量工位Pallet定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查。Pallet定位機(jī)構(gòu)中定位銷前X向出現(xiàn)異常磨損,導(dǎo)致Pallet的X向定位失效,整車和Pallet在X向出現(xiàn)異常波動(dòng)?,F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,總結(jié)類似的數(shù)據(jù)異常,此數(shù)據(jù)異常狀態(tài)均伴隨Pallet定位機(jī)構(gòu)磨損的失效模式,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量標(biāo)定人員利用監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)此數(shù)據(jù)特征后及時(shí)安排Pallet下線檢查,對(duì)磨損機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查并更換。
通過(guò)圖13中2個(gè)失效狀態(tài)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),可以利用Pallet監(jiān)控孔和整車的大數(shù)據(jù),根據(jù)具體失效模式的數(shù)據(jù)特征,進(jìn)行失效模式診斷,以此提升現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的工作效率。
圖13 大數(shù)據(jù)診斷
柔性Pallet的應(yīng)用可以使車身車間用較低的投入成本和短周期改造完成新平臺(tái)車型導(dǎo)入,并介紹了Pallet結(jié)構(gòu)特點(diǎn),針對(duì)柔性Pallet尺寸控制和在線監(jiān)控進(jìn)行了描述,使用VISION監(jiān)控特征孔,搜集大數(shù)據(jù)后對(duì)柔性Pallet本體和柔性Bar尺寸進(jìn)行判定,精確識(shí)別異常柔性Pallet進(jìn)行標(biāo)定,優(yōu)化標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)工作效率,同時(shí)提升工裝精度。其中基于大數(shù)據(jù)的故障診斷,可以推廣至車身制造其他區(qū)域,通過(guò)大數(shù)據(jù)自動(dòng)分析判斷現(xiàn)場(chǎng)制造中出現(xiàn)的問(wèn)題,讓整車制造更加智能,讓工程師的響應(yīng)更加迅速[10]。