基于IDDOV 方法實(shí)現(xiàn)大缸徑鑄件自動(dòng)噴漆

時(shí) 曉，韓 強(qiáng)，劉漢彬，李金橋，李文鋒

（濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 261108）

我公司目前主要生產(chǎn)大缸徑機(jī)體類鑄件。此類鑄件加工周期長，需要在鑄件表面噴涂底漆，減少加工過程中的銹蝕問題。由于我公司生產(chǎn)的鑄件種類繁多，結(jié)構(gòu)和尺寸規(guī)格相差較大，長期依賴人工噴漆。但隨著社會(huì)發(fā)展和產(chǎn)能提升，傳統(tǒng)的鑄造手工生產(chǎn)模式特別是鑄件的人工噴漆工序，存在著產(chǎn)能局限性大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)環(huán)境惡劣及招工難的問題。

如何開發(fā)設(shè)計(jì)出滿足多種規(guī)格尺寸的鑄件自動(dòng)噴漆生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)噴漆精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴漆操作，是我們工藝人員在建廠以來一直關(guān)注并致力于解決的問題。這對于提高鑄件表面質(zhì)量，提升產(chǎn)品形象，提高市場競爭力有著重要意義。本文將通過IDDOV 六西格瑪創(chuàng)新方法論實(shí)現(xiàn)大型鑄件自動(dòng)噴漆工藝進(jìn)行論述。

1 IDDOV 六西格瑪創(chuàng)新方法論簡介

IDDOV 方法論是六西格瑪設(shè)計(jì)方法論DFSS中的一種，它是由美國質(zhì)量專家喬杜里提出的。六西格瑪設(shè)計(jì)方法論是基于并行工程和DFX（designforX）的思想，面向產(chǎn)品的全生命周期，采用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，將關(guān)鍵顧客需求融入到產(chǎn)品、過程設(shè)計(jì)中，從而確保產(chǎn)品的開發(fā)速度和質(zhì)量，減少產(chǎn)品成本、解決組織問題的一種方法論。IDDOV 方法論通常分為五步，即識別（identify）、界定（define）、開發(fā)（develop）、優(yōu)化（optimize）和驗(yàn)證（verify）[1]。本文基于以上五個(gè)步驟詳細(xì)展開項(xiàng)目實(shí)施的具體情況。

2 識別階段

2.1 項(xiàng)目背景及定義

首先是對項(xiàng)目開展的必要性和可行性進(jìn)行了評估。隨著企業(yè)的持續(xù)發(fā)展，產(chǎn)品整體質(zhì)量要求不斷提高，客戶對于鑄件毛坯表面質(zhì)量的要求也越來越高。人工噴漆過程中易發(fā)生漏噴、閃銹以及漆膜附著力差等問題，產(chǎn)品流轉(zhuǎn)過程對毛坯防護(hù)不足，為后工序帶來質(zhì)量隱患，嚴(yán)重影響顧客滿意度。

顧客需求（VOC）：在過去3 個(gè)月內(nèi)，被客戶索賠36 次，嚴(yán)重影響顧客滿意度；公司戰(zhàn)略（VOB）：結(jié)合集團(tuán)會(huì)議要求，打造現(xiàn)代化工廠，產(chǎn)線自動(dòng)化率要從目前的4.37%提升至12%；職工需求（VOE）：現(xiàn)有人工噴漆勞動(dòng)強(qiáng)度大，且不能滿足產(chǎn)能翻番的需求。

經(jīng)過項(xiàng)目調(diào)研，充分評估人工噴漆、自動(dòng)機(jī)器人噴漆及靜電噴粉的優(yōu)劣勢后，最終選用自動(dòng)化程度高、漆面質(zhì)量一致性好、應(yīng)用廣泛的自動(dòng)噴漆工藝。項(xiàng)目立項(xiàng)為自動(dòng)噴漆線工藝開發(fā)及優(yōu)化。

2.2 項(xiàng)目計(jì)劃

編寫項(xiàng)目授權(quán)書，明確項(xiàng)目范圍、團(tuán)隊(duì)成員及開展計(jì)劃。針對開展產(chǎn)品型號共30 種，最大重量1150 kg，最大尺寸703 mm×602.5 mm×1083 mm。團(tuán)隊(duì)成員涵蓋了項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、工藝、裝備及現(xiàn)場操作者。項(xiàng)目開展周期為2021 年12 月至2022 年7月。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)評估及控制措施

使用頭腦風(fēng)暴法，分析出項(xiàng)目開展過程中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)13 項(xiàng)，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評級和風(fēng)險(xiǎn)管控措施的實(shí)施，具體內(nèi)容見表1。

表1 部分風(fēng)險(xiǎn)評級及管控措施

3 界定階段

3.1 顧客需求（VOC）的收集與分析

對內(nèi)外部客戶、職工等利益相關(guān)方進(jìn)行識別，采用調(diào)查問卷、一對一訪談及實(shí)地考察的方式進(jìn)行需求的收集，共計(jì)收集14 項(xiàng)顧客需求，并建立顧客需求卡諾圖,具體見圖1。

圖1 KANO 圖分析

3.2 顧客需求重要度識別

利用親和圖，對14 項(xiàng)顧客需求進(jìn)行層次化分析，具體見圖2。通過層次分析法（AHP）進(jìn)行顧客需求的重要度評價(jià)，確定顧客需求的重要度，并進(jìn)行排序[2]。

圖2 顧客需求層次化分析

3.3 Y 的定義

根據(jù)顧客需求重要度進(jìn)行Y 的定義，通過二八原則和實(shí)際需求進(jìn)行目標(biāo)和挑戰(zhàn)值的確定，確定項(xiàng)目努力的方向，具體見表2。

表2 Y 的定義表

3.4 Y 的測量系統(tǒng)分析及現(xiàn)水平確認(rèn)

通過對Y1 鑄件噴漆得分及每日生產(chǎn)數(shù)量進(jìn)行屬性一致性測量系統(tǒng)分析，確認(rèn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠后，對當(dāng)前水平進(jìn)行了確認(rèn)。統(tǒng)計(jì)21 年10 月至12 月份鑄件噴漆生產(chǎn)情況，繪制鑄件噴漆得分及日產(chǎn)量的控制圖，過程穩(wěn)定受控，Y1 鑄件噴漆得分為81.28 分，Y2 日產(chǎn)量為20.235 臺/天。

3.5 風(fēng)險(xiǎn)減輕計(jì)劃實(shí)施

（1）針對技術(shù)支持及維修人員開展機(jī)器人專項(xiàng)培訓(xùn)，提升自動(dòng)化設(shè)備相關(guān)能力。

（2）針對疫情可能帶來的項(xiàng)目進(jìn)度延遲，采取線上問題對接會(huì)，保證項(xiàng)目進(jìn)度，同時(shí)要求設(shè)備安裝調(diào)試人員提前2 周到達(dá)廠區(qū)進(jìn)行隔離和核酸檢測。

4 設(shè)計(jì)階段

4.1 流程設(shè)計(jì)

結(jié)合外出參觀學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，考慮到自動(dòng)化及質(zhì)量水平提升的實(shí)際需求，團(tuán)隊(duì)討論自動(dòng)噴漆線工藝流程的初步方案，工藝流程圖如圖3 所示。根據(jù)工藝流程圖繪制微觀流程圖，找到可能影響Y1 和Y2 的各類因素。

圖3 工藝流程圖

對于Y1 噴漆質(zhì)量，共導(dǎo)出23 項(xiàng)可能的因子。經(jīng)過分析，其中4 項(xiàng)因子無需參與設(shè)計(jì)，19 項(xiàng)因子中部分因子存在關(guān)聯(lián)，最終歸納為14 項(xiàng)因子，進(jìn)入后續(xù)質(zhì)量屋分析。

對于Y2 最大日產(chǎn)量，由于我們是單班生產(chǎn)，導(dǎo)出最大日產(chǎn)量公式：Y2=（每日工作時(shí)長-單件總時(shí)長）/瓶頸工序節(jié)拍+1。計(jì)算得出，要實(shí)現(xiàn)Y2最大日產(chǎn)量50 臺的目標(biāo)，瓶頸工序節(jié)拍要小于6.74 min。

4.2 質(zhì)量功能展開

通過第一次質(zhì)量功能展開，識別出自動(dòng)噴漆工藝的關(guān)鍵設(shè)計(jì)系統(tǒng)，分別是：上下料系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、噴漆系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)。具體見圖4。

圖4 第一次質(zhì)量屋

4.3 公理化設(shè)計(jì)確認(rèn)

通過第二次質(zhì)量功能展開，識別出自動(dòng)噴漆工藝的設(shè)計(jì)參數(shù)重要度。根據(jù)公理化設(shè)計(jì)的矩陣三角形化法則，得到變換的設(shè)計(jì)矩陣。之后根據(jù)退耦設(shè)計(jì)原則，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)出現(xiàn)冗余。進(jìn)行退耦設(shè)計(jì)，得到設(shè)計(jì)參數(shù)方案及先后順序，具體見表3。其中環(huán)保系統(tǒng)和控制系統(tǒng)重要度較低且工藝參數(shù)設(shè)計(jì)相關(guān)較少，不在本次設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，僅在驗(yàn)證階段進(jìn)行確認(rèn)。

表3 設(shè)計(jì)參數(shù)重要度及次序表

4.4 針對X′s 的設(shè)計(jì)

采用頭腦風(fēng)暴、借鑒查新、最佳方案選擇、TRIZ 方法、模擬分析、邏輯回歸及參數(shù)優(yōu)化等方法對各因子進(jìn)行設(shè)計(jì)。開始設(shè)計(jì)之前進(jìn)行了表3中因子的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性確認(rèn)，包括漆粘度、漆膜厚度、烘干溫度、烘干時(shí)長及鑄件測溫的測量系統(tǒng)分析。確認(rèn)因子的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤之后，開始對各因子的初步方案設(shè)計(jì)。因內(nèi)容篇幅限制具體內(nèi)容不一一詳述，僅展示部分關(guān)鍵因子的具體設(shè)計(jì)過程。

（1）對于X1 上下料方式設(shè)計(jì)，為保證自動(dòng)化及鑄件定位準(zhǔn)確度的要求，設(shè)計(jì)制作自動(dòng)上下料桁架，滿足大噸位鑄件的安全上料，同時(shí)能夠確保定位精度在2 mm 以內(nèi)。

（2）對于X4 工裝設(shè)計(jì), 我們的大型機(jī)體鑄件內(nèi)腔需要噴漆，因此要盡可能減少鑄件支撐面的接觸面積，以確保機(jī)器人能夠進(jìn)入鑄件內(nèi)腔進(jìn)行噴漆。因此我們初步設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，將鑄件抬起，給機(jī)器人空間和入口。

當(dāng)接觸面積減小后，多種鑄件在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的穩(wěn)定定位和通用性問題成為我們需要解決的問題。我們嘗試采用TRIZ 工具解決這一問題。明確當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)存在的問題是工裝種類需求多，因?yàn)槲覀円獫M足多種鑄件的定位問題；工裝種類需要少，要提高通用性，減少換型時(shí)間。我們決定采用基于空間分離的原理，解決這一物理矛盾。通過查看空間分離的發(fā)明原理，得到原理1 分割、原理局部質(zhì)量、原理7 嵌套及原理4 非對稱原理，但原理1 不符合我們的預(yù)期要求，因此我們得到三種設(shè)計(jì)思路[3]。首先根據(jù)鑄件尺寸，將30 種產(chǎn)品匯總為7 類工裝，然后根據(jù)設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過多次改進(jìn)形成最終方案，具體設(shè)計(jì)思路變化見圖5，最終設(shè)計(jì)圖紙見圖6。

圖5 工裝設(shè)計(jì)思路圖

圖6 工裝設(shè)計(jì)圖

（3）對于X6 漆粘度、X7 噴漆路徑、X8 噴漆流量、X9 噴漆角度及X10 噴漆移動(dòng)速度因子設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行了機(jī)理分析，采用業(yè)內(nèi)常用的噴漆方式即雙重噴涂法，確保漆面厚度均勻性。為避免出現(xiàn)漆流問題，導(dǎo)出漆膜厚度與總噴漆時(shí)間的理論公式。

式中：q 為單位時(shí)間流量，a 為漆固體物含量（30%），b 為漆霧逸散比例，v 為噴漆移動(dòng)速度，l為噴槍距鑄件距離（200mm），θ 為噴槍角度。其中a 為材料定值，l 為行業(yè)最優(yōu)值。

因此在一定表面粗糙度和粘度情況下，為確保不產(chǎn)生流痕，單次漆膜厚度要小于一定值。通過二項(xiàng)回歸分析，得到回歸模型：

在設(shè)定可能產(chǎn)生問題的概率P=0.01 的情況下，漆膜厚度不超過31.31 μm。之后結(jié)合模擬軟件，對整體參數(shù)和軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終確定工藝參數(shù)如下：采用雙重噴涂法、噴涂三次；底漆粘度為（20～30）s；噴漆流量為100 mL/min；噴漆角度為90°；噴漆移動(dòng)速度為0.2 m/s。預(yù)計(jì)的噴漆時(shí)間為720 s，預(yù)計(jì)漆膜厚度為75 μm。

（4）對于X15 產(chǎn)線布局，根據(jù)前面各工序作業(yè)時(shí)間預(yù)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合場地布局設(shè)計(jì)，采用“U”型布局，全線工位設(shè)計(jì)數(shù)量24 個(gè)，整體產(chǎn)線長度約為70 m。

全部參數(shù)設(shè)計(jì)完成之后，對參數(shù)進(jìn)行匯總整理，形成設(shè)計(jì)參數(shù)明細(xì)表，見表4。

表4 最終設(shè)計(jì)參數(shù)明細(xì)表

4.5 潛在失效模式分析

對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行潛在失效模式分析（DFMEA），對潛在失效模式、原因、后果進(jìn)行分析，優(yōu)化控制預(yù)防方案，減少失效可能[4]。

5 優(yōu)化階段

5.1 產(chǎn)線建設(shè)

根據(jù)自動(dòng)噴漆線流程及設(shè)計(jì)內(nèi)容，逐步完成上下料—清吹—機(jī)器人噴漆—烘干—冷卻的過程安裝，以及水風(fēng)電氣供漆系統(tǒng)的安裝調(diào)試。對照參數(shù)表單，逐一確認(rèn)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。確認(rèn)無誤后，開展樣件測試及參數(shù)優(yōu)化工作。

5.2 樣件噴漆問題及優(yōu)化

進(jìn)行各類型樣件噴涂時(shí)，按照模擬參數(shù)進(jìn)行設(shè)定噴漆，噴漆質(zhì)量良好，無漆流痕、色差等問題。對比人工噴漆與機(jī)器人噴漆，漆膜厚度滿足要求，且均勻性高于人工噴漆，見表5。但局部凹槽區(qū)域存在噴漆不嚴(yán)，需要加以優(yōu)化。

表5 漆膜厚度對比表

原因分析：觀察發(fā)現(xiàn)機(jī)體漆面，噴漆不嚴(yán)部位均為凹槽部位，且深度超過40 mm 以上。分析認(rèn)為，漆面質(zhì)量噴漆軌跡設(shè)計(jì)時(shí)，噴漆距離主要是針對鑄件大表面進(jìn)行設(shè)計(jì)，對于凹槽部位，相應(yīng)的鑄件距離增加，導(dǎo)致漆膜厚度變薄。結(jié)合模擬情況及理論計(jì)算公式，初步考慮4 種方案進(jìn)行評估和實(shí)施。對三種方案進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證，評估效果，具體內(nèi)容見表6。

表6 改進(jìn)方案匯總、可行性分析及驗(yàn)證結(jié)果

5.3 冷卻過程優(yōu)化

針對DFMEA 分析中的安全項(xiàng)因素，對出冷卻室鑄件進(jìn)行溫度監(jiān)控，經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)測試，120 ℃烘干，冷卻7 min 后，鑄件溫度低于35 ℃，不會(huì)出現(xiàn)過熱燙傷問題。在控制系統(tǒng)內(nèi)增加時(shí)間控制聯(lián)鎖，工裝及工件下輥道線7 min 內(nèi)不允許動(dòng)作，確保溫度。

5.4 鑄件識別對比防錯(cuò)

針對DFMEA 分析中的多品種鑄件人工錯(cuò)誤輸入的因素，增加鑄件識別對比防錯(cuò)系統(tǒng)。該方案建設(shè)周期短且無需聯(lián)網(wǎng)或增加其他操作，通過相機(jī)拍攝鑄件圖片，與預(yù)存圖片進(jìn)行比對，出現(xiàn)不相符會(huì)報(bào)警并停線，實(shí)現(xiàn)防錯(cuò)。

5.5 產(chǎn)能分析及優(yōu)化

對樣件的各過程作業(yè)時(shí)間進(jìn)行實(shí)測，挑選最長時(shí)長，繪制生產(chǎn)能力表，見表7，確定首件用時(shí)3626 s，循環(huán)節(jié)拍為瓶頸工序時(shí)長406 s。計(jì)算得出每日最高產(chǎn)能為54.13 臺每天，滿足Y2 的預(yù)期目標(biāo)。

表7 生產(chǎn)能力表

6 驗(yàn)證階段

6.1 Y 的現(xiàn)水平確認(rèn)

完成樣件、小批量測試及參數(shù)優(yōu)化后，進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，驗(yàn)證生產(chǎn)1600 臺。對Y 的現(xiàn)水平進(jìn)行確認(rèn)，Y1 鑄件噴漆得分提高至97.59 分，完成預(yù)定目標(biāo)96 分；Y2 最高日產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)54.29 臺/天，完成挑戰(zhàn)目標(biāo)50 臺/天。

6.2 文件標(biāo)準(zhǔn)化

將項(xiàng)目過程中形成的工裝圖紙、作業(yè)指導(dǎo)書、電子文檔及操作手冊等進(jìn)行文件化管理，并進(jìn)行現(xiàn)場培訓(xùn)，確?，F(xiàn)場職工操作質(zhì)量。

6.3 收益核算

產(chǎn)品噴漆質(zhì)量和生產(chǎn)效率提升可帶來直接經(jīng)濟(jì)32.61 萬元/年。

7 項(xiàng)目總結(jié)

（1）借助IDDOV 創(chuàng)新方法論，實(shí)現(xiàn)了我公司大缸徑鑄件噴漆自動(dòng)化技術(shù)零的突破，填補(bǔ)了我公司大缸徑鑄件自動(dòng)噴漆工藝技術(shù)空白。

（2）提升了我公司大缸徑鑄件鑄件噴漆技術(shù)工藝水平，為行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)大型、多品種鑄件開發(fā)提供有效的借鑒。

（3）該項(xiàng)目的開發(fā)實(shí)施，也減輕了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，消除了安全隱患，改善了操作環(huán)境，為解決招工難問題找到了方向。

（4）本項(xiàng)目中總結(jié)的機(jī)器人配置、軌跡、大尺寸產(chǎn)品定位、防錯(cuò)等應(yīng)用至大缸徑產(chǎn)品打磨工序的自動(dòng)化、機(jī)械化改造中，不斷提升鑄造產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化、智能化及綠色發(fā)展。