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        車(chē)身多工位裝配系統(tǒng)可靠性評(píng)估與維護(hù)策略研究

        2016-07-06 00:35:27劉銀華紀(jì)飛翔葉夏亮
        中國(guó)機(jī)械工程 2016年2期
        關(guān)鍵詞:白車(chē)身系統(tǒng)可靠性維護(hù)

        劉銀華 紀(jì)飛翔 葉夏亮

        上海理工大學(xué),上海,200093

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        車(chē)身多工位裝配系統(tǒng)可靠性評(píng)估與維護(hù)策略研究

        劉銀華紀(jì)飛翔葉夏亮

        上海理工大學(xué),上海,200093

        摘要:針對(duì)車(chē)身多工位裝配系統(tǒng)夾具的衰退過(guò)程,提出了夾具元件磨損、來(lái)料零件偏差以及定位元件配合公差等多因素集成影響下的車(chē)身裝配系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法。在給定車(chē)身波動(dòng)閾值條件下,提出了基于可靠性模型的多工位夾具部件的動(dòng)態(tài)維護(hù)策略。通過(guò)一個(gè)四工位薄板件裝配案例對(duì)所提方法進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證,為夾具系統(tǒng)維護(hù)與車(chē)身尺寸質(zhì)量控制提供了理論指導(dǎo)。

        關(guān)鍵詞:白車(chē)身;多工位裝配系統(tǒng);系統(tǒng)可靠性;維護(hù)

        0引言

        車(chē)身裝配精度對(duì)車(chē)身外觀、風(fēng)噪以及疲勞壽命等均有重要影響,傳統(tǒng)的車(chē)身尺寸質(zhì)量控制主要采用事后偏差源診斷與維護(hù)的方法[1-3],但這些方法無(wú)可避免地會(huì)產(chǎn)生不合格品并出現(xiàn)故障停線現(xiàn)象,造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。為避免上述問(wèn)題,人們常采用基于可靠性分析的制造系統(tǒng)裝配評(píng)估及預(yù)測(cè)性維護(hù)策略。目前常用的可靠性評(píng)估工具主要有故障樹(shù)法、故障模式失效分析、可靠性塊圖等,此外,Petri網(wǎng)具有強(qiáng)大的系統(tǒng)描述和分析的能力,可以更全面地分析大型系統(tǒng)的可靠性變化過(guò)程[4]。但以上方法無(wú)法系統(tǒng)性地集成多因素對(duì)衰退系統(tǒng)進(jìn)行可靠性量化評(píng)估,使得裝配系統(tǒng)可靠性往往被高估。在可靠性評(píng)估基礎(chǔ)上,對(duì)車(chē)身裝配系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能的重要措施[5]。傳統(tǒng)的維護(hù)策略研究集中在單設(shè)備/單部件的維護(hù)管理上[6],但由于制造系統(tǒng)本身存在工位間產(chǎn)品質(zhì)量的相關(guān)性以及結(jié)構(gòu)依賴性,因此各單工位部件間的可靠性是相互影響的,僅考慮單部件或忽略多工位間交互作用的維護(hù)方法存在明顯不足。Aghezzaf等[7]提出了基于時(shí)間間隔的維護(hù)策略,Nourelfath等[8]提出了一個(gè)由相關(guān)組件組成的并行機(jī)系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃與維護(hù)聯(lián)合模型,但是上述優(yōu)化維護(hù)策略均為固定的維護(hù)周期。由于在實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中,來(lái)料零件質(zhì)量和其他裝配系統(tǒng)的工藝參數(shù)是時(shí)變的,這就使得裝配系統(tǒng)維護(hù)周期應(yīng)該是動(dòng)態(tài)變化的,基于固定周期的維護(hù)方案易造成制造系統(tǒng)的過(guò)度維護(hù)或維護(hù)不足,因此迫切需要一種基于可靠性評(píng)價(jià)的動(dòng)態(tài)裝配系統(tǒng)維護(hù)方法。

        白車(chē)身裝配尺寸質(zhì)量問(wèn)題中的72%是由夾具系統(tǒng)相關(guān)因素導(dǎo)致的[9],因此,本文在給定車(chē)身裝配工位夾具布局的條件下,建立了車(chē)身多工位裝配系統(tǒng)可靠性模型,該模型包含了夾具系統(tǒng)可靠性以及產(chǎn)品質(zhì)量可靠性兩個(gè)方面。有別于傳統(tǒng)固定維護(hù)周期的維護(hù)方法,本文提出了基于系統(tǒng)可靠性和多工位可靠性聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的裝配系統(tǒng)維護(hù)方法。

        1白車(chē)身裝配系統(tǒng)可靠性建模

        白車(chē)身裝配系統(tǒng)通過(guò)定位元件與來(lái)料零件孔、槽以及表面配合來(lái)實(shí)現(xiàn)定位,多次裝配后定位元件磨損量逐次增加,由定位元件磨損導(dǎo)致的夾具定位誤差也逐漸變大,導(dǎo)致裝配產(chǎn)品尺寸質(zhì)量逐步下降。該產(chǎn)品隨之作為來(lái)料零件進(jìn)入下一裝配工位,其尺寸偏差又會(huì)使下一個(gè)工位定位元件的磨損速度加快,同時(shí)產(chǎn)生重定位誤差[10],使最終產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)一步惡化。這種產(chǎn)品尺寸質(zhì)量下降和夾具系統(tǒng)衰退的交互作用在整個(gè)多工位裝配生產(chǎn)線上持續(xù)進(jìn)行,導(dǎo)致夾具系統(tǒng)可靠性以及裝配產(chǎn)品尺寸質(zhì)量不斷下降。

        1.1裝配過(guò)程中定位元件的磨損

        白車(chē)身裝配過(guò)程中,來(lái)料零件定位孔、槽的尺寸質(zhì)量是批次波動(dòng)的,在頻繁的安裝、定位和卸載過(guò)程中,定位元件的磨損量會(huì)累積增加。本文對(duì)于定位銷(xiāo)磨損量的描述采用在實(shí)際中廣泛應(yīng)用的Archard磨損模型[11]:

        V=τFL/(3?)

        (1)

        式中,V為磨損體積;τ為磨損因子;F為加載力;L為滑移距離;?為較軟材料的壓入硬度。

        磨損因子是服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量,可見(jiàn)每次裝配后定位銷(xiāo)的磨損體積V與τ服從同一分布類型[12],即在給定裝配次數(shù)后,定位銷(xiāo)磨損體積預(yù)測(cè)值為一隨機(jī)變量。該模型可以克服磨損不均勻帶來(lái)的預(yù)測(cè)偏差,提升磨損模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。定位銷(xiāo)在直徑上的累積磨損量體現(xiàn)為伴隨裝配次數(shù)的增多帶來(lái)的定位銷(xiāo)直徑的減小,可以表示為

        (2)

        1.2裝配過(guò)程中的定位誤差關(guān)系

        在車(chē)身夾具系統(tǒng)中,以四向定位銷(xiāo)為例,設(shè)該定位銷(xiāo)和定位孔之間的接觸狀態(tài)如圖1所示,則此時(shí)各向的定位誤差可以表示為

        (3)

        δp1X=0.5(δd1+d1s+d1h)cosθ1

        (4)

        δp1Z=0.5(δd1+d1s+d1h)sinθ1

        (5)

        式中,δp1為四向定位銷(xiāo)和零件定位孔之間的最大間隙;δd1為四向定位銷(xiāo)的磨損量;d1s為定位銷(xiāo)和定位孔之間的設(shè)計(jì)配合間隙;d1h為來(lái)料零件上定位孔偏差;δp1X、δp1Z分別為四向定位銷(xiāo)在X、Z方向的定位偏差。

        由圖1可知,θ1服從0~2π的均勻分布。

        同理可以表示出兩向定位銷(xiāo)在X、Z方向的定位誤差,因?yàn)閮上蚨ㄎ讳N(xiāo)只能和定位槽的上沿或下沿接觸,因此兩向定位銷(xiāo)和軸線的夾角θ2的取值為-π/2或π/2。由3-2-1定位原理可知:3個(gè)定位塊主要控制薄板件厚度方向的定位精度,因此在考慮XZ平面產(chǎn)品裝配質(zhì)量時(shí)可忽略其影響。

        1.3白車(chē)身產(chǎn)品裝配偏差累積過(guò)程描述

        在多工位裝配系統(tǒng)中,薄板件在上級(jí)工位經(jīng)過(guò)安裝、定位、裝焊和卸載后進(jìn)入下一個(gè)工位,其中存在來(lái)料零件偏差、夾具定位偏差以及重定位偏差等因素。為描述多工位裝配系統(tǒng)最終產(chǎn)品的尺寸偏差,本文運(yùn)用狀態(tài)空間法[10]建立上述偏差源與產(chǎn)品偏差的關(guān)系:

        (6)

        式中,D為零件偏差矩陣;U為夾具定位偏差矩陣;B為夾具布局敏感程度矩陣,由夾具定位元件布局方案決定;A為零件在工位間轉(zhuǎn)換時(shí)的重定位偏差矩陣;C為觀測(cè)矩陣;Y為裝配體上關(guān)鍵產(chǎn)品特性的偏差向量,即KPC偏差;ω、γ為隨機(jī)誤差;j為工位號(hào),j=1,2,…,J。

        在建立了夾具系統(tǒng)磨損分析和多工位裝配偏差質(zhì)量表達(dá)的基礎(chǔ)上,下面分別對(duì)夾具系統(tǒng)可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量可靠性進(jìn)行建模,并最終建立車(chē)身多工位裝配系統(tǒng)的可靠性模型。

        1.4多工位裝配系統(tǒng)可靠性建模

        車(chē)身裝配系統(tǒng)可靠性可以定義為在給定的裝配時(shí)間內(nèi)夾具系統(tǒng)運(yùn)行良好并且生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的概率。白車(chē)身裝配系統(tǒng)失效形式有兩種:一是夾具定位元件的失效,其表現(xiàn)形式為定位元件松動(dòng)或斷裂;二是KPC偏差超出給定閾值。針對(duì)夾具系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià),根據(jù)Chen等[9]的研究,假設(shè)夾具系統(tǒng)定位元件的可靠性與其失效率之間成指數(shù)關(guān)系,則第i個(gè)夾具元件在tn時(shí)刻的可靠性可表達(dá)為

        其中,λi為該夾具元件的失效率,λi的大小與定位銷(xiāo)布局、材料、鍍層以及來(lái)料零件被定位處的制造偏差有關(guān)。根據(jù)各類定位元件失效的獨(dú)立性假設(shè)[12],夾具系統(tǒng)可靠性的表達(dá)式為

        (7)

        其中,Rf(tn)表示在tn時(shí)刻夾具系統(tǒng)的可靠性,m為夾具系統(tǒng)中定位元件的數(shù)目。

        如上所述,各工位輸出產(chǎn)品質(zhì)量與下一工位定位元件磨損存在交互作用,因此,除夾具系統(tǒng)可靠性外,裝配體產(chǎn)品質(zhì)量是體現(xiàn)裝配系統(tǒng)可靠性的又一重要方面。產(chǎn)品質(zhì)量可靠性定義為定位元件當(dāng)前磨損狀態(tài)下產(chǎn)品KPC偏差波動(dòng)值小于閥值的概率,即

        (8)

        式中,Su為某KPC偏差值,可通過(guò)狀態(tài)空間法算出;X為當(dāng)前定位元件的磨損狀態(tài);e為測(cè)點(diǎn)數(shù)目,X和Z向偏差均為關(guān)鍵產(chǎn)品特征,故產(chǎn)品特征的總數(shù)為2e;Var(·)為產(chǎn)品特征的方差;ηu為偏差給定的方差閾值。

        采用MonteCarlo仿真的方法計(jì)算Rq(tn),在給定裝配操作次數(shù)對(duì)輸出產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行N次仿真后獲得。依據(jù)中心極限定理,仿真結(jié)果必然隨著次數(shù)的增加而收斂于當(dāng)前真實(shí)的可靠性值,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般N>5000。產(chǎn)品質(zhì)量可靠性可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算:

        (9)

        式中,Qgood為在N次仿真中尺寸波動(dòng)6σ值在給定閾值內(nèi)的案例數(shù)。

        則該多工位裝配系統(tǒng)的可靠性可以表示為

        R(tn)=Rf(tn)Rq(tn)

        同理可得到單工位可靠性的表達(dá)式:

        2基于系統(tǒng)可靠性的夾具維護(hù)方案

        Y(j)=(S1(x),S1(z),…,Sg(x),Sg(z),

        …,Se(x),Se(z))

        (10)

        其中,Sg(x)表示第g(g=1,2,…,e)個(gè)測(cè)點(diǎn)在x方向的偏差:

        K2msinθm(δdm+dms+dmh)]

        (11)

        其中,兩向定位銷(xiāo)夾角θ的下標(biāo)為偶數(shù),四向定位銷(xiāo)夾角θ的下標(biāo)為奇數(shù),K為系數(shù),ξ表示定位銷(xiāo)的個(gè)數(shù)。

        根據(jù)θ的概率分布情況可知[12]:

        Var(cosθ2n-1)=Var(sinθ2n-1)=0.5

        Var(cosθ2n)=0

        Var(sinθ2n)=1

        Cov[sinθ2n,sinθ2n-1]=0

        Cov[sinθ2n,cosθ2n-1]=0

        Cov[sinθ2n-1,cosθ2n-1]=0

        則Sg(x)的方差為

        (12)

        根據(jù)式(10)~式(12),可得到該工位產(chǎn)品質(zhì)量特征的波動(dòng)向量:

        (13)

        保證車(chē)身產(chǎn)品質(zhì)量是裝配制造過(guò)程要達(dá)到的最終目標(biāo),向量Tj是衡量車(chē)身產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此,在裝配系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量可靠性低于閾值時(shí),須對(duì)夾具元件進(jìn)行維護(hù);同時(shí),當(dāng)各工位的夾具可靠性低于閾值時(shí),說(shuō)明該工位夾具系統(tǒng)磨損已達(dá)到臨界水平,所以當(dāng)單工位夾具可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量可靠性低于對(duì)應(yīng)閾值時(shí),維護(hù)方案即被啟動(dòng),此時(shí)根據(jù)各個(gè)工位的向量Tj中各個(gè)元素的大小采取降序的方式進(jìn)行定位元件的維護(hù)。該方法可以在維護(hù)有限個(gè)定位元件的情況下,使產(chǎn)品可靠性得到最大幅度的提升,保證了維護(hù)的有效性與經(jīng)濟(jì)性;維護(hù)后的夾具系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后,由于一些對(duì)偏差不敏感的定位元件長(zhǎng)期未能更換,夾具系統(tǒng)可靠性存在較高的失效風(fēng)險(xiǎn),此時(shí)當(dāng)夾具系統(tǒng)可靠性降低到給定閾值Rf時(shí),對(duì)之前生產(chǎn)線中一直沒(méi)有得到維護(hù)更換的定位原件進(jìn)行更換,從而完成一個(gè)維護(hù)周期。在整個(gè)周期中,夾具系統(tǒng)的每一個(gè)定位銷(xiāo)都得到了維護(hù),該維護(hù)策略的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如下:

        (14)

        當(dāng)滿足其中一個(gè)表達(dá)式時(shí)就觸發(fā)相應(yīng)維護(hù)。

        相對(duì)傳統(tǒng)的在一個(gè)較短的周期內(nèi)更換所有定位元件的維護(hù)方法,本方法可以更有效地利用各個(gè)定位元件,節(jié)約制造成本,且避免了對(duì)經(jīng)驗(yàn)的過(guò)度依賴,更有利于工廠對(duì)定位系統(tǒng)的科學(xué)管理。

        3案例分析

        圖2所示為一個(gè)四工位薄板件裝配流程,前三個(gè)工位的零件以搭接的形式進(jìn)行裝焊,薄板零件采用3-2-1形式進(jìn)行定位,裝焊后該分總成在第四個(gè)工位對(duì)裝配體上的KPC特征進(jìn)行偏差檢測(cè)。表1所示為該裝焊過(guò)程中定位元件的坐標(biāo)值,表2是檢測(cè)工位KPC點(diǎn)的坐標(biāo)。

        本文中主要用到的參數(shù)為定位元件的失效率和磨損率,這兩個(gè)參數(shù)是可靠性分析準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。為了保證模型應(yīng)用的精確性,本文基于Jin等[12]經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的磨損均值預(yù)測(cè)模型的基函數(shù),對(duì)磨損量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合,該函數(shù)能集成快速磨損階段和穩(wěn)定磨損階段,并利用歷史磨損數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì),從而得到了逐次磨損的波動(dòng)方差值,該方差可以用來(lái)抵消磨損預(yù)測(cè)的系統(tǒng)誤差。本文中的參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表3。

        基于上述可靠性評(píng)估計(jì)算,獲得圖3所示的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)。由圖3可見(jiàn),在系統(tǒng)裝配到49 000次之前,系統(tǒng)可靠性隨裝配次數(shù)緩慢降低,而在當(dāng)前夾具磨損狀態(tài)下的產(chǎn)品質(zhì)量可靠性始終保持在100%,這是因?yàn)樵谠撃p階段由夾具定位元件磨損引起的產(chǎn)品質(zhì)量衰退還很有限,產(chǎn)品尺寸質(zhì)量波動(dòng)均在給定的閾值(6σ<2mm)以內(nèi),但是其波動(dòng)的幅值在上升。在裝配次數(shù)超過(guò)49 000次后產(chǎn)品質(zhì)量急劇下降,由圖3可見(jiàn),如果只考慮夾具系統(tǒng)可靠性或者產(chǎn)品質(zhì)量可靠性,那么裝焊系統(tǒng)可靠性被明顯高估。

        當(dāng)可靠性指標(biāo)小于設(shè)定閾值后,針對(duì)定位元件的維護(hù)會(huì)被啟動(dòng)。圖4是基于單工位可靠性評(píng)價(jià)的全周期內(nèi)維護(hù)前后可靠性變化曲線圖,圖中可靠性上升處采取的更換操作依次為:①工位2處的定位元件P7、P8;②工位1的定位元件P1、P2、P3、P4;③工位2處的定位元件P7、P8。

        圖5是在單工位維護(hù)基礎(chǔ)上系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)維護(hù)前后的可靠性變化曲線圖,由圖可見(jiàn),曲線3中前4次根據(jù)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行維護(hù)啟動(dòng)的條件為裝配系統(tǒng)可靠性低于閾值且?jiàn)A具可靠性高于閾值,維護(hù)操作為更換工位3上的定位銷(xiāo)P11、P12和測(cè)量工位的定位銷(xiāo)P14。最后當(dāng)夾具系統(tǒng)可靠性低于閾值時(shí),對(duì)裝配系統(tǒng)中之前沒(méi)有得到更換的定位元件進(jìn)行更換,即更換定位銷(xiāo)P5、P6、P9、P10、P11,以提升夾具系統(tǒng)可靠性。

        在裝配生產(chǎn)的全周期過(guò)程中,維護(hù)操作可根據(jù)上述步驟循環(huán)進(jìn)行。通過(guò)上述案例可見(jiàn):為保證裝配產(chǎn)品質(zhì)量要求,隨裝配操作的不斷累積,對(duì)夾具定位元件的維護(hù)周期逐步縮短;當(dāng)系統(tǒng)可靠性閾值一定時(shí),由于夾具可靠性隨裝配以及維護(hù)操作的進(jìn)行呈整體下降趨勢(shì),因此產(chǎn)品質(zhì)量可靠性下降的最低值是逐漸上升的,相對(duì)傳統(tǒng)的固定維護(hù)周期的方法,該方法減少了定位元件的更換數(shù)目,且能更有效地保證產(chǎn)品質(zhì)量,始終維持產(chǎn)品質(zhì)量在較高的可靠性水平,降低系統(tǒng)停工以及維修費(fèi)用,有較高的成本優(yōu)勢(shì)。

        4結(jié)語(yǔ)

        本文針對(duì)裝配系統(tǒng)可靠性評(píng)估以及產(chǎn)品質(zhì)量提升問(wèn)題,建立了車(chē)身多工位裝配系統(tǒng)的可靠性模型,該模型包含了來(lái)料零件尺寸波動(dòng)、定位元件配合間隙以及定位元件磨損等動(dòng)態(tài)工藝參數(shù),并基于可靠性分析模型對(duì)裝配系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù),獲得夾具系統(tǒng)元件的優(yōu)化更換次序及動(dòng)態(tài)維護(hù)周期,克服了傳統(tǒng)維護(hù)方案中固定維護(hù)周期的弊端,同時(shí)該維護(hù)方案是結(jié)合單工位和多工位可靠性聯(lián)合約束的,充分考慮了工位間的相關(guān)性,未來(lái)可以在系統(tǒng)可靠性與維護(hù)成本的綜合優(yōu)化方面開(kāi)展深入研究。

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        (編輯盧湘帆)

        StudyonReliabilityEvaluationandMaintenancePolicyofAutoBodyMulti-stationAssemblySystem

        LiuYinhuaJiFeixiangYeXialiang

        UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai,200093

        Keywords:bodyinwhite(BIW);multi-stationassemblysystem;systemreliability;maintenance

        Abstract:Forthedegradationprocessoffixturecomponentsinthemulti-stationassemblysystem,thereliabilityevaluationmodelintegratedwiththeeffectsoffixtureelementwear,variationsofincomingpartsandmatingtolerancesoflocatingelementswasproposedherein.Furthermore,underthecondittionofagivenBIWdeviationfluctuationthreshold,adynamicmaintenancepolicyforthemulti-stationfixturecomponentswaspresentedbasedonthereliabilitymodel.Atlast,a4-stationsheetmetalassemblycasewasusedtoillustratetheproposedmethod,whichprovidesaneffectivetoolforthefixturemaintenanceanddimensionqualityassurance.

        收稿日期:2015-08-03

        基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405299);上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14ZR1428700)

        作者簡(jiǎn)介:劉銀華,女,1983年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師、碩士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)檐?chē)身裝配。紀(jì)飛翔,男,1990年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。葉夏亮,男,1989年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。

        中圖分類號(hào):TH16

        DOI:10.3969/j.issn.1004-132X.2016.02.021

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