劉庸奇,錢葉昶,鄭廣輝,王寶軍,孟 偉,陳文佳
(北京縱橫機(jī)電科技有限公司,北京100094)
動車組制動控制類集成板是動車組控制裝置核心部件載體,動車組控制閥及相關(guān)部件都要安裝到集成板上,通過各種集成板的氣路實現(xiàn)各部件不同功能的集成,集成板的氣密性直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的各項性能,因此集成板的氣密性檢測至關(guān)重要。
隨著產(chǎn)品生產(chǎn)批量的不斷增加,現(xiàn)有的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)方式已無法滿足交付需求,主要表現(xiàn)形式如下:
(1)純手工作業(yè)生產(chǎn)方式,搬運(yùn)、組裝較重產(chǎn)品無助力設(shè)備輔助,勞動強(qiáng)度大;
(2)各型號集成板工裝種類繁多,安裝不便;
(3)增加的產(chǎn)能只能通過增加工人數(shù)量及延長工作時間來完成生產(chǎn)任務(wù)。
集成板氣密性測試過程通過自動化設(shè)備實現(xiàn)集成板氣密性全程自動化測試,消除測試工裝的組裝和拆卸作業(yè),減少工人勞動強(qiáng)度,并實現(xiàn)全程數(shù)據(jù)自動采集記錄和生產(chǎn)管理的“精益化”,提高集成板氣密性測試的生產(chǎn)效率。因此急需設(shè)計集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線用于集成板氣密性測試工作。
(1)集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線具有機(jī)能自檢功能,自檢合格后方能進(jìn)行正常生產(chǎn)測試工作。當(dāng)設(shè)備自檢出現(xiàn)故障時,故障點能夠自動顯示,反饋到集控中心,報警解決問題。
(2)集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線通過產(chǎn)線控制中心,通過智能機(jī)械臂自動完成對集成板、相應(yīng)工裝的抓取、運(yùn)送、放置、測試及測試完成后集成板的抓取、運(yùn)送和放置。
(3)集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線實現(xiàn)集成板的氣密性測試,實時監(jiān)控測試部件的性能,能自動記錄被測部件的可靠性數(shù)據(jù)。
(4)集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線信息系統(tǒng)具有與SCE(Supply Chain Execution)系統(tǒng)互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)接口。SCE是本公司的供應(yīng)鏈執(zhí)行系統(tǒng),是SAP軟件的一個模塊,在本公司扮演著MES系統(tǒng)功能角色。
(5)集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和通用性,通過設(shè)計新的轉(zhuǎn)接模板可支持未來更多類型工件的檢測。
根據(jù)集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線設(shè)計要求,最初有2種設(shè)計方案,2種設(shè)計方案的不同點在于:
(1)工件定位方式不同;
(2)工件抓取方式不同;
(3)視覺識別應(yīng)用不同。
方案1:機(jī)器臂終端安裝真空吸盤,采用真空吸附形式抓取產(chǎn)品,同時抓手上安裝視覺識別設(shè)備,用于引導(dǎo)工件定位。
方案2:機(jī)器臂終端安裝雄克抓手,設(shè)計相應(yīng)工裝抓取工件;定位方式采用工件坐標(biāo)定位;視覺識別設(shè)備安裝到上料口,用于對工件放入上料工裝時的坐標(biāo)定位分析,滿足定位精度偏差小于0.1 mm時,機(jī)械臂進(jìn)行抓取任務(wù);若精度偏差大于0.1 mm,報警定位錯誤。
經(jīng)對兩種方案的對比分析,雄克機(jī)械抓手較真空吸盤抓取方式,定位精度更高;視覺識別引導(dǎo)技術(shù)較工件坐標(biāo)定位方式,費(fèi)用高,且定位精度實現(xiàn)困難,因此最終選擇了方案2。
方案2主要分為5個模塊:上下料模塊、搬運(yùn)模塊、夾緊檢測模塊、輔助模塊、中控模塊。
工件放到上料模塊,當(dāng)產(chǎn)品上的二維碼被識別后,視覺識別系統(tǒng)對工件定位信息進(jìn)行分析確認(rèn)。中央處理系統(tǒng)分配機(jī)器人系統(tǒng)完成集成板的自動化抓取、運(yùn)輸、換模、卸夾及卸夾后的抓取和運(yùn)送功能,分配檢測系統(tǒng)完成測試功能;同時實現(xiàn)集成板測試過程關(guān)建數(shù)據(jù)的自動化采集和存儲。產(chǎn)線總體設(shè)計方案如圖1所示。產(chǎn)線布局圖如圖2所示。
圖1 產(chǎn)線總體設(shè)計方案
圖2 產(chǎn)線布局圖
整條檢測線布局形成封閉空間,同時兼顧方便操作和維護(hù),設(shè)置通道移門,增加門關(guān)閉檢測和空間紅外檢測,保證設(shè)備工作安全和人員人身安全。
上下料模塊主要由上下料定位工裝、視覺檢測系統(tǒng)、二維碼識別系統(tǒng)、上下料運(yùn)輸線體及上下料控制開關(guān)組成。一個完整的上下料系統(tǒng),實現(xiàn)了將被測板運(yùn)進(jìn)待檢區(qū)以及運(yùn)出檢測區(qū)的工作流程。
通過設(shè)計通用上料工裝,滿足公司在產(chǎn)16種不同型號集成板的裝夾定位,再通過二維碼識別系統(tǒng)識別物料,最后通過視覺檢測系統(tǒng)對產(chǎn)品定位點及產(chǎn)品型號再次信息確認(rèn),滿足試驗條件,物料由機(jī)械手抓進(jìn)產(chǎn)線檢測區(qū)測試。上下料模塊如圖3所示。
圖3 上下料模塊
搬運(yùn)模塊是由機(jī)械手、導(dǎo)軌、機(jī)械手終端執(zhí)行器系統(tǒng)組成。這些機(jī)器在一起組成了一個完整的搬運(yùn)系統(tǒng),實現(xiàn)了將被測板在上下料工作臺與測試裝夾臺之間進(jìn)行搬運(yùn)的工作流程。
為保證高精度、高可靠性,采用瑞典ABB的IRB6700-150/3.2型6軸工業(yè)機(jī)器人。機(jī)器人系統(tǒng)的主要配置:負(fù)載150 kg、臂展3.2 m、重復(fù)定位精度±0.05 mm,軌跡定位精度±0.14 mm,機(jī)器人本體防護(hù)等級IP65;機(jī)器手終端執(zhí)行夾具、附加第七軸。
附加第七軸線性導(dǎo)軌采用瑞典GUDEL TMF-3-8000型機(jī)器人線性導(dǎo)軌,行程為6 m,重復(fù)定位精度0.02 mm,最大速度150 m/min,最大加速度3 m/s2。
集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線的機(jī)器人末端執(zhí)行器包括安裝法蘭機(jī)構(gòu)、快換機(jī)構(gòu)、拉緊機(jī)構(gòu)、信號檢測系統(tǒng),其中機(jī)器人安裝法蘭機(jī)構(gòu)、快換機(jī)構(gòu)、拉緊機(jī)構(gòu)、信號檢測系統(tǒng)均安裝于集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線的安裝法蘭上。
夾緊、檢測模塊是由測試裝夾臺、集成板測試試驗臺(氣控柜)、轉(zhuǎn)接工裝板組成,如圖4所示。這些機(jī)器與部件在一起組成了一個夾緊、檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了被測板由測試裝夾臺夾緊至檢測完成的整套流程。主線步驟為:
圖4 測試裝夾臺
機(jī)械手由轉(zhuǎn)接模板庫處夾取與被測板對應(yīng)的轉(zhuǎn)接工裝模板放置在檢測板相應(yīng)位置并固定;
機(jī)械手將被測板準(zhǔn)確安放在轉(zhuǎn)接板上,測試工作臺夾緊被測板;
集成板氣密性測試臺通氣并將檢測結(jié)果上傳至中央控制臺,裝夾臺夾緊機(jī)構(gòu)松開;
機(jī)械手將檢測完畢的被測板取出放置在出料平臺。
其中測試裝夾臺為專用機(jī),平放檢測、上下打開(有效空間≥500 mm)。轉(zhuǎn)接工裝模板型號與被測板號一一對應(yīng),被測板號更換時,工裝板也要更換,檢測時下工裝模板上升與上工裝板一起將被測板壓緊,進(jìn)行檢測。(氣密性測試保證機(jī)械結(jié)構(gòu))。
輔助模塊是由場地、空間圍欄、移門、轉(zhuǎn)接模板庫、安全監(jiān)測系統(tǒng)組成。這些機(jī)器與部件在一起組成了輔助檢測系統(tǒng),保證了整條檢測線安全穩(wěn)定的運(yùn)行。主線步驟為:安全檢測系統(tǒng)→中央控制臺→檢測線系統(tǒng)。
2個紅外模塊安放在移門處,監(jiān)測整條檢測線運(yùn)行過程中是否有人員進(jìn)出,如有人員進(jìn)入檢測場地應(yīng)立即停止機(jī)器運(yùn)行,確保人員與場內(nèi)設(shè)備安全。
轉(zhuǎn)接模板庫主要用來放置轉(zhuǎn)接板,為機(jī)械手夾取提供便捷。
中控模塊主要包括電氣控制架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、安全控制架構(gòu)、人機(jī)界面等。集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)采用S7-1200型可編程控制器,通過西門子交換機(jī)實現(xiàn)工控機(jī)、PLC與機(jī)器人控制柜的組網(wǎng),研華工控機(jī)與機(jī)器人控制柜通過PCInterterface通訊接口進(jìn)行通訊;另外與8臺測試臺設(shè)備通訊也采用Profinet方式。
電氣控制架構(gòu)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、安全控制架構(gòu)如圖5~圖7所示。
圖5 電氣控制架構(gòu)
圖6 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
圖7 安全控制架構(gòu)
中控模塊控制包括:測試工作過程控制,安全控制、數(shù)據(jù)存儲備份查詢檢索、遠(yuǎn)程傳輸控制。操作人員可通過中控模塊對整條檢測線的所有動作進(jìn)行控制和操作,對所有歷史檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和檢索,也可通過中控臺遠(yuǎn)程控制端完成上述工作。確保整條檢測線高效、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行及對歷史檢測進(jìn)行記錄和追溯。
集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線測試過程完全由中控模塊控制,實現(xiàn)集成板測試的全自動化流程。產(chǎn)線氣路板測試流程如圖8所示。
圖8 氣路板檢測流程圖
(1)中央控制臺,啟動產(chǎn)線自檢流程,檢測各安全信號和工作信號。
(2)同時對轉(zhuǎn)接模板庫和裝夾臺進(jìn)行檢查,目的在于:避免轉(zhuǎn)接模板庫中轉(zhuǎn)接模板不全,在過程中更換轉(zhuǎn)接模板時缺件報警耽擱時間,以及因意外斷電或人為遺漏導(dǎo)致裝夾臺有工件或其他物體遺留,導(dǎo)致測試裝夾臺裝夾時損壞設(shè)備。
(3)自檢完成后,在檢測開始前需選擇待測工件的序號,系統(tǒng)會檢測目前測試臺上的轉(zhuǎn)接模板與工件是否匹配,如不匹配,機(jī)械手自動從轉(zhuǎn)接模板庫中更換與當(dāng)前待測工件匹配的轉(zhuǎn)接模板。
(4)同時在控制屏上還需選擇測試數(shù)量或連續(xù)檢測。該選擇決定系統(tǒng)檢測完指定數(shù)量后自動停止并輸出完成信號通知工作人員進(jìn)行下一步工作安排。
(1)公司所有種類的集成板可以在8臺裝夾臺(對應(yīng)8臺測試臺)上分別測試。
(2)安全設(shè)計:工作空間柵欄封閉,進(jìn)出門紅外光柵,人員進(jìn)入工作區(qū),設(shè)備自動停止,保證安全。
(3)測試工作臺全自動氣動控制,自動裝夾。
(4)過程搬運(yùn)采用6軸機(jī)械手(ABB)加導(dǎo)軌,工作范圍大并適應(yīng)柔性化需求,無需人力參與。
(5)擴(kuò)展性好,通過設(shè)計新的轉(zhuǎn)接模板可支持未來更多類型集成板的檢測。檢測線全自動控制,觸摸屏操作,可遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測;測試過程,可無人值守工作。
(6)檢測數(shù)據(jù)自動儲存?zhèn)浞?,方便歷史數(shù)據(jù)查詢、追溯。
(7)產(chǎn)線測試系統(tǒng)具備手動和自動2種控制方式。
(8)可手動選擇控制測試任意一條氣路的氣密性。
集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線于2019年6月5日通過設(shè)備驗收,縱橫公司標(biāo)動、城軌共16種在產(chǎn)集成板開始進(jìn)行小批量試生產(chǎn)測試任務(wù)。經(jīng)過多品種、小批量的測試生產(chǎn),集成板氣密性測試結(jié)果合格,能夠打印測試報告,產(chǎn)線具備當(dāng)初設(shè)想功能,能夠?qū)崿F(xiàn)無人干預(yù)情況下自動測試生產(chǎn)任務(wù)。小批量試生產(chǎn)期間集成板自動化測試產(chǎn)線測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。
表1 集成板自動化測試產(chǎn)線測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
從集成板自動化測試產(chǎn)線測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表可知,9月2日至10月31日期間,2個工人應(yīng)用產(chǎn)線共測試963塊集成板,其中927塊集成板在產(chǎn)線上測試氣密性合格。由于發(fā)生9次工裝模板泄漏、2次測試數(shù)據(jù)丟失等問題,產(chǎn)線測試共失敗36次。經(jīng)過工裝模板修復(fù),系統(tǒng)完善,失敗的36塊集成板再次進(jìn)行測試,全部合格。
應(yīng)用全自動測試生產(chǎn)方式與手工作業(yè)測試生產(chǎn)方式對比:
(1)963塊集成板測試時間:963×40(40 min為氣密性測試時間)=38 520(min);
(2)全自動測試963塊集成板機(jī)械手取放產(chǎn)品時間:963×0.5=481.5(min)(2個人,0.5 min為機(jī)器手操作時間);
由于泄漏及數(shù)據(jù)丟失損失工時:36×(40+15)=3 680(min)(40 min為氣密性測試時間,15 min為裝、拆工裝平均時間);
全自動測試963塊集成板所用總時間:481.5+3 680+38 520=42 681.5(min);
(3)手動測試963塊集成板所用時間:963×15+38 520=52 965(min);(3個人,15 min為裝、拆工裝平均時間);
表2 全自動化測試與手工測試時間對比表
從以上數(shù)據(jù)分析可知,應(yīng)用此產(chǎn)線進(jìn)行測試生產(chǎn)任務(wù),工時節(jié)省明顯,人均效率可提升46.2%,使用效果良好。同時,由于產(chǎn)線在初運(yùn)營狀態(tài),配備2人操作,當(dāng)產(chǎn)線正常運(yùn)行時,以目前產(chǎn)量只需配備1人即可完成任務(wù),此時人均效率將可提升73.1%。但由于工裝模板泄漏問題引起的時間損失比較嚴(yán)重,造成產(chǎn)線測試合格率96.3%,與預(yù)期測試合格率99.9%相比較,還有些差距,需要解決。
經(jīng)過對產(chǎn)線運(yùn)行近半年時間出現(xiàn)的泄漏情況統(tǒng)計分析,泄漏多是由密封圈原因造成。2020年3月以來,鐵科縱橫(天津)公司對產(chǎn)線用橡膠件配方進(jìn)行了調(diào)整,材質(zhì)變軟。截止到2020年3月,每2周測試合格率在99.9%以上,原每2周更換橡膠件變?yōu)槊吭禄蚋L時間更換橡膠件,基本解決了產(chǎn)線測試泄漏問題。但如何延長橡膠件的使用壽命及裝夾時的壓縮量控制還需進(jìn)一步研究。
集成板氣密性自動化測試產(chǎn)線,使用高精度工業(yè)機(jī)器人對產(chǎn)品及工裝進(jìn)行抓取運(yùn)輸,精度高、質(zhì)量可靠。集成板氣密性測試的裝夾靠自動化設(shè)備來實現(xiàn),工藝參數(shù)、測試過程完全由中控系統(tǒng)控制,保證了裝夾力的一致性、測試過程的標(biāo)準(zhǔn)化,使產(chǎn)品測試工藝一致性得到了有效保障。是縱橫公司在探索“縱橫智造”新模式應(yīng)用上的又一次大膽嘗試,標(biāo)識著在探索“少人化”生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用方面,邁出堅實的一步,對“縱橫智造”后續(xù)的工作,具有重要的指導(dǎo)意義和借鑒作用。