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)線方案分析

1.1 產(chǎn)線設(shè)計要求

（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。

1.2 產(chǎn)線設(shè)計方案分析

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。

2 產(chǎn)線設(shè)計方案

2.1 上下料模塊設(shè)計

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

2.2 搬運(yùn)模塊設(shè)計

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。

2.3 夾緊、檢測模塊設(shè)計

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)）。

2.4 輔助模塊設(shè)計

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。

2.5 中控模塊設(shè)計

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。

2.6 產(chǎn)線測試流程設(shè)計

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。

3 結(jié)構(gòu)特點

（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。

4 性能驗證及效果評價

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。

5 結(jié)論

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。