鮑滕霄 ，顧新建

(1.上海新時達(dá)智能科技有限公司 研發(fā)部，上海 201800； 2.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

隨著我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，智能化生產(chǎn)線個性化定制的需求量越來越大[1]。通常個性化定制的智能化生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造周期長，成本高。模塊化設(shè)計有助于簡化智能化生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)，縮短其制造周期，降低制造成本[2]。智能化生產(chǎn)線模塊化設(shè)計的主要方法如下：首先基于模塊化設(shè)計理論和方法[3]，合理劃分智能化生產(chǎn)線的不同功能和結(jié)構(gòu)模塊；然后設(shè)計各獨(dú)立模塊，建立智能化生產(chǎn)線模塊化設(shè)計平臺；最后根據(jù)客戶需求，對通用模塊進(jìn)行重新組合，并通過個別專用模塊的全新設(shè)計，快速設(shè)計個性化的智能化生產(chǎn)線，以滿足客戶對智能化生產(chǎn)線的定制要求。

電子制動器智能化生產(chǎn)線的零部件非常多，每條智能化生產(chǎn)線有2～3萬個零部件。其結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，裝配精度很高，且其重要零部件需要耐高溫、耐沖擊，零部件的精度要求也非常高。用于不同類型汽車的電子制動器一般都不相同，所需生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)也必然存在差異。由于電子制動器智能化生產(chǎn)線需要按照不同客戶的不同需求來定制，因此其技術(shù)準(zhǔn)備周期和生產(chǎn)周期都比較長。為縮短個性化電子制動器智能化生產(chǎn)線的設(shè)計和生產(chǎn)周期、減少制造成本、提高生產(chǎn)線的可靠性，有必要對電子制動器智能化生產(chǎn)線模塊化設(shè)計方法進(jìn)行研究。本文將汽車電子制動器智能化生產(chǎn)線分為成套層、單元層和零部件層，進(jìn)行模塊化設(shè)計方法的研究和實踐。

1 電子制動器智能化生產(chǎn)線成套層的模塊化設(shè)計

1.1 針對生產(chǎn)線成套層進(jìn)行單元的拆分和組合

智能化生產(chǎn)線成套層的模塊化設(shè)計就是將一條完整的智能化生產(chǎn)線按不同功能和結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行拆分，對拆分后的功能和結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計，并組合各功能和結(jié)構(gòu)單元，使其成為具有不同功能的智能化生產(chǎn)線。不同功能和結(jié)構(gòu)單元相當(dāng)于搭積木時的積木塊，只要對這些不同的“積木塊”進(jìn)行組合即可快速搭建具有不同功能和結(jié)構(gòu)的智能化生產(chǎn)線，解決電子制動器智能化生產(chǎn)線個性化程度高引起設(shè)計周期過長的問題。目前，關(guān)于模塊化設(shè)計方法的研究論文很多[4-6]，但針對智能化生產(chǎn)線的研究還比較少。

智能制造生產(chǎn)線需考慮單元與單元之間的快速連接和更換，因此可將能夠完整實現(xiàn)某功能的單元設(shè)計成單獨(dú)的模塊。模塊是可組合成系統(tǒng)的、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨(dú)立單元[7]。可將模塊分成通用模塊與專用模塊[8]。在各獨(dú)立單元中，結(jié)構(gòu)模塊可以作為最小單元存在，結(jié)構(gòu)模塊是功能模塊的載體[9]。智能制造生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)模塊應(yīng)結(jié)合功能模塊劃分需要，按照相似性原則、相對獨(dú)立原則[10]等進(jìn)行劃分，其目的是讓各單元成為獨(dú)立模塊，便于后續(xù)調(diào)用、組裝、搭配和最終調(diào)試。智能化生產(chǎn)線的設(shè)計應(yīng)優(yōu)先選用與現(xiàn)有單元相同或類似的模塊，盡可能選擇符合地方標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)規(guī)范的通用模塊。在無法選用現(xiàn)有通用模塊時，應(yīng)進(jìn)行新模塊的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計，使其成為通用模塊；同時，應(yīng)考慮未來的生產(chǎn)線需求和產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)趨勢，進(jìn)行一定的預(yù)留性設(shè)計。對于某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的單元，可先將其分成幾個不同功能的部件，然后對不同功能的部件進(jìn)行分解，并將一些基本參數(shù)規(guī)律性較強(qiáng)且設(shè)計理念、使用條件和結(jié)構(gòu)特征均相同的模塊歸為相似單元。

模塊化設(shè)計方法具有許多優(yōu)點(diǎn)。采用模塊化設(shè)計方法不僅可以顯著縮短設(shè)計周期，減少設(shè)計問題，降低設(shè)計難度，還可以有效降低項目成本，縮短調(diào)試周期，提高技術(shù)資源的重用率。電子制動器智能化生產(chǎn)線設(shè)計中應(yīng)用的大量模塊化單元包括：兩立柱單元、四立柱單元、工裝快換單元、壓機(jī)C型架單元、激光打標(biāo)單元、啟動按鈕單元、輸送線標(biāo)準(zhǔn)頂升定位單元、轉(zhuǎn)盤單元、框架單元、氣路單元和機(jī)器人單元等。

采用模塊化設(shè)計方法，能夠在智能化生產(chǎn)線設(shè)計的前期規(guī)劃、中期整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、后期裝配以及售后服務(wù)的整個流程中，建立完整的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計庫；能夠在設(shè)計裝配過程將產(chǎn)生的問題點(diǎn)記錄下來，制作演示文稿并分享給其他相關(guān)工作人員，以免類似問題再次發(fā)生。

1.2 對生產(chǎn)線的輸送線進(jìn)行模塊化設(shè)計

電子制動器智能化生產(chǎn)線上產(chǎn)品在各工位之間的傳輸是通過輸送線來完成的。將制動器零部件裝在托盤上，托盤隨輸送線逐一進(jìn)入工位，通過射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)讀寫傳感器和標(biāo)準(zhǔn)頂升定位單元，將零部件準(zhǔn)確放置在工位指定位置，以便于生產(chǎn)線上的工位操作(如涂膠、壓裝、檢測等)。

智能化生產(chǎn)線輸送系統(tǒng)是最常見的生產(chǎn)線單元，對其進(jìn)行模塊化設(shè)計是非常必要的。圖1所示為輸送系統(tǒng)的模塊化標(biāo)準(zhǔn)工位。

圖1 輸送系統(tǒng)的模塊化標(biāo)準(zhǔn)工位

輸送系統(tǒng)模塊化標(biāo)準(zhǔn)工位的執(zhí)行步驟如下：①將制動器零部件通過輸送線輸送到該工位；②用傳感器檢測托盤上有無零部件以及零部件所處位置的正確性；③托盤上有零部件且所處位置正確時， RFID讀寫傳感器和標(biāo)準(zhǔn)頂升定位單元讀取托盤上零部件的信息，將該零部件在前道工序的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)對比，判斷零部件在前道工序的生產(chǎn)是否達(dá)標(biāo)；④當(dāng)前道工序中零部件的生產(chǎn)達(dá)標(biāo)時，將托盤頂升、定位并執(zhí)行該工位操作，例如涂膠、壓裝等工藝環(huán)節(jié)；⑤該工位操作結(jié)束時，根據(jù)生產(chǎn)工藝參數(shù)，判斷該工序的生產(chǎn)是否合格，并將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫；⑥托盤下降釋放，并隨輸送線傳送到下一工位，重復(fù)執(zhí)行上述操作。

對智能化生產(chǎn)線托盤頂升機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，可快速在模塊庫中調(diào)取模塊，通過更改頂升行程并改變零部件檢測方式，快速投入應(yīng)用，實現(xiàn)功能模塊和結(jié)構(gòu)模塊的模塊化設(shè)計。

2 電子制動器智能化生產(chǎn)線單元層的模塊化設(shè)計

2.1 針對生產(chǎn)線單元層進(jìn)行零部件的拆分和組合

電子制動器智能化生產(chǎn)線中多處使用壓裝工藝。該工藝涉及銅套壓裝工位、鋼圈防塵罩安裝工位和活塞壓裝工位等。圖2所示為電子制動器智能化生產(chǎn)線上四立柱壓裝機(jī)的結(jié)構(gòu)。它主要由頂板、立柱、底板等構(gòu)成結(jié)構(gòu)框架，由電子壓機(jī)、氣液增壓缸、油缸等構(gòu)成動力單元。

圖2 電子制動器智能化生產(chǎn)線上四立柱壓裝機(jī)的結(jié)構(gòu)

電子制動器智能化生產(chǎn)線的多個裝配壓裝工位所需壓力不同，壓裝行程也不同。在模塊化設(shè)計時，可對圖3所示四立柱壓裝機(jī)的模塊化單元進(jìn)行變型設(shè)計。在圖3中：(a)的壓裝力可達(dá)5 kN;(b)的壓裝力可達(dá)15 kN;(c)的壓裝力可達(dá)30 kN。

圖3 四立柱壓裝機(jī)的模塊化單元

從圖3可以看出，具有不同壓裝力的四立柱壓裝機(jī)模塊化單元各有特點(diǎn)，重載壓裝機(jī)構(gòu)配置了橫梁，且有更粗的軸徑。為適應(yīng)不同壓裝工藝，只需設(shè)計時修改立柱長度便可以實現(xiàn)不同的功能。銅套壓裝工位所需壓裝力為1.2 kN，可選擇30 mm軸徑的壓裝單元和對應(yīng)的鋼圈防塵罩等；安裝工位所需壓裝力為8 kN，應(yīng)選用40 mm軸徑的壓裝單元；活塞壓裝工位所需壓裝力為0.2 kN，選用30 mm軸徑壓裝單元即可。

2.2 通過變型設(shè)計提高生產(chǎn)線設(shè)計效率

采用模塊化設(shè)計方法，可直接從模塊庫里調(diào)用所需模塊，有效降低智能化生產(chǎn)線的設(shè)計難度，縮短整個生產(chǎn)線的設(shè)計周期，從而給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4所示為電子制動器智能化生產(chǎn)線的模塊化頂升定位單元。它屬于通用模塊，可兼顧生產(chǎn)線上所有工位的功能需要，配合使用通用托盤后能讓整套機(jī)構(gòu)具有很強(qiáng)的通用性。

圖4 模塊化頂升定位單元

在設(shè)計電子制動器智能化生產(chǎn)線的模塊化頂升定位單元時，只要變更有關(guān)部件的某些尺寸，就能讓該單元具有不同的工作行程和結(jié)構(gòu)特征。頂升氣缸可以根據(jù)需要，在100～350 mm范圍內(nèi)任意選擇行程。設(shè)計時可根據(jù)每個工位所需頂升高度，首先調(diào)用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模塊，然后選擇行程合適的氣缸即可。變型設(shè)計顯著減小了設(shè)計難度，大大減少了重復(fù)性工作。

2.3 通過單元模塊化設(shè)計降低生產(chǎn)線的組裝調(diào)試難度

在裝配智能化生產(chǎn)線的某個標(biāo)準(zhǔn)模塊時，可以先對該模塊的部分單元進(jìn)行預(yù)裝配，使其成為一個小模塊，然后將各小模塊裝配到一起，形成完整的大模塊。因為模塊之間具有的相對獨(dú)立性，當(dāng)某個模塊出現(xiàn)問題需要維修或調(diào)整時，只需對該模塊進(jìn)行單獨(dú)拆裝即可，以節(jié)省組裝和維修時間。

圖5所示為電子制動器智能化生產(chǎn)線的模塊化拾取單元。它主要由水平移載氣缸、豎直移載氣缸、抓手、送料機(jī)構(gòu)和其他零部件組成。

在圖5中，豎直移載氣缸和水平移載氣缸負(fù)責(zé)整個機(jī)構(gòu)的移動，送料機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將零部件送到抓手下方，抓手抓起零部件，移動后放到設(shè)定的位置。

圖5 模塊化拾取單元

設(shè)計智能化生產(chǎn)線中具有抓取功能的上料機(jī)構(gòu)時，可直接選用該模塊化拾取單元，并根據(jù)搬運(yùn)的距離，選擇不同行程的氣缸，以快速實現(xiàn)模塊化設(shè)計。

氣缸模塊和各氣缸之間的安裝連接模塊均已高度通用化和系列化，可多工位共用，減少了安裝連接模塊的種類，降低了生產(chǎn)線組裝難度。

2.4 通過軟件模塊化設(shè)計降低生產(chǎn)線的編程難度

在完成智能化生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計后，需要電氣工程師對生產(chǎn)線進(jìn)行電路設(shè)計和程序編寫。而結(jié)構(gòu)設(shè)計的差異直接決定了程序設(shè)計的復(fù)雜程度。過多的差異化結(jié)構(gòu)使程序編寫過程變得很復(fù)雜，對電氣工程師的要求也更高，易出現(xiàn)程序編寫錯誤等問題而影響項目進(jìn)度。

目前，市場上大部分智能化生產(chǎn)線的工業(yè)控制器以PLC為主，以用于數(shù)據(jù)存儲和與工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)集成的工控機(jī)為輔，外加人機(jī)接口(Human Machine Interface，HMI)觸摸屏作為人機(jī)交互界面，用于生產(chǎn)線的監(jiān)控和一些生產(chǎn)模式的選擇。在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的選擇方面，自動化設(shè)備的功能完整性及其異常情況的處理能力與PLC程序的設(shè)計有十分緊密的聯(lián)系。好的PLC程序能夠支持各種工況下的快速生產(chǎn)，并能在異常情況發(fā)生時做出及時準(zhǔn)確的反應(yīng)，以避免錯誤執(zhí)行程序而造成安全事故。程序的邏輯嚴(yán)密性與軟件的模塊化設(shè)計密不可分。對PLC程序進(jìn)行模塊化設(shè)計，能在保障智能化生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，對發(fā)生的異常現(xiàn)象進(jìn)行排查。

控制程序的模塊化設(shè)計最先在C語言、JAVA高級語言中得到運(yùn)用。它能通過程序模塊調(diào)用快速實現(xiàn)程序功能的變化。隨著HMI和上位機(jī)程序在工業(yè)自動化系統(tǒng)中運(yùn)用的增多，PLC工程師也越來越認(rèn)可模塊化程序應(yīng)用的便利性，并逐漸擴(kuò)大了模塊化程序的應(yīng)用。PLC的模塊化編程過程如下：首先將程序按照組成劃分為報警系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、初始化系統(tǒng)等模塊；然后根據(jù)具體的執(zhí)行元件劃分具體的執(zhí)行程序，例如氣缸控制單元、伺服電機(jī)控制單元、分割器控制單元以及輸送線控制單元等；最后通過這些控制單元的不同排列組合，形成具有一定功能的執(zhí)行系統(tǒng)。例如，伺服電機(jī)控制單元和氣缸控制單元組合，可形成完整的伺服抓取系統(tǒng)，而輸送線控制單元和分割器控制單元可與具體的功能模塊組合，形成生產(chǎn)線上一個工位的控制系統(tǒng)。

在智能化生產(chǎn)線模塊化設(shè)計中，當(dāng)產(chǎn)品生產(chǎn)裝配工藝需要大量拾取單元時，可采用圖6所示的凸輪拾取單元。它能夠通過伺服電機(jī)驅(qū)動抓手，使抓手沿著凸輪導(dǎo)向槽運(yùn)動，實現(xiàn)零部件的快速抓取和搬運(yùn)。凸輪拾取單元的豎直導(dǎo)向件和水平導(dǎo)向件負(fù)責(zé)對抓手的運(yùn)動進(jìn)行限定，凸輪導(dǎo)向槽負(fù)責(zé)運(yùn)動導(dǎo)向。

圖6 凸輪拾取單元

通過模塊化程序設(shè)計，只要調(diào)節(jié)抓取機(jī)構(gòu)的行程和運(yùn)動速度等個別參數(shù)即能實現(xiàn)對各套抓取系統(tǒng)的獨(dú)立控制。這樣，既降低了程序編寫難度，又能讓未參加程序編寫的PLC工程師快速理解程序，以提高相關(guān)技術(shù)工作的效率。

3 電子制動器智能化生產(chǎn)線零部件層的模塊化設(shè)計

3.1 通過零部件的模塊化設(shè)計降低生產(chǎn)線的維護(hù)成本

零部件是生產(chǎn)線的基本構(gòu)件。電子制動器智能化生產(chǎn)線通常為客戶定制類項目?？蛻舳ㄖ粕a(chǎn)線的機(jī)械類零部件通常為非標(biāo)準(zhǔn)零部件，零部件種類多且批量又非常小。因此，這些零部件加工制造的交貨期通常較長，尤其在裝配調(diào)試環(huán)節(jié)，當(dāng)零部件質(zhì)量存在問題，需要及時返工時，為了趕交期，通常需要以數(shù)倍于正常情況的成本進(jìn)行零部件加工，會在成本和時間上造成巨大的損失。

零部件的模塊化設(shè)計，可大幅減少零部件種類，使零部件批量增大。這對于供應(yīng)商來說，通過一次材料采購、工藝規(guī)劃即可生產(chǎn)大量零部件，大大縮短單個零部件加工制造的周期；對于企業(yè)本身來說，通過配備模塊化設(shè)計的零部件庫存，在裝配調(diào)試中，若出現(xiàn)零部件質(zhì)量缺陷或調(diào)試過程中因誤操作和程序調(diào)試而造成零部件損壞，可直接調(diào)用庫存零部件，以節(jié)約零部件返修或重新加工的時間與成本。據(jù)統(tǒng)計，電子制動器智能化生產(chǎn)線通過模塊化設(shè)計后，交貨期縮短了20%以上。

智能化生產(chǎn)線交付后，隨著使用年限的延長，零部件尤其是一些關(guān)鍵的受力零部件難免會出現(xiàn)磨損和故障，客戶需要配備這些關(guān)鍵零部件的大量庫存。通過模塊化設(shè)計，可大幅減少零部件種類，使客戶能針對多工位應(yīng)用的同一種零部件進(jìn)行備料，從而減少備用零部件種類和總量，降低維護(hù)成本。當(dāng)零部件出現(xiàn)損壞時，可進(jìn)行快速更換。例如，電子制動器智能化生產(chǎn)線上多工位使用的限位柱，用于托盤和零部件頂升后的高度限位。其主要功能是在托盤頂起后確定托盤最后停止的位置。針對不同厚度的零部件，需要選擇不同高度的限位柱，使得所有零部件的頂升高度一致。生產(chǎn)過程的限位柱需承受整個頂升定位單元的舉升力，隨著頂升次數(shù)的增多，其磨損會越來越嚴(yán)重。因此，限位柱為易損零件。采用模塊化設(shè)計后，客戶只要備有少量的限位柱，即可滿足多工位的大量更換需求，減少了備件種類和庫存，降低了生產(chǎn)線的維護(hù)成本。

3.2 通過模塊的通用化設(shè)計降低生產(chǎn)線的零部件采購成本

對智能化生產(chǎn)線的零部件進(jìn)行模塊化設(shè)計，能夠保證這些零部件的大批量采購和制造，大幅度降低智能化生產(chǎn)線的零部件成本，提高智能化生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

研究發(fā)現(xiàn)，電子制動器智能化生產(chǎn)線要大量使用不同行程和不同類型的氣缸，在采用模塊化設(shè)計前，選用的氣缸種類很雜，不同氣缸有不同安裝方式，給氣缸的設(shè)計、采購、安裝帶來很大麻煩，造成了很大的浪費(fèi)；采用模塊化設(shè)計后，生產(chǎn)線選用的是同類型氣缸，只要改變氣缸的行程和缸徑就可實現(xiàn)對應(yīng)的幾種功能。由于同類型氣缸的大批量應(yīng)用，大大降低了生產(chǎn)線的零部件采購成本。

4 結(jié)束語

電子制動器智能化生產(chǎn)線可以分為成套層、單元層和零部件層。本文采用模塊化設(shè)計理念，對生產(chǎn)線不同層級進(jìn)行了模塊化設(shè)計。研究表明，模塊化設(shè)計能夠簡化生產(chǎn)線的設(shè)計和制造過程，顯著縮短智能化生產(chǎn)線的設(shè)計和制造周期，降低生產(chǎn)線的制造和維護(hù)成本。