岳維坤, 張有武, 梁敬儔, 許 波, 孫趙帥

(1.河北工業(yè)大學 機械工程學院,天津 300130,E-mail:ywk15069820623@163.com;2.國家技術創(chuàng)新方法與實施工具工程技術研究中心,天津 300130;3.中廣核研究院有限公司,廣州 518000)

裝配是將產(chǎn)品的零部件組合成最終產(chǎn)品的過程[1]。在整個裝配過程用所應用的裝配方法、裝配工具及相關要求等都是按照裝配工藝的要求一步一步進行的[2],因此裝配工藝才是決定產(chǎn)品質量的一個關鍵因素[3]。隨著制造業(yè)的發(fā)展和市場需求變化,企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)品類更新迭代越加頻繁[4],新產(chǎn)品的裝配多采用舊有產(chǎn)品的裝配工藝或重新擬定全新的裝配工藝,經(jīng)常出現(xiàn)裝配工藝適應性問題[5],不利于企業(yè)實現(xiàn)高質量、高成效的裝配目標。針對此問題,相關學者對裝配工藝從不同角度進行了分析研究。

針對裝配工藝造成的產(chǎn)品質量問題,Zhou等人[6]為裝配工藝精度信息構建數(shù)學模型,并應用微分運動轉換與仿真算法相結合的方式模擬不同工藝下的組裝狀態(tài)。Jeang等人[7]將零件形變與形變概率相結合作為公差應用規(guī)劃公式預測出最佳裝配工藝。Cao等人[8]通過向量環(huán)獲取產(chǎn)品組裝功能,結合裝配函數(shù)得到每個維度的裝配特征。張弩等人[9]指出結構分析在產(chǎn)品裝配中有這重要作用,而后有學者直接從CAD模型獲取信息[10-11]應用相關算法等數(shù)據(jù)處理方法獲取精度適配性高的裝配工藝方法[12-13]。

針對裝配效率問題,張磊等人[14]應用模糊聚類與零件相關性判斷方法得出最有的單元劃分機制提高整體裝配效率。Andres等人[15]通過分析裝配線上每個節(jié)點的工作任務情況及操作問題,為每個環(huán)節(jié)設置時間考慮,從而提高產(chǎn)品單元環(huán)節(jié)裝配效率。?zcan等人[16]通過BLP模型與SA算法結合方法裝配線規(guī)劃為每個環(huán)節(jié)設置節(jié)拍時間,并以此作為基礎提高裝配線效率。

Li等人[17]從控制成本的角度出發(fā),從應用元動作分析方法,引入成本失效的概念控制各個環(huán)節(jié)成本,從而找到更低成本裝配工藝。McKenna[18]和Wang[19]等人從組件的公差入手明確精度等級以新的公差分配方法分析工藝,實現(xiàn)裝配成本最小化。

徐建萍[20-21]和Ren等[22]站在企業(yè)角度,將企業(yè)資源納入裝配工藝分析范圍,優(yōu)化裝配工藝資源配置,最大程度保證裝配工藝的資源需求。

上述的研究取得了一定成果,但也存在以下問題:

(1) 產(chǎn)品裝配工藝是多參數(shù)耦合的綜合系統(tǒng),單獨從效率、成本等角度去分析產(chǎn)品的裝配工藝缺乏全面性;因此,一種能夠反映裝配工藝多目標參數(shù)要求的全面裝配工藝模型的研究是十分必要的;

(2) 目前的裝配分析和優(yōu)化方法多是事后分析,需要一種能夠在裝配工藝實施前有針對性進行問題預測和解決的專門方法。

針對以上問題,論文從產(chǎn)品裝配工藝的全息分析模型研究入手,研究裝配工藝不同失效形式及特征,在產(chǎn)品裝配失效預測關鍵詞提取的基礎上,最終提出產(chǎn)品裝配失效的預測方法并建立其過程模型。實現(xiàn)裝配工藝的多目標失效預測,為產(chǎn)品裝配工藝失效解決提供理論和過程基礎。

1 裝配工藝全息模型構建方法

1.1 裝配工藝模型研究

模型分析是分析產(chǎn)品裝配工藝常用的手段。常見的產(chǎn)品裝配工藝模型分析有裝配系統(tǒng)圖[23]、裝配工序信息結構和工序分配網(wǎng)絡圖等方法[24-25]。

(1) 裝配系統(tǒng)圖:如圖1所示。主要用于分析待裝配產(chǎn)品的零部件組成,根據(jù)產(chǎn)品零部件的結構特點將零部件串聯(lián)起來,能夠清晰的表示產(chǎn)品的零件組成及其裝配順序。

圖1 裝配系統(tǒng)圖

(2) 裝配工序信息結構:如圖2所示。主要表示產(chǎn)品的邏輯結構及裝配過程中各個元動作的工序要求,根據(jù)產(chǎn)品結構及企業(yè)現(xiàn)有條件將整個裝配過程分成若干個工序,而每一個工序又可以分為若干個工步,而每個工步中又包含該工步所涉及的零件,能夠將整個產(chǎn)品裝配過程細致劃分,為后續(xù)的工作分配做好基礎。

圖2 裝配工序信息結構

(3) 工序分配網(wǎng)絡圖:如圖3所示。主要表示產(chǎn)品裝配時各個裝配環(huán)節(jié)的串并聯(lián)關系、操作時間以及工位安排。其中圓圈內(nèi)部的數(shù)字表示節(jié)點編號,其上方的數(shù)字表示該節(jié)點的節(jié)拍時間,根據(jù)圖中節(jié)點編號與節(jié)拍時間的安排,能夠讓每個工步與裝備線上的工作節(jié)點一一對應,并根據(jù)每個工步所需的時間調整工作節(jié)點的位置,實現(xiàn)裝配時間合理分配以此提高產(chǎn)品裝配效率。

圖3 裝配工序網(wǎng)絡圖

上述裝配分析模型分別對準產(chǎn)品結構和裝配順序、工序和工步劃分、工位分配和時間安排分別給出了模型化表示,但是裝配是一整個連續(xù)的過程,各個部分之間的銜接也是非常重要的。因此要完整的表達裝配工藝,需要建立新的模型將裝配中所要表達的關鍵信息整合表達出來。

1.2 裝配工藝全息模型及其構建方法

通過前文的研究發(fā)現(xiàn),不管是對裝配工藝哪個方面的分析或改進都離不開以下這些關鍵信息:產(chǎn)品零件組成、基準件選擇、裝配精度、產(chǎn)品裝配順序、產(chǎn)品裝配單元劃分、裝配設備或工具、節(jié)拍時間等。劉檢華等人[26]也在近些年裝配研究綜述中指出上述關鍵信息與裝配工藝的優(yōu)化與改進有重要關系。因此,論文結合上述三種分析方法提出了包含裝配工藝關鍵信息的裝配工藝全息模型及其符號表示,如圖4所示。

圖4 裝配工藝全息模型及其符號表示

其中,產(chǎn)品的零件表示為圖4中的系統(tǒng)內(nèi)單元,其中R表示零件的編號,防止產(chǎn)品結構相似造成混淆;W表示零件名稱,在大多數(shù)情況下,設計者可以直接通過零件名稱形象出零件的大致結構;N表示零件的數(shù)量,對于基準零件用紅色邊框表示。零件間的裝配精度用圖例中的系統(tǒng)內(nèi)作用的箭頭表示,在標識裝配精度前,設計者應根據(jù)零件的待裝配產(chǎn)品具體精度情況劃分不同的精度等級并應用不同顏色的箭頭標識。裝配的順序則是以序號的形式寫在O的位置,數(shù)字小的零件先進行裝配。裝配時間包括該裝配動作從開始拿到兩個零件到整個裝配動作完成,包括使用工具定位、夾緊等操作在內(nèi)的所有時間,企業(yè)先規(guī)劃出整個產(chǎn)品裝配中的最小時間單位,并將對應裝配環(huán)節(jié)所需的時間單位標在T的位置,其中時間單位一般為某個耗時最短的裝配環(huán)節(jié)的裝配時間。最后時裝配過程中所需的工具或設備,用系統(tǒng)間作用表示。系統(tǒng)間作用符號的指向表示系統(tǒng)內(nèi)作用箭頭的連線上,表示該模塊所表示的設備工具使用用于所指系統(tǒng)內(nèi)作用這個裝配環(huán)節(jié)的,其中B表示作用于被動裝配部件的工具,A表示作用于主動裝配部件的工具,其中系統(tǒng)內(nèi)作用的箭頭所指向的部件為被動裝配部件,反之則為主動裝配部件。

裝配工藝全息模型的構建包括3個步驟:

(1) 檢查待裝配產(chǎn)品的零件圖和裝配圖,熟悉產(chǎn)品的零件組成及各個零件的結構,區(qū)分出已有工藝中的裝配單元,并按照劃分好的裝配單元,將每個單元中所需的零件繪制成系統(tǒng)內(nèi)單元模塊的形式;

(2) 分析每一個零件裝配時所需的工具、設備等條件,按照每個裝配過程的作用繪制出系統(tǒng)間作用模塊。

(3) 根據(jù)產(chǎn)品結構將產(chǎn)品零部件用系統(tǒng)內(nèi)作用連接起來,再根據(jù)每個裝配動作連接對應的系統(tǒng)間作用模塊,并標注系統(tǒng)間作用模塊中的信息,按照裝配單元劃分,在模型圖中畫出裝配單元將裝配單元中的所有零件用虛線框標識,并將裝配基準用紅色線條標識。繪制完成如圖4所示的裝配工藝全息模型。

2 裝配工藝失效預測的引導

圖4所示的裝配工藝全息模型是產(chǎn)品裝配工藝失效預測的基礎。產(chǎn)品裝配工藝的失效預測將針對該全息模型進行逆向提問,用分析者能夠得到的讓目標系統(tǒng)失效的所有方式審視整個系統(tǒng),判斷該系統(tǒng)在預期情境下是否會失效[27]。在裝配工藝全息模型中包含了目標產(chǎn)品在裝配階段的關鍵信息,設計者可基于關鍵信息對原有的裝配工藝進行逆向提問,預測所有可能的失效模式。

2.1 裝配工藝失效

失效的定義是宏觀層面對整個裝配過程及其結果的要求。Zia等人[28]指出裝配是一個多目標的任務,而且HHM模型[29]從安全、質量、環(huán)境、成本、效率、資源等6個角度給出相應的要求。為了確保失效預測的全面性,相對的裝配工藝失效從這6個角度給出不同的定義:安全失效、質量失效、環(huán)境失效、成本失效、效率失效、資源失效。如表1所示。

表1 不同角度下的裝配失效定義

2.2 失效特征關鍵詞

將裝配工藝失效落實到微觀層面,必須針對系統(tǒng)中劃分的具體裝配工藝步驟進行逆向提問。逆向提問的核心是失效關鍵詞,為了保證所有可能發(fā)生失效都被關注到,必須將失效特征以失效關鍵詞的形式表達并與表1失效類型建立聯(lián)系,論文統(tǒng)計了現(xiàn)有裝配工藝中的失效模式并按照表1中的失效類型分類,對每一類失效類型中失效模式進行特征提取,將所獲取的失效特征凝練得到不同類型裝配工藝失效的失效關鍵詞,如表2所示。

表2 裝配工藝設計各階段失效關鍵詞及解釋

裝配工藝的失效預測將在裝配工藝全息模型每個環(huán)節(jié)應用具體失效關鍵詞進行逐級逆向提問,通過多次迭代提問預測裝配工藝所有可能存在的失效。并按照表1中提出的6種失效類別進行分類。

由于機械系統(tǒng)結構復雜、零部件數(shù)量繁多、存在多種耦合作用的影響等特點[30],在使用逆向提問方法進行預測后,受逆向提問“放大化、絕對化”的特點的影響,導致所預測出來的失效并不一定會真的發(fā)生,因此需要基于TRIZ中的資源分析對逆向提問預測出的失效進行篩選,剔除不可能發(fā)生的失效,從而得到確定發(fā)生的失效模式;然后利用TRIZ中的問題解決工具,如物質-場分析等,對失效進行解決。

3 裝配工藝的失效預測過程模型

基于以上研究,論文提出的產(chǎn)品裝配工藝失效預測方法的可應用過程模型如圖5所示。

圖5 裝配工藝失效預測過程模型

使用步驟分為:

(1) 了解目標產(chǎn)品,明確產(chǎn)品的結構組成及該產(chǎn)品的原有工藝;

(2) 整理企業(yè)現(xiàn)有資源,結合目標產(chǎn)品原有工藝,繪制裝配工藝全息模型,再從原有裝配工藝中獲取相關信息將裝配工藝全息模型補充完整;

(3) 應用不同類型的失效關鍵詞對構建出的裝配工藝全息模型進行逆向提問,將存在失效特征的裝配環(huán)節(jié)匯總出來,以待后續(xù)篩選與解決。其中逆向提問的順序默認與圖5中的順序一致,也可根據(jù)具體產(chǎn)品及企業(yè)要求做適當?shù)恼{整;

(4) 將所有預測出的失效環(huán)節(jié)匯總并應用TRIZ中的資源分析與企業(yè)失效環(huán)節(jié)試裝評定的方式判斷失效是否真的會發(fā)生,對于確定發(fā)生的失效應用構建物質-場模型,并應用物質-場模型變換的方法依次進行失效解決,最終得到最終工藝。

4 工程案例

隨著電器在生活中的普及,插座是家庭中必備的物件,為了保障家庭用電安全防觸電保護門這項安全性能顯得尤為重要。插座保護門是應用尤為廣泛的一項保護措施,GB/T 2099.1也對其做了明確的規(guī)定。其中家用五孔插座彈簧保護門在其中的應用最為廣泛。但是在五孔插座的裝配過程中,主要還是應用流水線裝配的方式,由單人完成整個五孔插座的裝配,但是在目前的裝配工藝下,五孔插座的裝配不能達到企業(yè)預期的要求,存在裝配工藝失效,論文采用面向裝配工藝的失效預測方法預測五孔插座裝配工藝失效形式,為后續(xù)企業(yè)的工藝改進提供必要基礎。

步驟1:明確產(chǎn)品結構及工作原理。

針對五孔插座的結構圖、驗收標準等資料進行分析,明確其內(nèi)部結構如圖6所示,其結構名稱從左到右依次為內(nèi)框、邊框、面板、蓋板、保護門彈簧、三孔保護門、二孔保護門、保護門彈簧、零線插槽、火線插槽、地線插槽、基座、安裝架、接線柱(三個)、接線螺栓(三個)。

圖6 五孔插座結構圖

主要原理是:正常情況下插座的插孔是由保護門擋住保護用戶安全,當插頭插入時,插頭擠壓保護門斜角,因為保護門在插入方向自由度受限制,保護門會向垂直方向運動擠壓彈簧,此時插頭可以順利插入,與后方基座連通順利接通電源。驗收時在安全要求層面,插座的各項安全指標應符合國家標準,在功能層面,當插頭插入使保護門效應順利打開,并且插頭應與插套充分接觸,當插頭拔出時,保護門受彈簧彈力自動閉合。

步驟2:構建裝配工藝全息模型。

閱讀企業(yè)中已有的五孔插座裝配工藝。在企業(yè)原有的裝配工藝中主要采用的是固定裝配,整個插座的組裝是由一個人在固定點完成。在原有的裝配工藝中將蓋板、三孔保護門、三孔保護門彈簧、二孔保護門、二孔保護門彈簧作為一個裝配單元,將火線插槽、零線插槽、地線插槽、基座作為一個裝配單元,這兩個單元的裝配屬于并列關系并沒有先后順序要求,在兩個裝配單元裝配完成后將這兩個單元先裝配起來,之后按照接線柱、接線螺栓、安裝架、面板、邊框、內(nèi)框,這個順序進行裝配。在此基礎上,首先,根據(jù)步驟1中的產(chǎn)品結構,繪制每一個零件的系統(tǒng)內(nèi)單元模型,并標注裝配基準件與裝配單元組合,再將存在裝配關系的單元應用系統(tǒng)內(nèi)作用連接起來;其次,按照原有裝配工藝要求統(tǒng)計每一個裝配元動作所需工具,并將繪制為系統(tǒng)間作用模型,連接到對應的系統(tǒng)內(nèi)作用模塊上;最終,檢查補充模型中裝配順序、裝配時間單位等信息。得到五孔插座的裝配工藝全息模型,如圖7所示。

圖7 五孔插座原有裝配工藝全息模型

步驟3:基于關鍵詞的裝配工藝失效預測。

應用表2中的關鍵詞對該裝配工藝全息模型進行提問,為了驗證失效預測的準確性,避免逆向提問“放大化”、“絕對化”的影響需要對初步預測出的8中失效模式應用TRIZ方法進行篩選最終得到可能發(fā)生的失效模式如表3所示。

表3 可能發(fā)生的失效

(1) 由于火線插槽與零線插槽結構復雜,在彎折處容易劃傷工人的手,造成安全失效,但應企業(yè)要求,工人在工作時需要佩戴乳膠手套,其物質-場模型如圖8所示,因此是失效不會發(fā)生;

圖8 物質-場模型

(2) 工人在裝配二孔保護門時彈簧受力不均彎折無法繼續(xù)使用造成成本失效,試裝后專家評分結果的均值在區(qū)間[0.6, 0.8]之內(nèi),該失效可能發(fā)生;

(3) 受基座與接線柱結構的影響,工人在裝配接線柱時只用手在不借助其他工具的情況下很難講接線柱裝配到指定位置造成資源失效,且經(jīng)過資源檢索,企業(yè)內(nèi)缺少這樣的工具,因此該失效可能發(fā)生;

(4) 接線柱在裝配后與對應的插槽接觸不足導致斷路,不符合驗收標準造成質量失效,試裝后專家評分結果的均值在區(qū)間[0.4, 0.6]之內(nèi),該失效可能發(fā)生;

(5) 在裝配單元①與裝配單元②裝配時,三孔保護門門發(fā)生錯位造成質量失效,試裝后專家評分結果的均值在區(qū)間[0, 0.2)之內(nèi),該失效不會發(fā)生;

(6) 三孔保護門裝配時存在多次定位,造成效率失效,試裝后專家評分結果的均值在區(qū)間[0, 0.2)之內(nèi),該失效不會發(fā)生;

(7) 三孔保護門裝配時三孔保護門彈簧存在多次定位,造成效率失效,試裝后專家評分結果的均值在區(qū)間(0.8,1]之內(nèi),該失效可能發(fā)生;

(8) 火線插槽與零線插槽結構相似,裝配時出現(xiàn)混淆造成效率失效,試裝后專家評分結果的均值在區(qū)間[0.2, 0.4)之內(nèi),該失效可能發(fā)生。

針對上述預測出的失效問題,企業(yè)應用TRZ中的物質-場變換方法對其進行改進。不同失模式的改進方案如表4所示。企業(yè)針對不同的失效模式分別選擇了解決方案1.1、2.1、3.2、4.2、5.2,對原有工藝進行改進,經(jīng)驗證企業(yè)通多上述方法的工藝改進后降低了廢次品率。

表4 失效模式的物質-場模型及對應的解決方案

5 結論

為解決裝配工藝分析的滯后性和單一性問題,論文提出了面向裝配工藝的失效預測方法。通過建立了裝配工全息模型用來全面表示產(chǎn)品裝配中所設計的信息,重新定義了裝配工藝的失效形式,在此基礎上,結合產(chǎn)品裝配特點及裝配失效關鍵特征,確定產(chǎn)品裝配工藝失效的失效關鍵詞,在裝配工藝全息模型的基礎上應用不同失效形式關鍵詞進行逆向提問,發(fā)現(xiàn)裝配工藝的失效模式,實現(xiàn)了裝配工藝的失效預測。面向裝配工藝的失效預測方法針對裝配工藝多目標要求,解決了裝配工藝的分析滯后性問題,為后續(xù)的工藝優(yōu)化明確目標、指明方向。最后,應用該方法對現(xiàn)有五孔插座裝配工藝進行了失效預測,并在此基礎上應用TRIZ的相關工具完成了五孔插座裝配工藝的優(yōu)化。