計(jì)算機(jī)輔助裝配系統(tǒng)在制動(dòng)夾鉗單元 生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用

陳欽成

（廣東國(guó)通克諾爾軌道車輛系統(tǒng)設(shè)備有限公司，江門 529100）

計(jì)算機(jī)輔助裝配（Computer-Aided Assembling，CAA） 系統(tǒng)的主要作用是在裝配過程中通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）對(duì)整個(gè)裝配工藝進(jìn)行控制和管理。制動(dòng)夾鉗單元的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由上百個(gè)零部件組成，其裝配過程涉及上百道工序。如何在批量生產(chǎn)的情況下保障產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，是企業(yè)面臨的難題。傳統(tǒng)的裝配工藝一般是工藝工程師將生產(chǎn)步驟通過文字和圖片的方式記錄在紙介質(zhì)上，然后對(duì)工人進(jìn)行培訓(xùn)指導(dǎo)，待工人熟練掌握產(chǎn)品生產(chǎn)流程后再進(jìn)行產(chǎn)品批量生產(chǎn)，并在生產(chǎn)過程中手動(dòng)記錄相關(guān)的質(zhì)量數(shù)據(jù)。這樣的裝配工藝雖然滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求，但是生產(chǎn)周期長(zhǎng)、制造成本高且裝配效率低，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量高度依賴工人的熟練水平。為了改變此種情況，可以充分利用CAA系統(tǒng)，將制動(dòng)夾鉗的裝配過程變?yōu)镃AA內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)步驟，再用系統(tǒng)軟件和硬件識(shí)別技術(shù)減少組裝過程中的質(zhì)量問題，構(gòu)建起可視化的裝配界面，保證工藝具有可讀性和指導(dǎo)性，使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 制動(dòng)夾鉗裝配工藝中存在的問題

1.1 裝配過程管控不足

目前的裝配工藝過多地依賴操作者的技能水平。從產(chǎn)品試制到批量生產(chǎn)階段，工人在接受工藝文件理論培訓(xùn)后，在現(xiàn)場(chǎng)跟班過程中不斷實(shí)操練習(xí)產(chǎn)品裝配內(nèi)容，直至其生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足相應(yīng)的工藝要求。這種方式很難使工人在短時(shí)間內(nèi)掌握裝配方法，且不同的操作者對(duì)工藝文件中的內(nèi)容會(huì)有不同的理解，當(dāng)工人生產(chǎn)過程與工藝要求不一致時(shí)，往往無(wú)法及時(shí)管控，只能等待后續(xù)檢出生產(chǎn)問題，從而增加了產(chǎn)品返工率，且不能很好地保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 工藝可視化程度低

應(yīng)用傳統(tǒng)工藝時(shí)，裝配信息只能夠通過文字方式表達(dá)，使得可理解性明顯不足[1]。工人在實(shí)際裝配產(chǎn)品時(shí)，一般憑借其經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)照二維圖紙和實(shí)物照片等直觀的可視內(nèi)容進(jìn)行檢查。特別是對(duì)于復(fù)雜的零部件裝配關(guān)系和關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)，一旦操作過程有疏忽，很容易產(chǎn)生疏漏，且問題無(wú)法主動(dòng)反饋[2]。

1.3 數(shù)據(jù)管理效率低

制動(dòng)夾鉗裝配過程需要記錄產(chǎn)品信息、裝配人員信息以及關(guān)鍵工藝步驟等數(shù)據(jù)，以便全面準(zhǔn)確地反映生產(chǎn)操作過程和產(chǎn)品質(zhì)量情況。裝配工序多，涉及數(shù)據(jù)量大，導(dǎo)致裝配過程中數(shù)據(jù)記錄花費(fèi)大量時(shí)間，且要配置人員互檢相關(guān)數(shù)據(jù)，防止出現(xiàn)紕漏。數(shù)據(jù)記錄工作既增加了工作時(shí)間，也增加了人力資源負(fù)擔(dān)。當(dāng)交貨產(chǎn)品發(fā)生問題時(shí)，還需要花費(fèi)大量的時(shí)間追溯產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)。整個(gè)問題處理過程時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)統(tǒng)計(jì)和處理出現(xiàn)問題的產(chǎn)品[3]。

2 CAA系統(tǒng)的架構(gòu)

2.1 CAA系統(tǒng)的組成

針對(duì)上述問題，CAA系統(tǒng)以工具采集的終端信息為輸入，以系統(tǒng)內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)化工藝步驟為約束，保證裝配流程的標(biāo)準(zhǔn)化，最終輸出包含關(guān)鍵裝配信息的生產(chǎn)報(bào)表，有效管理生產(chǎn)數(shù)據(jù)。CAA系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，主要分為工具、功能及界面層3個(gè)模塊。工具模塊由指紋機(jī)、扭力裝置、功能按鈕和工具選擇器等信息采集部件構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)將采集的人員信息、扭力、角度值及工具工裝使用信息等數(shù)據(jù)傳輸至功能模塊。功能模塊由電腦硬件和內(nèi)嵌CAA軟件組成，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，以及監(jiān)控裝配工藝過程是否符合要求。電腦硬件預(yù)留了與PDM、MES、QMS等系統(tǒng)相匹配的接口，可以從指紋機(jī)、扭力裝置及其他配套硬件上讀取數(shù)據(jù)，并將輸出信號(hào)反饋至其他硬件。CAA軟件可以編輯和管理裝配工藝，將整理數(shù)據(jù)輸入記表格，生成生產(chǎn)報(bào)表。界面層，即人機(jī)交互界面，可以通過電腦屏實(shí)時(shí)呈現(xiàn)當(dāng)前工藝步驟、操作人員以及工藝內(nèi)容等信息。當(dāng)操作步驟出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，能及時(shí)提醒操作者進(jìn)行處理，信息簡(jiǎn)單易懂，方便了解當(dāng)前內(nèi)容。

2.2 CAA系統(tǒng)原理

為了實(shí)現(xiàn)制動(dòng)夾鉗裝配的標(biāo)準(zhǔn)化，CAA系統(tǒng)按裝配過程的特點(diǎn)分為一個(gè)個(gè)步驟。只有按照系統(tǒng)提示的步驟完成操作，才可以轉(zhuǎn)入下一個(gè)操作步驟，且每個(gè)步驟均遵循不正確不放行的原理。以制動(dòng)夾鉗殼體裝配為例，缸體在CAA系統(tǒng)控制下的工作原理如圖2所示，具體的人機(jī)交互顯示界面如圖3所示。根據(jù)殼體裝配順序，它包括缸體、活塞安裝、密封圈安裝以及密封圈涂油等16個(gè)步驟。工人進(jìn)行裝配時(shí)，從掃描工號(hào)開始直至裝配結(jié)束，每一個(gè)工步都由CAA系統(tǒng)判斷是否已經(jīng)完成，否則不會(huì)跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)工步[4]。當(dāng)操作失誤時(shí)，CAA系統(tǒng)監(jiān)控警報(bào)啟動(dòng)，并提示工人報(bào)警原因，由工人對(duì)本操作復(fù)位并按正確動(dòng)作完成裝配后，方可繼續(xù)進(jìn)行下一步工序。

圖2 工作原理圖

圖3 人機(jī)交互界面

圖l 系統(tǒng)組成示意圖

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 人員管理功能

每位員工在進(jìn)行制動(dòng)夾鉗裝配的工作時(shí)，所要承擔(dān)的職責(zé)存在差異。為了保證相關(guān)人員能夠履行責(zé)任，CAA系統(tǒng)支持針對(duì)不同的職責(zé)設(shè)置不同的人員權(quán)限。CAA系統(tǒng)的程序由管理者預(yù)先設(shè)定密碼保護(hù)，管理者根據(jù)CAA系統(tǒng)使用人員的工作職責(zé)和資質(zhì)，在系統(tǒng)中設(shè)置對(duì)應(yīng)的權(quán)限。使用者在工作位置指紋機(jī)掃描指紋或輸入工號(hào)后，CAA系統(tǒng)自動(dòng)校對(duì)和分配對(duì)應(yīng)操作權(quán)限可以使用的CAA系統(tǒng)功能。如果使用者不具備相關(guān)資質(zhì)，使用者將無(wú)法進(jìn)行相關(guān)操作[5]。

3.2 工藝信息管理功能

同類別型號(hào)的制動(dòng)夾鉗安裝工藝相似，如果裝配過程不留意，容易產(chǎn)生安裝質(zhì)量問題，因此需要重點(diǎn)關(guān)注制動(dòng)夾鉗的工藝信息。對(duì)于工藝工程師來說，主要的工藝信息包含產(chǎn)品信息和工藝文件。在CAA系統(tǒng)使用過程中，工程師根據(jù)工藝文件定義好對(duì)應(yīng)包含工藝步驟和制動(dòng)夾鉗型號(hào)信息的裝配程序，并對(duì)其進(jìn)行編輯和修改。工人開始裝配時(shí)，按照生產(chǎn)工單將產(chǎn)品信息錄入CAA系統(tǒng)，系統(tǒng)即可調(diào)用對(duì)應(yīng)型號(hào)制動(dòng)夾鉗的裝配程序，保證了裝配程序與產(chǎn)品工藝要求一致，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤。

3.3 監(jiān)控和防錯(cuò)功能

制動(dòng)夾鉗裝配過程的質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)在于扭力控制。CAA系統(tǒng)使用電動(dòng)扭力扳手對(duì)扭力進(jìn)行監(jiān)控，避免了機(jī)械扳手設(shè)置錯(cuò)誤或操作不當(dāng)引起的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，也減少了互檢人員的配置。工藝工程師預(yù)先在CAA系統(tǒng)中設(shè)置各螺栓的扭力值、角度值和扭動(dòng)的次數(shù)。工人進(jìn)行零部件安裝緊固作業(yè)時(shí)，CAA系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用對(duì)應(yīng)扭力緊固程序緊固螺栓。扭力數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)交互界面上，操作者可觀察扭力結(jié)果是否滿足要求。同時(shí)，CAA系統(tǒng)采集扭力數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果兩者不一致，CAA系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)報(bào)警提示，并停止進(jìn)行下一道工序操作，使連接電腦的蜂鳴器發(fā)出轟鳴。這樣的監(jiān)控和防錯(cuò)措施簡(jiǎn)單易懂，降低了人為風(fēng)險(xiǎn)，減少了事故的發(fā)生。

3.4 可視化功能

CAA系統(tǒng)具有可視化的人機(jī)交互界面，可以觀察當(dāng)前裝配信息。可視化界面顯示的信息分為兩種。一種是靜態(tài)信息，如工藝步驟和圖片等，由工藝工程師預(yù)先在CAA系統(tǒng)中編輯，然后在裝配過程中顯示，方便工人作業(yè)時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)操作進(jìn)行對(duì)比，并獲得正確的裝配提示。另一種是動(dòng)態(tài)信息，如扭力值、角度值以及工具工裝使用提示等。CAA系統(tǒng)接收工具終端反饋的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過軟件內(nèi)部的處理，將輸出結(jié)果顯示在界面上，使工人、工藝工程師和質(zhì)檢工程師能夠清晰了解生產(chǎn)的實(shí)際情況，進(jìn)而保證工作順利完成。

3.5 統(tǒng)計(jì)分析和查詢功能

為了更好地發(fā)現(xiàn)制動(dòng)夾鉗在生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷，確保生產(chǎn)順利進(jìn)行，CAA系統(tǒng)具有專用的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，能夠匯總裝配過程的原始數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入專用的生產(chǎn)報(bào)表形成文件記錄。此時(shí)，工作人員進(jìn)入電腦文件保存路徑即可查閱裝配信息。如此一來，生產(chǎn)過程的檢查和記錄就能夠順利完成，出現(xiàn)的問題可以在第一時(shí)間反饋，方便人員進(jìn)行分析、糾正和預(yù)防。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，CAA已經(jīng)應(yīng)用在傳統(tǒng)型制動(dòng)夾鉗、緊湊型制動(dòng)夾鉗以及踏面制動(dòng)夾鉗的生產(chǎn)裝配中，涵蓋了零部件壓裝、扭力緊固和尺寸檢查等關(guān)鍵作業(yè)步驟。相對(duì)于傳統(tǒng)的裝配方式，工人的裝配過程得到了規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，大大提高了制動(dòng)夾鉗零部件的裝配質(zhì)量，降低了產(chǎn)品出現(xiàn)問題返工的情況，具有推廣價(jià)值。