AYM工厂调角器装配线的自动化智能防错系统的设计与应用

周 健 姚仁晖

（同济大学机械与能源工程学院，上海 201804）

1 概述

1.1 论文背景非连续型调角器的介绍

AYM汽车座椅有限公司就是一家生产汽车座椅调角器的制造类公司，随着汽车市场的竞争越来越激烈，为了满足消费者持续增长的差异化需求。各大厂家都推出大量的汽车型号，从而导致汽车座椅以及配件的种类越来越多。为了降低设备投入，不得不采用大量不同型号产品共线生产。为了避免产品装配的错漏装，开发新型的智能防错技术来保证生产的质量需求已是迫在眉睫。

1.2 调角器的介绍

L2000 调角器是一款手动非连续性调角器。用来调角器汽车靠背的角度，同时，在汽车发生碰撞时牢牢将乘员按在座椅上，避免严重伤害。因此也是汽车上很重要的一个安全件，其零部件爆炸图见图1。

图1 调角器零部件爆炸图

1.3 调角器装配线的介绍

而装配调角器的生产线以环形输送线为传送方式，以工装托盘作为工件的载体。托盘流转于每个工位之间。每个工装托盘运用RFID射频技术，将所有加工和测试信息计入托盘。并与装配线末端的中央工控机交互。利用总工控机可以查询任何时间段的生产情况、合格率、不合格率、不合格原因。或者根据每个产品的产品序列号搜索该产品在每个工位的安装数据和测试结果。为了保证生产效率和生产质量，整个装配线为全自动化生产线，仅有的3名作业员工，只负责原材料的上料和设备故障排故等工作。但是，作为汽车上重要的安全部件，对质量要求极高，不允许任何的错漏装。所以设计了一整套的检测系统，对于每个工位的安装质量进行检测。

2 问题分析

2.1 现有的调角器装配线防错功能介绍

由于装配线的高度自动化，如果有检测工位的设备失效，人工是很难发现的。一旦防错失效，那就意味着装配不合格品有可能流出生产线进入后续生产，甚至留到消费者手中，带来了巨大的风险。所以，必须对所有检测设备也制定了一套防错体系。

之前的防错体系是针对不同的错误类型或者产品类型制作不同的防错样件，需要手工放置到被测工站下。完成测试后，人工确认测试站的反馈信号是否是不良品，在防错记录上打钩确认。L20002#手动调角器防错点检表见表1，人工防错流程见图2。

表1 L20002#手动调角器生产线防错布局图

续表1 L20002#手动调角器生产线防错布局图

图2 人工防错流程图

2.2 调角器装配线防错系统缺陷

由于设计的比较早，目前的防错流程还比较落后，基本以员工手工操作为主，实际运用起来问题也比较多。

（1） 耗时比较长：由于客户的需求多变，在正常情况下，每班都要进行2到3次的换型，每次换型后都需要做防错点检。在传统的人工防错中，周期性的防错点检不可避免的打乱生产节奏。每次完整的防错时间需要20 min，单单防错测试就需要100 min，占到全部生产时间的14%，严重影响了效率。

（2） 操作复杂：在整套防错点检过程中都包含了机械防错、硬度防错、影像防错3个大类，涉及了多种位移传感器、照相机和硬度检测仪等。需要操作工熟练掌握各种检测系统的评判标准，要求过高且容易出错。

（3） 成本高：之前的防错模式需要员工人为将托盘上的在制件替换成防错样件来做防错，而被替换下来的在制件只能当作不合格件来处理，而频繁的停线和开启也造成装配线的混乱，从而造成相当多的在制件报废。

（4） 防错追溯性差：目前，所有防错记录均由人工记录在纸质清单上，往往存在内容缺失、填写错误、查询不便、信息记录不全等不利情况。尤其是无法将每个工件与当时的装配线防错状态联系在一起。导致工件出现质量问题后很难查询到当时的防错实施情况。

由于存在这些弊端，设计一套自动化、智能化、可追溯性好的防错系统迫在眉睫。

3 改善方案设计实施及效果评价

3.1 现有的调角器装配线防错系统改进

先找一个具有代表性的OP20主板宽度测试工位进行研究，装配线上有个工件称为主板，工件上有2个凹槽，为了后续安装其他零部件。这2个凹槽的宽度需要非常精确的测量。目前采用的测量方式是，工件定位后，一个气缸下降将测宽头卡入凹槽中心，再完全张开。测宽头上部安装有位移传感器，感知到测宽头地张开量后，得出凹槽的宽度，精确到小数点第三位。测宽头的磨损或者污染等等因素对测试的结果有很大的影响。所以设立了此工站的防错。之前的方式是，特制了一块宽度为24的合金标准块，人工设定标定频次。每次标定时将该标准块投入生产线，开始执行标定，测试头下降，如果测得标定块的宽度数据符合规定的区间，则认为测宽正确； 如果不符合，则认为标定有误，系统报警，人工进行干预检查。这样的防错流程虽然可以很大程度上避免了测试头不稳定造成的测试数据失真，但是仍然有很多弊端，例如时间长、每次标定都需要对标定块重新定位、重复性不好等。

对这个防错工位进行研究可以看出，整个流程中真正测宽的时间是5 s，而其余的拿取防错零件，开、关设备门、停止和启动生产线等无效的重复劳动为120 s，所以很自然地想到利用装配线内部的自动化结构来取代线外人工操作来进行防错。

所以对这个防错的改造从合金标准块方式入手，将合金标准块安装在装配线内部的防错测宽头侧面。标准块下方再安装一个横移气缸，允许标定块横移到测宽头下方，再下降完成标定。由于标定块是固定的，受到外部的干扰影响很小。然后修改该工站的程序，可以自由设定标定频次，计数到达时，启动标定程序。前方托盘不再流入，标定块横移到测宽头下方，测宽头下降进行标定，然后标定块退回原位。

全部防错过程仅需要10 s，且不会造成装配线任何混乱和报废。防错样件单件放置区见图3。而且根据需要，可以任意设定防错频次。受到OP20测宽改进工位的启发，很多工位都可以进行此类改进。例如OP10主板硬度检测工位等。

图3 防错样件单件放置区

对于OP20的改进只适用与一个工站只有一个防错样件的情况。如果有一个工站有多个防错样件的话，而测试工站只有一个测试位置，那就需要在防错样件区域再设置机械结构从而选择多个防错样件，会造成成本上升和占地面积增加大。如果有多个工站都存在多种防错样件，那整线成本及复杂度将成倍提高，那显然是不合适的。以OP40弹簧安装检测工位为例，这个工位需要检测左右2侧的弹簧是否安装到位，之前需要2个不同的防错样件。员工需要将生产线停止，从防错样件料架上选取编号正确的样件，放入测试工站下，启动测试站。测试完成后，界面给出NG信号，员工再停下生产线，取出样件，将另外一个防错样件放入其中，进行第二次测试。二次测试都完成后，才能开始正式生产。由于2个不合格判断条件是“与”的关系，所以需要2个不同的防错样件。对于此工站需要采取不同的改进方式。同样的将防错样件直接放置于测试站一侧，通过新增一个气缸将防错样件推至测试工站下方。因为采取了自动操作，不再有人工放置错误的风险，所以有条件修改判断条件，将原本需要2个样件的合并为1个，系统中需要同时满足2个防错条件才认为是防错合格。

接下来来看OP120功能测试工位，由于防错样件种类比较多，类型也不一样。难以利用第一种方式只放一个防错工装，但是可以利用原有的机器人可以取放多个位置的特点，根据程序设定，在不同的频次抓取不同的防错样件进入不同的测试工站，从而也实现多对多的防错步骤。防错样件集中放置区见图4。

图4 防错样件集中放置区

还有一类情况就是单个测试站有多个防错样件，无法合并为一个，也没有机器人可以选取多个位置的样件。可以转换下思路，在装配线有机器人或者机械手等有条件可以抓取多个位置的区域，设置一块专用的防错样件安置区，将所需防错样件按照不同的位置放置在工装上，同时特制1到2块防错专用托盘，利用机械手将防错样件放置到托盘上，进入装配线流转，并在指定的测试工站下，进行防错测试，在其他工站则不作任何动作。一旦防错失效，托盘停留在该工位并报警提示操作工对设备进行简单的判断，能否自己独立解决，如果能，解决问题后，再次启动。如果不能则必须完成维修后才可以继续生产。

3.2 现有的调角器装配线防错结果的有效追溯

在改进后的自动防错模式中，只需要工程师在程序中根据不同的点检内容，在防错程序上输入相应的防错频次，建立起防错工件与防错工位之前的联系。托盘就会把对应的防错样件准时送到指定工位进行防错点检，大大提升防错点检的时效性。每个工位的防错时间及结果也会记录在数据库中，从而建立起和工件生产时间的直接联系。最终，即使某个工位防错失效也能迅速追溯到上次防错有效到失效之间间隔的工件序列号，避免可疑品范围的扩大。

3.3 改进效果评价

针对传统手工防错的几大痛点都实施了对应的改进手段，收到了不错的效果。智能防错与人工防错的优劣对比见表2。

表2 智能防错与人工防错的优劣对比

综上所述，对比传统的人工防错操作，智能防错系统优势明显，可以有效提高装配线的质量水平。

4 结语

随着多品种小批量生产模式日益盛行，传统人工防错手段已经力不从心，自动化智能化的防错手段如果能够大量的应用，对于全行业的质量管理都将是一种有效的提升手段。