面向产品装配工艺的失效预测方法及应用

岳维坤, 张有武, 梁敬俦, 许 波, 孙赵帅

(1.河北工业大学 机械工程学院,天津 300130,E-mail:ywk15069820623@163.com;2.国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心,天津 300130;3.中广核研究院有限公司,广州 518000)

装配是将产品的零部件组合成最终产品的过程[1]。在整个装配过程用所应用的装配方法、装配工具及相关要求等都是按照装配工艺的要求一步一步进行的[2],因此装配工艺才是决定产品质量的一个关键因素[3]。随着制造业的发展和市场需求变化,企业产品的生产品类更新迭代越加频繁[4],新产品的装配多采用旧有产品的装配工艺或重新拟定全新的装配工艺,经常出现装配工艺适应性问题[5],不利于企业实现高质量、高成效的装配目标。针对此问题,相关学者对装配工艺从不同角度进行了分析研究。

针对装配工艺造成的产品质量问题,Zhou等人[6]为装配工艺精度信息构建数学模型,并应用微分运动转换与仿真算法相结合的方式模拟不同工艺下的组装状态。Jeang等人[7]将零件形变与形变概率相结合作为公差应用规划公式预测出最佳装配工艺。Cao等人[8]通过向量环获取产品组装功能,结合装配函数得到每个维度的装配特征。张弩等人[9]指出结构分析在产品装配中有这重要作用,而后有学者直接从CAD模型获取信息[10-11]应用相关算法等数据处理方法获取精度适配性高的装配工艺方法[12-13]。

针对装配效率问题,张磊等人[14]应用模糊聚类与零件相关性判断方法得出最有的单元划分机制提高整体装配效率。Andres等人[15]通过分析装配线上每个节点的工作任务情况及操作问题,为每个环节设置时间考虑,从而提高产品单元环节装配效率。Özcan等人[16]通过BLP模型与SA算法结合方法装配线规划为每个环节设置节拍时间,并以此作为基础提高装配线效率。

Li等人[17]从控制成本的角度出发,从应用元动作分析方法,引入成本失效的概念控制各个环节成本,从而找到更低成本装配工艺。McKenna[18]和Wang[19]等人从组件的公差入手明确精度等级以新的公差分配方法分析工艺,实现装配成本最小化。

徐建萍[20-21]和Ren等[22]站在企业角度,将企业资源纳入装配工艺分析范围,优化装配工艺资源配置,最大程度保证装配工艺的资源需求。

上述的研究取得了一定成果,但也存在以下问题:

(1) 产品装配工艺是多参数耦合的综合系统,单独从效率、成本等角度去分析产品的装配工艺缺乏全面性;因此,一种能够反映装配工艺多目标参数要求的全面装配工艺模型的研究是十分必要的;

(2) 目前的装配分析和优化方法多是事后分析,需要一种能够在装配工艺实施前有针对性进行问题预测和解决的专门方法。

针对以上问题,论文从产品装配工艺的全息分析模型研究入手,研究装配工艺不同失效形式及特征,在产品装配失效预测关键词提取的基础上,最终提出产品装配失效的预测方法并建立其过程模型。实现装配工艺的多目标失效预测,为产品装配工艺失效解决提供理论和过程基础。

1 装配工艺全息模型构建方法

1.1 装配工艺模型研究

模型分析是分析产品装配工艺常用的手段。常见的产品装配工艺模型分析有装配系统图[23]、装配工序信息结构和工序分配网络图等方法[24-25]。

(1) 装配系统图:如图1所示。主要用于分析待装配产品的零部件组成,根据产品零部件的结构特点将零部件串联起来,能够清晰的表示产品的零件组成及其装配顺序。

图1 装配系统图

(2) 装配工序信息结构:如图2所示。主要表示产品的逻辑结构及装配过程中各个元动作的工序要求,根据产品结构及企业现有条件将整个装配过程分成若干个工序,而每一个工序又可以分为若干个工步,而每个工步中又包含该工步所涉及的零件,能够将整个产品装配过程细致划分,为后续的工作分配做好基础。

图2 装配工序信息结构

(3) 工序分配网络图:如图3所示。主要表示产品装配时各个装配环节的串并联关系、操作时间以及工位安排。其中圆圈内部的数字表示节点编号,其上方的数字表示该节点的节拍时间,根据图中节点编号与节拍时间的安排,能够让每个工步与装备线上的工作节点一一对应,并根据每个工步所需的时间调整工作节点的位置,实现装配时间合理分配以此提高产品装配效率。

图3 装配工序网络图

上述装配分析模型分别对准产品结构和装配顺序、工序和工步划分、工位分配和时间安排分别给出了模型化表示,但是装配是一整个连续的过程,各个部分之间的衔接也是非常重要的。因此要完整的表达装配工艺,需要建立新的模型将装配中所要表达的关键信息整合表达出来。

1.2 装配工艺全息模型及其构建方法

通过前文的研究发现,不管是对装配工艺哪个方面的分析或改进都离不开以下这些关键信息:产品零件组成、基准件选择、装配精度、产品装配顺序、产品装配单元划分、装配设备或工具、节拍时间等。刘检华等人[26]也在近些年装配研究综述中指出上述关键信息与装配工艺的优化与改进有重要关系。因此,论文结合上述三种分析方法提出了包含装配工艺关键信息的装配工艺全息模型及其符号表示,如图4所示。

图4 装配工艺全息模型及其符号表示

其中,产品的零件表示为图4中的系统内单元,其中R表示零件的编号,防止产品结构相似造成混淆;W表示零件名称,在大多数情况下,设计者可以直接通过零件名称形象出零件的大致结构;N表示零件的数量,对于基准零件用红色边框表示。零件间的装配精度用图例中的系统内作用的箭头表示,在标识装配精度前,设计者应根据零件的待装配产品具体精度情况划分不同的精度等级并应用不同颜色的箭头标识。装配的顺序则是以序号的形式写在O的位置,数字小的零件先进行装配。装配时间包括该装配动作从开始拿到两个零件到整个装配动作完成,包括使用工具定位、夹紧等操作在内的所有时间,企业先规划出整个产品装配中的最小时间单位,并将对应装配环节所需的时间单位标在T的位置,其中时间单位一般为某个耗时最短的装配环节的装配时间。最后时装配过程中所需的工具或设备,用系统间作用表示。系统间作用符号的指向表示系统内作用箭头的连线上,表示该模块所表示的设备工具使用用于所指系统内作用这个装配环节的,其中B表示作用于被动装配部件的工具,A表示作用于主动装配部件的工具,其中系统内作用的箭头所指向的部件为被动装配部件,反之则为主动装配部件。

装配工艺全息模型的构建包括3个步骤:

(1) 检查待装配产品的零件图和装配图,熟悉产品的零件组成及各个零件的结构,区分出已有工艺中的装配单元,并按照划分好的装配单元,将每个单元中所需的零件绘制成系统内单元模块的形式;

(2) 分析每一个零件装配时所需的工具、设备等条件,按照每个装配过程的作用绘制出系统间作用模块。

(3) 根据产品结构将产品零部件用系统内作用连接起来,再根据每个装配动作连接对应的系统间作用模块,并标注系统间作用模块中的信息,按照装配单元划分,在模型图中画出装配单元将装配单元中的所有零件用虚线框标识,并将装配基准用红色线条标识。绘制完成如图4所示的装配工艺全息模型。

2 装配工艺失效预测的引导

图4所示的装配工艺全息模型是产品装配工艺失效预测的基础。产品装配工艺的失效预测将针对该全息模型进行逆向提问,用分析者能够得到的让目标系统失效的所有方式审视整个系统,判断该系统在预期情境下是否会失效[27]。在装配工艺全息模型中包含了目标产品在装配阶段的关键信息,设计者可基于关键信息对原有的装配工艺进行逆向提问,预测所有可能的失效模式。

2.1 装配工艺失效

失效的定义是宏观层面对整个装配过程及其结果的要求。Zia等人[28]指出装配是一个多目标的任务,而且HHM模型[29]从安全、质量、环境、成本、效率、资源等6个角度给出相应的要求。为了确保失效预测的全面性,相对的装配工艺失效从这6个角度给出不同的定义:安全失效、质量失效、环境失效、成本失效、效率失效、资源失效。如表1所示。

表1 不同角度下的装配失效定义

2.2 失效特征关键词

将装配工艺失效落实到微观层面,必须针对系统中划分的具体装配工艺步骤进行逆向提问。逆向提问的核心是失效关键词,为了保证所有可能发生失效都被关注到,必须将失效特征以失效关键词的形式表达并与表1失效类型建立联系,论文统计了现有装配工艺中的失效模式并按照表1中的失效类型分类,对每一类失效类型中失效模式进行特征提取,将所获取的失效特征凝练得到不同类型装配工艺失效的失效关键词,如表2所示。

表2 装配工艺设计各阶段失效关键词及解释

装配工艺的失效预测将在装配工艺全息模型每个环节应用具体失效关键词进行逐级逆向提问,通过多次迭代提问预测装配工艺所有可能存在的失效。并按照表1中提出的6种失效类别进行分类。

由于机械系统结构复杂、零部件数量繁多、存在多种耦合作用的影响等特点[30],在使用逆向提问方法进行预测后,受逆向提问“放大化、绝对化”的特点的影响,导致所预测出来的失效并不一定会真的发生,因此需要基于TRIZ中的资源分析对逆向提问预测出的失效进行筛选,剔除不可能发生的失效,从而得到确定发生的失效模式;然后利用TRIZ中的问题解决工具,如物质-场分析等,对失效进行解决。

3 装配工艺的失效预测过程模型

基于以上研究,论文提出的产品装配工艺失效预测方法的可应用过程模型如图5所示。

图5 装配工艺失效预测过程模型

使用步骤分为:

(1) 了解目标产品,明确产品的结构组成及该产品的原有工艺;

(2) 整理企业现有资源,结合目标产品原有工艺,绘制装配工艺全息模型,再从原有装配工艺中获取相关信息将装配工艺全息模型补充完整;

(3) 应用不同类型的失效关键词对构建出的装配工艺全息模型进行逆向提问,将存在失效特征的装配环节汇总出来,以待后续筛选与解决。其中逆向提问的顺序默认与图5中的顺序一致,也可根据具体产品及企业要求做适当的调整;

(4) 将所有预测出的失效环节汇总并应用TRIZ中的资源分析与企业失效环节试装评定的方式判断失效是否真的会发生,对于确定发生的失效应用构建物质-场模型,并应用物质-场模型变换的方法依次进行失效解决,最终得到最终工艺。

4 工程案例

随着电器在生活中的普及,插座是家庭中必备的物件,为了保障家庭用电安全防触电保护门这项安全性能显得尤为重要。插座保护门是应用尤为广泛的一项保护措施,GB/T 2099.1也对其做了明确的规定。其中家用五孔插座弹簧保护门在其中的应用最为广泛。但是在五孔插座的装配过程中,主要还是应用流水线装配的方式,由单人完成整个五孔插座的装配,但是在目前的装配工艺下,五孔插座的装配不能达到企业预期的要求,存在装配工艺失效,论文采用面向装配工艺的失效预测方法预测五孔插座装配工艺失效形式,为后续企业的工艺改进提供必要基础。

步骤1:明确产品结构及工作原理。

针对五孔插座的结构图、验收标准等资料进行分析,明确其内部结构如图6所示,其结构名称从左到右依次为内框、边框、面板、盖板、保护门弹簧、三孔保护门、二孔保护门、保护门弹簧、零线插槽、火线插槽、地线插槽、基座、安装架、接线柱(三个)、接线螺栓(三个)。

图6 五孔插座结构图

主要原理是:正常情况下插座的插孔是由保护门挡住保护用户安全,当插头插入时,插头挤压保护门斜角,因为保护门在插入方向自由度受限制,保护门会向垂直方向运动挤压弹簧,此时插头可以顺利插入,与后方基座连通顺利接通电源。验收时在安全要求层面,插座的各项安全指标应符合国家标准,在功能层面,当插头插入使保护门效应顺利打开,并且插头应与插套充分接触,当插头拔出时,保护门受弹簧弹力自动闭合。

步骤2:构建装配工艺全息模型。

阅读企业中已有的五孔插座装配工艺。在企业原有的装配工艺中主要采用的是固定装配,整个插座的组装是由一个人在固定点完成。在原有的装配工艺中将盖板、三孔保护门、三孔保护门弹簧、二孔保护门、二孔保护门弹簧作为一个装配单元,将火线插槽、零线插槽、地线插槽、基座作为一个装配单元,这两个单元的装配属于并列关系并没有先后顺序要求,在两个装配单元装配完成后将这两个单元先装配起来,之后按照接线柱、接线螺栓、安装架、面板、边框、内框,这个顺序进行装配。在此基础上,首先,根据步骤1中的产品结构,绘制每一个零件的系统内单元模型,并标注装配基准件与装配单元组合,再将存在装配关系的单元应用系统内作用连接起来;其次,按照原有装配工艺要求统计每一个装配元动作所需工具,并将绘制为系统间作用模型,连接到对应的系统内作用模块上;最终,检查补充模型中装配顺序、装配时间单位等信息。得到五孔插座的装配工艺全息模型,如图7所示。

图7 五孔插座原有装配工艺全息模型

步骤3:基于关键词的装配工艺失效预测。

应用表2中的关键词对该装配工艺全息模型进行提问,为了验证失效预测的准确性,避免逆向提问“放大化”、“绝对化”的影响需要对初步预测出的8中失效模式应用TRIZ方法进行筛选最终得到可能发生的失效模式如表3所示。

表3 可能发生的失效

(1) 由于火线插槽与零线插槽结构复杂,在弯折处容易划伤工人的手,造成安全失效,但应企业要求,工人在工作时需要佩戴乳胶手套,其物质-场模型如图8所示,因此是失效不会发生;

图8 物质-场模型

(2) 工人在装配二孔保护门时弹簧受力不均弯折无法继续使用造成成本失效,试装后专家评分结果的均值在区间[0.6, 0.8]之内,该失效可能发生;

(3) 受基座与接线柱结构的影响,工人在装配接线柱时只用手在不借助其他工具的情况下很难讲接线柱装配到指定位置造成资源失效,且经过资源检索,企业内缺少这样的工具,因此该失效可能发生;

(4) 接线柱在装配后与对应的插槽接触不足导致断路,不符合验收标准造成质量失效,试装后专家评分结果的均值在区间[0.4, 0.6]之内,该失效可能发生;

(5) 在装配单元①与装配单元②装配时,三孔保护门门发生错位造成质量失效,试装后专家评分结果的均值在区间[0, 0.2)之内,该失效不会发生;

(6) 三孔保护门装配时存在多次定位,造成效率失效,试装后专家评分结果的均值在区间[0, 0.2)之内,该失效不会发生;

(7) 三孔保护门装配时三孔保护门弹簧存在多次定位,造成效率失效,试装后专家评分结果的均值在区间(0.8,1]之内,该失效可能发生;

(8) 火线插槽与零线插槽结构相似,装配时出现混淆造成效率失效,试装后专家评分结果的均值在区间[0.2, 0.4)之内,该失效可能发生。

针对上述预测出的失效问题,企业应用TRZ中的物质-场变换方法对其进行改进。不同失模式的改进方案如表4所示。企业针对不同的失效模式分别选择了解决方案1.1、2.1、3.2、4.2、5.2,对原有工艺进行改进,经验证企业通多上述方法的工艺改进后降低了废次品率。

表4 失效模式的物质-场模型及对应的解决方案

5 结论

为解决装配工艺分析的滞后性和单一性问题,论文提出了面向装配工艺的失效预测方法。通过建立了装配工全息模型用来全面表示产品装配中所设计的信息,重新定义了装配工艺的失效形式,在此基础上,结合产品装配特点及装配失效关键特征,确定产品装配工艺失效的失效关键词,在装配工艺全息模型的基础上应用不同失效形式关键词进行逆向提问,发现装配工艺的失效模式,实现了装配工艺的失效预测。面向装配工艺的失效预测方法针对装配工艺多目标要求,解决了装配工艺的分析滞后性问题,为后续的工艺优化明确目标、指明方向。最后,应用该方法对现有五孔插座装配工艺进行了失效预测,并在此基础上应用TRIZ的相关工具完成了五孔插座装配工艺的优化。