基于MES的擰緊工位改進設計與實現*

徐　朋，王　蔓，樊雙蛟，王德權

(大連工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034)

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基于MES的擰緊工位改進設計與實現*

徐朋，王蔓，樊雙蛟，王德權

(大連工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034)

針對變速器裝配線擰緊工位存在的擰緊混亂、擰緊信息反饋滯后等問題，提出了基于MES系統的改進方案，實現了對工位可視化裝配指導、智能防錯控制、裝配信息可追溯和物料監控信息化等方面的改進。系統基于OPC技術實現了對PLC擰緊過程實時監控和質量數據采集，結合擰緊工位工藝流程和企業工位需求開發了裝配指導、擰緊防錯、裝配信息追溯和擰緊物料提示模塊，實現了手動工位擰緊過程可視化和信息化管理，在保障變速器手動擰緊工位有序裝配同時，提高工位節拍和裝配質量。該系統已投入商業生產，運行穩定。

擰緊指導；擰緊防錯；信息追溯；物料監控

0　引言

在經濟全球化和用戶需求多樣化的今天，市場對汽車供應商、變速器生產商的要求不斷增加，在保證產品質量的同時，尋求更低生產成本。這就要求各汽車變速器生產企業建立一種適用范圍廣、靈活多變的柔性化的裝配系統[1]，確保裝配工序穩定和產品品質，這樣才能增強企業的應變能力，其產品才能在激烈的競爭中迅速占領市場。

傳統手動擰緊工位通過HMI(人機界面)實現人機信息交互，擰緊過程中擰緊順序固定，且缺少擰緊位置指導和數據存儲功能，因此裝配時存在漏擰、擰緊混亂、擰緊數據無法存儲等潛在質量風險，從而造成變速器部分或批量返修、報廢等情況，嚴重影響了產品的質量和整線的FQT(一次下線合格率)，增加了變速器的制造成本[2-3]。

本文以變速器在換擋器組件及分離軸承組件擰緊工位為例，針對汽車變速器裝配線擰緊工位存在的問題，提出基于MES的智能信息化手動擰緊方案設計，該設計實現擰緊過程控制和擰緊信息實時在線追溯，確保變速器在當前工位擰緊合格，從而提高變速器一次合格率，大大減免返修與整改工序[4]。

1　擰緊工位分析

1.1擰緊工位工作流程

本工位手動擰緊裝配的螺栓有換擋器組件螺栓6顆、倒車燈開關1顆、液壓分離軸承組件螺栓3顆，其中換檔器組件螺栓擰緊力矩26±2N·m、換檔器組件螺栓擰緊力矩26±2N·m、雙頭螺栓擰緊力矩32±2N·m、倒車燈開關擰緊力矩20±2N·m。具體工作流程如下：

(1)變速器從自動工位(變速器結合面擰緊工位)流轉到手動工位后，操作者從小車工裝上取出總裝換檔器組件進行合箱，然后從料箱中選擇換擋器組件螺栓；

(2)操作者按照工藝文件要求，用電動板手對換擋器組件螺栓進行順序擰緊；

(3)將托盤翻轉90°，離殼一側朝上，按照工藝要求，將液壓分離軸承組件螺栓擰緊到位；

(4)對倒車燈開關螺栓進行擰緊；

(5)螺栓擰緊完成，操作者選用數顯扭矩扳手對工位螺栓進行力矩復檢，復檢完畢，變速器放行。

1.2手動擰緊工位存在的問題

針對上述工作流程，手動工位通常會出現以下問題：

(1)傳統手動擰緊工位，操作者對多種螺栓或返修件進行擰緊，需要查看工藝要求，這個過程存在因缺少可視化實時指導而引發螺栓漏擰及錯擰問題，嚴重影響裝配品質和生產節拍；

(2)變速器在自動擰緊工位出現不合格擰緊并流轉到后續手動擰緊工位，該手動工位不能對此不合格產品做出質量缺陷反饋及處理，無法真正將“不傳遞缺陷、不接受缺陷”的精益生產理念應用到實際生產中；

(3)基于HMI的電動扳手，因缺少擰緊信息數據存儲[5]，不利于工位后續SPC數據分析；

(4)手動擰緊時，操作者因螺栓差異不大或螺栓種類過多而導致螺栓誤裝配，缺少擰緊物料監控。

2　擰緊工位的改進設計

針對手動工位實際生產中存在的不足，對該工位進行改進方案設計，重點包括以下幾個方面：

(1)裝配指導可視化

針對擰緊工位的業務特點和擰緊流程，開發擰緊指導可視化功能模塊。通過該功能模塊設計，實現擰緊位置、擰緊狀態(當前擰緊、已完成和未完成擰緊)以及力矩套筒選用的智能化管理。

(2)系統防錯可控化

通過改進系統功能，實時檢測自動擰緊工位變速器合格狀態，實現自動擰緊工位不合格變速器在手動擰緊工位返修擰緊。該功能能夠彌補自動擰緊缺陷，完善工序擰緊業務，實現精益生產理念。

(3)裝配信息可追溯化

利用OPC技術，實時采集當前工位擰緊信息，保證信息采集的高效和可靠，實現擰緊過程與數據采存實時同步。

信息采集完成后可利用過程波動的統計規律性對生產進行分析控制，從而使產品和服務穩定地滿足顧客的要求。

(4)物料監控信息化

針對擰緊過程缺少物料檢測信息提示而導致螺栓誤裝配問題，為擰緊工位開發物料提示功能，對工位物料進行信息化管理。

系統在擰緊過程實時監測螺栓擰緊位置，并嚴格劃分螺栓裝配種類，提高螺栓選配準確率，確保工位節拍[6]。

3　擰緊工位的改進方案實現

本文通過以下業務設計，實施上述改進方案，一是通過設備與MES聯動配合[7-8]，實現擰緊指導可視化和物料監控信息化；二是通過對手動擰緊工位MES信息采集系統的開發，實現擰緊過程可追溯化以及對自動擰緊工位防錯可控化。

3.1擰緊組件選配

擰緊設備包含手持式電動扳手、套筒選擇器、擰緊軸、力矩顯示器。擰緊時MES和各個設備之間密切配合，從而在可控范圍內實現不同力矩擰緊。其中套筒選擇器按照要求放置不同規格擰緊軸，力矩顯示器顯示當前擰緊力矩、角度。

設備規格：套筒選擇器力矩分為20N、25N、35N三種規格；電動扳手采用Atlas Copco電動扳手Tensor ETV ST61-50-B10-BCR(8433 2034 75)。擰緊組合示意圖如圖1所示。

圖1　擰緊組合示意圖

3.2裝配指導模塊實現

針對擰緊過程存在的漏擰及錯擰問題，對該工位進行系統功能開發，實現在線擰緊、在線返修和離線返修的可視化指導及擰緊過程可視化控制[9]。

擰緊指導功能開發過程中，需MES和PLC按照工件類型制定擰緊邏輯，在數據庫[10]表[電子看板_工位機型_質量數據測量位置]里面編寫PLC和MES邏輯接口協議，協議主要包括：擰緊工位編號、數據采集的DB塊位置、擰緊順序、螺栓選用套筒號、擰緊狀態(當前位置是否已擰緊)、擰緊位置、螺栓名稱、發動機型號、是否存儲(當前擰緊數據是否存儲)等信息。

3.2.1在線擰緊指導實現

變速器正常到位后，PLC將MOBY記錄的機型信息傳遞到MES，MES按照邏輯接口定義下達該機型擰緊邏輯，上位機呈現當前工序擰緊指導(如圖2所示)，包括當前擰緊螺栓的擰緊順序、擰緊套筒編號，其中*號指示燈代表當前待擰螺栓，△號指示燈為未擰緊螺栓，底部1號指示燈為當前擰緊使用套筒。

然后MES下達開始擰緊指令，PLC讀取擰緊順序和擰緊套筒編號，并控制套筒設備指示燈閃爍，操作者拾取對應指示套筒，擰緊槍啟動。

圖2　工序擰緊指導界面

操作者按照擰緊指導要求進行擰緊，達到力矩指定范圍，擰緊槍停止動作，PLC根據擰緊合格范圍判別擰緊結果，并將擰緊結果(擰緊數據、擰緊完成指令)回傳到MES控制中心[11]，屆時MES顯示螺栓擰緊數據，同時根據擰緊結果(合格標志)做出下一步擰緊邏輯：擰緊結果合格，工位機上顯示合格標志并按照擰緊指導繼續擰緊，直至擰緊完成；擰緊結果不合格，工位機上顯示不合格標志和在線返修提示，變速器進行在線返修處理。

3.2.2在線返修指導實現

上一節所示擰緊結果不合格，MES做出在線返修擰緊邏輯處理提示，操作者根據提示對當前螺栓進行再次擰緊或結束擰緊。再次擰緊時，MES查詢當前擰緊螺栓的擰緊位置和所需套筒信息，并將查詢結果異步傳遞到上位機和PLC。

上位機機顯示在線擰緊指導，其中△號指示燈為擰緊完成螺栓，*號為返修再擰緊螺栓。如圖3所示。

圖3　在線返修擰緊指導界面

PLC控制擰緊槍動作，對該不合格螺栓進行再次擰緊。擰緊完成后，MES采集當前擰緊螺栓質量數據并對原數據進行覆蓋[12]，確保擰緊結果實時準確，實現本工位螺栓在線返修擰緊，避免返修下線的風險。

本工位擰緊過程中存在螺栓斷裂、擰緊位置缺陷等狀況，針對這些問題本工位沒有合理的解決方案，需下線拆解或更換殼體，操作者選擇取消擰緊，則該不合格變速器流轉下線，等待離線返修處理。

3.2.3離線返修指導實現

由于離線返修變速器返修情況復雜，決定本工序擰緊數量與擰緊位置存在差異。因此，針對離線返修的變速器，需要靈活性的制定擰緊邏輯。

離線返修變速器重新上線到位，MES查詢變速器檔案，將擰緊數據推送到擰緊上位機。上位機顯示擰緊記錄(擰緊完成和待擰緊螺栓記錄)，操作者通過手動選擇界面，對返修螺栓進行在線擰緊選擇，返修螺栓選擇界面如圖4所示。

圖4　返修螺栓選擇界面

返修螺栓確認后， MES更新數據庫表[電子看板_工位機型_質量數據測量位置]中螺栓擰緊狀態，制定擰緊邏輯，并在擰緊上位機顯示返修指導，指導界面如圖3所示。操作者按照返修擰緊指導，對選擇螺栓進行擰緊，直至擰緊結束。

3.3擰緊防錯模塊實現

變速器在自動擰緊工位存在擰緊問題，手動擰緊工位需對其進行防錯報警提示并對不合格螺栓進行指導返修擰緊，從而保證變速器的合格裝配。具體實現如下：

(1)變速器經自動工位流轉到手動工位，MES對總成變速器進行合格判定。若判斷該變速器合格，則MES對其進行在線擰緊指導，操作者按照擰緊指導完成擰緊業務。

(2)若自動工位擰緊不合格，MES對螺栓質量數據進行查詢并在手動工位制定返修擰緊指導，操作者按照指導進行擰緊。

(3)返修螺栓擰緊合格后，MES對返修數據進行存儲，不合格螺栓返修完成。

(4)MES按照本工位要求，進行在線或離線擰緊業務處理，直至擰緊業務完成，合格放行。

3.4裝配信息追溯模塊實現

手動擰緊可追溯模塊包含數據采集、數據存儲、SPC數據分析，實現了擰緊工位質量數據全追溯。

螺栓擰緊數據采集時，MES與PLC之間需定義各個螺栓合格標志位、數據存儲位、數據類型、PLC訪問地址，便于數據存儲與合格判定。

本模塊一方面利用數據采集接口，實現遠程數據采集功能，實現過程中使用C#語言創建OPC[13]客戶端；用異步方式按照當前擰緊順序對遠程OPC 服務器指定DB塊進行數據采集(配置DCOM 相關參數)。讀取完成后，通過OPC 客戶端可以把用戶的命令傳達到MES服務器，實現信息互訪，保證數據存儲過程的安全性和實時性。

另一方面利用SQL Server 2008數據庫訪問技術，確保采集信息的實時和可靠存儲[14]。變速器生產企業可使用SPC數據進行質量控制、管理過程分析(如產品設計、市場分析等)，幫助企業在生產中真正作到“事前”預防和控制。

3.5擰緊物料提示模塊實現

擰緊物料提示通過對擰緊過程中物料的選取進行指導，提高了物料選取的速度和準確性，有效保證了生產節拍和裝配質量。

變速器到位，MES下達擰緊邏輯和開始擰緊指令，PLC根據擰緊邏輯激活料燈，物料檢測燈變綠，通知操作人員拾取該料盒內的零件。

拾取過程中，料燈(接觸式或非接觸式傳感器料燈)檢測到操作者取料動作后產生信號[15]，PLC通過觸發信號有無判別螺栓是否被拾取。若沒有按照指示進行螺栓拾取，物料檢測燈紅色閃爍報警，PLC控制擰緊槍停止動作；若成功拾取，PLC控制此料燈熄滅，同時擰緊槍開始動作，對螺栓進行擰緊。擰緊完成，PLC將完成指令回饋到MES，MES按照擰緊邏輯做出下一步擰緊指令，重復此過程，直到結束。料燈檢測如圖5所示。

圖5　料燈檢測圖

4　結論

本文介紹了基于MES的擰緊工位改進設計與實現。改進后的擰緊工位能夠實現對物料的選取、擰緊的位置和順序進行智能化指導，同時對自動擰緊工位擰緊結果進行控制處理，防止缺陷傳遞，同時保障了擰緊信息的在線存儲和實時反饋。以上方案的實施，解決了基于HMI的手動擰緊工位在擰緊順序不靈活、擰緊過程指導性不強、擰緊信息無法保存等方面的弊端，

為企業手動擰緊裝配提供了良好的解決方案。

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(編輯李秀敏)

Design and Implementation of Improvements Based on MES Tightening Station

XU Peng,WANG Man,FAN Shuang-jiao,WANG De-quan

(School of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University, Dalian Liaoning 116034, China)

Aiming at the confusion in the tightening station, the feedback lag of the tightening information and other issues in the transmission assembly line, an improved scheme was put forward based on MES system. The scheme had improved the visual assembly instruction on the station, the intelligent error proofing control, the assembly information tracing and the monitoring of materials information and other aspects.The system realized the real-time monitoring and quality data acquisition of the PLC tightening process by the using of OPC, and developed the following four modules combining with the tighten station process and business needs: assembly instructions, tightening mistakes proofing, assembly information tracing and tightening material prompt. It had achieved the visualization and informatization management of the manual station tightening process, and improved the station beat and assembly quality beside the orderly operation of the transmission assembly. The system had been put into commercial production, and stayed stable.

tighten online；tighten proofing；information traceability；material monitoring

1001-2265(2016)07-0146-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.041

2016-01-22；

2016-02-27

國家自然科學基金(71401022)

徐朋(1988—)，男，山東滕州人，大連工業大學碩士研究生，研究方向為企業信息化管理，(E-mail)790556413@qq.com；通信作者：王蔓(1973—)，女，遼寧大連人，大連工業大學副教授，研究方向為材料及信息化管理，(E-mail)wangman3669@sina.com。

TH122;TG65

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