開關設備裝配工藝設計與制造協同優化技術

胡進壽，王 莎，蘇曉毅，趙 勇，趙東平

（1.西安西電電氣研究院有限責任公司，西安 710075；2.西安航空學院，西安 710077）

0 引言

開關設備生產模式涉及多品種小批量、單件中小批量和單件大批量等多種方式，屬于典型的復雜離散制造模式。開關設備作為一種機電混合裝備，具有整機組成復雜，包括結構件、元器件、PCB、線纜等成分；產品布局復雜、空間狹小、結構密集等特點[1,2]，總裝成套難度大。目前，其產品制造過程以手工裝配為主，工藝指令復雜，生產流程長；大多采用“按訂單設計和制造”的生產模式，個性化需求高，設計變更頻繁；產品類型多，車間產線多，混流生產現象普遍；外購件成品件多、標準件多，物料齊套性要求高。嚴密有序、分工明確、高效協作的工藝設計與生產制造過程是保證開關設備高效率、高質量制造的基礎[3,4]。

為了實現開關設備的智能化設計與制造，學者們在設計與制造協同技術領域進行了探索。李雙躍、殷國富等人[5]根據敏捷制造和機械加工工藝設計特征的要求，論述了協同工藝設計的體系結構、協同工藝設計中工藝制造資源中間件的解決方案、服務器端應用程序的開發和實現方法，為實現協同工藝設計提供了技術支持。李田、成思源[6]對開關盒裝配現存問題進行組件分析和問題分解，根據創新原理模塊得出多種解決方案，并進行方案評估。吳瀛峰[7]針對高壓開關產品的裝配線提出一個實際的裝配過程優化問題，即在傳統的空間布局問題中，加入了裝配線工藝流程約束，建立了整數規劃模型，并為該模型開發了啟發式算法。

然而，目前開關設備裝配工藝設計與現場制造的協同運行仍然存在問題，裝配工藝數據和生產過程數據集成度不高。裝配工藝設計數據，尤其是產品三維模型數據、工藝仿真數據等在裝配現場沒有得到充分應用，裝配工藝設計過程和現場生產沒有形成信息閉環，不能基于現場制造數據進行裝配工藝優化，導致現場物料齊套性準確度不高、工藝指令對復雜產品裝配的指導性和示教性不理想、裝配質量數據不能反饋工藝設計、裝配工藝設計結果的可行性不高等突出問題。為此，本文研究開關設備裝配工藝設計與現場制造的協同優化，構建開關設備裝配工藝設計與現場制造協同優化流程，重點研究基于工藝數據的現場制造優化和基于生產質量數據反饋的裝配工藝設計優化。

1 開關設備工藝設計與制造協同優化流程構建

1.1 開關設備工藝設計與制造過程分析

開關設備的組成為框架、三相極柱、斷路器、底盤車、傳動機構等，其核心部件是斷路器。斷路器的裝配工藝設計和裝配過程能夠充分反映開關設備的制造特點，其裝配過程如圖1所示。

圖1 斷路器裝配流程

目前，斷路器產品已實現了基于MBD（Model Based Definition，基于模型的定義）的數字化定義，具有完整、清晰的產品結構，具備裝配工藝設計制造協同優化的條件[8～10]。

1.2 裝配工藝設計與制造協同優化流程構建

開關設備裝配工藝設計與制造協同優化依賴于開關設備產品裝配工藝設計和裝配生產過程之間的數據交換與業務協同，其協同優化流程如圖2所示。

開關設備的裝配工藝設計包括裝配工藝總體規劃、工藝詳細設計、裝配過程仿真和裝配精度仿真環節；制造現場主要包括生產計劃制定、裝配操作執行、產品質量檢驗、裝配問題反饋與更改等業務環節。開關設備裝配工藝設計與制造協同優化流程主要包含三方面的協同優化，即基于仿真數據的裝配工藝優化、裝配工藝驅動的制造過程優化和基于質量數據反饋的裝配工藝優化。

3 基于仿真數據的裝配工藝優化

在裝配工藝設計完成后，裝配工藝仿真人員對裝配工藝設計結果的可行性和合理性進行仿真驗證（包括裝配過程仿真、裝配精度仿真）。將仿真數據和仿真問題與建議反饋給工藝設計人員，進行裝配工藝優化，如圖3所示。

基于仿真的工藝設計與優化包括開關設備裝配工藝設計、開關設備裝配過程仿真和開關設備裝配精度仿真三方面。

1）開關設備裝配工藝設計

開關設備裝配工藝設計，首先進行工藝規劃，實現工藝可行性分析、工藝組件調整、工藝路線劃分和裝配單元劃分。通過添加工藝組件、工藝路線等信息，形成PBOM（Plan BOM）和初步的工藝數模。接著，進行裝配工藝設計與驗證，包括裝配順序規劃、裝配過程仿真（含操作仿真、人機仿真）、裝配精度仿真和作業指導書編制，實現對可裝配性和裝配精度的仿真驗證，編制三維作業指導書，添加制造資源，分配工位BOM（Bill of Material，物料清單），加入基準、公差等仿真用信息和PMI（Product manufacturing information，產品制造信息）等指導書標注信息，形成MBOM和工藝設計結果。

2）開關設備裝配過程仿真與優化

裝配工藝過程仿真是在開關設備工藝模型和裝配資源模型（如設備模型、工裝模型、工具模型等）的基礎上，進行裝配順序設計、裝配路徑規劃，仿真開關設備零部件之間、零部件與裝配工具之間可能存在的干涉區和干涉量等，并輔助工藝設計人員查找和分析干涉原因。通過裝配過程仿真消除潛在的裝配沖突與缺陷，提升開關設備裝配工藝設計結果的可行性。

3）開關設備裝配精度仿真與優化

裝配精度仿真是在初始工藝組合件劃分和工藝設計的基礎上，進行裝配精度信息建模，并仿真計算裝配累積偏差，分析評估開關設備產品關鍵裝配精度的可達性和裝配工藝能力。通過進一步分析裝配偏差影響因素的貢獻度，對開關設備裝配工藝進行優化和改進，而達到減少生產風險、節省制造成本、提高生產效率的目的。

圖2 開關設備裝配工藝設計與制造協同優化流程

圖3 基于仿真的工藝設計與優化

4 裝配工藝驅動的制造過程優化

現場裝配人員依據裝配作業指導書進行裝配生產執行，并根據作業指導書中的檢驗要求或數模中預定義的檢驗信息進行產品裝配質量檢測。裝配工藝驅動的制造過程優化包裝配工藝數據驅動的裝配生產執行、裝配精度仿真數據驅動的裝配質量檢驗兩方面，如圖2所示。

4.1 裝配工藝數據驅動的裝配生產執行

生產人員依據裝配工藝設計數據，結合生產計劃，進行裝配工藝數據發放、現場可視化查看、裝配操作執行、現場物料配送，最終實現基于裝配工藝數據驅動的生產執行。

1）裝配工藝設計數據發放。開關設備裝配工藝設計完畢后，需要將PBOM、工藝過程信息、作業指導書和工藝數模等工藝設計數據，以及產品設計圖紙或者數模通過協同制造系統發放到生產現場，作為指導現場生產的技術依據。同時，開關設備裝配工藝數據發放應考慮與生產計劃的協同，通過獲取生產計劃信息控制工藝數據發放的時間、地點等。

2）裝配工藝設計數據的現場可視化。為了使開關設備裝配工藝設計數據在生產現場得到充分應用，需要對裝配工藝包含的基礎數據進行實時查看、裝配工藝過程、裝配操作指導書、工序裝配動畫等進行可視化查看，以實現基于可視化裝配工藝指令的現場生產和裝配示教。

3）裝配現場操作執行與物料配送。現場操作人員基于可視化的裝配工藝指令，進行工位、工序、工步的裝配操作，使現場裝配操作正確、有序地進行。同時，基于工位BOM數據，進行精準、有序地物流配送。

4.2 裝配精度仿真數據驅動的產品質量檢驗

裝配工藝設計階段的精度仿真確定了裝配體容差分析方案，為生產現場開關設備的檢驗提供了檢驗要求和合格判定標準。同時，通過計算偏差源敏感度，可識別出對目標裝配精度影響大的關鍵特征。以開關設備關鍵特性為基礎，制定質量檢驗計劃，實現裝配精度仿真數據驅動的質量檢驗。

1）確定關鍵檢驗工序。基于裝配精度仿真結果，識別對產品裝配精度影響較大的關鍵工序，定義為關鍵檢驗工序。通過控制關鍵檢驗工序的產品質量，實現有的放矢地精度控制，避免和減少非關鍵工序的檢驗，降低檢驗成本。

2）確定關鍵檢驗項目。開關設備裝配過程中產品的制造公差、裝配容差、工具和夾具定位誤差、裝配方法等都會影響開關設備最終的裝配質量。基于裝配精度仿真結果，對關鍵檢驗工序進一步細化，確定關鍵檢驗項目。通過控制關鍵檢驗項目，如平面度、輪廓度等，實現在開關設備質量控制范圍內減少不必要的檢驗項目。

5 基于質量數據反饋的裝配工藝優化

現場裝配完成后，裝配執行人員依據作業指導書中的檢驗要求進行裝配質量檢測、裝配質量校驗，記錄裝配信息，形成產品質量報表，將在此過程中發現的質量問題，通過變更申請反饋給工藝設計人員，實現基于質量數據反饋的裝配工藝優化。為此，需要構建生產現場質量數據反饋機制，并與裝配工藝設計業務進行協同，達到持續優化裝配工藝，改善產品質量的目的。

開關設備的裝配質量，受裝配工藝眾多參數的耦合影響。當裝配生產現場出現質量問題時，需將現場質量問題反饋至工藝設計，追溯工藝數據，分析對裝配質量影響較大的裝配工藝參數，并針對該參數進行優化、調整。

5.1 開關設備質量影響因素分析

在開關設備裝配過程中，常由于多種工藝因素影響導致開關最終的裝配精度難以滿足要求。這時，則需要對開關設備裝配過程中的工藝影響因素進行分析。這些工藝影響因素包括零部件制造偏差、裝配定位偏差、制造資源及其定位偏差、裝配順序、裝配容差方案等。同時，開關設備裝配中的受力變形、受熱變形等也會導致產品裝配精度超差。影響開關設備裝配質量的因素如圖4所示。

1）零部件制造偏差。開關設備零部件制造精度受加工流程、加工方法、生產設備、溫度和材料內應力等因素的影響，使零部件的幾何外形和相關尺寸產生偏差，表現為對稱度、同軸度、位置度，直線度、平面度、圓度、圓柱度、面輪廓度，平行度、垂直度、傾斜度，圓跳動和全跳動等。這些制造偏差通過零部件結構上的關鍵特性進行傳遞，最終對開關設備的裝配質量產生影響；同時，由于某些零部件本身剛度不足，在裝配過程中受自身重力、裝配力等作用而產生較大變形，變形偏差與零部件尺寸偏差、裝配定位偏差等進行耦合，沿著偏差傳遞路徑傳遞到目標裝配特征上，從而對開關設備最終的裝配質量產生影響。

圖4 開關設備裝配質量影響因素分析

2）工具、夾具的制造與定位偏差。工具、夾具除在制造過程中產生的偏差外，在安裝調試時會受到測量設備的精度、自身重力等因素的影響，產生定位、夾緊偏差，從而對開關設備裝配質量產生影響。

3）裝配偏差。裝配偏差包括裝配基準、零部件定位方案、裝配順序、裝配方法、裝配路徑、連接工藝等。如裝配順序、定位基準等因素決定了偏差的傳遞方向；不同的連接方式對參與裝配的零部件產生的連接力不同，這些因素最終都反映到了開關設備最終的裝配精度上。

4）其他因素。在實際裝配中，車間溫度變化、現場工人操作熟練度等因素引入的偏差，使得裝配路徑發生偏移、裝配的工具、夾具、零組件等產生變形，從而對最終裝配偏差產生影響。

5.2 質量影響因素敏感度分析

通過上述分析，現場裝配質量受裝配過程多種因素制約和影響。為了在眾多質量影響因素中確定主要因素，實現面向裝配質量控制的工藝優化，需要進行敏感度分析。

影響開關設備裝配質量的偏差來源可進一步用數學模型來表示。若E為某一裝配偏差來源，則其數學表示模型可寫為：

其中，x，y，z為偏差的沿空間坐標的大小。

α，β，γ為偏差的沿空間坐標的方向。

裝配過程中的多種偏差沿著裝配流程進行逐步積累，最終將積累結果反映到開關設備的目標質量上。待裝配完成后，目標裝配質量的偏差積累可表示為：

H為目標裝配要求的精度。

M為裝配過程偏差來源。

A子裝配體間的偏差。

由于偏差傳遞是沿著裝配尺寸鏈進行傳遞和積累的。因此，可由開環和閉環尺寸鏈原理將式(2)表達為：

其中，HC表示目標裝配尺寸的開環偏差積累效應。

HO表示目標裝配尺寸的閉環偏差積累效應。

為進一步計算目標裝配尺寸的偏差源敏感度，對式(3)進行泰勒展開，即：

其中，δmi表示裝配過程偏差的微小變化。

ai表示子裝配偏差的微小變化。

泰勒展開后，閉環和開環偏差傳遞模型可線性化為：

[L]，[N]分別為開環偏差傳遞模型對裝配過程偏差和子裝配體偏差的系數矩陣。

[B]，[C]分別為閉環偏差傳遞模型對裝配過程偏差和子裝配體偏差的系數矩陣。

通過公式變化可得：

其中，[B-CN-1L]為影響最終目標裝配質量的偏差因素敏感度。

得到了影響質量的各因素敏感度，即識別出了關鍵影響因素。則可通過對關鍵影響因素的調整，優化開關設備裝配工藝設計結果，控制裝配質量。

6 結束語

針對開關設備目前裝配設計與現場制造之間缺乏協同優化環節，導致裝配工藝設計結果可行性不高，產品質量不能持續提升的問題，研究了開關設備裝配工藝設計與制造協同優化技術。構建的開關設備裝配工藝設計與制造協同優化流程，以及提出的基于仿真數據和生產現場質量數據的裝配工藝優化思路與方法，為開關設備工藝設計與制造協同優化提供了理論依據。