排插全自動智能組裝線的設(shè)計與實現(xiàn)

周偉強，胡青濤

（1.上海廣川科技有限公司，上海 200444；2.浙江工程設(shè)計有限公司，杭州 310002）

隨著智能化和信息化水平的提高，制造業(yè)智能化逐步逼迫大量企業(yè)走上智能制造的道路，智能化生產(chǎn)在工業(yè)4.0 扮演了越來越重要的角色[1]。排插這種電器產(chǎn)品在日常生活中非常普遍和常見，但是很少人了解它的生產(chǎn)制作過程。某國內(nèi)排插生產(chǎn)企業(yè)，主要生產(chǎn)面板、排插、拖轆等常用電器產(chǎn)品，生產(chǎn)現(xiàn)場使用大量人工，產(chǎn)品附加值相對較低，產(chǎn)品生產(chǎn)線多數(shù)屬于精益生產(chǎn)的半自動化模式[2]。疫情形式導(dǎo)致勞動力的需求更加急切，也迫使企業(yè)改進生產(chǎn)，提高智能化水平，幫助企業(yè)應(yīng)對市場挑戰(zhàn)[3]。

1 產(chǎn)品特點

排插產(chǎn)品外部有塑料外殼，內(nèi)部有3 根導(dǎo)電銅排卡在外殼內(nèi)部對應(yīng)插口位置，傳統(tǒng)的人工組裝過程，由于銅排變形嚴(yán)重，工人只能通過用手工強行用力硬壓在對應(yīng)插口位置，致使工人工作時手指上都戴著指套和纏繞膠帶。自動化產(chǎn)線綜合評估目前現(xiàn)場的組裝工藝，產(chǎn)品的來料狀態(tài)，既有設(shè)備的連接情況，人工操作和設(shè)備操作的區(qū)別，人工后期上料和維護的方便性，整個線體的人體工程學(xué)[4]等因素來綜合考慮。零部件的組裝是形成產(chǎn)品的重要一環(huán)，裝配需要考慮多種因素：工藝順序，輔助治具，零部件標(biāo)準(zhǔn)化等因素對穩(wěn)定性造成的影響，運用創(chuàng)新性思維方式來全局通盤考慮[5]，設(shè)計出最合理的產(chǎn)品組裝工藝流程。

1.1 產(chǎn)品分析

排插開關(guān)產(chǎn)品主要有插頭，導(dǎo)線和排插主體部分由3 個組件組成，如圖1 所示。其中排插主體部分是排插中最麻煩和組裝消耗人工最多的部位，排插主體中分為上殼部分和下殼部分，上殼部分需要安裝燈罩和對應(yīng)數(shù)量的安全片；下殼部分導(dǎo)電銅片LNE 級變形較大，人工組裝過程花費的時間較多；三根導(dǎo)線需要穿入銅片孔中焊接，整體焊接完成后需要放入外殼對應(yīng)模穴中，然后再把燈膽焊接在銅片的L 和N 級上。最后在上殼和下殼合蓋用螺釘緊固為一個成品。

圖1 產(chǎn)品主要組成零部件Fig.1 Main components of the product

1.2 排插開關(guān)現(xiàn)場改造前情況

排插產(chǎn)線改造前現(xiàn)場有將近40 個操作人工對產(chǎn)品進行分工序組裝，如圖2 所示，其中排插主體部分有30 個人工，產(chǎn)品的品質(zhì)容易受到人工操作影響，導(dǎo)致每批產(chǎn)品的合格率不同，不同工序出現(xiàn)問題難以發(fā)現(xiàn)，直到最后成品檢測才能檢出，造成返工的工時浪費。

圖2 組裝線改造前示意圖Fig.2 Schematic diagram of assembly line before the retrofit

1.3 排插開關(guān)現(xiàn)場改造后情況

排插全自動智能柔性組裝線體，如圖3 所示。此線體可實現(xiàn)表格1 中所有產(chǎn)品型號的生產(chǎn)，如表1 所示。不同型號產(chǎn)品的上線生產(chǎn)，僅需要調(diào)整隨行工裝板上產(chǎn)品的定位柱和在主PLC 觸摸屏界面上輸入對應(yīng)產(chǎn)品的型號，自動化產(chǎn)線會切換實現(xiàn)產(chǎn)品型號的對應(yīng)切換，組裝過程中也實現(xiàn)產(chǎn)品的在線檢測。

表1 排插智能柔性組裝線體產(chǎn)品種類Tab.1 Product categories of intelligent flexible assembly lines for power strip

圖3 排插智能化組裝線布置圖Fig.3 Intelligent power strip assembly line layout drawings

在圖3 布置圖中，倍速鏈線體上部實現(xiàn)導(dǎo)線的不同長度裁剪，內(nèi)外剝皮，導(dǎo)線一頭實現(xiàn)插頭組裝，另外一頭卡入治具；倍速鏈線體下部實現(xiàn)排插外殼上料，上殼的燈罩，安全門組裝，銅片的扭轉(zhuǎn)上料，排插外殼下部的銅片組裝到位，上下蓋合蓋螺釘鎖附，檢測成品出料。

本文重點介紹產(chǎn)品的主體組裝部分，也即圖3線體下部的工藝流程：排插外殼上料→外殼上下蓋分開→上蓋燈罩組裝→上蓋安全門組裝→銅排L極上料扭轉(zhuǎn)→銅排N 極上料扭轉(zhuǎn)→銅排E 極上料扭轉(zhuǎn)→插頭導(dǎo)線自動放入治具→三根導(dǎo)線和銅排口定位壓鉚→視覺檢測壓鉚效果→三根銅排頂入后蓋并一起放在前蓋上→視覺檢測放置效果→上下蓋多位置同時鎖螺釘→視覺檢測螺釘鎖附效果→產(chǎn)品流出到高壓電測工序。此部分的設(shè)計實現(xiàn)圖如圖4 所示，總體采用直線型的設(shè)計理念，生產(chǎn)線線體的工作部分與外部采用全透明隔絕設(shè)計，一方面方便維護人員在外部實時觀察線體的運行情況，另一方面減少了設(shè)備對外部的干擾（如噪聲和粉塵等）。排插主體零部件自動化上料方式，如表2所示。

圖4 排插智能化主體組裝圖Fig.4 Body assembly diagram of intelligent power strip

表2 排插主體零部件自動化上料方式Tab.2 Automatic feeding mode of the main parts

2 工藝創(chuàng)新點

2.1 銅片及連接方式

現(xiàn)場人工將3 根導(dǎo)線穿在銅片中然后再焊接在一起，在此過程中人工操作繁瑣而且錫焊的焊接過程會產(chǎn)生煙塵，人工長期工作在此環(huán)境中會造成傷害；如果加上燈膽兩根導(dǎo)線的焊接，在此過程中人工需要完成5 根導(dǎo)線的穿孔和焊接工作，改造后只需要一個工位的壓鉚即可全部替代，不僅節(jié)省了焊錫材料的耗材費用，而且同時提高了組裝的生產(chǎn)效率，壓鉚后效果如圖5 所示。工藝改進確認(rèn)實施前經(jīng)過了實際驗證和相應(yīng)檢測機構(gòu)的評估，溫升、拉力和吊力試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)優(yōu)于之前人工的焊接工藝。

圖5 銅片和導(dǎo)線連接改造前后工藝效果對比Fig.5 Comparison of process effect before and after the transformation of copper sheet and wire phase connection

2.2 銅排組裝

人工操作線體上人工將焊接檢測后的銅排和導(dǎo)線一起流入后道工序，人工將銅排和導(dǎo)線按照指定位置放入外殼模具中，在此過程中由于外殼的材料變形和銅排的不規(guī)則變形，稍許偏差導(dǎo)致人工在實際工作過程很難放入正確位置，如圖1 中下殼和圖5 中銅排的變形，人工需要手動整形來滿足此部工序的實現(xiàn)，耗費了大量的人工，是整個生產(chǎn)過程的瓶頸工序。自動化線體在工藝改進后，前道工序的銅排是放在指定的工裝治具中，通過治具來限制了銅排的過大不規(guī)則的變形，將銅排變形控制在合格范圍內(nèi)。同時將外殼定位在工裝治具上，通過工裝治具對銅排進行整形后，運用氣缸的沖擊力來實現(xiàn)銅排和導(dǎo)線組裝進入外殼中，偏差范圍的控制整形和沖擊力的擠壓使得銅排很容易進入到外殼中，銅排和外殼合二為一不再會脫離開。

2.3 視覺檢測的應(yīng)用

視覺在線檢測在各行各業(yè)組裝生產(chǎn)線的應(yīng)用越來越多[6]，代替了人工的繁重勞動和容易造成誤判的情況，進一步保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。本文設(shè)計從整體的效益出發(fā)，采用了1 臺工控機連接了3 臺工業(yè)相機的硬件配置，工控機品牌采用的4 網(wǎng)口研華工控，相機采用巴斯勒品牌彩色130 W 像素的相機，可以更好分辨導(dǎo)線的顏色，視覺軟件采用某南方國產(chǎn)研發(fā)軟件，工控機處理3 臺工業(yè)相機之間的通訊數(shù)據(jù)傳遞，將最終結(jié)果反饋給PLC。視覺外部的觸發(fā)拍照信號通過生產(chǎn)線上工裝板到位的傳感器信號傳遞給PLC，然后由PLC 反饋為工控機來實現(xiàn)相機的觸發(fā)拍照，然后將圖片傳遞給軟件來分析判別是否合格，軟件將分析結(jié)果有工控機反饋給PLC，PLC 來協(xié)調(diào)整個生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)。

3 整線控制和可視化大屏顯示

排插柔性自動組裝線的電控系統(tǒng)采用了主站PLC 協(xié)調(diào)排插整線生產(chǎn)的控制，保證現(xiàn)場設(shè)備運行的穩(wěn)定性，工作站內(nèi)部采用分站PLC，每個分站單獨配置HMI[7]，機器人控制和視覺工控機控制相結(jié)合的控制方案。視覺采用單獨的工控機控制和顯示界面與分站PLC 進行交互數(shù)據(jù)信息[8]。主站PLC 采用三菱LD02 系列負責(zé)整線的協(xié)調(diào)和周邊機構(gòu)的監(jiān)控，機器人控制器負責(zé)對部分工位內(nèi)部和機器人夾具的控制，并將其整體狀態(tài)信息反饋給PLC。主線控制框架如圖6 所示。

圖6 整線控制框架圖Fig.6 Frame diagram of full line control

整線控制系統(tǒng)中，視覺的檢測分為兩個部分，第一部分視覺實現(xiàn)導(dǎo)線內(nèi)部三根導(dǎo)線的顏色判別和坐標(biāo)定位并反饋給PLC，實現(xiàn)導(dǎo)線內(nèi)部三芯導(dǎo)線的定位和不同長度的內(nèi)剝；第二部分視覺系統(tǒng)采用1拖3 的硬件結(jié)構(gòu)減少了視覺硬件成本，實現(xiàn)對排插加工過程中導(dǎo)線和銅片壓鉚到位，上下蓋合蓋到位，螺釘鎖附到位的檢測并將結(jié)果反饋給PLC 進行后續(xù)的處理。視覺檢測部分的界面效果如圖7 所示。

圖7 排插組裝過程視覺檢測圖Fig.7 Visual inspection diagram of power strip assembly process

排插的組裝過程中，盡量采用產(chǎn)品本身的自作用和校準(zhǔn)定位[9]，在注塑模具工藝銷釘位置增加了組裝引導(dǎo)導(dǎo)向柱和孔。在改進優(yōu)化后智能化線整體的運行情況，保持了長時間穩(wěn)定的運行，從主PLC中提取出生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳至MES 系統(tǒng)服務(wù)器，用Python 將數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后，在集中控制中心進行實時在線顯示[10]，大屏顯示有助于公司高層整體了解生產(chǎn)現(xiàn)場的總體運營情況，對訂單的實時生產(chǎn)情況了然于胸，部分的數(shù)據(jù)分析效果如圖8 所示。

圖8 排插智能組裝線現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)對比Fig.8 Data comparison of field applications of intelligent assembly line for power strip

4 結(jié)語

針對排插組裝過程中出現(xiàn)的問題，根據(jù)排插產(chǎn)品本身的特點，在結(jié)合現(xiàn)場實際和組裝工藝的基礎(chǔ)上，提出了壓接代替穿孔焊接的新組裝工藝方法，此工藝方法成功解決了排插組裝過程中人工錫焊導(dǎo)線的問題。利用新的工藝方法在現(xiàn)場實際運行過程中發(fā)現(xiàn)合蓋不穩(wěn)定現(xiàn)象，通過分析改進產(chǎn)品零部件的結(jié)構(gòu)增加了合蓋過程的定位導(dǎo)向，達到合蓋穩(wěn)定性運行的效果。對于此次智能化改造后續(xù)工作仍需考慮產(chǎn)線進一步優(yōu)化，產(chǎn)品來料的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)品生產(chǎn)過程的反向可追溯性，做到產(chǎn)品全生命周期的實時監(jiān)控。運用Python 編程軟件對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行收集分析實時顯示，查找出影響質(zhì)量的關(guān)鍵因素，有針對性解決問題。