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汽车零部件生产中各工位间弯曲线材分拣作业的新概念
A. J. A. Magalhatilde;es1 · F. J. G. Silva1 · R. D. S. G. Campilho1
2018年8月10日/接受:2018年11月30日/在线出版:2018年12月12日
摘要
长期以来，汽车行业追求的最重要的目标是质量和交货期。为了确保这些目标得到满足，汽车公司必须要拥有具有快速生产周期和多用途布局的机器，能够适应大量不同部件的生产。与此同时，对于一些生产线来说，为了尽可能缩短生产的时间，设备能够快速地完成从一个生产阶段到下一个生产阶段的换位，让操作者有更多的时间来完成更具吸引力和个性化的任务是很有必要的。这样才有可能达到更高的生产节奏，带来相应的经济收益，以及工人积极性的提高，从而提高生产效率。本文提出了一种新的制造过程间互连系统的概念，以克服通常情况下的时间浪费。除此以外，它也为了表明，通过用更便宜的自动化系统取代一些自动化操作，有可能减少周期时间，并提高零件交付从一个操作到下一个操作的质量。并通过实例分析，也验证了这一观点，并说明了该原则在实际应用中的可行性。本案例研究的目的是展示一种新型的装置，它可以连接汽车座椅坐垫和悬架垫的弯曲过程和进一步的聚合物过注入过程。
关键词: 自动化；线材弯曲；自动化系统;输送系统；分拣；低成本解决方案
一、介绍
汽车工业具有寡头垄断特征。原始设备制造商(oem)从其作用和行为，以及技术、技术和经济发展水平的角度，具有直接影响零部件供应商的权力。这导致了从原始设备制造商的责任转移到供应商，增加了其在行业投资中的比重，增强了您在全球范围内创造就业机会的重要性，并在金属加工行业的工业投资中发挥了重要作用[1,2]。
汽车工业实现了重大变革，从大规模生产(转向大规模生产)转向灵活生产(旨在生产差异化产品)1波尔图工程技术学院(ISEP)， Rua Ant博士。伯纳迪诺·德·阿尔梅达，葡萄牙波尔图431,4200 -072产品)。第一个大规模生产的例子是亨利·福特的生产线，在20世纪初，在第二次世界大战结束时达到顶峰，当时需求更高。后来，在制造商开始忽视客户需求的同时，汽车的质量下降和大规模标准化，日本制造商开始在美国销售他们的汽车，因为他们更便宜，表现出更好的质量和效率。这是一个警告信号，促使工程师和美国研究人员前往日本学习新方法。当时，日本采用了精益生产原则，这是一种基于丰田生产系统[3]的工作理念。
在80年代的十年里，“大规模定制”的新范式出现，使得相同的模型可以有不同的引擎、内部和饰面[4,5]，，均取决于每个客户[6]的消费水平和需求。这种情况导致了市场的分割。这是一种趋势，至今仍以一种日益增长的方式存在[3,7]。为了应对这种巨大的压力，引入了JIT (just in time)概念，它关注于物流，并允许优化生产组织及其it stream，自20世纪初以来在西欧得到了强有力的实施[8-10]。
精益理念提倡了减少浪费，在这种理念下，它确保了有效的库存管理[11,12]。从员工的角度来看，精益理念使他们有更大的自由与团队成员分享他们的工作，对质量和改进更加负责。这使得更高层次的个人和集体责任得到了更大、更迅速的信息共享[13]的支持。
在汽车座椅的案例中，随着技术的发展，该行业已经发展成为一个基于更大品种产品的生产理念，是一个汽车半成品，满足不同客户的需求和他们的财务能力(市场细分)[14]。而扩大报价的需要削弱了及时交付产品的能力，因此，公司必须创建灵活和高效的布局，才能够有效和满意地响应，从而不影响交付时间[10,15,16]。
第一个也是最好的柔性生产的例子是由丰田公司引进的，被称为“丰田生产系统”[4,9,17]。为了确保交付时间，丰田的生产线在喷漆领域实施了一种系统，该系统允许向座椅制造商发送电子信号，说明座椅类型和相应的交付日期。然后，座椅制造商立即开始生产，并在必要的日期交付[18]。
除了生产线生产灵活性之外，所有公司都认为有必要将生产系统[19]自动化。其原因是多方面的，如生产率的提高，生产成本的降低，日常工作的减少或取消，工人安全的提高，交货时间的缩短，以及最终产品质量[20]的提高。使用自动化制造系统，现有的机械和过程需要电子和计算控制来进行操作。这表明，[21]需要集成多个工程领域。自动化还解决了人机工程学问题，提高了生产效率和灵活性。通常，传送带、传感器和执行机构的正确装配相互连接，并由计算机系统或可编程逻辑控制器(PLC)控制，几乎可以实现整个生产线的自动化，避免了操作员必须执行日常任务[22]。绝大多数公司都选择了利用日益急剧的技术进步[23使他们的生产线自动化]。众所周知，特别是汽车工业，除了生产线的自动化，还在汽车生产和装配的各个阶段集中使用机器人技术[24,25]。然而,其他研究已经证明，自动化可以以比机器人更有效的方式提高某些周期时间[26-28]。
弯曲钢丝的研究主要集中在疲劳性能方面[29-32]。此外，与力学分析的其他领域一样，模拟也被应用到电线上，以预测其在一定荷载作用下的行为，以实线和钢丝绳的形式[33,34]。然而，围绕实心钢丝绳的研究非常少，这使得本课题在研究上更具吸引力，因为市场上需要解决与该领域相关的众多问题。此外，汽车工业使用的相当多的产品，其工作原理都是基于钢丝绳或弯曲的电线，如控制电缆和与汽车座椅相关的舒适系统[35-37]。不同工序之间的连接自动化在工业上得到了广泛的应用，但高低价值产品之间仍然存在许多差距，这些产品是在劳动密集型的基础上生产的。虽然之前对如何连接钢丝弯曲操作和过度喷射操作以形成汽车座椅的舒适系统进行了详尽的研究，但在这方面没有发现任何研究或发展。还应指出的是，在大多数用于钢丝三维弯曲的设备中，切割操作并不限制钢丝的沉积和调理。此时，循环时间显著增加，大大降低了弯曲设备的生产率和后续设备的生产率。鉴于这是汽车座椅部件行业的迫切需要，这项工作的主要动机是开发一个系统，能够在不降低该设备生产率的情况下，促进三维线材弯曲设备中弯曲线材的有序收集。这种自动化可以在机器人的帮助下实现，但是解决方案非常昂贵，尽管它具有很高的灵活性。然而，这些解决方案的成本避免了在某些情况下实现它们。在这些情况下，需要制定一个经济的解决办法来衡量。在这项工作中，它的目的是表明机器人可以被自动化系统取代，在周期时间和初始投资方面具有明显的优势，并使用一个案例研究来验证这个概念。
二、方法
为了解释新开发的方法，我们将以一种设备为例进行研究，该设备将能够执行从一个线材生产阶段到随后的一个阶段(过注入)的换位(图1)。它应该能够接收具有复杂几何形状的弯曲导线(图2)，将其排列在纵向位置，然后通过梭子向上运输，最后将其有序放置方式在两对制表符(根据两个纵向位置)。
图 1线材生产设备图
新开发的系统应按照图3所示的布局，将导线有序放置，并设置便于从系统中取出的存储导轨，通过合适的输送机将其输送到过注机。由于周期不匹配,需要flexi-bilization生产系统,因为坐垫和线材弯曲作业通常由Numalliance、BLM Group、Bihler等知名机械制造商生产的设备来完成。
图2为公司生产的30种型号之一的技术图纸实例
2.1常见的问题
这些机器具有极高的自动化程度，但在切割操作中，它们会释放出金属丝，而金属丝有一定的弹性，会从机器上粗略地投射出来，使弯曲的金属丝无法有序收集。这些机器可以连接到一个机器人上，这个机器人可以在切割之前抓住已经弯曲的电线，这样它就可以在一个机器人上进行处理
图3注塑机布置图(蓝色表示)及相应的弯丝送料输送机布置图(黄色表示)(在线彩图)
切割后的组织方式。但是，这种操作影响了2-3秒左右的循环时间，这会降低机器的生产效率，因为当机器人移动握住电线时，机器无法弯曲电线。机器人还必须等待弯丝机进行切割操作，然后离开弯丝机头部运动区域，将弯丝卡在夹丝器内，使机器在此期间也无法工作。因此，最好是线材组织系统不干扰弯曲过程，不影响循环时间，并能在弯曲和切割后组织线材。
2.2当前设备
目前执行这项工作的系统出现了几个问题，因为:(a)它需要侵入进行弯曲操作的机器操作区域(图4)，需要一段时间来接收导线，从而导致导线弯曲周期变长。另一方面，系统不防止一些电线掉在地板上，也不防止电线扭曲，造成经济损失，并且随意乱放电线，
图4当前系统a正面图和b侧面图
这导致工人收集更长的时间和更困难。尽管电线有复杂的几何形状，它们也有相同的几何形状，这将用于新系统的设计。
2.3待开发设备的要求
所研制的设备必须符合下列要求:
a.将线材生产周期缩短到1-1.5 s左右(目前机器人生产周期为10-12 s)。为了达到这一目标，至关重要的是设备不干扰弯丝机的作用范围，使弯丝周期时间最小化。
b.新装置不允许电线掉在地板上，防止损坏。
c.在弯曲过程结束时，需要对导线进行适当的组织，以便在下一个生产步骤中更好地交货。所述弯曲导线可承担两种不同的纵向位置;因此，在排序过程结束时需要两个保持系统。电线的收集过程将更容易，可以将他们正确的定位在塑料过注塑过程。
d.新设备应可以做到快速安装。
此外，所需的投资应大大低于机器人的相同任务。
图5提出的弯曲导线处理系统
三、结果
3.1设备设计
弯丝处理系统采用的解决方案由三个主要子系统组成，如图5所示:
1. v形弯线收集容器;
2. 用PVC带隔板提升输送机，将电线输送到合适的高度;
3. 两对存放导线组织沉积的导向器。
3.2机器工作原理
1. v型容器
该系统的解决方案利用了重力效应，通过放置在其下方的v形容器(图6)，将导线送入弯曲机下方的高度。因此，系统对弯丝机的工作半径没有干扰，从而降低了弯丝机的生产周期。
2. 提升输送机
此后，传送带在略低于v形容器的水平接收导线(图7)，实验证明导线接收效率更高。接下来的操作是利用PVC(聚氯乙烯)输送带内的内置隔板(图8)，通过输送机输送导线。重要的是要注意，输送机的运动是间歇的(前进和停止)，以保证型材之间的所有空间都用电线填充，这样就有时间将电线集中在传送带中。下面将描述该操作。
图6 v形容器
图7输送线接收情况
图8输送线系统
通过弯丝机的切割操作，可以控制输送带的前进运动。该机器将在切割过程结束后5秒向现在开发的设备发送一个信号，给弯曲的线材落入v形容器需要的时间，然后到达输送机，使系统向前推进到下一个位置。
两个气动线性执行器被放置在电线上升路线的末端附近，一个在传送带的两侧(图9)。它们中的一个总是以较小冲程工作，而另一个以较大的冲程工作，可以根据每根导线的大小进行调整，这可以将导线推到第一执行器的停止位置，从而使导线始终保持在相同的位置。
确保每根导线的纵向位置始终相同是很重要的，现有的人工视觉摄像机就可以从两种可能的位置，正确读取每根导线的纵向位置。这对于子系统非常重要，还有包含两对存储指南的表，这两对存储指南构成了线处理系统的最后一部分。
摄像头位于输送带的上水平段，面朝下，相对于输送带居中。根据相机制造商的技术规范(图10)，它应该在传送带上方600毫米的垂直距离处捕捉电线图像。
该系统的一个重要部分是位于输送带一侧的电容式传感器，它通过“读取”经过输送带前方的PVC隔板来控制输送带的运动(图11)。每当传感器检测到前面有一个分区时，它就向控制操作系统的PLC发送一个信号。然后，PLC切断驱动传送带的电机的电源，使其停止足够长的时间，以便更换新的传送带
图9导线纵向调整
图10人工视觉摄像机
金属丝连接到传送带上，从而使分区之间的所有空间都被金属丝填充。这种停止时间也使线性气动执行机构有时间对导线进行纵向调整，使导线以传送带为中心。因为电动机是间歇运转的，所以它有一个制动器。
3.带有存储指南的表
设计了两个保持系统来接收前一个设备发送的电线(图12)。存储系统的灵活设计可以根据要制造的电线类型调整接收棒。该表还有一个平移运动，由一个线性驱动器推动，该驱动器根据每根导线的纵向位置提供合适的一对导轨。工作台的这种平移运动是通过一个线性导轨和两个滑板完成的，导轨的工作台位于两个滑板之上(图13)。
图11电容式传感器
图12带有存储指南的表
图13直线导轨运动的独立导轨和表
如前所述，每根导线的纵向位置由放置在输送机上水平段的人工视觉摄像机获取。然后，它将导线的位置发送给PLC，使其触发或不触发线性执行器，线性执行器根据每根纵向导线的位置来定位合适的一对导轨。通过这种方式
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