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汽车开启件机器人滚边缺陷分析与调整

供稿:柯马 2013/6/16 18:23:45

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       汽车的四门两盖(左右前车门、后车门,发动机盖和行李箱盖或后背门),是汽车车身总成的重要组成部分。它们是汽车车身的外表开启件,装配后要与周围零件保持均匀的装配间隙,以达到良好的互换性,同时它们也是汽车塑形的可见表面。因此,要求门、盖外表面光滑平整,不能存在凹凸划痕,还要保证边缘过渡线圆滑。基于以上要求,四门两盖内外板之间装配不能采用焊接工艺,而要选用包边工艺。

       所谓包边工艺,是一种将零件上冲压产生的上翻边或下翻边压平后,使零件的内、外板连接在一起的装配工艺(通过折弯)。传统包边工艺有压机+上下模具形式(Press),液压/伺服电机驱动专机形式(Table Top),但是以上方式的弊端是柔性较差,只能适用于一种车型,并且制造、维修成本较高。所以伴随着工业自动化程度的提高,在包边工艺中也引入了机器人滚边(Robot Roller Hemming)。

       所谓机器人滚边,就是滚边操作中引入工业机器人,通过机器人手臂上安装辊子进行滚压包边的制造工艺。机器人滚边的优势在于柔性化较高,适用于几种车型,最大化提高了设备的利用率,降低成本。

       一般机器人滚边系统包括以下几部分(见图一):

(图一)

       1、 机器人:根据滚边负荷进行机器人选型。
       2、 滚头: 根据需要选择一种或两种安装在机器人上。机器人运动时,完成对开启件的滚边。滚头上的滚轮根据产品的特点而设计。
       3、 胎模:对开启件的内板和外板可靠定位。胎模型面将根据冲压的数字化定义(DFNIE)加工成型。
       4、 定位夹具:将内板和外板合装后,由其他工位搬运到此工位。定位夹具保证内外板的位置关系,是保证滚边质量的重要组成部分。
       5、 内外板:开启件的外板与胎模完全贴合,内板和外板之间的相对位置关系由定位夹具保证。
       机器人滚边的基本工艺为:对于翻边角度为90°的开启件,采用两次滚边成型即可。第一次滚成45°,第二次即压平(见图二)。每次滚边角度在45°左右。

(图二)

       在机器人滚边的过程中会产生各种缺陷,我们应分析缺陷的类型,并针对不同类型缺陷找出解决问题的办法。一般滚边中产生的缺陷有:
       1、 包边后未完全闭和,在内板和外板之间存在缝隙。
       2、 外板上出现很明显的波纹。
       3、 角没有完全闭和或者角上有小尖尖。
       4、 包边后包边圆角半径过大,或者不规则。
       5、 局部宽度过大(在检具上表现间隙小)。
       6、 包边后的零件尺寸太大(在检具上表现间隙小)。
       7、 外观质量和尺寸缺陷。
       在某个项目中我们对于发动机盖进行机器人滚边,遇到了上述3,7项缺陷(见图三)。

 
(图三)

       为改善汽车开启件机器人滚边缺陷,首先要分析机器人滚边质量影响因素:
       1、 内板冲压来件质量: 内板的切边光滑度以及连续性直接影响到最终开启件成型的外观质量以及光滑连续性。
       2、 外板冲压来件质量:外板翻边高度,打开角度,以及翻边边缘的连续性(是否存在破口),折弯半径等。(见图四)

 
(图四)

       3、 定位夹具以及胎模:对于内外板相对位置的定位以及夹紧固定效果。
       4、 机器人滚边调试:滚边工艺的编排包括滚边先后顺序,次数,每次包边的角度以及滚头施加的压力。
       对于上述机器人滚边成型影响因素,利用日本管理大师石川馨先生所发展出来的“因果图”----“ 鱼骨图”更能形象以及抓住事物原因的本质。问题的特性受到一些因素的影响,我们找出这些因素,并将它们与特性值一起,按相互关联性整理而成的层次分明、条理清楚,并标出重要因素的图形。因其形状如鱼骨,所以叫做鱼骨图。

       按照以上分析的影响因素,绘制鱼骨图(见图五):
       1、 绘制“鱼脊”,将拟找出原因的问题写在黑右边的框内,并在其尾部引出一条水平直线。
        2、 绘制“大骨”,在鱼脊上画出与鱼脊成45°角的直线,并在其上标出引起问题的主要原因。
        3、 绘制“中骨”、“小骨”……,对引起问题的原因进一步细化,列出所有原因。


 (图五)

       鱼骨图成功完成后,影响问题的原因已经详尽的列出。那么下一步任务就是利用以上鱼骨图并采取何种措施来改善以上出现的问题。现场,我们根据鱼骨图设计了对应的措施展开型系统图,对每个可能产生的原因制作了对应了解决方案。

       所谓系统图法,又叫树图法,为达到目的,需选择手段,上一个目的又与下一个手段相联系,并且将目的和手段相互联系起来逐级展开的绘制系统图。利用它可系统分析问题的原因并确定解决问题的方法。利用系统图法的概念,把达到某一个目的所需要的手段层层展开成图形,就能对问题有一个全貌的认识,并且能把握问题的重点,从而能够寻找出实现预定目的的方法。

       系统图法的绘制程序:
       1、 确定目的和目标。项目中最终目的是消除发动机盖左右两侧的外形以及装配缺陷,提高滚边质量。
       2、 提出手段和措施。根据以上缺陷产生的原因分析,可以提出一系列对应的改进措施,比如“1、提高内板冲压件边缘切边连续性和光滑度”,“2、改善外板翻边高度”……“6、增加定位点位置、数量”……“12、调整滚边先后顺序”。
       3、 评价手段和措施。决定取舍。目前可选取的方案很多,但是调试件数目有限,并且调试时间也有限制,所以从成本,难易度,重要度等因素考虑来选择现场可实施的有效的、经济的措施和手段。
       4、 绘制系统图,这是最重要的一环。具体做法是:首先把确定的目的和目标置于图纸左端,然后把为达到的目的和目标与必要的手段和措施之间的关系联系起来。
       5、 制订实施计划。根据对象制订实施计划,这时要使系统图中最低级的手段进一步具体化、精练化,并决定其实施内容、日程和承担的任务等事项。
       按照系统图法我们绘制出这个项目的系统图:(见图六)

L:低  M:中等  H:高

(图六)

       改善开启件机器人滚边质量的可选择措施如图六有12条措施。在每个项目中,开启件滚边出现的质量问题不相一致,相对应采取解决措施也有所不同。根据这个项目的具体问题以及以往的工作经验,在系统图中我们加入了“预期效果”一项,可见⑥,⑩,⑫措施达到效果的可能性最大,②,⑤措施效果其次,其他的措施效果最小。

       在改进发动机盖滚边缺陷同时,还需要考虑另一个重要的因素----“节拍”。项目中节拍为25JPH,即一个小时内出25辆车,平均一辆车完成时间须在 3600/25*0.85(设备开通率)=122秒以内。由上可见,③,⑥,⑦,⑩,⑫措施都会影响到生产节拍。也就是说,如果最后采取上述某项措施,还要考虑到最终提升节拍的措施。

       从上述解决方案的难易度,成本,重要度,以及预期效果等方面的综合考虑,我们优先采取有如下几种方案:
        方案6:在发动机盖尖角处增加定位点,使得滚边过程中保证内外板之间贴合。
        方案10:增加发动机盖尖角处滚边次数。
        方案12:优先对发动机盖尖角处滚边。

        选定了方案之后,那么就要在现场做实验来调试结果。因为其上三种方案都会直接影响到生产节拍,那么的话决定了需要做最小的改变来改善缺陷。其中方案6有两种状态:“增加压头”和“不增加压头”;方案10也有两种状态“滚边3次”和“滚边4次”;方案12也有两种状态“首先滚尖角”和“最后滚尖角”。如果上述方案状态都需要做实验的话,那需要至少23=8种状态,每种状态至少需要3件调试,总共的话至少要8*3=24件调试。客户可提供的调试件数目明显少于这个数目,那么需要采取正交试验的方法来做实验。

       所谓正交试验法,即根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,这些有代表性的点具备了“均匀分散,齐整可比”的特点,是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格,称为正交表。我们要做的是一个三因素两水平的实验,按全面实验要求,须进行23=8种组合的实验,若按L4(23)正交表安排实验,只需作4次,大大减少了工作量。

        所以,按照正交试验法,规划的实验如下图所示(见图七):

实验因素水平表

(图七)

       现场根据上述正交表做实验测试,其中第4种实验因素的编排消弱了发动机盖尖角塌陷状态,但是没有完全解决,并且右侧轮廓直线差问题没有丝毫改善。

       然后再按照优先顺序上所示采取如下方案进行实验:
       方案2:缩短发动机尖角处翻边高度。(见图八)

(图八)

       方案5:改善翻边切边使之圆滑。(见图九)

(图九)

       但是由于外板冲压来件已经存在着翻边过高以及翻边上缺角问题,现场我们只好打磨好外板来做实验。实验结果是这两项外板冲压来件整改之后,再经过机器人滚边,已经完全消除了发动机盖尖角塌陷问题,还遗留着右侧轮廓直线差问题。

       再进一步分析直线轮廓差的问题,发现外板折弯半径的突变是主要原因,并且这是无论如何通过机器人滚边无法消除的缺陷。

       因此,根据调试方案的结果,我们就可以完善系统图。(见图十)

L:低  M:中等  H:高

(图十)

       综上所述,本项目中发动机盖机器人滚边缺陷的主要原因为外板冲压来件质量问题(翻边过高、切边不连续和转弯半径有突变等),次要原因为滚边工艺,内板冲压来件,定位夹具以及胎模的影响较小。(见图十一)

(图十一)

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