MES在汽车制造中的应用之业务篇(10) -- 料架防错

在汽车、发动机、变速器的装配车间，要执行大量的装配作业，由于生产现场拥挤、柔性、快速，因此给我们带来了很多管理上的挑战：

- 工人忘记装配某个零件怎么办？

- 工人装错零件怎么办？

- 输送线怎么知道工人的装配完成、可以放行了？

为了应对这些挑战，我们可以在MES中设计一个料架防错模块，并通过传感器、PLC等和自动化设备结合，从而实现自动、柔性的防错过程。

下面我们以发动机工厂的例子说明整个料架防错的过程。

首先我们要对BOM进行扩展。

通常研发部门在发布一个产品时，会一起发布产品的工程BOM和制造BOM。

工程BOM主要体现产品的成品和半成品、零件的关系。

如产品A由半成品A11、A12组成，而这2个半成品又包含了零件A21、A22若干：

从工程BOM中我们可以看到装配关系和数量比例。

但是对于制造过程来说，BOM还不够精细，通常我们会进一步设计制造BOM。

制造BOM区分了哪些半成品是外购件，哪些半成品是自制件，同时对于零件，进一步指定了装配工位和数量，如下图所示，我们可以看到半成品A11下面的零件A22被拆分到1002、1003这2个工位进行装配：

制造BOM已足以指导普通的采购、生产作业，但对于料架防错来说信息还不够充分：我们还需要知道每个料的存储位置，因此需要对制造BOM进行进一步的扩展，从而得到工艺BOM：

MES拆解工艺BOM，得到各工位的料架防错信息(料架编号和数量)，通过OPC下载到工位PLC上，因而PLC在逻辑上就知道了本工位要装配的零件放在第几号料架上、数量是多少，从而形成了料架防错的依据。

接下来由PLC负责执行具体的防错过程。

首先我们要在料架上加装灯和传感器，此传感器能够侦测到光线在近距离内是否被遮挡，并反馈信息给PLC，详细结构如图2.10-1：

图2.10-1 料架防错过程

具体过程为：

1) 发动机进入工位，PLC通过RFID获取发动机编号，并发送给MES。

2) MES解析工艺BOM，得到此工位的料架防错指令，并通过OPC将指令下发给PLC；PLC解析指令后，点亮对应的料架灯。

3) 当工人从料架上取料时，工人的手臂遮住了传感器，因而传感器向PLC发送信号，PLC理解成一次有效的取料动作；当某个零件的取料次数达到工艺配置数量时，该料的防错完成，对应的料架灯熄灭；当本工位所有零件的防错完成时，PLC向MES发送防错完成信号，并允许发动机放行。

MES在汽车制造中的应用之业务篇(9) -- 拧紧防错

我们知道，在汽车的装配工艺中，螺栓拧紧固定是一种广泛应用的安装固定方式，如汽车底盘与车身的固定，内饰件的固定等。

此外，在发动机的装配中，螺栓拧紧更是无处不在。

本章以发动机的拧紧为例，介绍拧紧与防错的集成关系。

通常拧紧包括预拧紧与终拧紧。预拧紧指使用一个较小的扭矩将零件安装在主体上，终拧紧指用最终出厂的扭矩值将零件固定牢靠。

在实际的拧紧操作发生前，相关部门还要做以下的准备工作：

1)       工艺部门编写拧紧工艺文件，包括：定义预拧紧、终拧紧工位，以及拧紧枪对应的扭矩值。

2)       质量部门标定好每把拧紧枪的扭矩值。

3)       工艺工程师在MES中配置好各零件的拧紧工艺，包括：工位、拧紧枪编号、拧紧次数、拧紧角度、程序号等。

拧紧的实际作业控制系统由拧紧枪、控制器、PLC、服务器组成。其中，拧紧枪是执行机构；控制器是专用PC，能够显示实时扭矩，并和PLC、服务器、拧紧枪通过接口通信；PLC主要是传输逻辑控制指令；服务器用于存储拧紧过程数据，并生成拧紧曲线。

图2.9-1显示了拧紧防错的主要过程，简述如下：

1)       序列号识别：发动机到达拧紧工位，PLC通过RFID阅读器识别发动机序列号，并将之通过OPC发送给MES。

2)       指令发送：MES查询拧紧工艺数据库，得到此台发动机在本工位配置的拧紧枪编号，及拧紧次数、拧紧角度、程序号，然后将这些数据通过OPC下发给PLC。PLC将拧紧指令转发给拧紧枪控制器。

3)       结果记录：工人或机器人根据控制器的指令执行拧紧作业；当某台拧紧枪的拧紧值符合标定值时，则控制器将之视为一次有效的拧紧，并将之输出给PLC；当某台拧紧枪的有效拧紧次数达到配置次数时，则PLC将此台拧紧枪视为防错完成；当此工位的所有拧紧枪防错完成时，则PLC视为本工位拧紧防错完成。拧紧作业完成后，控制器向拧紧服务器输出所有拧紧过程数据，以用于事后的SPC分析；同时，通过PLC和OPC将最终拧紧结果、最终拧紧扭矩发送给MES，以用于追溯分析。

图2.9-1 拧紧防错过程

本文介绍了一种拧紧防错的解决方案，此外还有一种常见方案略有不同，即在MES中配置拧紧程序号，而不配置次数、角度等，相当于将部分拧紧工艺配置在拧紧控制器中。

此外还需说明的是，由于拧紧扭矩对装配质量关系重大，因此一些公司建立企业级的拧紧工艺数据库，由研发人员统一配置，然后下发给各工厂的MES系统，这样可以更有效地保证工艺的标准化和可靠性。

MES在汽车制造中的应用之业务篇(8) -- 位置判断

位置判断

在整车厂总装车间的各主装配线，通常采用连续型输送线移动车辆，这就带来一个车辆识别的问题。

我们知道，RFID阅读器或固定式条码阅读器通常安装在线头、线尾，这是因为当车辆载入或脱离线体时，载具在一段时间内保持静止状态，这就给了识别装具一定的时间进行识别和校验。

但是在总装车间，大部分装配工位特别是防错工位(如拧紧、捡料、打刻、涂胶、加注)都是在线体的中间，车辆一边移动一边进行装配作业。

在汽车装配行业，我们通常采用编码器和传感器，配合RFID阅读器进行位置计算和判断。

1.    编码器与位置计算

所谓编码器(Encoder)是一种能够精确输出自身轴的旋转角度(以及速度等)的专用设备。

进行同轴连接、固定安装后，输送线主电机带动编码器进行等速旋转，然后编码器将角度、速度等值通过ProfiNet等现场总线输出给PLC，PLC再结合输出齿轮外径值进行换算，得到输送线的移动距离。

编码器的精度较高，而且可判断状态(旋转/静止)，可判断方向(正向/反向)，并且和PLC的集成非常方便，因此应用较为广泛。

2.    传感器与位置判断

在汽车制造行业，对射式传感器应用非常广泛。

对射式传感器由一对发射器和接收器组成，发射器面向接收器发出一束红色LED光，由接收器进行接收。如果接收器在某个时间段内没有接收到光，则自动输出一个阻断信号。

由于车辆通常安装在专用载具上、按照一定的方向移动，当车辆或载具到达特定位置时，将传感器光信号阻断，则传感器可判断车辆或载具到达了约定的位置。

3.    应用示例

如图2.8-1所示，输送线集成了1个编码器与4个传感器：

图2.8-1 输送线与编码器、传感器

其中，4个传感器的作用是：

1)       1号传感器采集载具进入线体的信号。

2)       2号传感器判断是否空车。传感器的安装高度大于载具高度，且有车时将光信号阻断。

3)       3号传感器触发读RFID操作。

4)       4号传感器判断工位70%位置。由于所有工位的长度一致，当车辆到达0号工位70%位置时，其它工位的车辆也到达各自工位的70%位置，而理论上所有的装配、防错作业都应该在70%的工位节拍时间内完成，剩下的时间进行工具复位、车辆离开准备等。

然后我们在PLC里维护一个各车辆VIN号、及进入线体时线体位移值的表：

车辆编号	车辆VIN号	输送线位移值
1	VIN1	1000
2	VIN2	7000
3	VIN3	13000
4	VIN4	19000

一段时间以后，输送线位移值增加，则各车辆的位移值也增加相等的值。

由于各工位是等距的，由此我们可以知道各位移值对应的工位：

工位	位移区间
0	0~6000
1	6000~12000
2	12000~18000
3	18000~24000

结合各车辆位移值、各工位位移区间，PLC就可以动态计算出各车辆所在工位、及在此工位的相对位置。

如3号车的位移值是13000，位于12000~18000区间，对应于2号工位。