柔性生产线工位集成智能控制系统的设计与实现.doc

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1、上海交通大学硕士学位论文柔性生产线工位集成智能控制系统的设计与实现 姓名:包晔申请学位级别:硕士专业:工业工程指导教师:奚立峰;周宁20050301柔性生产线工位集成智能控制系统的设计与实现 摘 要汽车制造业柔性生产线的工位控制对提高生产效率,促进车间 信息通畅,保障信息记录的完整性,提高防错能力和安全性能等方 面起到了关键作用。本文提出了一个基于现场总线的工位集成智能系统的设计构 想,对现有的工位控制的各个功能系统进行了系统集成。分析、总 结、提出了当前系统存在的各类问题;介绍了系统的总体设计方案; 就本系统的三个功能子系统智能 QCOS 系统、物料拉动子系统和质 量追溯子系统分别进行了详细

2、展开与讨论,提出了各子系统的设计 方案和软硬件实现。工位智能控制系统实现了 QCOS 控制、物料拉动、质量追溯、 员工管理等多种功能的集成和融合,提高了工位控制的总体效率和 信息交流畅通度, 解决了系统硬件成本节省瓶颈。 CAN 总线在 QCOS 设计中的引入、用刷卡系统实现 PPS 物料拉动及无线电子拉动系统 (RF-EPS 的设计等内容也颇具应用新意和价值。关键词 :工位控制, CAN , QCOS ,防错,生产拉动系统,电 子拉动系统THE DESIGN AND REALIZATION OF INTEGRATED INTELLIGENT CONTROL SYSTEM ON FLEXIBL

3、E LINE WORKSTATIONABSTRACTThe workstation control system in Auto-Industry flexible line plays a key role to increase the production efficiency, improve the communication, guarantee the integrality of shops information record and enhance the error-proof & information security.The paper proposes a des

4、ign to set up an Integrated Intelligent Control System (IICS based on on-site bus line to consolidate the current different control function systems in workstations. The exiting problems of the current system are presented, analyzed and summarized. The integrated solution are given and the design sc

5、heme and software of three sub-systems like the QCOS, PPS(Production Pulling System and Quality Trace-back System are discussed and studied.The integration of multiple functions, such as QCOS, material pulling system, quality trace-back system and employee management, are realized by the IICS. The w

6、orkstation control efficiency and information communication are greatly improved, resulting in a brand new idea to solve the hardware cost saving issue. Also, there are many other valuableinnovations, like CAN application in QCOS design, Electric ID card application in PPS and the design of RF-EPS.K

7、eywords: Control of the workstation, CAN, QCOS, Error-proofing, PPS, EPS附件四上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。学位论文作者签名:包晔日期:2005 年 3 月 8 日附件五上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用

8、学位论文的规定,同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和 借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ,在本学位论文属于不保密 。(请在以上方框内打“ ” 学位论文作者签名:包晔 指导教师签名:奚立 峰日期:2005 年 3月 8日 日期:2005年 3月 8日第一章 绪论1.1 课题背景本课题来自上海某知名汽车有限公司 T 公司。总投资 15.2亿美元的 T 公司是迄今为止最大的中美合资企业,依靠世界最 先进的生产制造技术、世界一流的工艺设备、精益生产

9、及质量管理体系,以及 以顾客为中心的理念和中外双方的精诚合作, T 公司正努力开创中国汽车工业 的新世纪。今后五到十年, T 公司将力争成为国内领先的全系列乘用车制造和销售企 业。要实现这个目标,公司不仅必须在已有的业务领域继续保持竞争优势,还 必须在更为激烈和多变的竞争环境中开拓新的业务。通过依托先进的计算机技 术、实施柔性化生产系统、提升企业运作水平,将成为 T 公司保持领先的竞争 能力的重要手段。T 公司生产线大量使用自动化、计算机控制的柔性化先进设备。其中车身 车间采用可编程的设计,可以生产两种不同车身;动力总成车间的柔性单轴高 速计算机数字控制机械加工中心用于生产发动机和变速箱零部件

10、。总装车间的 柔性制造控制系统包括 FLEX 柔性制造、 A VI 车体自动识别系统、 ANDON 质 量和物料电子看板系统、 PMC 制造监测控制系统、 TC 目标控制系统等。然而,在竞争日趋激烈的汽车制造业中,以不断降低成本和增加系统集成 度来提高生产效率和经济效益仍是企业生存的不二法则。这就要求已取得卓越 业绩的 T 公司仍旧应抱着“生于忧患”的奋斗信念来不断完善和改造自己,以 寻求更高层面的突破和成功。本文对 T 公司工位控制系统进行了了较为详尽的讨论分析。文章希望在该 领域理论层面和实际应用层面所形成的成果,能直接成为 T 公司使之在激烈竞 争中立于不败之地的众多企业“瑰宝”之一,当

11、然也希望能够成为国内其他汽 车制造企业的“他山之石” ,为国产汽车将终究能立稳于全面开放的中国汽车市 场而添一份自信与力量。1.2 研究意义柔性生产在 T 公司的广泛使用极大地提高了生产线上的工时利用率和生产 效率,弥补了单一车型生产时,由于缺件、倒线所造成的工时空耗和空线现象。 同时柔性化生产也是计算机辅助生产的一种方式。在制造系统中的柔性可以表述为两个方面。第一方面是系统适应外部环境 变化的能力,可用系统满足新产品要求的程度来衡量;第二方面是系统适应内 部变化的能力,可用在有干扰(如机器出现故障情况下,这时系统的生产率 与无干扰情况下的生产率期望值之比可以用来衡量柔性。 “ 柔性 ” 是相

12、对于 “ 刚性 ” 而言的,传统的 “ 刚性 ” 自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。刚性的 大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品,难以应付多品种中 小批量的生产。相对于过去手工的、机械的生产方式,柔性化生产更强调计算机软件的基 础,灵活性、调整方便以及人性化的空间。据 T 公司多年柔性生产的数据统计, 柔性制造生产系统可提高生产设备的利用率约 50%-100%,减少设备占用面积 约 40%-60%,节省操作人员约 20%-40%。大量柔性化数控先进设备的使用,可 以在引入生产新款汽车时,方便而又经济地转产,而不需象传统生产线那样花 费大量时间、人力去调试生产设备。如今,大

13、小、配置截然不同的中高档轿车、旅行车、紧凑型轿车实现共线 生产, T 公司的生产线的柔性程度在世界汽车制造业中也是屈指可数。工位点的控制是整个柔性生产线优良与否的关键所在。本文在 T 公司总装车间的装配过程中已经发现由于当前工位控制系统不够 健全而带来的诸多问题(具体问题 1.3.3有详细的分析 。如何完善当前工位点 的控制系统,并借此来提高总装车间的装配效率、安全性,提高工位控制的防 错性能,降低系统的成本是当前十分有意义的一项研究工作。1.3 研究现状1.3.1 工位控制说明本文所研究的工位控制是指对总装车间柔性生产线上工位点的控制。我们 把一辆车的装配分解成许多个工作要素(步骤 ,把这些

14、要素按装配的部位(工 位分成组,每一组叫做一个工位的工作要素组,我们把对一个工位的工作要素组的控制称之为工位(点控制。每个工位控制和每个工位要素组一样,都 是根据“标准化作业单”来执行的,各个工位控制在内容上相互之间没有重复, 也没有遗漏,它们构成一个连贯的整体,共同完成对车辆的装配。 工位暗灯板A :操作工B :工位枪C :QCOS 复位按钮(BYPASS D :QCOS 扭矩控制器E :EPS 物料需求按钮F :线旁 EPS 物料G :PPS 物料看板卡H :线旁 PPS 物料I :工位板图 1-1 工位布局图Fig.1-1 the Layout of Worker s Location图

15、 1-1简单示意了 T 公司工位号为“ 023”工位的物理布局。流水线载着待 加工车从右向左以恒定的线速度(流水线速度移动。固定在该工位上工作的 操作员工对每一辆进入该工位的待加工车进行该工位的工作要素组操作,并且 必须在该车随着流水线移出该工位前完成工作。 “ 023”工位的工作要素组可简 单概括为:操作工根据不同车型选取不同的线旁物料,用工位枪对待加工车进 行相应的物料加工。但是,操作工除了完成该工位的工位要素组外,还要负责协同工位控制各 系统完成对该工位的工位控制。由图 1-1可以看出,每个工位在硬件上主要包 括 QCOS 控制系统、物料架、工位板等部分,由几个工位构成的一个工段拥有 一

16、个暗灯板。其中, QCOS 控制系统用于对 QCOS 点的控制,它是工位控制的 核心部分,这部分当前面临的一个重要问题就是如何对 QCOS 点进行防错控制; 物料架用于放置所需的零配件,其背后涉及到物料拉动的问题;工位板用于显 示现场的控制信息,它包括标准作业单、工作指令单、物料数据单、质量检查 单、 1/50布局图、制造问题等多项内容,对工位控制起到指导和质量保障的作用;操作用工暗灯板向班组长等寻求支持。另外,每四个工段设置一个质量检 查点,进行质量在线控制。图 1-2从逻辑的角度对工位控制进行了说明。如图所示,工位控制根据功 能可以分为独立的三大块:QCOS 防错控制、物料拉动控制和质量追

17、溯,其中 物料拉动控制又分为 EPS 物料拉动和 PPS 物料拉动。我们仍以“ 023”工位为 例,该工位中的 QCOS 防错控制由 QCOS 扭矩控制器、 BYPASS 按钮及工位枪 组成,操作工需要协同完成该防错控制系统的工作,预防及检验是否存在工位 枪误打、漏打、多打等操作失误情况。线旁物料快消耗完时,操作工需要及时 用 PPS 用看板卡启动 PPS 物料拉动系统或按 EPS 物料按钮来启动 EPS 物料拉动 系统。而工位板、暗灯线和暗灯板帮助操作工实现现场求助和质量追溯。 图 1-2 工位控制系统逻辑图Fig.1-2 the logical scheme of Worker s Loc

18、ation control system下面就对工位控制涉及到的 QCOS 点的防错控制、对物料拉动的控制和对 质量的控制这几个方面的技术和相关知识加以说明。1.3.2 相关技术研究1防错技术在介绍防错技术之前,先介绍一下与之密切相关的目标“零缺陷”。在现代企业的激烈的竞争中,企业对质量的要求越来越高,零缺陷的质量 是设计、制造、服务所追求的目标。被誉为全球质量管理大师、 “零缺陷”之父和伟大的管理思想家克劳士比, 从 60年代初提出“零缺陷”思想,并在美国推行零缺陷运动。后传至日本,在日本制造业中全面推广,使日本的制造业产品质量迅速提高,并且达到了世界 级水平,继而扩大到工商业所有领域 1。

19、“零缺陷”又称无缺点 ZD ,零缺陷管理的思想主张企业发挥人的主观能动 性来进行经营管理,生产者、工作者要努力使自己的产品、业务没有缺点,并 向着高质量标准目标而奋斗。它要求生产工作者从一开始就本着严肃认真的态 度把工作做得准确无误,在生产中从产品的质量、成本与消耗、交货期等方面 的要求来合理安排,而不是依靠事后的检验来纠正。零缺陷强调预防系统控制 和过程控制。开展零缺陷运动可以提高全员对产品质量和业务质量的责任感, 从而保证产品质量和工作质量。防错技术是实现“零缺陷”强有力的手段。防错 (poka-yoke是日本工程师 Shigeo Shingo在 20世纪 60年代提出的。 Poka-yo

20、ke 是日本语,本义就是“防止错误”的意思。 POKA-YOKE 的基本理 念主要有如下三个: 决不允许哪怕一点点缺陷产品出现,要想成为世界的企业,不仅在观念 上,而且必须在实际上达到零缺陷。 生产现场是一个复杂的环境,每一天的每一件事都可能出现,差错导致 缺陷,缺陷导致顾客不满和资源浪费。 我们不可能消除差错,但是必须及时发现和立即纠正,防止差错形成缺 陷。防错的目的是在产品的设计和生产过程中尽可能早地发现和改正错误,杜 绝产品缺陷的产生 2。防错装置的应用在全行业进行推广,消除人为失误所造 成的产品缺陷。它是零缺陷防错理念和技术的物化体现。绝大部分的缺陷故障 都是由人的疏忽失误造成的,控制

21、消除人为的差错可以大大降低缺陷率甚至消 除缺陷。而零缺陷是当今激烈竞争下各企业所追求的质量目标。因而防错装置 的开发应用具有十分重要的现实意义。一般来说 , 防错装置在生产过程中可以起到以下作用:(1 遇到异常 (缺陷 时停止;(2 控制过程 , 使缺陷件不能流到下道工序;(3 将要发生或遇到异常 (缺陷 时发出警告。由此,防错装置能够有效地防止各种人为的失误,保证了“不接受缺陷、 不制造缺陷、不传递缺陷”的精益生产原则。一般来说好的防错装置,无论实施的情况怎样,都应有一些共同的特征 3:(1 防错装置应该是简单而廉价的,如果太过复杂或昂贵,那么这些装置就 不具有成本效益;(2 防错装置应该是

22、具体而富有针对性的,不能是华而不实的东西;(3 防错装置应该放置在靠近错误发生的地方,可以向工人提供快速的反 馈,使错误可以得到尽快的修正。质量预防体现在设计、制造、服务过程中,都可以称之为防错设计或防错 技术。当前,国内外已有许多企业在各个领域开展了对防错技术的研究。比如汇 众公司是开展“零缺陷”活动最早的企业,近 10 年来开发零缺陷装置 600 多例, 创造了巨大的价值,取得了宝贵的经验,以“防错装置”开发为中心的零缺陷 实践是该公司深化“零缺陷”管理、培育质量文化的物质和精神财富。延锋伟 世通建立了公司的全员设备维修系统 TEM ,并利用 MAXIMO 工具软件开展预 防性维修,以预防

23、为首要手段,达到“零”的计划外停机,降低维修成本和备 件库存。上汽安吉物流公司根据本企业的特点,将“零缺陷”实施重点放在汽 车整车运输过程中的“零质损”上,不断对整车贮运过程中引起“质损”的各 个关键点进行改善和加强,并加强过程的控制。2物料拉动在所谓现代意义的“降低成本”为基本目标的指引下,现代企业更多采用 “精益生产”来替代以前的“规模生产” 。精益生产适用于多品种小批量生产, 这使之更适应于商业竞争愈演愈烈的当代社会。与此同时,精益生产所要求的“彻底消除浪费”和“降低库存”越来越受 到制造业界的重视。同样实施精益生产的 T 公司采用的物料拉动是一种通过控 制物流来补充消耗掉的资源的一种方

24、法。 4为实现精益生产所要求的生产准时 制,国内外许多企业往往采用拉动式作业方法,即由下游生产工位对物料需求 的实况(生产作业流 ,实时地拉动上游车间暂存仓库或采购仓库至生产工位的 准时送货(配送作业流 。T 公司的拉动式物流方式在厂内现场物流模式主要分为两类:根据实际的 零件消耗来补充物料的生产拉动系统 PPS(Production Pull System和电子拉动系 统 EPS(Electronic Pull System。当前生产线上, PPS 使用的是看板拉动系统。操作人员开始用料时,把开始使用的零件的看板卡片放在一个盒子里,然后暗灯系统会在固定的时间间隔 (比如两小时来通知收集卡片的

25、人员,把卡片收集上交给物料部门,顺便带 走空箱子,物料部门再把卡片扫描进电脑,根据卡片运送物料到相应工位,并 在所补充的零件里面放上卡片。当前采用的 EPS 系统为暗灯拉动系统。现场操作人员在零件使用到规定的 较少数量时,就通过按钮发出拉动信号,然后物料附近的暗灯板上对应工位的 灯就会闪烁,叉车司机就会取走该工位的卡片,然后按对应的按钮给以确认, 并向该工位送卡片上所对应的物料。由于每个工位至多有一个需要使用 EPS 的 关键零件,因而叉车司机就可以根据所取卡片的工位号来运送相应的零件到工 位上。另外卡片的右上角有不同颜色的标记来表示该零件的紧急程度,叉车司 机就拣最紧急的零件运送。3质量追溯

26、生产制造企业的质量管理中,质量跟踪和质量追溯是至关重要的环节,这 同时也是 ISO9000质量管理体系的基本要求之一。质量跟踪和质量追溯也是厂 家查找质量问题的重要手段和质量持续改进的必要手段 5。在现实中,这也是 追回问题产品的必要途径。质量追溯贯穿了从产品采购到售后服务的全过程。要实现质量追溯就要求 对采购、生产、库房管理、装配、售后服务等各阶段的产品信息给予全面的记 录,然后根据记录的信息实现对原材料和产品的追溯。质量追溯可以分为正向追溯和反向追溯。(1正向追溯:正向追溯要求从指定物资(外构物资、铸件、零件追溯到加工过程各个 环节及所在成品的信息。正向追溯有四条线,分别是:外购物资正向追

27、溯;铸 件正向追溯;关键件正向追溯;非关键件正向追溯。外购物资正向追溯。根据选定物资的交检单记录查出其交检单编号;用交 检单编号查出库存记录;由库存记录中的库存标识(可以由时间、物资的图号 和在库房中的位置组成查出零件检验记录和成品检验记录;如果零件是非关 键零件,用零件的检验记录查出零件的库存记录,进而用库存标识在成品装配 记录中查出零件所安装的成品;如果零件是关键零件,用件号在成品装配记录 中查出零件所安装的成品;用成品编号查出成品的安装位置和维修情况。铸件正向追溯。根据铸件检验记录查出其交检单编号;用交检单编号查出 库存记录;由库存记录中的库存标识查出对应的零件检验记录。再由零件检验记录

28、查出对应成品信息。关键件正向追溯。用关键件件号查询成品装配记录,得到成品信息。非关键件正向追溯。用非关键件检验记录编号查出该批非关键件批号,用 批号在成品产品配件表中查出其所在成品。(2反向追溯:反向追溯要求从成品质量问题(一般是客户使用过程中发现追溯出该成 品所用物资(外购物资、零件的采购加工过程,找到责任点。反向追溯的查找步骤是:根据维修记录中的成品编号找到成品检验记录和 对应产品配件表;根据产品配件表上每条记录中的关键件件号、零件库存标识 或外构物资库存标识查出关键件加工和检验过程信息、非关键件加工和检验过 程信息或外构物资检验信息。再由零件检验记录编号查出所用外购物资或铸件 检验信息。

29、1.3.3 当前问题通过研究现状,当前问题在系统集成和各控制系统的功能健全上都有所暴 露。下面简单列举了的几大问题,在本文三、四章节中将会详细展开与讨论。1当前 T 公司总装车间柔性生产线在工位上的控制系统不是一个集成的系统, 它的各个功能(包括 QCOS 控制、物料拉动、质量追溯、员工考评等都是通 过各个独立的系统来实现的。造成如下问题:1 硬件设备在使用上重复浪费,增加了成本;2 信息的流通被隔离开,严重阻碍了各个功能系统之间的信息交流,并且 不利于各种信息全面、详实的记录;3 各个独立的系统不利于整个工位的统一控制,使对工位的控制管理复杂 化,容易出错;4 不便于工位的重新安排调整;5

30、工位硬件系统过于复杂。2当前 QCOS 防错系统存在问题:1 当前的 QCOS 控制盒,针对同一工位上不同车型之间存在 QCOS 的控 制数量不同的情况,很难用一把拧紧工具完成这样的防错判断,存在质 量风险;2现场所采用的方法大多为人工控制 (Witness Mark或加装 PLC 来控制不 同车型之间的扭矩数量,而结果会造成一方面改装成本过高,另一方面 也对以后的升级带来不必要的麻烦;3 易因操作工的人工选择和实际不匹配而导致不必要的停线,影响生产 率。3目前的使用的物料拉动 PPS 系统存在问题:1 容易造成操作人员由于疏忽而放错卡片;2 引起质量问题,影响装配效率;3 需要一个专门收集卡

31、片的人,这样既浪费了人力资源,又增加了收集卡 片上交的时间。4当前的 EPS 系统存在问题:1 由 于每个零件都对应一个按钮,因而会增加按钮数量,造成硬件资源上 的浪费;2 叉 车司机需要随时注意暗灯系统的电子看板,就会增加了叉车的行驶路 线;3 因 增加路线引起的安全问题增加的可能;4 增 加叉车司机等待时间,等待浪费。5当前的质量追溯存在的问题:1 生产现场的信息获取不全面,不可靠;2 员工的操作信息无法实时、同步、准确地记录到数据库里;3 当前员工的轮岗信息都记录在纸上,这有可能导致信息记录的疏漏和不 实。不利于找出操作的执行者来承担责任;4 不能追踪工作正常情况下操作者。1.4 研究目

32、标及内容1.4.1 研究目标本课题的研究目标:为 T 公司开发一套基于现场总线的工位智能控制系统,实现 QCOS 控制、物料拉动、质量追溯、员工管理等功能。提高工位控制的总体效率,在成本上节约硬件资源,使信息交流畅通,使 信息的记录详实、全面,同时便于操作人员控制和管理,防止错误的发生。1.4.2 研究内容1 开发一套控制系统来实现当前工位控制中由多个独立系统来实现的功能。2 让工人仅使用一套拧紧工具扭矩控制系统就能完成对不同数量相同扭矩 QCOS 点的操作,节约资源,避免工人的选择失误,成功实现生产线上的防错。3 改进当前的生产拉动系统 (PPS和电子拉动系统(EPS 。使改进后的生产拉 动

33、系统无需操作人员来报告零件的使用情况,而是由物料部门决定物料的补充, 只需操作人员通过用户刷卡系统刷卡确认即可,从而避免操作人员的疏忽,保 证质量,节约人力资源和时间。使改进后的无线电子拉动系统(RF-EPS 节约 硬件资源和生产线上的空间,解决由暗灯系统的电子看板造成的瓶颈问题,节 约人力资源,增强安全性。4 把各种有用信息全面、详实地记录到数据库中。通过这些信息实现质量追 溯,找出错误操作的执行者,实现风险控制,为员工轮岗制度的实施提供有力 的保障,为员工绩效评估提供可靠的依据。1.4.3 研究 创新点及研究成果1 该工位智能控制系统,实现了 QCOS 控制、物料拉动、质量追溯、员工管 理

34、等多种功能的集成和融合。该系统的出台,大大提高了工位控制的总体效率 和信息交流畅通度,并解决了在国内柔性制造业中的系统硬件成本节省瓶颈的 这一突出问题。目前国内还未见到相关技术报道。2 CAN 总线在 QCOS 设计中的引入。3 用刷卡系统实现 PPS 物料拉动。4 无线电子拉动系统(RF-EPS 的设计与实现。5 质量追溯信息采集子系统方案设计。1.4.4 论文组织第二章 工位控制理论,分别对 QCOS 防错、物料拉动及质量追溯这三种 工位控制理论及相关技术进行了介绍。第三章 系统方案设计,提出了文章对该系统的总体方案的设计构想,单系 统实现 QCOS 防错、物料拉动及质量追溯等功能。第四章

35、 子系统的设计与实现,分别对 QCOS 防错子系统、物料拉动子系 统及质量追溯子系统的设计与实现进行了详细讲述,并提供了相应的软硬件设 计方案。第五章 总结与展望。第二章 工位控制理论T 公司每个工位在硬件上主要包括 QCOS 控制系统、物料架、工位板等部 分。其中, QCOS 控制系统用于对 QCOS 点的控制,它是工位控制的核心部分。 物料架用于放置所需的零配件,其背后涉及到物料拉动的问题。几个工位构成 的一个工段,每四个工段设置一个质量检查点,进行质量在线控制。所以 T 公 司工位控制理论也就主要由这三方面组成:QCOS 控制系统的 QCOS 防错控制 理论、物料拉动理论和质量在线控制的

36、质量追溯理论。本章主要对 QCOS 防错 理论和物料拉动理论进行介绍。2.1 柔性生产的 QCOS 防错介绍在制造业中,为保证某个产品的某个关键特性(KPS ,就需要控制该关键 特性所相对应的制造过程,并采取特殊手段。在汽车制造业中, QCOS 是最显 著的关键特性之一。 QCOS 控制系统是用于对 QCOS 点的控制,所以它是工位 控制的核心部分。这部分当前所面临的一个重要问题就是如何对 QCOS 点进行 防错控制。因而, QCOS 防错控制理论也是工位控制理论的核心部分。2.1.1 柔性生产线介绍在目前的经济形势下,为了适应快速变化的市场需求,汽车制造公司必须 生产多型号、多品种、多配置的

37、汽车,增加快速响应市场的能力。如果每次更 新产品,设备与工装必须全部随之更新的话,新产品就可能因投入过多而难以 投产。在这种情况下,柔性化生产的概念应运而生。柔性化生产线是指在一定时间内,在一条生产线上生产出多种不同型号和 配置的产品,产品的品种和数量可以随顾客需求的变化而变化。柔性生产极大 地提高了线上的工时利用率和生产效率,弥补了单一产品生产时,由于缺件、 倒线所造成的工时空耗和空线现象 7。同时柔性化生产也是基于计算机辅助生产的一种方式。相对于过去手工的、 或钢性流水线的生产方式,柔性化生产更强调计算机软件的基础,灵活性、调 整方便以及人性化的空间。据国外统计,柔性制造生产系统可提高生产

38、设备的 利用率 50%-100%,减少设备占用面积 40%-60%,节省操作人员 20%-40%8。柔性生产线包括三个方面的内容:生产线对新产品的适应性;同一生产线 的多品种通过性;装配工时的弹性。能同时具备上述三方面内容的生产线,即 为柔性生产线。本文作者在采访丰田汽车厂时,据该厂工作人员介绍:在丰田汽车厂的 Coronas 生产线上,可以生产多种类型的汽车,每种车型的发动机、变速箱、 加速器、空调、车门或其他部件不同; 8小时单班生产 250辆 sedan 、 125辆 hardtop 、 125辆 wagon 。而当前, T 公司能集中高档轿车、旅行车、紧凑型轿 车同一条生产线生产,在世

39、界汽车制造业也是屈指可数。2.1.2 QCOS控制介绍QCOS 全称为 Quality Control and Operation System。在汽车的装配生产线的 每个工位上, 每一个需要拧紧螺栓的点称为一个 QCOS 点, 实现对每一个 QCOS 点的控制就被成为 QCOS 控制。而 QCOS 控制盒就是用来控制拧紧工具的,它 和拧紧工具一起称作拧紧工具扭矩控制系统。 QCOS 控制盒具体实物见图 2-1 :图 2-1 QCOS控制盒Fig.2-1 QCOS Control Box图 2-2示意了 QCOS 系统结构图。每个工位有一把或多把工位枪,装配操 作工操纵工位枪实施各类拧紧操作。

40、每把工位枪所连接的 QCOS 控制盒 (qualifier 负责测试工位枪拧紧操作扭矩是否符合其工作要求。 如果满足要求, 会将信号传递至各自对应的数据接口,然后,操作工需要手工复位数据接口上 的复位按钮。复位信息通过数据总线汇总入 PLC 然后传至服务器;如果不满足 要求,则复位无效。 图 2-2 QCOS系统结构图Fig.2-2 QCOS system structure目前, T 公司每把工位枪上的“系统复位计数值”是固定的。具体的讲, 系统在该工位上对某种车型所要求的工位枪拧紧操作次数是固定的,并设置在 数据接口中,该固定的设置值称“系统复位计数值” 。操作工每完成一次拧紧操 作,就应

41、当人工执行一次系统复位操作,产生一次系统复位信息。系统会收集 该复位信息,并累加计算出该工位的操作工“人工复位次数” 。当该“人工复位 次数”与系统预先设定的固定“系统复位计数值”不匹配时,系统就会自动报 警。以此来进行防错控制。3.2.1 QCOS控制系统在 T 公司的发展历程1T 公司旧厂的 QCOS 控制使用的是 PLC 控制,该系统经历了三个阶段的发 展历程。三个阶段基本原理是一样的,具体软硬件改进如下:第一阶段:从 1998年到 2000年,实现了基本的暗灯操作,装配线柔性化 程度不高,在一条线上只能完成单一车型的 QCOS 控制。此外,系统可以对工 位的 QCOS 数量进行修改。第

42、二阶段:从 2000年到 2002年,提高了装配线的柔性化,在一条线上能 够完成 A 车型和 B 车型的 QCOS 控制。在第一阶段的基础上增加了车型队列修改功能和车号条形码输入(在流水线第一个工位功能。第三阶段:从 2002至今,实现了装配线的完全柔性化,能够在一条线上完 成对所有车型的 QCOS 控制。为了增加容量以满足更高的柔性制照要求,系统 在第二阶段的基础上,又增加了一组控制器,实现了系统扩容。2T 公司新厂的 QCOS 控制同样使用 PLC 控制,但在旧厂系统基础上,扩大 了容量,能够对不同数量的 QCOS 点进行组合。但是没有用户刷卡系统,不能 识别 Bypass 操作人员身份。

43、2.2 物料拉动介绍物料拉动理论和 QCOS 防错控制理论是没有关系的,但是物料拉动理论是 工位控制理论的重要组成部分。物料拉动是一种先进的物料供应模式,物料供 应是影响工位工作时间、效率的关键因素。2.2.1 生产企业物流介绍物流作为客户生产过程中供应环节的一部分 , 它的实施及控制提供了有效 的、经济的货物流动及存储服务 , 提供货物从原始地到消费的相关信息 , 以期满足 客户的需求 4。其内容包括为用户服务、需求预测、情报信息联系、物料搬运、 定单处理、选址、采购、包装、运输、装卸、废料处理(也称逆向物流及仓 库管理等。 图 2-3物料流动示意图Fig.2-3 the Material

44、Flow Sketch Map从图 2-3可以看出,物料拉动正是来源于图示物料配送这一环节,它对整 个物流作业高效实施起着十分重要的作用。2.2.2 物料拉动的基本概念物料拉动是一种通过控制物流来补充消耗掉的资源的一种方法 11。现代生 产企业为实现规模化、高节奏的产品生产,往往采用准时化(Just-in-Time 生 产管理方式,其原理是将规定的物料在规定的时间按规定的数量送到指定的每 一道生产工位上,如图 2-4所示。为实现准时制,国内外许多企业往往采用拉 动式作业方法,即由下游生产工位对物料需求的实况(生产作业流 ,实时地拉 动上游车间暂存仓库或采购仓库至生产工位的准时送货(配送作业流

45、,而拉动 控制的核心是实时、正确地掌握各作业点物料信息、各作业点间的信息传输和 信息处理(物料信息流 ,只有以上三个流的集成才能真正实现拉动式作业和准 时化生产管理。以同样的道理,可由暂存库(下游来拉动采购件库(上游 准时地送货,而采购件库实时、正确的物料信息数据是企业实现制造资源计划 (MRP-和企业资源计划(ERP 所必不可少的。物料拉动系统是一个闭环系统。下面举例说明物料拉动系统的流程:我们已经在日常生活中遇到了许多关于拉动的例子,那么具体到工厂里面物料拉动又是怎么样的呢?概念上,客户和制造供应商通过一系列的拉动循环联系起来。拉动循环包 括内部和外部的循环。具体来说,外部循环是指公司内部

46、与公司外部(包括客 户和供应商之间的循环;而内部循环是指公司内部运作的循环。内部循环详 见本文 4.2小节。如图 2-4所示,拉动信号传递方向和产品流动方向是相反的。在公司内部 的拉动循环中,每一个操作人员都既是上一个操作人员的客户,又是下一个操 作人员的供应者。供应商供应商 计划员 营销人装配工运输工装卸工图 2-4拉动系统实例Fig.2-4 Instance of Pulling System2.2.3 物料拉动系统分析1物料拉动系统的目标1 物料拉动系统是柔性的,简单的,它的目标是:控制和平衡物流;消除操作、库存、修理、重复工作、设施等方 面的浪费;只生产和运送消耗掉的资源;对所有资源实

47、现可视化管理。 2影响物料拉动系统的因素1 物料拉动系统的实施受许多因素的影响,诸如:拉动过程本身的影响;经济学影响;成本和运送费用的影响;和 供应商物流关系的影响;货柜运输的影响;以及供应者、客户和仓库 的影响。3物料拉动系统和物料推动系统的区别推动系统是通过预计或是计划来补充资源的。表 2-1物料拉动和物料推动比较Tab2-1 The Difference Between Pull System And Push System 4物料拉动系统的优点:1 增加雇员的参与程度;2 允许在适合的水平上作决定;3 只允许生产客户需要的产品;4 通过可视化控制改善客户需求之间的交流;5 提供了一个在

48、工厂里移动物料的通用系统;6 消除了复杂的计划安排;7 减少了从订货到交货的时间和工作量;8 快速发现存在的质量问题;9 实现较低的单元成本;10 支持持续改进;11 通过统计拉动信号就可以知道库存量。第三章 系统方案设计3.1 总体方案的分析和确立本章针对当前工位控制中存在的问题来逐步分析和确立本系统的设计方 案。首先,最突出的问题是当前工位控制上的各个功能(包括 QCOS 控制、物 料拉动、质量追溯等都是由各自独立的系统来完成的,造成了硬件资源的重 复浪费、信息交流的隔离。每个独立的系统使用着各自不同的总线和服务器, 它们之间没有接口、没有信息交换,但却都服务于同一条流水线上的工位。这 对各系统的管理、扩容或新的系统开发都会带来问题。针对这一问题,我们首先想到的就是如何把这些功能由一个系统来实现。 而怎样把这些独立的功能系统集成到一起呢?现场总线是一个