提高曲轴生产线效率的有效途径

——改进机械手与设备逻辑关系

对曲轴线机械手与设备上、下料之间的逻辑时间进行研究和分析，并根据实际生产状况分析曲轴线上的机械手在机床设备之间上下料和清空Buffer之间的逻辑关系，可找出能满足实际生产的最优生产节拍，避免机械手不必要的等待时间。

机械手作为近代自动控制领域中的一项新技术，已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手的迅速发展源于它的积极作用日益为人们所认识：首先，它能部分地代替人工操作，大大改善工人的劳动条件；其次，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传输和装配，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。为了满足曲轴加工线的大批量生产，并实现在规定生产节拍内，准确地完成设备机床的上下料，我公司引进了德国某公司生产的上下料输送装置机械手。通过对此上下料机械手系统的验收，并结合其在正式生产运行的PMC统计数据，我们从理论上对机械手与设备上、下料之间的逻辑关系进行分析，并做了大量相关试验，下面就机械手的逻辑应用以及出现的问题进行讨论。

机械手逻辑现状及存在的问题

我公司运用机械手对OP70多砂轮磨床和OP80双砂轮磨床进行上下料，在OP70与OP80之间用Buffer 2来进行缓冲，以缓冲可能由于OP70磨床磨削主轴颈过快及OP80磨削连杆颈过慢导致的过多曲轴，其布局如图1所示。采用机械手进行上下料，原本可以大大提高生产效率，进而满足最初设计的生产纲领需求。在不考虑其他任何停机因素的情况下，该工位每个班（7.5h）理论可完成562件。

图1 OP70、OP80磨床与Buffer布局

然而，我们在正式投产后发现，机械手并没有达到最初的设计要求。现在OP70的单台加工循环时间为68s，机械手上料时间为12s，合计80s；工位合计循环时间为40s；该工位每加工10件零件需要花80s来对砂轮进行一次修整，图2为机械手的逻辑时间。在实际运行时发现，机械手在机床和缓冲Buffer 2上出现了一些问题：当OP70磨床当中有一台机床需要修整一次砂轮，线上的Buffer 2中有零件，Buffer 2上面的shift unit上没有零件，本来机械手应该从Buffer 2缓冲区上取料到shift unit上，以满足下道工序OP80机床的加工。但是机械手并没有进行这步动作，而是回到OP70机床前面的shift unit去取料，并停留在OP70机床上方等待机床修整完砂轮，给机床送完料后，再到Buffer 2缓冲区当中取料给Buffer 2上的shift unit，然后OP80上的机械手从shift unit上拿料到OP80磨床加工，这样会造成后工序缺了一件料，影响生产线速。按照每天3班，251个工作日来算，一个班会少生产56件，每年至少减少生产56×3×251=42 168根曲轴。机械手在机床上方的等待问题会对我们的产能造成很大的损失。

图2 改善前机械手逻辑时间nextpage

问题分析

针对机械手在OP70上面等待而不去执行清空Buffer 2操作的问题，我们对机械手的逻辑关系进行了比较细致的分析和对比。驱使机械手产生动作的信号从哪里来？有多少个这样的信号？这些信号遵循怎样的逻辑关系？通过对机械手控制程序的分析和研究，我们发现发给机械手的信号有三种：A——机床完成加工或提出零件加工需求的上下料信号；B——从抽屉里上料给机床，需要机械手过来抓取的信号；C——Buffer提出清空Buffer缓冲区的要求信号。

图3 三种发给机械手的信号源的逻辑顺序

根据以上三种发给机械手的信号源的逻辑顺序（见图3），我们发现机械手的这三种信号存在一定的优先级顺序：A类信号优先、B类信号其次、C类信号最后才满足。当三种信号同时出现时，即机床上下料的需求信号、抽屉上料的信号和清空Buffer同时出现时，机械手优先执行机床上下料的需求信号和抽屉上料信号的命令。因此，机械手在自动情况下需要清空缓冲区Buffer的条件有以下几点：

1. Buffer有料；

2. shift out无料且在接料位置；

3. 用于送料的Z2机械爪手必须是空手；

4. 在以上条件都满足的情况下，机械手还需要一条额外的条件，即在20s内没有A类信号和B类信号的出现，机械手才能到Buffer里面取料给OP80加工。

此外，我们对机械手和机床的信号传输也进行了分析，发现有另外一种情况也会造成机械手没有去执行C类信号的操作，就是OP70磨床在快要磨削完曲轴的时候，机床会提前44s给机械手发信号，要求其给机床上下料，这样在OP70单台工作的情况下机械手只有24s的空余时间。这也是造成机械手不能曲轴清空Buffer的一个原因。

综合以上对机械手与机床的原理分析，当该工序只有1台机床加工时，机械手要花44s等待机床加工完成，之后还要再花18s给机床换料，并把合格零件送到下工序，机械手总保持着62s的执行命令状态，而只有6s来执行清空Buffer命令。可见，OP70机床修砂轮时，机械手无法执行清空Buffer功能。造成此现象的主要原因有两个：

1. 机床发给机械手执行上下料的信号太早，占用了机械手的工作时间；

2. 满足清空Buffer条件20s才启动清空程序的时间太长。

改造思路及建议

以上问题反映出机械手逻辑上的不合理，我们对影响机械手清空Buffer的两点主要原因提出了改进思路和解决措施：

1. 针对机床发给机械手执行上下料的信号太早的问题，我们认为OP70发出A类信号给机械手的时间安排不合理。OP70机床提前44s给机械手信号，造成机械手在OP70机床上方等待上料，等待时间最长达到51s，这段时间机械手本来可以完成C类信号的命令。我们调整了机械手的执行时间，更改机械手逻辑，接收到机床发出的上下料需求信号后延时26s后才执行。

2. 针对满足清空Buffer条件20s才启动清空程序的时间太长的问题，我们对机械手的逻辑时间进行了调整。机械手在没有接收到OP70发出的A类信号以及抽屉给它的B类信号时，需要等待20s之后再去执行C类信号。这样会造成即使Buffer有料，机械手也不会去执行清空Buffer缓冲的程序。因此，我们把清空Buffer的条件时间由原来的20s改为5s。nextpage

改进后的验证

我们对上述所做的更改进行了工位实际加工验证：只用1台机床进行加工，另外1台不加工以模仿机床的修砂轮，Buffer上有曲轴零件，当机械手送完料到OP70机床，机械手会在5s后到Buffer上取零件给后续的OP80机床进行加工。当两台同时加工时，机械手不会去清空Buffer。经过1周的生产观察，生产运行效果改善明显，生产效率大大提高（见图4），图5为我公司发动机工厂生产现场。

图4 改善后的机械手逻辑时间

图5 发动机工厂生产现场

结论

机械手虽然能代替人工操作，大大改善工人的劳动条件，将操作工人从繁重、单调的工作环境中解放出来，提高劳动生产效率。但是相对人的思维逻辑，如果机械手的逻辑时间设计不合理，也会造成生产延误与浪费。要找到最优的生产时间，需要经过生产实践的验证和摸索，对生产中影响到生产效率的几个瓶颈工位进行分析，并制定可行性方案，从而实现曲轴线生产的产能最大化。

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提高曲轴生产线效率的有效途径

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