Автоматизация + Производство

Вступление
Итак, прошлый пост про сварку боковины Шкоды Октавия получил какие-то плюсы, и, следовательно, кому-то он показался полезным или интересным, а значит будем продолжать.
В этот раз я поделюсь редким, можно сказать уникальным видео. Его уникальность заключается в том, что это видео сборки микроавтобуса. Здесь мне возможно возразят: а что уникального в сборке микроавтобуса? Дело в том, что новые линии по производству бусиков запускаются довольно редко. За всю мою карьеру в проектировании роботизированных линий я помню только два проекта для микроавтобусов, которые оба случились в середине 201х, причем оба - по одной и той же причине. Причина эта - развод автоконцернов Мерседес и Фольксваген в области производства микроавтобусов. До этого момента бусики Sprinter (DAG) и Crafter (VW) собирались на одной линии на заводе в Дюссельдорфе. Однако где-то в начале 201х видимо было принято решение расходиться, и в 2016 году VW запускает производство обновленного Crafter на новом заводе в Польше (построен с нуля под это производство). Мерседес же на освободившихся мощностях запускает производство новой версии Sprinter.
В 2015 году я поучаствовал в проектировании линии боковин для завода VW в Польше, а в 2016 году случился проект для Sprinter DuDo. Хотя оба проекта, что тот, что другой, шли трудно, с конфликтами, как-то через жопу, но проект Sprinter мне запомнился больше, поэтому дальше будет именно про него.

Краткое описание проекта
Как я уже писал выше, в середине 201х на заводе Мерседес в городе Дюссельдорф из производства выводилась модель VW Crafter, что оставляла существующие производственные мощности недозагруженными. Ни одна коммерческая компания не может позволить себе такой роскоши, а потому было принято решение внедрять в существующее производство новую модель микроавтобуса Sprinter. Предполагалось модифицировать установленные производственные линии таким образом, чтобы на них могли собираться и текущая, и новая модели Sprinter с постепенным выводом из производства старой модели.
Таким образом перед нами был классический интеграционный проект, когда в существующую производственную линию встраивается новый, близкий по конструкции продукт. При этом для большинства производственных участков частично меняется оборудование (станции, сварочные клещи и т.д.), чтобы новая конструкция подходила как под уже существующие продукты, так и под новые. Также могут быть отдельные участки, которые предназначаются только для сборки новых продуктов.

Проблемы проекта
В описываемом проекте было несчастливое сочетание как проблем, присущих всем интеграционным проектам, так и проблем, связанных именно с особенностями производимого продукта - микроавтобуса.
Общие проблемы интеграционных проектов вызваны тем, что, хотя интегрируемые продукты, как правило, довольно близки по геометрии к уже производимым, они все же могут иметь существенные локальные изменения, которые не встраиваются в существующий технологический процесс. К общим проблемам интеграционных проектов можно отнести, например:
- Зафиксированное положение оборудования снижает гибкость при распределении операций между роботами, что в конечном итоге может привести к тому, что какие-то операции окажутся просто не выполнимыми.
- Внедрение новых операций с новыми деталями может приводить к тому, что геометрия существующих инструментов оказывается неподходящей для выполнения этих операций. Частично эта и предыдущая проблемы решаются внедрением адаптеров между роботом и инструментом. Но тут возникает следующая проблема.
- Любые изменения в существующем оборудовании обязательно должны быть проверены со ВСЕМИ производимыми на этом оборудовании продуктами. Это не кажется большой проблемой, когда линия рассчитана на 2-4 типа продукта. Однако если в линии производится 5-7 или даже более продуктов, то проверка изменений может потребовать значительных усилий и времени.
Проблемы такого плана в той или иной степени возникают во всех проектах, связанных с интеграцией новой модели кузова в существующую линию. Однако то, что данный проект относился производству микроавтобусов, имело свои дополнительные особенности:
- Большое число модификаций. В отличие от легковых автомобилей, где одной модели может соответствовать пусть и большое, но все же ограниченное число модификаций, количество модификаций микроавтобуса просто зашкаливает: 4 варианта длины, 3 варианта крыши (высокая, низкая и панорамная), левый и правый руль - это уже более 20 модификаций, а ведь есть еще и боковины (с окнами и без, с дверями и без), есть модификации повышенной грузоподьемности и т.д. и т.п. И все эти модификации нужно учесть при построении роботизированных ячеек и проектировании оборудования. Из положения выходили, учитывая при проектировании каждой отдельной ячейки только те модификации авто, которые были релевантны для нее.
- Большой срок между проектами для микроавтобусов. Если для легковых автомобилей каждой марки (раньше, по крайней мере) в год запускалось 2-5 проектов, то для бусиков преиод между проектами составляет несколько лет. За это время уже сменилось применяемое для проектирования ПО, руководящие материалы и инструкции безнадежно устарели, конструкция применяемого оборудования уже не соответствует текущим стандартам предприятия. В результате такого хаоса значительная часть усилий в начале проекта уходила тупо на то, чтобы получить от заказчика хоть какую-то информацию о том, как и что делать и оформлять.
- Отсутствие исторических проектных данных. Для того чтобы проект по интеграции состоялся, крайне важно иметь хорошие исторические данные: актуальные модели оборудования, актуальные модели роботизированных ячеек и т.п. Потому как использование неактуальных данных может привести к тому, что вновь спроектированное оборудование не будет работать, а заложенный в модель технологический процесс окажется не выполним. В данном же проекте из-за смены ПО практически все исторические данные оказались некорректными, и нам пришлось их восстанавливать практически по фотографиям из цеха.
В дополнение к перечисленным выше сложностям одним из основных требований к проектируемым ячейкам было обеспечение безостановочной работы в условиях wild mix, т.е. с возможностью переключения между различными модификациями кузова в любой момент при смене кузова в ячейке.
Вот в таких вот нелегких условиях проходило проектирование производства для микроавтобуса Sprinter.

Описание ячейки из видео.
На рисунке ниже показан вид сверху на данную ячейку с указанием размещенного в ней оборудования - для информации. Некоторые элементы (например, кузов и помост в передней части станции) для удобства не показаны

Детали.
На видео показана одна из немногих "новых" ячеек проекта, которая была выстроена с нуля специально и только под новую модель Sprinter (старая модель должна была проходить эту ячейку насквозь, не останавливаясь). В ней с кузовом собирались (показаны на рисунке ниже):
- усилитель задний нижний
- усилитель под ветровым стеклом
- передняя часть крыши

Несмотря на то, что в рассматриваемой ячейке к основному каркасу привариваются всего три детали, из-за большого числа модификаций эти три детали превращаются в существенно большую номенклатуру.
1. Задний усилитель, из-за различий в геометрии усилителей пола для отдельных модификаций, превращается в 4 различных детали. Для обеспечения непрерывной работы в условиях wild mix усилители загружаются в четыре стопки (по одной стопке на тип).
Так как наполнение каждой такой стопки занимает большое время, сравнимое с тактом работы ячейки, то, для обеспечения безостановочной работы, эти стопки размещаются на двухпозиционных поворотных столах (с каждой стороны по две стопки разных типов). При такой организации загрузки деталей оператор отделен от работы производственной линии и может свободно закладывать детали в стопки со своей стороны стола, в то время как робот берет необходимые ему детали со своей стороны.
2. Хотя сама панель подоконного усилителя одинаковая для всех модификаций кузова, на нее приваривается небольшой кронштейн, положение которого зависти от расположения руля будущего авто (левый или правый руль). Также в зависимости от типа авто в панели в разных местах должны пробиваться отверстия. Из-за сочетания этих модификаций (положения кронштейна и отверстий) в итоге получается 4 варианта подоконного усилителя.
Так как приварка кронштейна и пробивка отверстий выполняются в рамках проектируемой ячейки, то необходимо было как-то синхронизировать эти операции с основным процессом по сварке кузова. Если бы подсборка подоконного усилителя формировалась в каждом такте для вновь пришедшего кузова, то это сильно растянуло бы время работы, и данный участок выбивался бы из общего такта работы всей линии.
Для того чтобы решить эту проблему, усилитель должен был собираться для кузова, следующего за тем, который был в данный момент в ячейке. Но эту идею забраковали программисты роботов со стороны заказчика, так как такая логика работы создавала им большие проблемы при программировании контроллера ячейки.
В итоге мы пришли к четырехпозиционному депозиту (по одной позиции на каждую модификацию усилителя). В каждой позиции депозита всегда должна была находиться готовая подсборка. Работающий с основным кузовом робот должен был брать из этого депозита усилитель, соответствующий типу кузова в ячейке, а робот с захватом должен был производить новую подсборку взамен использованной.
Так как роботы в передней части кузова располагаются довольно высоко, то для подачи им деталей были использованы вертикальные конвейера, которые также служили и накопителями деталей. Причем в одну паллету конвейера сразу устанавливались и панель усилителя и кронштейн. Чтобы в одном конвейере не произошло путаницы в последовательности набора деталей для правого и для левого руля, эти наборы были разделены между двумя конвейерами, т.е. в одном конвейере шли наборы (усилитель + кронштейн) только для левого руля, а в другом - только для правого.
3. Передняя часть крыши имела три варианта исполнения: для высокого типа кузова, для низкого типа кузова и для кузова с панорамной крышей (небольшой усилитель, приваривался над лобовым стеклом). Панели для высокой и низкой крыши подавались в ячейку в таре, через двухэтажные устройства для быстрой смены тары: пока робот забирает детали из тары на одном этаже, рабочий на погрузчике меняет пустую тару на полную на другом этаже устройства.
Особой неприятностью было то, что конечный заказчик (Daimler) пожелал использовать для этого существующую тару, которая до этого использовалась в ручном производстве. Обычно тара для автоматических линий несколько отличается от тары для ручного производства: детали в ней, как правило, лучше спозиционированы (точнее), отделены друг от друга и имеют одинаковую ориентацию в пространстве. Использование ручной тары в автоматизированной ячейке вело к снижению точности позиционирования панели крыши в захвате робота. Для решения данной проблемы была использована система сенсоров, которая должна была определять точное положение детали в захвате робота и давать ему корректировку для дальнейшей работы.
Панель для панорамной крыши, из-за ее низкой востребованности, подавалась в ячейку на выкатной тележке в стопке. Робот, выполняющий сварку, оснащался дополнительно захватом и при необходимости мог взять усилитель для панорамной крыши и заложить его в кузов для дальнейшей сварки.

Работа ячейки
По работе ячейки в основном все достаточно хорошо видно на видео.
1. В начале такта кузов опускается на зажимную оснастку и фиксируется.
2. Роботы с захватами либо комбинацией инструментов (захват + сварочные клещи) приносят детали к месту их расположения в кузове
3. Закрывается оснастка, фиксирующая новые детали совестно с кузовом
4. Роботы со сварочными клещами либо с инструментов (захват + сварочные клещи) выполняют точечную сварку новых деталей с кузовом
5. После окончания сварки роботы уходят на зачистку и заточку колпачков
6. После чего роботы с захватами берут детали для следующего такта
Из общей работы выбиваются два робота: робот, собирающий подоконный усилитель, и робот, закладывающий панель передней крыши.
Первый, как уже было сказано ранее, забирает из вертикального конвейера панель усилителя и кронштейн. Так как в палете конвейера детали могли сместиться, то робот сначала несет эти детали в депозит, где они с помощью штифтов точно позиционируются. После этого детали забираются в уже правильной геометрической позиции и переносятся в стационарные сварочные клещи для дальнейшей сварки. Сваренную подсборку робот затем перемещает в специальное устройство для пробития отверстий. В итоге формируется правильная подсборка подоконного усилителя, которая помещается в депозит на определенную позицию.
Одной из интересных особенностей данного робота было то, что на его захват дополнительно была смонтирована система смены колпачков для стационарных клещей. Обычно в большинстве проектов для стационарных сварочных клещей используют только устройства зачистки колпачков на специальных закидных механизмах. А вот смена изношенных колпачков выполняется вручную обслуживающим персоналом в момент останова всего оборудования. В данном же случае заказчик настоял, чтобы замена колпачков у стационарных сварочных клещей также выполнялась автоматически. Из-за этого пришлось городить колхоз - брать устройство смены колпачков для обычных клещей на роботе и как-то крепить его на захват.
Работающий с передней панелью крыши робот, после установки панели в кузов, меняет захват (при смене типа кузова) и перемещается за следующей панелью. Как было отмечено ранее, для панелей была использована тара ручных операций, и из-за чего детали в таре лежали плотной стопкой без зазора, поэтому брать их приходилось только присосками. Однако для большей надежности фиксации панелей при быстрых перемещениях на захватах также был предусмотрен ряд прижимов, которые закрывались после выхода захвата из тары и открывались перед закладкой панели в кузов. Достав нужную деталь из тары, робот подносит ее к рамке с установленными световыми датчиками, которые определяют точное положение границ детали в захвате робота, и эта информация используется для корректировки последующих программ робота. Перед закладкой панели в кузов робот также наносит на деталь несколько клеевых швов, после чего переориентируется к кузову.

Заключение
Конечно одно это видео не передает всей той работы, которая была проделана при реализации этого проекта, всех тех огорчений, которые мы хапнули при разработке, того как мы старались и косячили, как только могли, каких свиней нам подкидывал наш заказчик, и заказчик заказчика, и заказчик заказчика заказчика. Сейчас уже, после всех прошедших с того момента лет и проектов, все проблемы этого проекта, то как мы срались все между собой, то как я несколько раз порывался бросить все и уволиться к чертям собачьим - все это вспоминается уже практически без негатива и с даже какой-то ностальгией. И глядя на видео работы ячейки я горд, что мы в свое время смогли таки реализовать эту хрень (на рисунках ниже показано состояние ячейки где-то в начале проекта)
Но второй раз я бы в таком участия принимать не стал.