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六西格瑪培訓
張馳專欄
工業機器人領域應用DFSS六西格瑪設計培訓的案例

發布時間:2018-07-19  來源:張馳   點擊:

工業機器人領域應用DFSS六西格瑪設計培訓的案例
 
一、識別階段應用研究
工業機器人領域具有創新性強、難度高等特點,如何加強創新設計、突破關鍵技術、開發出符合客戶需求的系統是本項目的關鍵。在此背景下,導入六西格瑪流程將積極促進項目的順利開展,有助于在競爭態勢中爭取到進入該領域的優勢地位。正在研發的工業機器人演示系統,對工業機器人應用于自動化領域具有重要的引導作用,迫切需要開展六西格瑪流程設計,實現系統的創新設計、突破關鍵技術,開發出符合客戶需求的系統。根據六西格瑪流程要求組建隊伍、制定團隊職責及運作方式;同時,對項目進行了潛在風險分析,并做好預案措施,制訂項目計劃書,設置項目關鍵節點和設計里程碑。

 
二、定義階段應用研究

1、客戶之聲
通過任務需求分析、技術調研、流程仿真及潛在拓展能力制定進行客戶需求分析,進行逐級展開,并利用卡諾分析法識別基本需求、期望需求和興奮型需求,進行重要度打分(見圖1)。

2、I級QFD展開
根據客戶需求進行層層展開,將要求質量轉換成質量要素,再進行分析、提取,形成初步可量化的關鍵質量特性。
 
三、設計階段應用研究

1、概念生成及概念篩選
① 功能分析

通過對系統功能進行分析,進行恰當的剔除、縮減、利用、增添、補足,從而確定合理的必要功能。根據關鍵質量特性對功能按層級展開,列寫出工業機器人演示系統三個層級的功能(見圖2)。

②II級QFD展開
我們進行了II級QFD展開,根據功能分析和展開結果得出技術瓶頸為:實現抓取功能和探測識別目標的功能。鑒于已有的同類產品目標特征需要具備合作屬性,因此可在此方面進行突破,完成不合作模擬目標的探測和識別,有助于在市場競爭中處于優勢地位。
 

③概念生成及篩選
以系統功能為出發點,綜合使用調研法和專家調查法,經過幾輪迭代,初步篩選出符合要求的系統要素概念。執行機構選擇多自由度機械臂,末端抓取機構選擇手爪、末端鎖緊機構,目標模擬器以杯子、齒輪為主。經過系統功能分析按系統要素篩選概念進行組合提出12種初步概念。采用AHP層次分析法,確定了概念選擇流程中概念評估的標準。應用普式矩陣工具,得出“多自由度機械臂+手爪+立體視覺相機+視覺伺服相機+杯子+配套軟件”為優選出來的最佳概念。
 

2、III級QFD展開
通過概念生成及篩選的結果,我們得到了裝置和機構概念作為功能的展開結果。分析后發現,立體視覺探測識別裝置和自主規劃裝置重要度較高,且存在技術瓶頸,在設計階段應高度重視。
 

3、IV級QFD展開
根據裝置機構選擇對其包含的零部組件進行展開,并通過分析提取出重要零部組件,由裝置和機構展開得到屋頂的零部件設計參數,并給出設計參數指標。
 

4、關鍵參數矛盾的TRIZ應用研究
根據IV級質量功能展開表,存在“自主規劃響應速度”與“機械臂的控制精度”之間的矛盾,應用TRIZ理論分別對其進行分析,尋求矛盾的解決方案。
 

5、價值工程分析及優化
此后,我們對機械臂系統進行了功能定義,并進行了功能分析。通過對產品價格的調研及與供應商的溝通,進行功能和成本的折中,采取了若干改進措施,并采用可替代的產品從而達到降低成本,提高價值系數的目的(見表1)。

6、DFMEA分析及優化
按照系統和功能構成,劃分結構層次,開展了工業機器人演示系統的DFMEA,分析出了系統級主要的功能故障模式、產生原因、對系統的影響、嚴酷度、發生可能性、故障檢測方法以及設計改進措施和使用補償措施等。
 

7、設計計分卡(見表2)
可以看出,系統抓取精度過程能力指數略差,需要進行優化設計。


四、優化階段應用研究
 

1、試驗設計及優化分析
根據設計階段的設計計分卡可知,對于工業機器人演示系統,抓取精度不是很理想,因此需要對此開展優化設計。機械臂的抓取精度與機械臂各關節的轉動角速度相關,不同機械臂關節的轉動角速度組合對結果影響較大,需要對機械臂各關節的轉動角速度進行優化設計,以滿足機械臂抓取精度要求。以所選工業機器人演示系統中的機械臂關節角速度為設計變量,以機械臂抓取精度為響應變量,采用田口試驗設計方法,每個因子選擇三個水平,共需要進行9次分析。經分析,機械臂抓取精度主要由關節1、關節2與關節5的轉動角速度決定,根據試驗結果擬合出轉換函數:

2、蒙特卡羅模擬
優化組合的三個因子在取值范圍內滿足正態分布,因子1的標準差為0.9,因子2與3的標準差為0.5,經統計分析,抓取精度的C pk 為1.54,還未達到六西格瑪水平要求。因此,以現有參數為基礎,依據數值擬合表達式進行參數靈敏度分析(求算偏導數),進而修正設計參數。由偏導數可以看出:關節2、關節5的轉動角速度對抓取精度的影響要小于關節1的轉動角速度。因此,需要重點改善關節1的公差設計。通過改善因子1的標準差,使其達到0.5,因子2與3的標準差仍為0.5,抓取精度的響應情況,如圖3所示,抓取精度的C pk 為2.59,達到了六西格瑪的水平,試驗結果較理想,也驗證了關節1的轉動角速度對抓取精度的影響較大。

五、驗證階段應用研究
驗證階段工作包括制定樣機計劃、驗證計劃、標準操作程序、質量控制計劃、項目移交方案以及下一步項目計劃。關鍵驗證試驗包括機械臂抓取精度測試、雙目跟蹤驗證測試、目標抓取驗證試驗進行了結果統計分析,均達到過程控制性能要求(見圖4)。


通過六西格瑪設計(DFSS)培訓,我們實現了創新產品的低成本設計和可靠的設計質量,性能滿足了客戶需求,取得直接收益約600萬元人民幣;同時未來經濟效益預期超千萬元。

 

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