時 曉，韓 強，劉漢彬，李金橋，李文鋒

（濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261108）

我公司目前主要生產大缸徑機體類鑄件。此類鑄件加工周期長，需要在鑄件表面噴涂底漆，減少加工過程中的銹蝕問題。由于我公司生產的鑄件種類繁多，結構和尺寸規(guī)格相差較大，長期依賴人工噴漆。但隨著社會發(fā)展和產能提升，傳統(tǒng)的鑄造手工生產模式特別是鑄件的人工噴漆工序，存在著產能局限性大、勞動強度大、勞動環(huán)境惡劣及招工難的問題。

如何開發(fā)設計出滿足多種規(guī)格尺寸的鑄件自動噴漆生產工藝，實現機器人自動噴漆精準定位，實現自動噴漆操作，是我們工藝人員在建廠以來一直關注并致力于解決的問題。這對于提高鑄件表面質量，提升產品形象，提高市場競爭力有著重要意義。本文將通過IDDOV 六西格瑪創(chuàng)新方法論實現大型鑄件自動噴漆工藝進行論述。

1 IDDOV 六西格瑪創(chuàng)新方法論簡介

IDDOV 方法論是六西格瑪設計方法論DFSS中的一種，它是由美國質量專家喬杜里提出的。六西格瑪設計方法論是基于并行工程和DFX（designforX）的思想，面向產品的全生命周期，采用系統(tǒng)的設計理念，將關鍵顧客需求融入到產品、過程設計中，從而確保產品的開發(fā)速度和質量，減少產品成本、解決組織問題的一種方法論。IDDOV 方法論通常分為五步，即識別（identify）、界定（define）、開發(fā)（develop）、優(yōu)化（optimize）和驗證（verify）[1]。本文基于以上五個步驟詳細展開項目實施的具體情況。

2 識別階段

2.1 項目背景及定義

首先是對項目開展的必要性和可行性進行了評估。隨著企業(yè)的持續(xù)發(fā)展，產品整體質量要求不斷提高，客戶對于鑄件毛坯表面質量的要求也越來越高。人工噴漆過程中易發(fā)生漏噴、閃銹以及漆膜附著力差等問題，產品流轉過程對毛坯防護不足，為后工序帶來質量隱患，嚴重影響顧客滿意度。

顧客需求（VOC）：在過去3 個月內，被客戶索賠36 次，嚴重影響顧客滿意度；公司戰(zhàn)略（VOB）：結合集團會議要求，打造現代化工廠，產線自動化率要從目前的4.37%提升至12%；職工需求（VOE）：現有人工噴漆勞動強度大，且不能滿足產能翻番的需求。

經過項目調研，充分評估人工噴漆、自動機器人噴漆及靜電噴粉的優(yōu)劣勢后，最終選用自動化程度高、漆面質量一致性好、應用廣泛的自動噴漆工藝。項目立項為自動噴漆線工藝開發(fā)及優(yōu)化。

2.2 項目計劃

編寫項目授權書，明確項目范圍、團隊成員及開展計劃。針對開展產品型號共30 種，最大重量1150 kg，最大尺寸703 mm×602.5 mm×1083 mm。團隊成員涵蓋了項目負責人、工藝、裝備及現場操作者。項目開展周期為2021 年12 月至2022 年7月。

2.3 風險評估及控制措施

使用頭腦風暴法，分析出項目開展過程中存在的潛在風險13 項，并進行風險評級和風險管控措施的實施，具體內容見表1。

表1 部分風險評級及管控措施

3 界定階段

3.1 顧客需求（VOC）的收集與分析

對內外部客戶、職工等利益相關方進行識別，采用調查問卷、一對一訪談及實地考察的方式進行需求的收集，共計收集14 項顧客需求，并建立顧客需求卡諾圖,具體見圖1。

圖1 KANO 圖分析

3.2 顧客需求重要度識別

利用親和圖，對14 項顧客需求進行層次化分析，具體見圖2。通過層次分析法（AHP）進行顧客需求的重要度評價，確定顧客需求的重要度，并進行排序[2]。

圖2 顧客需求層次化分析

3.3 Y 的定義

根據顧客需求重要度進行Y 的定義，通過二八原則和實際需求進行目標和挑戰(zhàn)值的確定，確定項目努力的方向，具體見表2。

表2 Y 的定義表

3.4 Y 的測量系統(tǒng)分析及現水平確認

通過對Y1 鑄件噴漆得分及每日生產數量進行屬性一致性測量系統(tǒng)分析，確認數據真實可靠后，對當前水平進行了確認。統(tǒng)計21 年10 月至12 月份鑄件噴漆生產情況，繪制鑄件噴漆得分及日產量的控制圖，過程穩(wěn)定受控，Y1 鑄件噴漆得分為81.28 分，Y2 日產量為20.235 臺/天。

3.5 風險減輕計劃實施

（1）針對技術支持及維修人員開展機器人專項培訓，提升自動化設備相關能力。

（2）針對疫情可能帶來的項目進度延遲，采取線上問題對接會，保證項目進度，同時要求設備安裝調試人員提前2 周到達廠區(qū)進行隔離和核酸檢測。

4 設計階段

4.1 流程設計

結合外出參觀學習經驗，考慮到自動化及質量水平提升的實際需求，團隊討論自動噴漆線工藝流程的初步方案，工藝流程圖如圖3 所示。根據工藝流程圖繪制微觀流程圖，找到可能影響Y1 和Y2 的各類因素。

圖3 工藝流程圖

對于Y1 噴漆質量，共導出23 項可能的因子。經過分析，其中4 項因子無需參與設計，19 項因子中部分因子存在關聯，最終歸納為14 項因子，進入后續(xù)質量屋分析。

對于Y2 最大日產量，由于我們是單班生產，導出最大日產量公式：Y2=（每日工作時長-單件總時長）/瓶頸工序節(jié)拍+1。計算得出，要實現Y2最大日產量50 臺的目標，瓶頸工序節(jié)拍要小于6.74 min。

4.2 質量功能展開

通過第一次質量功能展開，識別出自動噴漆工藝的關鍵設計系統(tǒng)，分別是：上下料系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、噴漆系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)。具體見圖4。

圖4 第一次質量屋

4.3 公理化設計確認

通過第二次質量功能展開，識別出自動噴漆工藝的設計參數重要度。根據公理化設計的矩陣三角形化法則，得到變換的設計矩陣。之后根據退耦設計原則，發(fā)現設計出現冗余。進行退耦設計，得到設計參數方案及先后順序，具體見表3。其中環(huán)保系統(tǒng)和控制系統(tǒng)重要度較低且工藝參數設計相關較少，不在本次設計范圍內，僅在驗證階段進行確認。

表3 設計參數重要度及次序表

4.4 針對X′s 的設計

采用頭腦風暴、借鑒查新、最佳方案選擇、TRIZ 方法、模擬分析、邏輯回歸及參數優(yōu)化等方法對各因子進行設計。開始設計之前進行了表3中因子的數據準確性確認，包括漆粘度、漆膜厚度、烘干溫度、烘干時長及鑄件測溫的測量系統(tǒng)分析。確認因子的數據準確無誤之后，開始對各因子的初步方案設計。因內容篇幅限制具體內容不一一詳述，僅展示部分關鍵因子的具體設計過程。

（1）對于X1 上下料方式設計，為保證自動化及鑄件定位準確度的要求，設計制作自動上下料桁架，滿足大噸位鑄件的安全上料，同時能夠確保定位精度在2 mm 以內。

（2）對于X4 工裝設計, 我們的大型機體鑄件內腔需要噴漆，因此要盡可能減少鑄件支撐面的接觸面積，以確保機器人能夠進入鑄件內腔進行噴漆。因此我們初步設計支撐結構，將鑄件抬起，給機器人空間和入口。

當接觸面積減小后，多種鑄件在轉運過程中的穩(wěn)定定位和通用性問題成為我們需要解決的問題。我們嘗試采用TRIZ 工具解決這一問題。明確當前技術系統(tǒng)存在的問題是工裝種類需求多，因為我們要滿足多種鑄件的定位問題；工裝種類需要少，要提高通用性，減少換型時間。我們決定采用基于空間分離的原理，解決這一物理矛盾。通過查看空間分離的發(fā)明原理，得到原理1 分割、原理局部質量、原理7 嵌套及原理4 非對稱原理，但原理1 不符合我們的預期要求，因此我們得到三種設計思路[3]。首先根據鑄件尺寸，將30 種產品匯總為7 類工裝，然后根據設計思路設計方案，經過多次改進形成最終方案，具體設計思路變化見圖5，最終設計圖紙見圖6。

圖5 工裝設計思路圖

圖6 工裝設計圖

（3）對于X6 漆粘度、X7 噴漆路徑、X8 噴漆流量、X9 噴漆角度及X10 噴漆移動速度因子設計，首先進行了機理分析，采用業(yè)內常用的噴漆方式即雙重噴涂法，確保漆面厚度均勻性。為避免出現漆流問題，導出漆膜厚度與總噴漆時間的理論公式。

式中：q 為單位時間流量，a 為漆固體物含量（30%），b 為漆霧逸散比例，v 為噴漆移動速度，l為噴槍距鑄件距離（200mm），θ 為噴槍角度。其中a 為材料定值，l 為行業(yè)最優(yōu)值。

因此在一定表面粗糙度和粘度情況下，為確保不產生流痕，單次漆膜厚度要小于一定值。通過二項回歸分析，得到回歸模型：

在設定可能產生問題的概率P=0.01 的情況下，漆膜厚度不超過31.31 μm。之后結合模擬軟件，對整體參數和軌跡進行設計，最終確定工藝參數如下：采用雙重噴涂法、噴涂三次；底漆粘度為（20～30）s；噴漆流量為100 mL/min；噴漆角度為90°；噴漆移動速度為0.2 m/s。預計的噴漆時間為720 s，預計漆膜厚度為75 μm。

（4）對于X15 產線布局，根據前面各工序作業(yè)時間預計試驗結果，結合場地布局設計，采用“U”型布局，全線工位設計數量24 個，整體產線長度約為70 m。

全部參數設計完成之后，對參數進行匯總整理，形成設計參數明細表，見表4。

表4 最終設計參數明細表

4.5 潛在失效模式分析

對設計方案進行潛在失效模式分析（DFMEA），對潛在失效模式、原因、后果進行分析，優(yōu)化控制預防方案，減少失效可能[4]。

5 優(yōu)化階段

5.1 產線建設

根據自動噴漆線流程及設計內容，逐步完成上下料—清吹—機器人噴漆—烘干—冷卻的過程安裝，以及水風電氣供漆系統(tǒng)的安裝調試。對照參數表單，逐一確認是否達到設計要求。確認無誤后，開展樣件測試及參數優(yōu)化工作。

5.2 樣件噴漆問題及優(yōu)化

進行各類型樣件噴涂時，按照模擬參數進行設定噴漆，噴漆質量良好，無漆流痕、色差等問題。對比人工噴漆與機器人噴漆，漆膜厚度滿足要求，且均勻性高于人工噴漆，見表5。但局部凹槽區(qū)域存在噴漆不嚴，需要加以優(yōu)化。

表5 漆膜厚度對比表

原因分析：觀察發(fā)現機體漆面，噴漆不嚴部位均為凹槽部位，且深度超過40 mm 以上。分析認為，漆面質量噴漆軌跡設計時，噴漆距離主要是針對鑄件大表面進行設計，對于凹槽部位，相應的鑄件距離增加，導致漆膜厚度變薄。結合模擬情況及理論計算公式，初步考慮4 種方案進行評估和實施。對三種方案進行現場驗證，評估效果，具體內容見表6。

表6 改進方案匯總、可行性分析及驗證結果

5.3 冷卻過程優(yōu)化

針對DFMEA 分析中的安全項因素，對出冷卻室鑄件進行溫度監(jiān)控，經實際試驗測試，120 ℃烘干，冷卻7 min 后，鑄件溫度低于35 ℃，不會出現過熱燙傷問題。在控制系統(tǒng)內增加時間控制聯鎖，工裝及工件下輥道線7 min 內不允許動作，確保溫度。

5.4 鑄件識別對比防錯

針對DFMEA 分析中的多品種鑄件人工錯誤輸入的因素，增加鑄件識別對比防錯系統(tǒng)。該方案建設周期短且無需聯網或增加其他操作，通過相機拍攝鑄件圖片，與預存圖片進行比對，出現不相符會報警并停線，實現防錯。

5.5 產能分析及優(yōu)化

對樣件的各過程作業(yè)時間進行實測，挑選最長時長，繪制生產能力表，見表7，確定首件用時3626 s，循環(huán)節(jié)拍為瓶頸工序時長406 s。計算得出每日最高產能為54.13 臺每天，滿足Y2 的預期目標。

表7 生產能力表

6 驗證階段

6.1 Y 的現水平確認

完成樣件、小批量測試及參數優(yōu)化后，進行生產驗證，驗證生產1600 臺。對Y 的現水平進行確認，Y1 鑄件噴漆得分提高至97.59 分，完成預定目標96 分；Y2 最高日產量實現54.29 臺/天，完成挑戰(zhàn)目標50 臺/天。

6.2 文件標準化

將項目過程中形成的工裝圖紙、作業(yè)指導書、電子文檔及操作手冊等進行文件化管理，并進行現場培訓，確?，F場職工操作質量。

6.3 收益核算

產品噴漆質量和生產效率提升可帶來直接經濟32.61 萬元/年。

7 項目總結

（1）借助IDDOV 創(chuàng)新方法論，實現了我公司大缸徑鑄件噴漆自動化技術零的突破，填補了我公司大缸徑鑄件自動噴漆工藝技術空白。

（2）提升了我公司大缸徑鑄件鑄件噴漆技術工藝水平，為行業(yè)內生產大型、多品種鑄件開發(fā)提供有效的借鑒。

（3）該項目的開發(fā)實施，也減輕了職工勞動強度，消除了安全隱患，改善了操作環(huán)境，為解決招工難問題找到了方向。

（4）本項目中總結的機器人配置、軌跡、大尺寸產品定位、防錯等應用至大缸徑產品打磨工序的自動化、機械化改造中，不斷提升鑄造產業(yè)自動化、智能化及綠色發(fā)展。