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六西格玛培训
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工业机器人领域应用DFSS六西格玛设计培训的案例

发布时间:2018-07-19  来源:张驰   点击:

工业机器人领域应用DFSS六西格玛设计培训的案例
 
一、识别阶段应用研究
工业机器人领域具有创新性强、难度高等特点,如何加强创新设计、突破关键技术、开发出符合客户需求的系统是本项目的关键。在此背景下,导入六西格玛流程将积极促进项目的顺利开展,有助于在竞争态势中争取到进入该领域的优势地位。正在研发的工业机器人演示系统,对工业机器人应用于自动化领域具有重要的引导作用,迫切需要开展六西格玛流程设计,实现系统的创新设计、突破关键技术,开发出符合客户需求的系统。根据六西格玛流程要求组建队伍、制定团队职责及运作方式;同时,对项目进行了潜在风险分析,并做好预案措施,制订项目计划书,设置项目关键节点和设计里程碑。

 
二、定义阶段应用研究

1、客户之声
通过任务需求分析、技术调研、流程仿真及潜在拓展能力制定进行客户需求分析,进行逐级展开,并利用卡诺分析法识别基本需求、期望需求和兴奋型需求,进行重要度打分(见图1)。

2、I级QFD展开
根据客户需求进行层层展开,将要求质量转换成质量要素,再进行分析、提取,形成初步可量化的关键质量特性。
 
三、设计阶段应用研究

1、概念生成及概念筛选
① 功能分析

通过对系统功能进行分析,进行恰当的剔除、缩减、利用、增添、补足,从而确定合理的必要功能。根据关键质量特性对功能按层级展开,列写出工业机器人演示系统三个层级的功能(见图2)。

②II级QFD展开
我们进行了II级QFD展开,根据功能分析和展开结果得出技术瓶颈为:实现抓取功能和探测识别目标的功能。鉴于已有的同类产品目标特征需要具备合作属性,因此可在此方面进行突破,完成不合作模拟目标的探测和识别,有助于在市场竞争中处于优势地位。
 

③概念生成及筛选
以系统功能为出发点,综合使用调研法和专家调查法,经过几轮迭代,初步筛选出符合要求的系统要素概念。执行机构选择多自由度机械臂,末端抓取机构选择手爪、末端锁紧机构,目标模拟器以杯子、齿轮为主。经过系统功能分析按系统要素筛选概念进行组合提出12种初步概念。采用AHP层次分析法,确定了概念选择流程中概念评估的标准。应用普式矩阵工具,得出“多自由度机械臂+手爪+立体视觉相机+视觉伺服相机+杯子+配套软件”为优选出来的最佳概念。
 

2、III级QFD展开
通过概念生成及筛选的结果,我们得到了装置和机构概念作为功能的展开结果。分析后发现,立体视觉探测识别装置和自主规划装置重要度较高,且存在技术瓶颈,在设计阶段应高度重视。
 

3、IV级QFD展开
根据装置机构选择对其包含的零部组件进行展开,并通过分析提取出重要零部组件,由装置和机构展开得到屋顶的零部件设计参数,并给出设计参数指标。
 

4、关键参数矛盾的TRIZ应用研究
根据IV级质量功能展开表,存在“自主规划响应速度”与“机械臂的控制精度”之间的矛盾,应用TRIZ理论分别对其进行分析,寻求矛盾的解决方案。
 

5、价值工程分析及优化
此后,我们对机械臂系统进行了功能定义,并进行了功能分析。通过对产品价格的调研及与供应商的沟通,进行功能和成本的折中,采取了若干改进措施,并采用可替代的产品从而达到降低成本,提高价值系数的目的(见表1)。

6、DFMEA分析及优化
按照系统和功能构成,划分结构层次,开展了工业机器人演示系统的DFMEA,分析出了系统级主要的功能故障模式、产生原因、对系统的影响、严酷度、发生可能性、故障检测方法以及设计改进措施和使用补偿措施等。
 

7、设计计分卡(见表2)
可以看出,系统抓取精度过程能力指数略差,需要进行优化设计。


四、优化阶段应用研究
 

1、试验设计及优化分析
根据设计阶段的设计计分卡可知,对于工业机器人演示系统,抓取精度不是很理想,因此需要对此开展优化设计。机械臂的抓取精度与机械臂各关节的转动角速度相关,不同机械臂关节的转动角速度组合对结果影响较大,需要对机械臂各关节的转动角速度进行优化设计,以满足机械臂抓取精度要求。以所选工业机器人演示系统中的机械臂关节角速度为设计变量,以机械臂抓取精度为响应变量,采用田口试验设计方法,每个因子选择三个水平,共需要进行9次分析。经分析,机械臂抓取精度主要由关节1、关节2与关节5的转动角速度决定,根据试验结果拟合出转换函数:

2、蒙特卡罗模拟
优化组合的三个因子在取值范围内满足正态分布,因子1的标准差为0.9,因子2与3的标准差为0.5,经统计分析,抓取精度的C pk 为1.54,还未达到六西格玛水平要求。因此,以现有参数为基础,依据数值拟合表达式进行参数灵敏度分析(求算偏导数),进而修正设计参数。由偏导数可以看出:关节2、关节5的转动角速度对抓取精度的影响要小于关节1的转动角速度。因此,需要重点改善关节1的公差设计。通过改善因子1的标准差,使其达到0.5,因子2与3的标准差仍为0.5,抓取精度的响应情况,如图3所示,抓取精度的C pk 为2.59,达到了六西格玛的水平,试验结果较理想,也验证了关节1的转动角速度对抓取精度的影响较大。

五、验证阶段应用研究
验证阶段工作包括制定样机计划、验证计划、标准操作程序、质量控制计划、项目移交方案以及下一步项目计划。关键验证试验包括机械臂抓取精度测试、双目跟踪验证测试、目标抓取验证试验进行了结果统计分析,均达到过程控制性能要求(见图4)。


通过六西格玛设计(DFSS)培训,我们实现了创新产品的低成本设计和可靠的设计质量,性能满足了客户需求,取得直接收益约600万元人民币;同时未来经济效益预期超千万元。

 


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