logo

logo

logo

logo

logo

أتمتة التجميع

اتمته تجميع

Assembly automation - Automation de l'assemblage

أتمتة التجميع

خالد دك الباب  

أنواع التجميع

التصميم من أجل التجميع

التصميم من أجل التصنيع

الآفاق المستقبلية

 

تمر عملية تصنيع أغلب المنتجات بمرحلة تجميع assembly، تُركَّب فيها عدة عناصر جزئية بعضها مع بعض للحصول على وحدة واحدة تكون هي المنتج النهائي، أو تكون منظومةً جزئية من منتجٍ أكبر. وتُجرى عملية التجميع هذه يدوياً أو آلياً بحسب طبيعة المنتج وحجم الإنتاج. وبخلاف ما قد يتبادر للأذهان للوهلة الأولى، فالتجميع اليدوي ليس بالضرورة دليلاً على تخلف المنتج أو طريقة إنتاجه؛ ففي صناعة السيارات على سبيل المثال - وهي من الصناعات المتطورة الثقيلة- تُجمّع معظم الأجزاء يدوياً، وكذلك الحال في صناعة التجهيزات الدقيقة مثل الساعات والأجهزة الطبية الدقيقة. بالمقابل، ففي الخطوط الحديثة لإنتاج اللوحات الإلكترونية تُركب العناصر الإلكترونية على اللوحات (إجرائية تجميع) بشكلٍ آلي تماماً. ويتعلق العامل الأساسي في اختيار نوع التجميع (يدوي أو آلي) بتوفر تجهيزات قادرة على تجميع المنتج المطلوب، وتكلفة استخدام هذه التجهيزات أو تطويرها، والمردود المادي لذلك بالنسبة إلى حجم الإنتاج المطروح.

أنواع التجميع :

في التجميع الآلي تقوم الآلات بإجرائية التجميع من دون تدخل الإنسان. ويمكن تمييز نوعين من التجميع الآلي:

أ- التجميع الآلي الثابت الذي يشار إليه بالأتمتة الثابتة أو نمط ديترويت: حيث لا تكون الآلات التي تقوم بإجرائية التجميع آلات عمومية، بل آلات مخصصة لتجميع منتجٍ واحد فقط، وعليه تفتقر هذه الطريقة إلى المرونة من حيث التوافق مع أي تعديلات على تصميم المنتج الأصلي. كما تتطلب هذه الطريقة استثماراً كبيراً جداً، وأزمنة هندسة طويلة، قبل البدء الفعلي بالإنتاج. ولكن  تتناقص تكلفة تجميع القطعة الواحدة طرداً مع عدد القطع المنتجة.

الشكل (1) تغير تكلفة التجميع للقطعة الواحدة بازدياد عدد القطع المنتجة

ب- التجميع الآلي «بالروبوتات»: الآلات التي تقوم بالتجميع روبوتات قابلة للبرمجة تختلف في تعقيد تشكيلاتها من ذراع روبوت واحدة فقط، تعمل ضمن محطة عمل واحدة، وصولاً إلى تشكيلات معقدة مؤلفة من عدة روبوتات، تعمل على نحو متناسق ضمن مجموعة من المحطات، وتشكل خلية تجميع على غرار خلية إنتاج. ويتمتع هذا النمط من التجميع بمرونة عالية في التعامل مع تصميمات ومنتجات مختلفة، كما أن الاستثمار الذي يتطلبه أخفض من الاستثمار المطلوب للتجميع الآلي الثابت. وتتناقص تكلفة تجميع القطعة الواحدة مع عدد القطع المصنَّعة، ولكن ليس على نحو تناسبي بحيث يصبح غير مجدٍ بعد عددٍ محدد من القطع، كما هو مبين بالشكل (1). لذا يستخدم التجميع الآلي بالروبوتات من أجل حجوم إنتاج تتجاوز الإنتاج اليدوي، ولا تصل إلى حجوم الإنتاج المؤتمت الثابت.

ولما كان المنتج المجمَّع يتألف في معظم الحالات من قطعة أساسية يُركب عليها قطعة فردية واحدة في كل عملية بحيث يُنهى المنتج تدريجياً، فإن منظومة التجميع الآلي عموماً تضم المنظومات الجزئية الآتية:

أ- محطة أو محطات عمل تجري فيها عمليات التجميع.

ب- آليات تغذية توفر تذخير محطات العمل بالقطع الفردية المطلوب تركيبها.

ج- منظومة مناولة المشغولة لوحدة التجميع تقوم بتحريك القطعة الأساسية إلى خلية التجميع ومنها، إضافةً إلى نقل القطعة الأساسية المجمعة جزئياً بين محطات العمل ضمن هذه الخلية.

أما وظائف التحكم المطلوبة في منظومات التجميع المؤتمت فهي: التحكم في تسلسل العمليات وحركة المفعلات  actuators ومراقبة الأمان ومراقبة الجودة.

يُعد التوصيف المقدم أعلاه لمنظومات التجميع المؤتمت توصيفاً عاماً، إذ يمكن أن يختلف التوصيف تبعاً لطبيعة المنتج ولمنهجية التجميع ليشمل أيضاً منظوماتٍ جزئية أخرى توفر وظائف خاصة تتعلق بالمنتج.

التصميم من أجل التجميع :

العاملان الأساسيان في اختيار طريقة التجميع هما: حجم الإنتاج وتكلفة التجميع، إضافة إلى مجموعة من العوامل الأخرى، مثل عدد العناصر الواجب تركيبها ضمن المنتج، وعدد نُسخ المنتج، وتوافر العمالة. وبما أن العلاقة بين هذه العوامل تفاعلية يصعب تمثيلها بعلاقة رياضية واحدة -وهي ترتبط بعلاقة متبادلة مع تصميم المنتج نفسه؛ إذ إن تصميم المنتج لا يكتمل إلا بمعرفة طريقة تجميعه التي قد تتطلب إدخال تعديلات على المنتج ليتناسب معها- فقد قاد ذلك إلى إجرائية التصميم من أجل التجميع design for assembly(DFA)

اقتصر التصميم من أجل التجميع عند ظهوره في نهاية السبعينيات من القرن العشرين على قياس سهولة التعامل مع القطع وتركيبها ضمن منتج محدَّد أو صعوبتهما، لكنه سرعان ما تطور ليشتمل على إجرائيات تحليلية لكشف مشكلات التصميم وتقييمها كمياً، وهذا ما يسمح بتحديد الاستخدام الأكثر فاعلية للمواد والطرق وتأثيرها في تكلفة تصميم القطعة. ويسهم استخدام التصميم من أجل التجميع إذاً في خفض تكلفة المنتج وزيادة موثوقيته.

 ومن أشهر الطرق المستخدمة في التصميم من أجل التجميع:

أ- طريقة بوثرويد-ديوهرست   :  Boothroyd-Dewhurst وهي أولى طرق التصميم من أجل التجميع  التي ظهرت في نهاية السبعينيات من القرن العشرين. ولا تسمح هذه الطريقة بإنشاء منتج جديد، بل بتحليل منتج موجود وتحسينه. وتعتمد هذه الطريقة على عملية تكرارية يُحدد في كل تكرار عدد العناصر الواجب تجميعها وتكلفة كل إجرائية تجميع، ثم إجراء تعديلات تصميمية على المنتج لاختصار عدد القطع، إما بحذفها تماماً، وإما بدمجها بعضها مع بعض إن أمكن. ويُعاد التكرار حتى الوصول إلى المنتج الأمثل. وقد عدت المعايير الثلاثة التي طرحها بوثرويد -للحكم فيما إذا كانت قطعة ما ضرورية- نقاطاً مرجعية في التصميم من أجل التجميع، وهي:

* حركة القطعة بالنسبة إلى القطع الأخرى التي سبق تجميعها من عدمها.

* ضرورة صنع القطعة من مادة مغايرة أو عزلها عن بقية القطع الأخرى التي سبق تجميعها.

* ضرورة فصل القطعة عن بقية القطع الأخرى التي سبق تجميعها، لأن التجميع أو الفك سيكون مستحيلاً في الحالة المعاكسة.

ب- طريقة هيتاشي لتقييم التجميع : Hitachi assembly evaluation method(AEM  طُوّرت هذه الطريقة في الأصل لتقييم التجميع الآلي، لذا تقوم على أساس «كل قطعة تحتاج إلى حركة واحدة لتثبيتها»، وتخسر القطع التي تحتاج إلى حركات أعقد لتثبيتها من علامات تقييمها. وبذلك يُحسن التصميم باختصار عدد القطع أو بتبسيط عمليات التجميع.

ج- طريقة لوكاس :Lucas تهدف هذه الطريقة إلى اختصار عدد القطع انطلاقاً من تقييم التصميم بثلاث خطوات: أولاها التحليل الوظيفي، وتُصنف فيه القطع وظيفياً إلى قطع أساسية وأخرى ثانوية، والتصميم المثالي هو الذي لا يشتمل إلا على قطع أساسية. وثانيها تحليل مناولة القطع أو المنظومات الجزئية إلى منظومة التجميع الأساسي على أساس حجمها، ووزنها، وصعوبة مناولتها وتوجيهها. وأخيراً تحليل التثبيت المتعلق بمتطلبات التثبيت، وممانعة الحشر، وانعدام الرؤية في أثناء التجميع.

د- منظومة فوجيتسو لتقييم الإنتاجية وطريقة التصميم من أجل التجميع وعكس التجميع الفعال من حيث التكلفة Fujitsu design for assembly/disassembly cost-effectiveness(DAC)  في شركة سوني:SONY عوضاً عن تصميم المنتج ثم «إعادة» تصميمه مرات عدة كما في الطرق السابقة، عمدت عدة شركات مهتمة بأتمتة إنتاجها إلى توثيق حلول تجميع العناصر الأولية في منتجاتها السابقة ضمن قواعد معطيات للاستعانة بها عند تصميم المنتجات الجديدة لتحقيق مبدأ «صمم بشكلٍ صحيح من المرة الأولى»

التصميم من أجل التصنيع :

تعتمد الطرق السابقة جميعها على اختصار عدد القطع في التصميم بتجميع عدة وظائف في قطعة واحدة، لكن هذا الحل قد يؤدي إلى تعقيد تصنيع القطع لدرجة مكلفة جداً، كما أن التعامل الآلي مع مثل هذه القطع قد يكون معقداً جداً. ولتفادي مثل هذه المشكلات ينبغي مكاملة هندسة التصميم مع هندسة الإنتاج ضمن ما سمي بالتصميم من أجل التصنيع design for manufacturing (DFM) ، الذي اندمج مع التصميم من أجل التجميع ليصبح تصميماً من أجل التصنيع والتجميع. ويبين الشكل (2) مثالاً على تعديل التصميم بهدف المكاملة مع التصنيع. ويمكن لموازنة نتائج تحليل المبدأين خفض عدد القطع الكلي ودرجة التعقيد، وهذا يقود إلى تصميم منتج أكثر فعالية.

الشكل (2) إعادة تصميم المنتج ليصبح تصميماَ من أجل التصنيع و التجميع

ويؤكد هذا الارتباط بين التصميم من جهة والتجميع والتصنيع من جهة أخرى على عدم كفاية أتمتة التجميع بمفردها للوصول بالإنتاجية إلى مستوياتها المثلى. فقد أثبتت دراسة قامت بها شركة جنرال موتورز في نهاية الثمانينيات من القرن العشرين حول أداء خطوط تجميع سيارة بونتياك Pontiac في كنساس  Kansas  وسيارة فورد توروس  Ford Taurus في جيورجيا  Georgia وجود فجوة كبيرة في الإنتاج بين المركزين. وبعد تحليل المسألة تبين أن 41 % من الفجوة عائد إلى قابلية التصنيع وليس إلى فرق الأتمتة. فمثلاً كان عدد القطع في مصنع فورد 10 مقابل 100 في بونتياك، وكان تجميع هذه القطع العشر أسهل بكثير من تجميع قطع بونتياك.

حتى إن لم يكن التصميم فقيراً فليس من الضروري أن يكون ملائماً للتجميع الآلي، فاستخدام برغي وصامولة للتثبيت قد يكون بديهياً في التجميع اليدوي، لكنه قد يكون تحدياً في التجميع الآلي؛ لأنه يتطلب تغذية ثلاث قطع (البرغي، الصامولة، والقطعة المراد تثبيتها) إلى محطة التجميع، ثم تثبيتها بالوضعية المطلوبة، وتدوير البرغي بالنسبة إلى الصامولة، وهو ما يتطلب حجز ثلاثة رؤوس وأربعة مفعِّلات على الأقل لهذه العملية البسيطة.

وللحصول على أفضل النتائج عند تصميم منتج يراد تجميعه آلياً يتوجب مراعاة النقاط الآتية:

- اختصار عدد العناصر المختلفة ضمن التجميع اعتماداً على أسئلة بوثرويد الثلاثة.

- تجنب التثبيت بالبراغي إن أمكن، بسبب تكلفتها واستهلاكها للزمن. وإذا لم يكن من بدّ من استخدام البراغي فيجب توحيد أنماطها.

- استخدام التثبيت بالكبس قدر الإمكان( مع الانتباه لأن ذلك قد يسبب مشكلة عند الفك )

- استخدام عناصر التوضع الذاتي مثل كسر الحواف وأوتاد التوجيه ضمن القطع لتسهيل عملية التجميع.

-  تجنُّب إعادة توجيه المنظومة الجاري تجميعها؛ لأن كل عملية توجيه قد تتطلب محطة عمل، وما ينجم عن ذلك من زيادة في التكلفة.

-  لتسهيل توجيه القطع المناولة يُفضَّل أن تكون هذه القطع متناظرة تماماً، فإذا لم تكن متناظرة يجب أن يكون عدم التناظر واضحاً جداً لتسهيل تعرف اتجاهها. فعملية التغذية تتضمن رفض كل قطعة غير واردة بالاتجاه المطلوب. ويمكن في حالة عدم التناظر إضافة تعديلات غير وظيفية على هذه القطع لإبراز عدم التناظر فيها.

- تصميم القطع بشكلٍ يسهِّل الأتمتة، وذلك بتقديم القطع إلى آلة التجميع بالاتجاه الصحيح بعد أقل زمن ممكن من التغذية.

- اللجوء إلى العناصر المعيارية عند التصميم.

  استخدام القطعة الأكبر كقطعة أساسية يتم تثبيت القطع الأخرى عليها عمودياً للاستفادة من وزنها.

- تجنُّب احتمال تشابك القطع أو تعشيشها أو تقصفها عند التغذية.

- تجنب القطع المرنة والضعيفة، والتأكد من أنها تتحمل القوى المطبَّقة عليها في أثناء التغذية وفي أثناء التجميع.

ويبين الشكل (3) مثالاً على كيفية تصميم المنتج بهدف تسهيل إجرائية التجميع. وتُطبَّق القواعد السابقة على كلا نمطي التجميع الآلي، التجميع الآلي الثابت والتجميع الآلي بالروبوتات، مع إمكان التنازل عن بعض البنود في التجميع الآلي الثابت وتعويضها بتخصيص وظائف آلة التجميع بما يتوافق والمنتج المطروح (كتخصيص حوامل تغذية خاصة بالقطع المرنة أو الضعيفة)

الشكل (3) تصميم المنتج بهدف تسهيل إجرائية تجميعه

الآفاق المستقبلية:

بفعل هذا الارتباط بين أتمتة التجميع وتصميم المنتج يجري تطوير أتمتة التجميع في محورين: محور التصميم ومحور التجميع.

ويجري التوجه ضمن محور التصميم نحو تطوير منظومات معلوماتية شبيهة بطريقة التصميم من أجل التجميع وعكس التجميع الفعال من حيث التكلفة لسوني، ولكن ليس على أساس منتجات شركة محدَّدة، بل على أساس عناصر ومنظومات نمطية قابلة للاستخدام في مختلف المجالات. ولا يتعلق الأمر هنا ببرامج حاسوب شخصي، بل بمنظومات معلوماتية ضخمة على مستوى مؤسسات ومعاهد متخصصة في هذا المجال.

أما ضمن محور التجميع نفسه فالتوجه الحالي هو نحو إغناء آلات الإنتاج الرقمية العمومية بمنظومات قادرة على أداء وظائف الروبوتات في التجميع بحيث يجري إنتاج المنتج وتجميعه أو إنتاج منظومات جزئية منه وتجميعها على الآلة نفسها.

أخيراً لا بد عند الحديث عن أتمتة التجميع من الإشارة إلى أتمتة التفكيك، إذ يفرض ازدياد المتطلبات البيئية للتصنيع في كثيرٍ من الصناعات تفكيك المنتج في نهاية حياته بغية إعادة تدوير بعض عناصره أو معالجتها على نحو خاص. كما يمكن استخدام تقنيات التفكيك الآلي في عمليات الصيانة لتجنب العمليات اليدوية ذات الخطورة العالية. وتتطابق القواعد المتبعة في أتمتة التفكيك في مجملها مع قواعد أتمتة التجميع، مع ملاحظة التبسيط الناجم عن كون معظم عمليات التفكيك إتلافية ولو جزئياً (أي إنه يسمح بإتلاف بعض عناصر المنظومة عند الفك) في حين أن عمليات التفكيك اللاإتلافي تستلزم المحافظة على سلامة جميع قطع المنظومة.

مراجع للاستزادة:

- M. P. Groover, Automation, Production Systems, and Computer-integrated Manufacturing, Prentice-Hall, 2007.

- G. Boothroyd, P. Dewhurst and W. Knight, Product Design for Manufacture and Assembly, Marcel Dekker 2002.

- S. Miyakawa, and T. Ohashi, The Hitachi Assembly Evaluation Method (AEM), Proc. International Conference on Product Design for Assembly, Newport, Rhode Island, April 1986.

- B. Richard, Metal cutting machines continue to re-invent themselves as manufacturing systems at latest IMTS show, Assembly Automation, Volume 31,Number 2, Emerald 2011.


التصنيف : التقانات الصناعية
النوع : التقانات الصناعية
المجلد: المجلد الأول
رقم الصفحة ضمن المجلد : 175
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1027
الكل : 43823060
اليوم : 106455