精密光機(jī)電信息產(chǎn)品裝調(diào)制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁曉敏，武 岳，林紹友，韓 鵬，顧 強(qiáng)

(北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211153)

精密光機(jī)電信息產(chǎn)品在軍用、民用領(lǐng)域中(包括機(jī)械、光學(xué)、微電子、控制和信息處理等)應(yīng)用廣泛。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大。

某光機(jī)電信息產(chǎn)品裝調(diào)車間存在如下問題：1)以人工為主的生產(chǎn)方式，管理手段落后，缺乏有效的信息實(shí)時(shí)采集、生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤和質(zhì)量管控手段；2)由于產(chǎn)品品種多、批量小、不同種類產(chǎn)品零部件重疊且工藝相近，容易出現(xiàn)產(chǎn)品零部件配套錯(cuò)誤、產(chǎn)品零部件漏裝或錯(cuò)裝等問題；3)在裝調(diào)過程中，缺乏對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)的有效管控，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量一致性差。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套適用于該車間的制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)，實(shí)現(xiàn)了AGV調(diào)度、工業(yè)攝像、設(shè)備控制單元和自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)等多維度、多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。目前，MES在汽車、航空、紡織和醫(yī)藥等諸多行業(yè)中均有應(yīng)用[2-5]，但是鮮有應(yīng)用于多品種、小批量的光機(jī)電信息產(chǎn)品裝調(diào)的報(bào)道。

1 需求概述

從車間實(shí)際生產(chǎn)需求角度考慮，MES應(yīng)包含如下功能。

1)產(chǎn)品信息管理。包含產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)和組成關(guān)系、產(chǎn)品裝配流程和裝配工藝的管理等功能。

2)生產(chǎn)計(jì)劃管理。支持計(jì)劃管理人員錄入、修改和刪除生產(chǎn)計(jì)劃。

3)設(shè)備信息管理。包含設(shè)備基本信息的管理、設(shè)備鎖定和解鎖控制、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)采集和設(shè)備使用記錄等功能。

4)裝配過程工藝參數(shù)的在線檢測(cè)與管理。通過設(shè)備對(duì)關(guān)重器件(力矩電機(jī))裝配過程中的有關(guān)工藝參數(shù)(壓緊行程、壓緊力變化)進(jìn)行測(cè)量、存儲(chǔ)和上傳，便于確定最佳工藝參數(shù)。

5)物流記錄查詢。生成系統(tǒng)專用的二維碼，倉(cāng)庫(kù)和工位通過掃描該二維碼來確認(rèn)物料的流出或流入，以此記錄物料在倉(cāng)庫(kù)和每一個(gè)工位的流出或流入時(shí)間，并且可以查詢物件的流轉(zhuǎn)路徑。

6)倉(cāng)庫(kù)配送控制。系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和每個(gè)產(chǎn)品在每個(gè)工位所需的零部件，指導(dǎo)配送人員進(jìn)行正確的配送。為保證配送人員更準(zhǔn)確、高效地完成配送，每種產(chǎn)品在每個(gè)工位配備特制的料盒，該料盒只能放入該產(chǎn)品、該工位所需的零部件。系統(tǒng)記錄每次配送的時(shí)間、實(shí)際配送的零部件、所用料盒和配送人員等信息，并且可以查詢所有配送記錄。

7)工人作業(yè)控制。包括工人在工位簽收倉(cāng)庫(kù)配料后，系統(tǒng)根據(jù)簽收的配料查詢工人所需裝調(diào)的產(chǎn)品，調(diào)出相應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)內(nèi)容，以向?qū)浇缑嬷笇?dǎo)工人完成所有需要的步驟；防止工人誤用設(shè)備；到達(dá)關(guān)鍵質(zhì)量管控步驟時(shí)，檢測(cè)合格后方可進(jìn)入后續(xù)步驟；記錄工人每個(gè)步驟的開始和完成時(shí)間、相關(guān)工藝參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果等信息。

8)工位異常處理。工人在作業(yè)過程中遇到異常情況時(shí)，通過工位終端拋出異常，系統(tǒng)呼叫特定的異常處理人員在自身的終端或拋出異常的終端上進(jìn)行處理；同時(shí)，系統(tǒng)記錄所有的異常處理情況，并且支持異常處理記錄的查詢。

9)統(tǒng)計(jì)查詢功能。系統(tǒng)根據(jù)采集的工人作業(yè)步驟開始和結(jié)束的時(shí)間，計(jì)算各個(gè)步驟所需時(shí)間的平均值、分布等統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果，為管理人員安排生產(chǎn)以及未來系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)生產(chǎn)排程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)支持產(chǎn)量、生產(chǎn)進(jìn)度、產(chǎn)品合格率和返修返工次數(shù)等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)查詢。

10)質(zhì)量追溯。能夠追溯每一件產(chǎn)品的參與生產(chǎn)人員、生產(chǎn)流程、檢測(cè)結(jié)果和工位完工圖像等信息。

11)系統(tǒng)管理。能夠管理工位、人員、權(quán)限和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等系統(tǒng)內(nèi)容。

12)大屏展示。能在大屏上實(shí)時(shí)展示當(dāng)前生產(chǎn)線狀況，同時(shí)支持管理人員在大屏上發(fā)布公告。

13)與其他系統(tǒng)集成。系統(tǒng)需要與AGV小車調(diào)度系統(tǒng)集成，與工業(yè)攝像頭、每一臺(tái)設(shè)備的控制單元和自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)等系統(tǒng)集成。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。AGV調(diào)度系統(tǒng)、工業(yè)攝像頭、在線檢測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備控制單元和自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)等車間設(shè)備和系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)和車間服務(wù)器相連，供車間管理人員、工藝人員、庫(kù)管人員和操作工人等通過各自的客戶端進(jìn)行訪問。MES設(shè)計(jì)是基于B/S架構(gòu)，使用Java EE 7和Oracle 11g數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，利用Websocket協(xié)議實(shí)現(xiàn)客戶端網(wǎng)頁(yè)自主訪問，利用套接字(socket)或數(shù)據(jù)庫(kù)中間表等方式，實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)和AGV調(diào)度系統(tǒng)、工業(yè)攝像頭、在線檢測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備控制單元和自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)等多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括在線檢測(cè)、客戶端和系統(tǒng)集成3大部分。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.1 在線檢測(cè)

結(jié)合車間生產(chǎn)實(shí)際情況，需要在線檢測(cè)如下參數(shù)。

1)軸承壓緊力。針對(duì)產(chǎn)品裝調(diào)過程中關(guān)鍵工藝參數(shù)——軸承壓緊力存在無(wú)法直接測(cè)量的問題，系統(tǒng)引入間接檢測(cè)設(shè)備，對(duì)部件進(jìn)行振動(dòng)扭擺測(cè)試。通過測(cè)試阻尼的大小和振動(dòng)扭擺次數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配擠壓力大小的測(cè)量。將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單自由度有阻尼扭振系統(tǒng)，預(yù)緊擠壓力視為阻尼，與軸承構(gòu)成一個(gè)耗能元件(阻尼器)；外在施加1組彈簧作為存儲(chǔ)勢(shì)能的元件，被測(cè)體作為存儲(chǔ)動(dòng)能的元件，構(gòu)成一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)。每次作用在振動(dòng)扭擺系統(tǒng)上的激勵(lì)保證一致，根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律、運(yùn)動(dòng)微分方程和測(cè)試傳感器，可以得到阻尼比、振動(dòng)周期、振幅和振動(dòng)次數(shù)等技術(shù)參數(shù)，檢測(cè)并記錄多臺(tái)合格產(chǎn)品的數(shù)據(jù)和不合格產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，通過分析這些數(shù)據(jù)，確定未來產(chǎn)品裝調(diào)過程中判定合格的范圍。

2)質(zhì)心位置。對(duì)某幾個(gè)關(guān)鍵組件進(jìn)行質(zhì)心測(cè)試，并且根據(jù)組件形狀、質(zhì)量等特性，給出調(diào)整平衡的建議，控制其組件的不平衡量，以保證裝配到整機(jī)上的不平衡性，解決了以往依靠操作者經(jīng)驗(yàn)控制、無(wú)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的問題?？?60°旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)心位置偏移量測(cè)試儀，將4個(gè)部件的質(zhì)心位置測(cè)試集成在1臺(tái)儀器上完成，有效地節(jié)省場(chǎng)地和空間。

3)不平衡力矩。對(duì)于有限角度旋轉(zhuǎn)部件不平衡力矩檢測(cè)，目前無(wú)成熟的儀器設(shè)備，以往產(chǎn)品生產(chǎn)完全依靠操作者經(jīng)驗(yàn)來控制和最終產(chǎn)品性能指標(biāo)測(cè)試來驗(yàn)證。部件完工時(shí)，不能確認(rèn)不平衡力矩指標(biāo)是否合格，如果最終產(chǎn)品性能指標(biāo)測(cè)試不合格，則造成返工，并帶來大量損失。不平衡力矩檢測(cè)儀的使用可在部件完工時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)出具體數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)確認(rèn)不平衡力矩指標(biāo)是否合格。

4)電裝接線正確性。電裝接線正確性以往由操作者人工檢測(cè)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)不僅工作量大，且易產(chǎn)生點(diǎn)連接錯(cuò)誤，既費(fèi)時(shí)、費(fèi)力又可靠性低。采用接線檢查儀檢查，只需根據(jù)待檢測(cè)功能器件選擇儀器上相應(yīng)的功能區(qū)，撥動(dòng)對(duì)應(yīng)的開關(guān)，觀察通斷指示燈顏色(綠色為正確，紅色為錯(cuò)誤)即可，并且點(diǎn)對(duì)點(diǎn)間的阻值也能適時(shí)顯示。

5)裝配完整性和外觀一致性。在產(chǎn)品裝配過程中，對(duì)關(guān)鍵工序進(jìn)行拍照和檢測(cè)，自動(dòng)檢測(cè)產(chǎn)品裝配完整性和外觀一致性，并將照片與檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)儲(chǔ)存至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于以后的質(zhì)量追溯。在裝調(diào)過程中，若遇到涉及關(guān)鍵工藝參數(shù)的工步，系統(tǒng)會(huì)提示工人使用檢測(cè)設(shè)備完成檢測(cè)，并自動(dòng)收集檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過比對(duì)合格范圍來判定是否合格。合格后，方可進(jìn)入下一工步；否則，進(jìn)入不合格審理。

3.2 客戶端

當(dāng)有新的生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，車間員工按照?qǐng)D3所示的流程使用客戶端的功能。

圖3 生產(chǎn)過程基本流程圖

客戶端包括系統(tǒng)管理、產(chǎn)品信息、計(jì)劃排產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、設(shè)備管理、異常管理、庫(kù)存信息、統(tǒng)計(jì)查詢和大屏展示等部分，具體分析如下。

1)系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理包含人員基本信息管理和系統(tǒng)內(nèi)角色和權(quán)限的管理。通過對(duì)角色設(shè)置權(quán)限，對(duì)人員設(shè)置角色，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)權(quán)限控制，用戶登錄系統(tǒng)后，網(wǎng)頁(yè)內(nèi)只顯示有權(quán)限訪問的菜單和操作按鈕。

2)產(chǎn)品信息。產(chǎn)品信息用于錄入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)明細(xì)和裝配工藝等信息。

3)計(jì)劃排產(chǎn)。計(jì)劃排產(chǎn)用于車間計(jì)劃管理員錄入生產(chǎn)計(jì)劃，并且可以通過系統(tǒng)安排生產(chǎn)任務(wù)。

4)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)用于管理工位基本信息、工位狀態(tài)展示以及工人在工位裝調(diào)的指導(dǎo)和控制。工位作業(yè)具體流程圖如圖4所示。

工人在工位收到料盒后需要掃描二維碼，由于每一個(gè)料盒有唯一的二維碼，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)料盒的二維碼判斷該料盒對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品品種，以及該料盒是否是當(dāng)前工位所需。若不是，系統(tǒng)會(huì)給出提示，并不會(huì)展示對(duì)應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)界面，以保證工人在面對(duì)多品種、小批量、不同品種工藝相似度高的混線生產(chǎn)模式時(shí)，可以正確地完成所需品種產(chǎn)品的裝調(diào)。

工人在裝調(diào)作業(yè)過程中，若遇到需要進(jìn)行檢測(cè)的步驟，系統(tǒng)會(huì)給出提示，工人只有完成該步驟并且檢測(cè)合格后，方可進(jìn)入下一步，否則進(jìn)入不合格審理流程；若遇到拍照留存步驟，系統(tǒng)會(huì)確認(rèn)工人已完成拍照并且照片已留存后，方可進(jìn)入后續(xù)步驟，以此保證裝調(diào)作業(yè)過程中具有有效的質(zhì)量管控，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

系統(tǒng)會(huì)記錄工人每一步驟開始和結(jié)束的時(shí)間以及相關(guān)的檢測(cè)結(jié)果，為質(zhì)量追溯提供依據(jù)，并為統(tǒng)計(jì)各個(gè)步驟所需時(shí)間的平均值、平衡生產(chǎn)線各個(gè)工序以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)生產(chǎn)排程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，管理人員可以查詢不同工人在同一種作業(yè)的作業(yè)時(shí)長(zhǎng)和檢測(cè)結(jié)果等信息，為合理安排人員工作崗位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

此外，工人在作業(yè)過程中，如遇到特殊原因需要暫停裝調(diào)作業(yè)離開工位，工人關(guān)閉網(wǎng)頁(yè)離開即可，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存工人當(dāng)前的進(jìn)度，以及工人離開和歸來的時(shí)間，管理人員可以查詢所有工人的暫停記錄。

5)設(shè)備管理。設(shè)備管理用于管理系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備信息和料盒信息。

6)異常管理。異常管理用于管理人員在自身的客戶端查看，并處理生產(chǎn)過程中拋出的異常；同時(shí)，系統(tǒng)也支持管理人員在拋出異常的工位客戶端處理異常。

7)庫(kù)存信息。庫(kù)存管理用于管理庫(kù)存的信息、零部件二維碼的生成、指導(dǎo)配送人員完成配送作業(yè)、查詢以往的配送記錄和物件追蹤。系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃列表顯示相應(yīng)的配送任務(wù)，配送人員勾選其中一個(gè)，系統(tǒng)根據(jù)錄入的工藝，展示所需配送的零部件和所需裝入的料盒。配送人員從倉(cāng)庫(kù)中取出所有需要的零部件放入料盒內(nèi)對(duì)應(yīng)的擺放位置，完成一個(gè)配送任務(wù)后，系統(tǒng)會(huì)提示配送人員掃描所需料盒表面的二維碼以確認(rèn)配送完成，并提示配送人員將該料盒放到指定的料架上，系統(tǒng)會(huì)記錄此過程中配送人員所放入料盒的零部件以及使用的料盒信息，以便后續(xù)追溯零部件配送完整性和正確性提供依據(jù)。

8)統(tǒng)計(jì)查詢。統(tǒng)計(jì)查詢用于統(tǒng)計(jì)工人在各個(gè)工步和工序的作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)在線檢測(cè)結(jié)果的分布、合格率和返工次數(shù)等信息供管理人員查詢，為管理人員分析工人技能特點(diǎn)，為工藝人員優(yōu)化裝配流程和平衡各個(gè)工位作業(yè)內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)智能排產(chǎn)提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

9)大屏展示。車間內(nèi)設(shè)置大屏用于展示管理人員向所有人發(fā)出的消息公告，或者車間實(shí)時(shí)狀態(tài)。管理人員可以通過自身的客戶端控制大屏具體展示的界面。

3.3 系統(tǒng)集成

生產(chǎn)線引入了AGV用于物件流轉(zhuǎn)，系統(tǒng)與AGV調(diào)度系統(tǒng)集成，以便于系統(tǒng)判定需要AGV運(yùn)送物件時(shí)，可以自動(dòng)呼叫AGV調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度AGV完成相應(yīng)的工作，逐步取代人工呼叫的方式，減少因工人誤操作而導(dǎo)致AGV無(wú)效運(yùn)行。系統(tǒng)與工業(yè)攝像系統(tǒng)集成可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集工業(yè)攝像系統(tǒng)拍攝的圖像數(shù)據(jù)，為質(zhì)量追溯提供有效依據(jù)。系統(tǒng)與設(shè)備控制單元集成通過控制單元控制設(shè)備的鎖定和解鎖，防止出現(xiàn)工人誤用現(xiàn)象。系統(tǒng)與自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的集成，使得工人作業(yè)過程中，系統(tǒng)根據(jù)事先錄入的工藝，實(shí)時(shí)采集庫(kù)存信息，并且管理人員可以在辦公室通過自身的客戶端了解庫(kù)存狀況。此外，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排產(chǎn)時(shí)，庫(kù)存信息也是重要的依據(jù)之一。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某光機(jī)電信息產(chǎn)品裝調(diào)車間生產(chǎn)過程以人工為主導(dǎo)、缺乏信息化管理、缺乏有效的質(zhì)量管控手段、生產(chǎn)效率低和產(chǎn)品質(zhì)量一致性差等問題，結(jié)合該車間產(chǎn)品品種多、批量小、不同種類產(chǎn)品零部件重疊且工藝相近，容易出現(xiàn)產(chǎn)品零部件配套錯(cuò)誤、產(chǎn)品零部件漏裝或錯(cuò)裝的實(shí)際情況，以及關(guān)鍵工藝參數(shù)缺乏有效管控的問題，研究、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)于該車間的制造執(zhí)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)在車間內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試運(yùn)行，錄入了3種產(chǎn)品的BOM表和裝配作業(yè)指導(dǎo)書，首批22臺(tái)某關(guān)重部件上線生產(chǎn)，并增加了3個(gè)可量化的質(zhì)量控制點(diǎn)，使得該批次產(chǎn)品的生產(chǎn)效率提高了50%，一次交驗(yàn)合格率達(dá)到100%，相較于之前的92%有了大幅的提高。該系統(tǒng)在車間內(nèi)運(yùn)行的結(jié)果表明，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量一致性得到了明顯地提升。

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