基于5G的智慧裝配車間總體架構(gòu)方案

(上海飛機制造有限公司，上海 201324)

1 概述

制造業(yè)在國家層面乃至整個人類社會扮演著至關(guān)重要的角色，智能制造已然成為全球化課題和國家級戰(zhàn)略課題，很多國家都在智能制造領(lǐng)域進(jìn)行了規(guī)劃和部署，如中國“中國制造2025”、德國“工業(yè)4.0平臺”、美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)計劃”等。5G時代的到來，恰恰滿足了智能制造對通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)升級的需求，引爆了人們對未來智能制造的遐想。

工業(yè)制造是國家綜合實力的體現(xiàn)，工業(yè)5G智能制造更是先進(jìn)技術(shù)的示范標(biāo)桿，結(jié)合制造的批產(chǎn)降本、穩(wěn)質(zhì)、增效的發(fā)展需求，構(gòu)建一個5G智能制造的智慧裝配車間。

2 車間總體架構(gòu)方案

智慧裝配車間總體架構(gòu)分為平臺層、網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場層三個層次。

1)智慧裝配車間的平臺層主要包括各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)平臺，包括生產(chǎn)流程平臺、物料系統(tǒng)平臺、6I全連接平臺和企業(yè)云平臺等。

2)智慧裝配車間網(wǎng)絡(luò)層包括5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和面向裝配齊套管理的裝配MES系統(tǒng)。智慧裝配車間的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于AR裝配輔助、大部件自動對接、物料及工裝狀態(tài)獲取、裝配遠(yuǎn)程操作、裝配人機協(xié)作等應(yīng)用場景，其主要需求側(cè)重于高帶寬、低時延及大量設(shè)備相互通信，5G網(wǎng)絡(luò)的增強型移動寬帶(eMBB)、超高可靠低時延(uRLLC)、大規(guī)模機器類通信(mMTC)提供了環(huán)境支持。

3)智慧裝配車間現(xiàn)場層包括6I互聯(lián)、智能裝備及AR。其接收網(wǎng)絡(luò)層下發(fā)的數(shù)采指令及生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)，根據(jù)要求，調(diào)動車間現(xiàn)場資源進(jìn)行生產(chǎn)操作。車間現(xiàn)場層向網(wǎng)絡(luò)層實時反饋6I數(shù)據(jù)，實現(xiàn)裝配的精準(zhǔn)執(zhí)行以及現(xiàn)場狀態(tài)的全面感知。

基于5G的智慧裝配車間總體架構(gòu)如圖1所示。按照裝配車間的總體架構(gòu)方案，開展基于5G的智慧裝配車間建設(shè)，實現(xiàn)裝配車間的智能制造。

3 關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)

3.1 面向裝配齊套管理的裝配MES系統(tǒng)

裝配零部件、工具、工裝等的齊套性是裝配的前提，也是裝配過程管控的重點，因此將面向裝配齊套管理的裝配MES系統(tǒng)作為總體方案的重點內(nèi)容，予以描述。

3.1.1 智能排產(chǎn)

1)智能訂單管理。MES系統(tǒng)從物料系統(tǒng)中提取、導(dǎo)入可進(jìn)入裝配車間進(jìn)行裝配的訂單。對已導(dǎo)入的訂單可執(zhí)行查詢、刪除等操作，并提供計劃審核工作流管理，和審核管理界面。

圖1 智慧裝配車間總體架構(gòu)

2)生產(chǎn)計劃智能管理。生產(chǎn)計劃排程系統(tǒng)需要能夠應(yīng)對客戶緊急插單處理，接受到訂單后，重新排程，可設(shè)置插單優(yōu)化目標(biāo)。重新排程后，對原有已排程的訂單交期進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果決定是否接受插單。

3)智能排產(chǎn)。根據(jù)給定的主生產(chǎn)計劃和設(shè)備、工藝等信息，運用調(diào)度算法給出訂單的生產(chǎn)順序并顯示調(diào)度結(jié)果；針對生產(chǎn)中的擾動和用戶的滿意程度進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯ふ{(diào)整；將裝配指令下達(dá)給生產(chǎn)班組進(jìn)行裝配，對調(diào)度工單進(jìn)行維護管理。通過資源負(fù)荷圖顯示對未來設(shè)備使用率的預(yù)測，并及時調(diào)整相關(guān)設(shè)備及人員安排。

4)生產(chǎn)進(jìn)度智能追蹤。生產(chǎn)進(jìn)度追蹤主要的目的是明確生產(chǎn)訂單的完成情況，幫助生產(chǎn)管理人員了解生產(chǎn)訂單完成的進(jìn)度、產(chǎn)品數(shù)量以及不良品的數(shù)量，以便在必要時采取正確的措施。系統(tǒng)以實時報警為核心功能的生產(chǎn)過程可視化實時監(jiān)控。對生產(chǎn)計劃進(jìn)度、生產(chǎn)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)節(jié)拍等實時監(jiān)控，超出報警閾值的，系統(tǒng)自動產(chǎn)生預(yù)警、報警，可通過多種方式推送給相關(guān)人員，以及時處理生產(chǎn)過程中的問題。從而提高生產(chǎn)效率和管理效率。

3.1.2 設(shè)備管理

物料系統(tǒng)設(shè)備管理主要分為三部分內(nèi)容：設(shè)備信息管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及設(shè)備狀態(tài)預(yù)測。

1)設(shè)備信息管理。設(shè)備信息管理管理設(shè)備的基礎(chǔ)信息，如設(shè)備名稱、設(shè)備型號、設(shè)備規(guī)格、設(shè)備廠商、設(shè)備購置日期等信息。

2)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)：運行、停止、故障，并且對于設(shè)備的運行參數(shù)進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)采集，以便精確的掌握設(shè)備的運行狀態(tài)。

3)設(shè)備狀態(tài)預(yù)測。通過對設(shè)備正常運行、停機、故障、維修等數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，獲得設(shè)備使用效率。通過可視化界面直觀展示實時統(tǒng)計的設(shè)備效率，并且通過大數(shù)據(jù)分析對設(shè)備的運行進(jìn)行預(yù)測性分析。

3.1.3 工裝管理

裝配車間的工裝基礎(chǔ)從平臺層的物料系統(tǒng)獲取，通過實時監(jiān)測工裝、型架的狀態(tài)，確保工裝的可用性和準(zhǔn)確性。其實現(xiàn)可采用UWB芯片、RFID標(biāo)簽等方式實現(xiàn)。

3.1.4 刀具壽命監(jiān)控

通過獲取刀具的參數(shù)屬性，包含刀具的使用參數(shù)，并比對刀具的使用總次數(shù)，得到刀具的使用壽命，并以圖表的方式體現(xiàn)。

3.1.5 人員監(jiān)控

通過獲取人員所攜帶的可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)，采集人員的位置信息，結(jié)合車間現(xiàn)場的監(jiān)控視頻，監(jiān)控裝配人員的工作狀態(tài)。

3.1.6 物料管理

裝配車間所需使用的物料進(jìn)行管理，主要包括以下幾方面。

1)裝配車間所需物料基礎(chǔ)信息：物料名稱、物料種類、物料規(guī)格、物料型號等。

2)裝配車間所需物料數(shù)量實時監(jiān)測。

3)根據(jù)物料系統(tǒng)的裝配訂單，出具物料需求。

4)裝配車間在制品數(shù)量。

3.1.7 裝配質(zhì)量管理

1)工藝質(zhì)量基礎(chǔ)信息。裝配車間不同的產(chǎn)品對應(yīng)不同的工藝參數(shù)以及工藝路徑。為了便于工藝管理，對不同型號的產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計管理，包含工藝質(zhì)量參數(shù)的增、刪、改、查功能。在實時采集工藝參數(shù)的同時，自動比對數(shù)據(jù)庫中的預(yù)設(shè)工藝參數(shù)，如果有實際參數(shù)超出預(yù)設(shè)范圍的情況發(fā)生，系統(tǒng)會自動發(fā)送警報信息，實現(xiàn)工藝參數(shù)預(yù)警。

2)質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)采集。對車間品質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對每一個裝配產(chǎn)品的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，包括多次測量，測試的人員、開始結(jié)束時間、耗時等。同時，可對關(guān)鍵質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線對標(biāo)。

3)智能產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計。主要包含三部分內(nèi)容。①對單批次同一測量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值對比，描述整個批次某個參數(shù)的測量值范圍及波動大小。②對同批次的任意一個產(chǎn)品與其余產(chǎn)品測量值，統(tǒng)計各測量值所在區(qū)間的百分比。③對歷史上任意兩個批次某一個測量參數(shù)值，統(tǒng)計各測量值落所在參數(shù)區(qū)間的百分比，進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)。

4)質(zhì)量分析。統(tǒng)計部件不良原因，同一類產(chǎn)品不良原因占比分析和處理方式占比。形成對產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和不良品返修效率的優(yōu)化。

5)智能在線防呆防錯。具備裝配工單防錯，裝配匹配防錯，工藝路線防錯，工藝參數(shù)防錯功能。一旦生產(chǎn)出錯，產(chǎn)生報警和高亮提示。

3.1.8 零件追溯

裝配車間系統(tǒng)過對接智能物流系統(tǒng)，記錄使用過的零件批次號、零件編號，實現(xiàn)對裝配現(xiàn)場使用過的零件進(jìn)行跟蹤記錄。

3.1.9 可視化管理

通過實時監(jiān)控界面，使用三維效果圖形、趨勢曲線、表格、柱狀圖、餅圖等展示各類數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)過程運行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、質(zhì)量狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度等進(jìn)行查看，圖2為生產(chǎn)過程設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控的可視化管理界面示例。

圖2 生產(chǎn)過程設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控界面示例

3.1.10 工刀具管理與智能配送

基于激光噴碼技術(shù)，對工刀具進(jìn)行噴碼，關(guān)聯(lián)工具本體特性和激光噴碼，通過掃碼槍掃碼實現(xiàn)工刀具的信息化管控。

根據(jù)工刀具的使用特性，結(jié)合工況、裝配工藝流程、裝配知識數(shù)據(jù)及AO管理，自動出具最優(yōu)工刀具組合，進(jìn)行自動推送。

3.2 基于AR的智能輔助裝配系統(tǒng)

由于裝配過程少不了人員的參與執(zhí)行，提升人員裝配操作的準(zhǔn)確性、高效性是提升裝配效率的關(guān)鍵，因此采用AR等技術(shù)建立輔助裝配系統(tǒng)，為人員作業(yè)提供及時指導(dǎo)、將作業(yè)過程及時記錄是裝配車間智能化的重要手段，因此也作為總體方案重點內(nèi)容予以描述。

1)裝配指導(dǎo)信息錄入及編輯。在實際裝配工作中，為保證產(chǎn)品在裝配過程中的質(zhì)量穩(wěn)定，除了對普通工序進(jìn)行控制和驗證、使其處于受控狀態(tài)外，還應(yīng)對關(guān)鍵工序環(huán)節(jié)設(shè)置檢驗點，系統(tǒng)地開展工序控制活動。同時，為了有效開展裝配工序質(zhì)量控制，應(yīng)具備必要的控制文件和記錄，并把質(zhì)量控制要求落實到工序控制點上。系統(tǒng)建立裝配指導(dǎo)信息錄入模塊，根據(jù)后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)結(jié)果，及時更新裝配工藝流程圖，同時若現(xiàn)有的流程圖出現(xiàn)不恰當(dāng)?shù)牡胤?，可隨時進(jìn)入后臺對該指導(dǎo)信息進(jìn)行增刪改等操作。

2)三維裝配過程建模。裝配指導(dǎo)需要對生產(chǎn)裝配過程中的部件進(jìn)行建模。為了使得裝配人員能夠認(rèn)清辨別各個零件，需要對零件進(jìn)行高精度建模、使用紋理、材質(zhì)、燈光等還原零件外觀，并對所用到的安裝工具、設(shè)備、儀器等進(jìn)行細(xì)致建模。通過對各型產(chǎn)品進(jìn)行高精度建模，建立相對完善的裝配模型庫。

3)裝配作業(yè)技術(shù)分析。現(xiàn)場實施的裝配工藝流程圖，在裝配實際操作時，采集到各種數(shù)據(jù)，通過AR系統(tǒng)在工序用時、出錯率、熟練度等方面進(jìn)行統(tǒng)計與分析，可進(jìn)一步完善工藝流程圖，與上一模塊互相驗證，形成良性的循環(huán)。

4)裝配記錄信息存儲。裝配記錄信息存儲用于存儲全生產(chǎn)過程中的作業(yè)人員正常安裝的整個過程記錄，形式采用文字、圖片、聲音、視頻等方式來錄入，為后續(xù)智能輔助裝配的實時指導(dǎo)提供重要的參考數(shù)據(jù)。

5)裝配可視化。由于隨著航空生產(chǎn)設(shè)備功能越來越強大，設(shè)備結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，這就要求技術(shù)人員要掌握設(shè)備的每個細(xì)節(jié)、認(rèn)識設(shè)備結(jié)構(gòu)中的每個零部件。但即使記憶能力超強，也不能保證持續(xù)規(guī)范操作。對于技術(shù)人員來說，解決“學(xué)時不能用，用時不能學(xué)”和“遺忘曲線”的困境就顯得至關(guān)重要。在AR裝配輔助系統(tǒng)中，使用語音、文字、三維視頻演示等功能并輔助AR技術(shù)來提示和指導(dǎo)一線工人完成對產(chǎn)品的裝配工作。

6)裝配人機交互。主要解決裝配人員在裝配過程中，與裝配信息集成輔助子系統(tǒng)之間交互操作。采用自然手勢交互方式。自然手勢交互可以說是人機交互之間最方便，也是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的交互技術(shù)之一。尤其是手勢識別的出現(xiàn)，以及相關(guān)自然交互與大數(shù)據(jù)技術(shù)的逐漸成熟，給自然交互帶來全新的契機。新一代自然交互的出現(xiàn)，并不是交互技術(shù)上取得了多大的突破，而關(guān)鍵是將交互與智能終端以及云端后臺進(jìn)行了恰到好處的整合，讓人類的交互借助于數(shù)據(jù)化的方式與程序世界實現(xiàn)交流，并達(dá)到控制、理解用戶意圖的目的。前端使用自然交互技術(shù)，后臺則集成了網(wǎng)頁搜索、知識計算、資料庫、推薦等各種技術(shù)，彌補了過去交互技術(shù)單純依賴用戶命令的局限性。

7)裝配智能檢測。智能檢測模塊是把正確的設(shè)備裝配過程輸入到系統(tǒng)中后，利用智能檢測設(shè)備的監(jiān)控功能采集的圖像、視覺算法識別與軟件系統(tǒng)中存儲的設(shè)備正確裝配數(shù)字信息進(jìn)行對比，這樣在操作人員發(fā)生錯誤操作時給予實時提醒。將操作人員的操作過程通過視頻監(jiān)控的視角采集圖像功能采集、記錄和存儲下來，方便出錯時隨時回溯、查看、比對和總結(jié)，以作為提升自身技術(shù)能力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時，管理和評審人員還能夠自由選擇裝配操作人員監(jiān)控視頻了解其真實動手裝配過程，結(jié)合數(shù)據(jù)分析和自身經(jīng)驗了解其操作過程是否存在問題，以便給出操作人員具體到某個操作細(xì)節(jié)的改進(jìn)建議。

8)裝配智能糾錯。裝配糾正模塊是系統(tǒng)在識別到操作錯誤現(xiàn)象時輸出顯示正確的操作方式，給予操作人員正確的操作提示和正確操作流程演示。一方面提示如何回溯到上一個裝配節(jié)點；另一方面指導(dǎo)裝配人員如何進(jìn)行下一步正確裝配。

9)裝配進(jìn)度監(jiān)控。為實時把握裝配車間產(chǎn)品的裝配情況，采用AR技術(shù)對于裝配過程進(jìn)行管理和控制，主要包括兩部分內(nèi)容。①裝配進(jìn)度監(jiān)控：監(jiān)控工序的基本信息，并根據(jù)進(jìn)程推送詳細(xì)的工序內(nèi)容到AR眼鏡，直至工序完成。②檢驗過程監(jiān)控，監(jiān)控裝配檢驗全過程，直至檢驗完成。

4 結(jié)語

利用5G的低時延、大帶寬和高并發(fā)的特點，實現(xiàn)裝配生產(chǎn)的數(shù)據(jù)無線高速傳輸，實現(xiàn)車間的萬物互聯(lián)，通過搭建裝配車間的平臺層、網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場層三層架構(gòu)，綜合運用MES管理系統(tǒng)和AR輔助裝配技術(shù)，構(gòu)建生產(chǎn)車間的智慧裝配系統(tǒng)，為生產(chǎn)制造類企業(yè)提供5G智能制造整體解決方案。