微型晶體諧振器封裝設(shè)備生產(chǎn)平衡問(wèn)題研究

李玉梅，李剛炎，胡 劍，張 揚(yáng)

（1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.湖北工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 孝感 432000）

1 引言

微型晶體諧振器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“微晶振”）封裝設(shè)備是由微晶振封裝工藝裝置與傳輸裝置無(wú)縫連接構(gòu)成的一條小型智能化生產(chǎn)線(xiàn)，能夠高性能地完成微晶振上蓋與底座的點(diǎn)焊定位、短邊平行焊和長(zhǎng)邊平行焊等關(guān)鍵封裝工藝。為了避免瓶頸工位及空閑時(shí)間問(wèn)題，必須研究設(shè)備的生產(chǎn)平衡問(wèn)題，以使其封裝效率最大化，最終滿(mǎn)足設(shè)備的期望需求。當(dāng)前對(duì)生產(chǎn)平衡問(wèn)題的研究可歸納為精確算法、啟發(fā)式算法[1-2]、人工智能算法[3-4]和仿真優(yōu)化[5]四類(lèi)算法。其中前三種算法在解決已知生產(chǎn)節(jié)拍求解最優(yōu)工位數(shù)問(wèn)題方面各有優(yōu)勢(shì)，仿真優(yōu)化算法在解決已知生產(chǎn)工位數(shù)求解最優(yōu)生產(chǎn)節(jié)拍問(wèn)題方面應(yīng)用較多，這類(lèi)問(wèn)題的核心是在確定工藝流程的基礎(chǔ)上，尋求最優(yōu)生產(chǎn)節(jié)拍方案。如文獻(xiàn)[6-10]利用仿真工具建立生產(chǎn)線(xiàn)三維仿真模型，通過(guò)仿真結(jié)果找出瓶頸工位或工序安排以及生產(chǎn)序列不合理等問(wèn)題，并采用相應(yīng)方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

以微晶振封裝設(shè)備封裝線(xiàn)為例，基于精益生產(chǎn)理論，應(yīng)用仿真優(yōu)化與遺傳算法相結(jié)合的方法解決設(shè)備的平衡問(wèn)題，即在分析設(shè)備封裝工藝流程基礎(chǔ)上，以生產(chǎn)節(jié)拍為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)仿真建模，確定瓶頸工位，并提出優(yōu)化方案，然后將仿真優(yōu)化與遺傳算法、生產(chǎn)線(xiàn)平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合起來(lái)，確定最佳生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)封裝設(shè)備各工位負(fù)荷平衡。

2 微晶振封裝設(shè)備工藝流程設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)微晶振封裝工藝需求以及其封裝設(shè)備布局分析，設(shè)計(jì)微晶振封裝設(shè)備的工藝流程，如圖1 所示。關(guān)鍵裝置同時(shí)供給微晶振的上蓋與底座，并依次由載料盤(pán)移載裝置、取料機(jī)械臂、校正平臺(tái)、載料盤(pán)傳輸裝置、載料盤(pán)移載機(jī)械手等實(shí)現(xiàn)微晶振移載、位姿校正、點(diǎn)焊、短邊平行焊、長(zhǎng)邊平行焊等工藝流程。

圖1 微晶振封裝設(shè)備工藝流程圖Fig.1 Process Flow of Micro-Crystal Resonator Packaging Equipment

3 微晶振封裝設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算

基于企業(yè)市場(chǎng)需求和設(shè)備性能要求，根據(jù)生產(chǎn)線(xiàn)理論生產(chǎn)節(jié)拍的計(jì)算公式r=F/Q，求出設(shè)備的期望生產(chǎn)節(jié)拍為675s。

微晶振封裝設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍的計(jì)算包括以下三個(gè)步驟：

（1）合理規(guī)劃封裝設(shè)備各裝置執(zhí)行動(dòng)作的先后順序，并確定它們之間的串并行關(guān)系，保證各個(gè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生干涉；

（2）根據(jù)各動(dòng)作關(guān)系矩陣，建立其工作連續(xù)關(guān)系矩陣圖，確定各動(dòng)作的串、并行執(zhí)行時(shí)間，保證各個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性；

（3）根據(jù)規(guī)劃的動(dòng)作順序與確定的動(dòng)作時(shí)間，建立封裝設(shè)備各裝置的動(dòng)作序列模型，并計(jì)算該封裝設(shè)備的工作循環(huán)周期，即生產(chǎn)節(jié)拍。

依據(jù)上述步驟，計(jì)算微晶振封裝設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍，如表1 所示。

分析微晶振封裝設(shè)備連續(xù)運(yùn)行過(guò)程可知：微晶振封裝設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍不受裝置1、5 與7 的影響，僅由裝置2、3、4、6 中最長(zhǎng)的生產(chǎn)節(jié)拍決定。因此，從表1 中可知封裝設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍為980.89s。顯然，它不能滿(mǎn)足工作要求，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

表1 微晶振封裝設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍表Tab.1 Cycle Time of Micro-Crystal Resonator Packaging Equipment

4 微晶振封裝設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍仿真與優(yōu)化

4.1 微晶振封裝設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍仿真

據(jù)前所述，由于裝置1、5、7 對(duì)該封裝設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍沒(méi)有影響，因此建模時(shí)不考慮它們。采用Flexsim 對(duì)微晶振封裝設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行仿真建模，如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化前設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍的仿真模型Fig.2 Simulation Model of Equipment Cycle Time Before Optimization

在Flexsim 系統(tǒng)仿真模型中輸入相關(guān)的參數(shù)，對(duì)微晶振移栽、點(diǎn)焊、短邊和長(zhǎng)邊平行縫焊過(guò)程進(jìn)行模擬仿真。按照封裝設(shè)備一天的有效運(yùn)行時(shí)間設(shè)置模型仿真時(shí)間為75600s。通過(guò)Flexsim內(nèi)的統(tǒng)計(jì)功能得到各裝置的工作時(shí)間與閑置時(shí)間百分比圖，如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化前各裝置利用情況狀態(tài)餅圖Fig.3 State Pie Chart of Micro-Crystal Every Device Before Optimization

根據(jù)各裝置利用情況狀態(tài)餅圖，可知點(diǎn)焊定位裝置的利用率幾乎達(dá)到100%，短邊和長(zhǎng)邊平行縫焊裝置的利用率較低，分別為73.56%和78.50%，且整個(gè)封裝設(shè)備的平衡性較差，故這三個(gè)裝置均為微晶振封裝設(shè)備的瓶頸模塊；另外，按照上述的布局與生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)備日產(chǎn)量?jī)H為75 盤(pán)，達(dá)不到期望要求。因此，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 微晶振封裝設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化

基于裝置的具體結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特性，采用不同的優(yōu)化策略，對(duì)決定設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍的點(diǎn)焊定位裝置、短邊和長(zhǎng)邊平行縫焊裝置分別進(jìn)行優(yōu)化。

（1）點(diǎn)焊定位裝置生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化

點(diǎn)焊定位裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由DD 馬達(dá)、電機(jī)及氣缸組成，結(jié)構(gòu)緊湊，且動(dòng)作順序確定。同時(shí)，為了保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的平穩(wěn)性，不宜再增大馬達(dá)、電機(jī)運(yùn)行速度以及氣缸節(jié)流閥開(kāi)度。因此基于精益生產(chǎn)理論，這里采用增加循環(huán)數(shù)量的優(yōu)化策略：

優(yōu)化方案1：采用雙工位的工作方式，即采取增加相同裝置的方式，使每個(gè)裝置點(diǎn)焊15 列產(chǎn)品，則計(jì)算得出點(diǎn)焊定位裝置1與2 的生產(chǎn)節(jié)拍均為492.89s。

優(yōu)化方案2：采用單工位工作方式，即點(diǎn)焊定位裝置1 和新增裝置2 分別點(diǎn)焊20 列和10 列產(chǎn)品，計(jì)算得到裝置1 和2 的生產(chǎn)節(jié)拍分別655.89s、630.40s。

（2）短邊和長(zhǎng)邊平行縫焊裝置生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化

短邊和長(zhǎng)邊平行縫焊裝置分屬兩個(gè)工位，均由X、Y、Z 三軸氣動(dòng)聯(lián)動(dòng)執(zhí)行動(dòng)作完成。在焊接過(guò)程中，除了算法完成規(guī)劃最優(yōu)時(shí)間的路徑外，還需驗(yàn)證氣缸長(zhǎng)度可達(dá)性，檢測(cè)焊接過(guò)程的碰撞干涉?；谶z傳算法在路徑搜索問(wèn)題中的明細(xì)優(yōu)勢(shì)，基于此算法采用動(dòng)作路徑優(yōu)化策略求解短邊和長(zhǎng)邊平行縫焊裝置生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化問(wèn)題，即把載料盤(pán)上坐標(biāo)已知的各焊接控制點(diǎn)作為路徑的參數(shù)，在形成的組合系列中搜索時(shí)間最優(yōu)路徑，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：

式中：Q—路徑的焊接點(diǎn)系列；t（Q）—在考慮氣缸可達(dá)長(zhǎng)度及無(wú)碰撞干涉約束下，每條路徑的最優(yōu)移動(dòng)時(shí)間。

為方便把路徑參數(shù)（微晶振焊接點(diǎn)）編碼成染色體，由于區(qū)域內(nèi)各焊接點(diǎn)的直角坐標(biāo)［xi，yi］已知，因此可直接對(duì)其進(jìn)行編碼。然后通過(guò)遺傳算法的工作流程，求解出最優(yōu)時(shí)間的路徑—蛇形焊接軌跡，即在焊接完第一列產(chǎn)品后，立即從第二列的最后一顆產(chǎn)品往反方向焊接，如圖4 所示。計(jì)算得到優(yōu)化后的短邊和長(zhǎng)邊平行縫焊裝置的生產(chǎn)節(jié)拍分別是659.43s 和663.96s。

圖4 遺傳算法的工作流程Fig.4 Workflow of Genetic Algorithm in the Equipment

5 微晶振封裝設(shè)備生產(chǎn)平衡優(yōu)化與仿真

根據(jù)優(yōu)化方案，建立新的產(chǎn)品流動(dòng)路徑模型，如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后產(chǎn)品流動(dòng)路徑模型圖Fig.5 Product Flow Path Model After Optimization

對(duì)兩種優(yōu)化方案分別進(jìn)行Flexsim 仿真分析，仿真時(shí)間仍設(shè)定為75600s，仿真結(jié)果，如圖6 所示。分析優(yōu)化方案1 中點(diǎn)焊定位裝置1 的利用率下降較多，短邊與長(zhǎng)邊平行縫焊裝置的利用率則大幅增加，但四個(gè)裝置的利用率不均衡，而方案2 中四個(gè)裝置利用率都較高且比較均衡。另外，方案1 與方案2 的實(shí)際日產(chǎn)量均能滿(mǎn)足工作要求。

圖6 優(yōu)化后各裝置的狀態(tài)餅圖Fig.6 State Pie Chart of Micro-Crystal Every Device After Optimization

要選擇設(shè)備生產(chǎn)平衡優(yōu)化的最佳方案，還需考慮生產(chǎn)線(xiàn)主要平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍T、單日產(chǎn)能M、生產(chǎn)不平衡損失時(shí)間Tloss、生產(chǎn)線(xiàn)平衡率P、生產(chǎn)線(xiàn)不平衡率d、平滑指數(shù)SI 的相應(yīng)計(jì)算公式分別求出生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化前、方案1 與方案2 的相關(guān)指標(biāo)，如表2 所示。

表2 優(yōu)化前后封裝設(shè)備平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比表Tab.2 Balance Evaluation Indexes Comparison for the Packaging Equipment Before and After Optimization

由上述數(shù)據(jù)可知，方案2 中封裝設(shè)備平衡率提升到98.26%，接近理想工作狀態(tài)，且平滑性指數(shù)下降到17.41，說(shuō)明各裝置之間的生產(chǎn)節(jié)拍一致，封裝設(shè)備的生產(chǎn)平衡性較好，結(jié)合各裝置的利用率情況，故確定方案2 為最終的優(yōu)化方案。

6 生產(chǎn)平衡優(yōu)化方案實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

6.1 生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化方案實(shí)現(xiàn)

在確定的優(yōu)化方案中，為了改善設(shè)備的生產(chǎn)平衡，增加了點(diǎn)焊定位裝置2，改變了短邊與長(zhǎng)邊平行縫焊裝置的焊接方式。為了避免兩點(diǎn)焊定位裝置之間發(fā)生干涉，增加了一處中轉(zhuǎn)工位。優(yōu)化后的微晶振封裝設(shè)備整體布局圖，如圖7 所示。

圖7 優(yōu)化后微晶振封裝設(shè)備布局圖Fig.7 Layout of Micro-Crystal Resonator Packaging Equipment After Optimization

6.2 樣機(jī)驗(yàn)證

從設(shè)備各裝置動(dòng)作順序的正確性、生產(chǎn)節(jié)拍測(cè)試和日產(chǎn)量三個(gè)方面驗(yàn)證生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化方案的合理性。按照規(guī)劃的動(dòng)作順序以及控制模塊對(duì)各裝置的自動(dòng)運(yùn)行流程進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明各裝置能順利完成指定功能，且機(jī)構(gòu)無(wú)干涉現(xiàn)象發(fā)生，部分裝置運(yùn)行示意圖，如圖8 所示。使用秒表對(duì)各個(gè)裝置的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在測(cè)試過(guò)程中保證各裝置都無(wú)故障發(fā)生，各個(gè)裝置5 次統(tǒng)計(jì)時(shí)間，如表3 所示。其實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍基本符合理論值，驗(yàn)證了其生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算及優(yōu)化的正確性。

圖8 裝置運(yùn)行示例圖Fig.8 Test Examples of Some Devices

表3 各裝置的生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Cycle Time Statistics of Each Unit

按照每天連續(xù)運(yùn)行21h 的工作要求，設(shè)備運(yùn)行15 天的實(shí)際產(chǎn)量（單位為盤(pán)），如表4 所示。結(jié)果顯示設(shè)備日產(chǎn)量均值為109盤(pán)，基本可以滿(mǎn)足封裝設(shè)備的期望生產(chǎn)要求。

表4 封裝設(shè)備產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Output Statistics of the Packaging Equipment

由以上試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了封裝設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化方案是可行的，其布局合理且生產(chǎn)效率可以達(dá)到企業(yè)生產(chǎn)要求。

7 結(jié)論

在分析、設(shè)計(jì)微晶振封裝設(shè)備工藝流程的基礎(chǔ)上，利用Flexsim 工具對(duì)設(shè)備進(jìn)行仿真分析，指出設(shè)備的瓶頸工位，采用不同的優(yōu)化策略對(duì)關(guān)鍵裝置的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合生產(chǎn)線(xiàn)平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)確定最優(yōu)方案。仿真結(jié)果及樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化后模型的合理性。以生產(chǎn)節(jié)拍、平滑性指數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)理論分析、仿真優(yōu)化及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)微晶振封裝設(shè)備平衡性問(wèn)題進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，將仿真優(yōu)化與人工智能算法有效結(jié)合使用，能夠有效解決表面封裝設(shè)備這類(lèi)小型生產(chǎn)線(xiàn)的平衡性問(wèn)題，為類(lèi)似封裝設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。