3C 自動(dòng)化設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用與研究

白 磊，劉 勇

（富士康精密電子（太原）有限公司，山西太原 030025）

0 引言

3C 產(chǎn)品包括電腦（Computer）、通信（Communication）和消費(fèi)性電子類（Consumer Electronic）產(chǎn)品。傳統(tǒng)的消費(fèi)電子產(chǎn)品包括個(gè)人電腦、音響、MP3 和電視機(jī)等。新型3C 產(chǎn)品包括智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備、智能電視為代表的電子產(chǎn)品，3C 產(chǎn)業(yè)保持高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的3C 產(chǎn)品制造國(guó)，但是3C 行業(yè)的自動(dòng)化覆蓋率僅為15%，自動(dòng)化水平程度較低。

1 3C 自動(dòng)化設(shè)備的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

3C 自動(dòng)化設(shè)備屬于非標(biāo)設(shè)備。非標(biāo)設(shè)備是指沒(méi)有固定的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，主要是根據(jù)用戶的實(shí)際使用需求，特別定制的一種專用設(shè)備。設(shè)備具有多品種、小批量、多功能、開(kāi)發(fā)周期短和可復(fù)制性低的特點(diǎn)[1]。

隨著3C 行業(yè)快速發(fā)展，3C 非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備的需求急速上升。國(guó)內(nèi)3C 設(shè)備行業(yè)的市場(chǎng)需求預(yù)計(jì)是3600 億元，但是非標(biāo)設(shè)備企業(yè)發(fā)展不完善，呈現(xiàn)小規(guī)模、多數(shù)量和技術(shù)水平落后等特點(diǎn)。3C 自動(dòng)化設(shè)備的開(kāi)發(fā)制造存在以下問(wèn)題[2]。

（1）3C 產(chǎn)品種類繁多，產(chǎn)品復(fù)雜，設(shè)備根據(jù)用戶實(shí)際需求定制，使得設(shè)備研發(fā)任務(wù)繁重，研發(fā)周期占到設(shè)備交付時(shí)間的1/2以上。

（2）3C 產(chǎn)品更新?lián)Q代周期短，自動(dòng)化設(shè)備更新速度快。使得非標(biāo)設(shè)備的研發(fā)周期被壓縮到很短時(shí)間內(nèi)。

（3）產(chǎn)品變換周期快，設(shè)備為非標(biāo)設(shè)備，通用性差，設(shè)備改造升級(jí)難度大，容易出現(xiàn)舊設(shè)備的閑置浪費(fèi)。

因此，縮短設(shè)計(jì)周期，使得設(shè)備具有良好的通用性和沿用性，是3C 行業(yè)面臨的一大課題。

2 模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是將設(shè)備的部分功能組件組合在一起，構(gòu)成一個(gè)具有固定功能的單元。將此單元作為通用性模塊與其他專用模塊進(jìn)行多種組合，組成新的組件，獲得多種功能各異的系列設(shè)備[3]。相對(duì)于非標(biāo)設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)[4]。

（1）開(kāi)發(fā)效率高。利用模塊化技術(shù)，在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可直接利用已有模塊圖紙，不同對(duì)同一模塊重復(fù)設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)工作難度，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

（2）設(shè)備成本低。利用模塊化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備零件的采購(gòu)加工批量化，大幅降低成本。

（3）安裝調(diào)試方便。利用模塊化技術(shù)，先安裝單個(gè)功能子模塊，然后再將所有功能子模塊進(jìn)行組合拼裝。當(dāng)單一模塊出現(xiàn)故障時(shí)，由于相同模塊間具有互換性，可采用相同模塊進(jìn)行替代，速度快，且可大幅減少備品備件數(shù)量。

（4）升級(jí)改造容易。利用模塊化技術(shù)，可以形成一整套完整的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)庫(kù)。通用模塊保持不變，只需優(yōu)化升級(jí)專用模塊，即可完成設(shè)備升級(jí)改造，設(shè)備穩(wěn)定性得到提升，可以保持較高的一致性。

3 模塊化設(shè)計(jì)的方法

模塊化設(shè)計(jì)思路：標(biāo)準(zhǔn)化+組合化=模塊化。

（1）標(biāo)準(zhǔn)化思維。標(biāo)準(zhǔn)化是模塊化的基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)化中的統(tǒng)一化和通用化等方法，可作為模塊化過(guò)程中的基本思想方法。模塊化是標(biāo)準(zhǔn)化方法與系統(tǒng)原理的有機(jī)組合。

（2）組合化思維。組合化是模塊化的基本特征，組合化是將有關(guān)部分功能或特點(diǎn)匯集組合起來(lái)，產(chǎn)生的一種思維方式。組合化的設(shè)計(jì)是將已有模塊按照一定的規(guī)律組合設(shè)計(jì)形成新產(chǎn)品，充分分析被組合模塊的實(shí)質(zhì)及組合效應(yīng)，得到最佳組合效果。因此，模塊化設(shè)計(jì)可以作為有效解決非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備現(xiàn)有問(wèn)題的有效工具。

4 模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用

應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)思路，開(kāi)發(fā)出一種適用性和通用性較強(qiáng)的連線自動(dòng)化設(shè)備的底層組裝平臺(tái)。通過(guò)各種標(biāo)準(zhǔn)化模塊組合，可以廣泛應(yīng)用在3C 產(chǎn)品的零件組裝自動(dòng)生產(chǎn)線，通用性強(qiáng)。

底層組裝平臺(tái)由架體模塊、拉體模塊、底座模塊和料倉(cāng)模塊等4 個(gè)部分組成，如圖1 所示。架體模塊安裝在底座模塊上，架體底部裝有滾輪，可以在底座模塊上滑動(dòng)，拉體模塊固定在架體模塊上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)備間的運(yùn)輸。料倉(cāng)模塊與底座模塊進(jìn)行連接，作為組裝物料的自動(dòng)存儲(chǔ)裝置。各模塊可以相互插合安裝形成整體結(jié)構(gòu)。只需根據(jù)工藝要求，在架體模塊上組合相應(yīng)的功能模組，即可成為一臺(tái)完整的自動(dòng)化設(shè)備，可以兼容多種產(chǎn)品柔性切換。

圖1 底層組裝平臺(tái)

（1）架體模塊根據(jù)設(shè)備功能的復(fù)雜程度及所需空間大小，分為寬度300 mm 和寬度600 mm 的架體兩種模式。架體模塊為側(cè)臥式U 形結(jié)構(gòu)，由設(shè)備機(jī)架、吊掛式X 軸/Y 軸/Z 軸、上下拉體安裝平臺(tái)、電控箱和顯示屏組成，如圖2 所示。

圖2 架體模塊和底座模塊

吊掛式X 軸/Y 軸/Z 軸由滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌和伺服電機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)x，y，z 等3 個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。架體模塊內(nèi)可以存放工控機(jī)和電控元件等電氣裝置，擁有集成化的網(wǎng)、電、氣快插接口，方便架體的快速更換維修，不同設(shè)備間的架體模塊完全互換，可以自由組合相應(yīng)的功能模塊，滿足工站工藝要求，是一種通用性強(qiáng)的組裝平臺(tái)[6]。

（2）底座模塊由滑軌、導(dǎo)向槽、固定鎖緊裝置和連接塊組成，架體模塊底部帶有滾輪，通過(guò)導(dǎo)向槽導(dǎo)向，可以實(shí)現(xiàn)架體模塊抽拉式移動(dòng)。當(dāng)架體位置到位后，使用固定鎖緊裝置鎖緊。多個(gè)底座模塊通過(guò)連接塊連接在一起，當(dāng)生產(chǎn)線的工站數(shù)量變化時(shí)，可對(duì)底座模塊進(jìn)行增減調(diào)整，調(diào)整效率高。需要長(zhǎng)時(shí)間維修時(shí)，可直接將架體拉出，換上備用架體，實(shí)現(xiàn)線下維護(hù)，操作簡(jiǎn)單方便。

（3）拉體模塊由治具載體導(dǎo)軌、治具載體、動(dòng)力皮帶、豎直定位裝置和拉體升降裝置組成，如圖3 所示。每段拉體擁有獨(dú)立的動(dòng)力皮帶，采用單滑軌結(jié)構(gòu)，通過(guò)導(dǎo)軌間的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)拉體的整體連接。治具載體用于固定產(chǎn)品本體，可以在連線設(shè)備間穿梭，通過(guò)由定位軸承組成的豎直定位裝置，完成治具載體在每臺(tái)設(shè)備內(nèi)的停止定位。擁有上下兩層拉體，通過(guò)頭尾的拉體升降裝置，實(shí)現(xiàn)治具載體在上下兩層拉體的循環(huán)往復(fù)，拉體速度可達(dá)2 m/s，生產(chǎn)效率高[7]。

圖3 拉體模塊

（4）料倉(cāng)模塊由基礎(chǔ)底座、料倉(cāng)升降裝置和料盤伸縮裝置組成，通過(guò)基礎(chǔ)底座將料倉(cāng)模塊與設(shè)備底座模塊快速連接。料倉(cāng)模塊底部帶有滾輪，可以在基礎(chǔ)底座上快速拉入和推出。料倉(cāng)升降裝置通過(guò)頂升氣缸和彈倉(cāng)式分離機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)料盤自動(dòng)供料，料盤伸縮裝置通過(guò)氣缸和加緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)料盤在料倉(cāng)和架體之間的運(yùn)轉(zhuǎn)，向空料盤供料以及回收滿料盤，實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)供給[8]。

當(dāng)產(chǎn)品種類發(fā)生改變時(shí)，原有底層組裝平臺(tái)保持不變，只需更換相應(yīng)的功能模塊，適當(dāng)增減底層組裝平臺(tái)數(shù)量，即可組成新的自動(dòng)化生產(chǎn)線。目前，該底層組裝平臺(tái)已成功應(yīng)用于手機(jī)組裝生產(chǎn)線，運(yùn)行狀態(tài)良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

從3C 行業(yè)的非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備普遍存在的問(wèn)題入手，引入模塊化設(shè)計(jì)的思路，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化加組合化的結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種3C 行業(yè)連線自動(dòng)化生產(chǎn)線的底層組裝平臺(tái)。該模塊化結(jié)構(gòu)可以縮短設(shè)計(jì)周期，提高裝配維護(hù)效率，便于設(shè)備升級(jí)改造。為3C行業(yè)的非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)提供了一種新的思路，具有廣闊的市場(chǎng)前景。