智能終端精密外觀結(jié)構(gòu)件離散型智能工廠規(guī)劃*

羅衛(wèi)強，唐 斌，陳勇軍

（廣東長盈精密技術(shù)有限公司，廣東東莞 523808）

0 引言

金屬中框、外殼等精密外觀結(jié)構(gòu)件是移動電話、平板電腦等3C（Computer,Communication,Consumer Electronic）智能終端的重要組件，具有支撐智能終端結(jié)構(gòu)、固定零部件布局、美化外觀等功能。由于移動電話、平板電腦等智能終端的品牌與型號繁多，精密外觀結(jié)構(gòu)件大多為個性化的非標器件[1]。精密外觀結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與制造工藝流程復雜，且需依據(jù)要實現(xiàn)的不同功能來選擇各類原材料，經(jīng)模切、沖鍛壓、成型、CNC 加工、研磨等各種不同工序后，再經(jīng)過表面處理、組裝等環(huán)節(jié)最終形成成品。智能終端精密外觀結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)過程需要應用高速加工和超精加工技術(shù)、快速成型技術(shù)、自動化控制技術(shù)等，因此，該類產(chǎn)品對先進制造技術(shù)的綜合性要求高[2]。

當前世界各國都在大力推進新一代的5G 移動通信技術(shù)，我國已在“十三五”期間大面積建設了5G 基礎設施，并將在“十四五”期間著重推廣5G技術(shù)的應用，這加速推進了智能終端的更新?lián)Q代[3]。同時，各智能終端廠商針對不同應用場景與消費群體所推出的產(chǎn)品間均存在差異。因此，智能終端精密外觀結(jié)構(gòu)件的制造也相應越來越呈現(xiàn)出大批量、個性化、短周期的特點。然而精密外觀結(jié)構(gòu)件的傳統(tǒng)制造工藝流程存在各環(huán)節(jié)難以靈活組合、環(huán)節(jié)間的銜接大量依靠人工、無法根據(jù)訂單靈活進行生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化等問題，因此在生產(chǎn)效率、靈活性與精確性等方面難以滿足日益提高的市場需求。

智能制造是制造業(yè)的發(fā)展方向，它將先進的制造技術(shù)與信息技術(shù)進行深度融合，是提高制造業(yè)水平、實現(xiàn)制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的高端技術(shù)。智能制造將為制造業(yè)的全面發(fā)展提供有力推動和必要保障[4]，2021年12月工信部發(fā)布了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，明確指出智能制造是國家的重大戰(zhàn)略部署[5]。為滿足智能終端市場的需求、緊跟時代發(fā)展，精密外觀結(jié)構(gòu)件的制造也亟需向智能制造轉(zhuǎn)型?，F(xiàn)有研究多著重于精密外觀結(jié)構(gòu)件制造中某一環(huán)節(jié)的優(yōu)化與改進，如數(shù)控加工[6-7]，結(jié)構(gòu)件打磨[8]，結(jié)構(gòu)件三維形貌測量[9]與外觀缺陷檢測[10]等。然而，一個或某幾個環(huán)節(jié)的智能化無法幫助精密外觀結(jié)構(gòu)件的制造企業(yè)順利轉(zhuǎn)型，一套完整的精密外觀結(jié)構(gòu)件智能制造方案尚未見報道。

本文介紹了基于智能終端精密外觀結(jié)構(gòu)件制造過程與工藝特征所構(gòu)建的離散型智能工廠。通過研發(fā)關(guān)鍵智能化制造設備，實現(xiàn)高精密數(shù)控加工、柔性機器人、自動化產(chǎn)線等生產(chǎn)單元的智能化組合應用。同時，將數(shù)字化加工技術(shù)、自動化數(shù)據(jù)采集與模式識別技術(shù)、信息技術(shù)與現(xiàn)代管理技術(shù)相結(jié)合，把信息的采集、傳遞、集成和共享等融入新型制造模式的管理與決策之中，實現(xiàn)企業(yè)資源的優(yōu)化配置和高效運轉(zhuǎn)。所構(gòu)建的離散型智能制造工廠極大地提高了精密金屬結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)效率和品質(zhì)，改造了傳統(tǒng)的勞動密集型生產(chǎn)工藝，提升了制造工藝流程的靈活性，增強了企業(yè)的競爭力。同時，鑒于人工成本的大幅上升與勞動力人口的快速下降，本文介紹的離散型智能制造工廠對其他勞動密集型制造企業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型升級具有示范意義。

1 智能工廠

智能成型、智能檢測和智能組裝是3C 智能終端精密外觀結(jié)構(gòu)件制造中的3 種主要工藝環(huán)節(jié)，為使這3 個環(huán)節(jié)高效靈活地協(xié)同運行，首先基于企業(yè)自主研發(fā)的工業(yè)機器人、車銑復合多軸數(shù)控機床等核心設備，搭建用于各工藝環(huán)節(jié)的柔性生產(chǎn)單元，再通過合理規(guī)劃、使用柔性生產(chǎn)單元來組建智能成型車間、智能檢測車間與智能組裝車間，各車間通過工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺共享信息，并由信息物理系統(tǒng)（CPS：Cyber Physical System）統(tǒng)籌管理生產(chǎn)過程，形成依據(jù)工藝路徑的分布式離散型智能制造工廠，如圖1所示，并實現(xiàn)車間可視化監(jiān)控。

圖1 離散型智能工廠架構(gòu)

其中，信息化統(tǒng)籌與管理是智能制造工廠的核心，包括以下功能。

（1）采用西門子公司的Plant Simulation 對成型車間、檢測車間、組裝車間進行建模仿真，設計最佳車間布局[11]。

（2）采用工業(yè)機器人控制技術(shù)、智能傳感器技術(shù)、智能監(jiān)測技術(shù)以及電子識別技術(shù)、制造過程現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與可視化等智能化技術(shù)手段，通過與工藝數(shù)據(jù)庫的分析匹配實現(xiàn)批量化新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)與快速導入，實時記錄相關(guān)信息，確保精密外觀結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品的柔性化、批量化等生產(chǎn)。

（3）通過智能數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測，實現(xiàn)對精密外觀結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品的唯一性標識與信息實時記錄，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)過程可追溯，形成一個自動化、信息化、智能化、綠色化的精密外觀結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品智能制造車間。

（4）由產(chǎn)品研發(fā)管理（PLM）、企業(yè)資源計劃管理（ERP）、生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、資產(chǎn)管理系統(tǒng)（EAM）、BI大數(shù)據(jù)分析等軟件組成的信息化系統(tǒng)。

（5）數(shù)字車間的各設備間通過工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)無線網(wǎng)絡等集中傳輸至數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，生產(chǎn)設備綜合信息透過TCP/IP通訊協(xié)議接收機器人和PLC 數(shù)據(jù)傳送到MES 系統(tǒng)。車間通過LED、電腦顯示等進行生產(chǎn)過程狀態(tài)的圖形及數(shù)字化顯示，智能車間的可視化監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 智能車間監(jiān)控平臺

2 智能工廠各車間設備及工藝

2.1 成型設備及工藝

以移動電話精密外觀結(jié)構(gòu)件為例，其加工工藝流程如圖3所示。經(jīng)過CNC 粗加工切削成形后，需使用納米注塑以加固機身，最后需進行CNC 精加工，以及噴砂、拉絲和陽極氧化等精飾加工。本文所提到的成型設備及工藝主要面向CNC 精加工及打磨環(huán)節(jié)。

圖3 手機金屬外觀件主要生產(chǎn)工藝流程

精密外觀結(jié)構(gòu)件智能成型車間的布局如圖4 所示，所使用的智能裝備主要包括機器人、高效高精車銑復合數(shù)控機床、數(shù)控加工中心、打磨拋光機等，通過工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)的集成與控制，協(xié)同6關(guān)節(jié)機器人上下料，實現(xiàn)智能化制造。

圖4 成形加工智能車間布局

（1）3C行業(yè)小型輕量化6關(guān)節(jié)機械手，其主控制器使用帶高速總線網(wǎng)絡接口的嵌入式PC 替代傳統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)。利用高速網(wǎng)絡接口，實現(xiàn)嵌入式PC 數(shù)控系統(tǒng)的實時化高精度控制，方便進行生產(chǎn)線各機器人動作的高重復度協(xié)作運動，并進行車間裝備遠程加工數(shù)據(jù)的傳輸以及遠程監(jiān)控。

圖5 一拖八CNC精加工智能化單元

（2）一拖八CNC 精加工智能化單元（圖5），通過以太網(wǎng)端口進行互連管理與控制，并結(jié)合傳輸裝置與機器人的上下料，使車間的CNC 設備與工業(yè)機器人實現(xiàn)無縫對接，并通過CNC設備加工數(shù)據(jù)的實時遠程交換達到智能化管理生產(chǎn)[12]。

（3）打磨拋光智能化單元，由打磨拋光設備及上下料設備組成，通過工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)的集成與控制，配合拋光打磨監(jiān)控系統(tǒng)，協(xié)同工業(yè)機器人形成大規(guī)模精密打磨拋光生產(chǎn)線。

（4）整個車間高度自動化集成，生產(chǎn)過程采用MES 系統(tǒng)，通過智能車間監(jiān)控平臺集中管控，車間現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 精密外觀結(jié)構(gòu)件智能成型車間現(xiàn)場

2.2 檢測設備及先進工藝

智能檢測車間的布局如圖7 所示。智能檢測設備包括6 關(guān)節(jié)機器人、CCD檢測機臺、自動升降及傳輸裝置及各類檢測裝置，通過工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)柔性集成全自動檢測單元。該單元對3C 智能移動電話精密外觀結(jié)構(gòu)件內(nèi)長寬尺寸、外長寬尺寸、外觀、孔位、高低落差等實現(xiàn)全方位的檢測，保證了檢測的高質(zhì)、高效并降低了檢測成本，其中各主要環(huán)節(jié)的功能如下。

圖7 智能檢測車間及智能組裝車間規(guī)劃布局

（1）儲料升降平臺，配有生料倉和熟料倉2 個可調(diào)節(jié)的料倉，通過PLC系統(tǒng)控制伺服驅(qū)動器進行運動，通過絲杠以及料倉頂部感應器，帶動料倉平臺停止在指定位置。生料倉及熟料倉可以根據(jù)不同吸塑盤進行調(diào)節(jié)，配合機器人取放料，完成投料及收料過程。

（2）簡易通用測量機（圖8），選用通用性更強的龍門式結(jié)構(gòu)，配上更穩(wěn)定的大理石平臺；使用旋轉(zhuǎn)治具有效地平衡上料CT。使用以PLC 為核心的控制器，對伺服馬達實現(xiàn)聯(lián)動控制。該測量機還具有檢測數(shù)據(jù)可視化、標準文件導出等功能。

圖8 簡易通用測量機及測量裝置

（3）自動檢測技術(shù)，利用激光探頭、普通探頭和CCD 獲取工件信息，采用梯形圖技術(shù)開發(fā)專業(yè)嵌入式自動質(zhì)量檢測軟件，通過伺服馬達驅(qū)動定位模組的位移，實現(xiàn)段差、內(nèi)長寬或CCD視覺檢測。將檢測系統(tǒng)與機器人系統(tǒng)集成，控制機器手靈活抓取，利用IO 信號自動判斷不良品，將良品與不良品的自動區(qū)分存放，從而實現(xiàn)全自動高精度檢測。

（4）利用機器人控制系統(tǒng)進行二次開發(fā)，設計機器人手臂運動軌跡以及檢測狀態(tài)、取料、放料、分揀等工序的邏輯關(guān)系，使機器人按照生產(chǎn)線的加工節(jié)拍運行。

智能檢測車間的實施現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 智能檢測車間實施現(xiàn)場

2.3 組裝設備及先進工藝

智能組裝車間的布局如圖7 所示。全自動多工位智能移動電話柔性組裝線采用由上位控制單元控制的二級計算機集散控制、直接異步輸送、直接定位等技術(shù)，利用樹形結(jié)構(gòu)、串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的積木式設備組合方法，實現(xiàn)供料、組裝、點膠、壓磁、翻轉(zhuǎn)、貼標、檢測、整形、收料的柔性生產(chǎn)，形成新的組裝工藝流程，結(jié)合PLC可編程邏輯控制，從而實現(xiàn)多機械手協(xié)同作業(yè)，形成組裝工藝新突破。智能組裝車間的優(yōu)點如下。

（1）全自動多工位智能移動電話柔性組裝線將傳統(tǒng)的單工位半自動設備整合到一條線體上實現(xiàn)整線全自動生產(chǎn)（圖10），特點是以單元模組化拼接實現(xiàn)多料號換線共用生產(chǎn)，整線生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集，故障實時監(jiān)控，完全實現(xiàn)無人化操作以達到節(jié)省人力、提高生產(chǎn)效率及品質(zhì)的目的。

圖10 組裝工藝流程

（2）能結(jié)合相應工藝，有針對性的進行工藝重組，將多而復雜的工藝進行模塊化，將勞動密集型的作業(yè)方式變?yōu)檫m合工業(yè)機器人集成的模塊化作業(yè)方式，可以很方便地引進工業(yè)機器人進行移動電話組裝（圖11）。

圖11 全自動多工位智能手機柔性組裝線設計圖

（3）工業(yè)機器人分步取代人工，在進行工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線設計時，優(yōu)先考慮人員占用高、容易疲勞、工藝枯燥重復性高的工藝，分步使用工業(yè)機器人取代人工。從離散的機器人自動化工位到多工位的集成機器人自動化工作站，最終實現(xiàn)基于多機器人工作站的連續(xù)自動化生線。

智能組裝車間的實施現(xiàn)場如圖12所示。

圖12 智能組裝車間實施現(xiàn)場

3 車間制造執(zhí)行MES系統(tǒng)

針對3C智能制造加工的特點設計開發(fā)了專業(yè)的MES系統(tǒng)，系統(tǒng)包括數(shù)字化透明工廠網(wǎng)頁、數(shù)字化透明工廠數(shù)據(jù)采集器、數(shù)字化透明工廠數(shù)據(jù)分析器和XTEC-Loader 監(jiān)控程序，具有設備監(jiān)控、生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)分析、報警管理等功能，支持實時狀態(tài)、實時稼動率、當班稼動率、實時產(chǎn)能、歷史產(chǎn)能等數(shù)據(jù)的實時查看分析。

MES系統(tǒng)可實現(xiàn)計劃、生產(chǎn)、檢驗的全過程閉環(huán)管理，集合設備、生產(chǎn)、質(zhì)量、零件、人員績效等綜合管理功能，及時監(jiān)控機臺生產(chǎn)狀態(tài)、訂單的生產(chǎn)進度、良率狀況，有效改善產(chǎn)能利用率。圖13所示為MES系統(tǒng)主要功能模塊及其集成關(guān)系。

圖13 MES系統(tǒng)及集成關(guān)系

4 結(jié)束語

基于3C 產(chǎn)品的精密外觀結(jié)構(gòu)件制造過程與工藝，首次實施了工藝特征主導的設計、運行一體化智能制造新模式。針對精密外觀結(jié)構(gòu)件的成型、檢測、組裝工藝，采取物理空間分布式布局、信息空間集中式管控的一體化設計、運行方法，滿足了3C結(jié)構(gòu)件大批量高效生產(chǎn)和產(chǎn)品快速換線柔性生產(chǎn)的需求，成功實現(xiàn)了面向智能終端精密外觀結(jié)構(gòu)件離散型智能制造的透明化數(shù)字工廠設計和運行新模式。

通過離散型智能工廠在企業(yè)的規(guī)劃和實施，3 年時間使得生產(chǎn)效率提升130.88%，運營成本降低44.06%，產(chǎn)品研制周期縮短40.00%，產(chǎn)品不良品率降低52.76%，單位產(chǎn)值能耗降低73.82%。減少了用工人數(shù)，提升了企業(yè)智能制造水平。該智能工廠的設計與運行模式對于3C 制造業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型具有指導意義，對其他勞動密集型制造企業(yè)同樣具有示范意義。