離散型智能電裝生產線建設研究及實踐*

李 洋，周三三，楊許亮，郭延發(fā)，趙蒼碧

（南京電子技術研究所，江蘇南京 210039）

引 言

生產線是產品生產過程所經過的路線，是按對象原則組織起來完成產品工藝過程的一種生產組織形式。按照先進程度，生產線的發(fā)展主要經歷了手工生產線、機械化生產線、自動化生產線和智能生產線階段。進入21世紀10年代，世界各國興起智能制造浪潮，我國也積極制定“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略，推進生產過程智能化，培育新型生產方式[1]。智能生產線是智能制造的核心環(huán)節(jié)，而離散型制造電裝生產線的生產方式以傳統(tǒng)手工焊接和裝配操作為主，需要打造數(shù)字轉型、智能升級、融合創(chuàng)新、集約高效的智能生產線。

1 智能電裝生產線建設思路

電子裝聯(lián)（簡稱電裝）是通過焊接、螺接、壓接、膠接等連接技術手段，把構成電子產品的各種光電元器件、功能模塊、印制板組件、高低頻電纜組件、結構件等在結構和電氣上連接為一個具有特定功能和技術性能產品的技術，所涉及的生產對象包括整機/系統(tǒng)電子設備、模塊/部件級電子設備以及支撐電子設備的集成電路、電纜、光纜等基礎材料[2]。

1.1 離散型電裝生產線現(xiàn)狀及問題

1.1.1 生產對象品種多樣化、生產批量小、生產周期短

生產對象的品種有上千種，結構形式各異，生產批量差異大，存在大批量制件、小批量制件、單件制件生產共存的情況。若全部采用自動化生產設備，則自動線將十分龐大復雜。受制于產品多樣性，整條生產線的利用率大大降低，且成本高昂，因此需要選擇合適的生產模式，這對提升效率、縮短生產周期、降低生產成本非常重要。

1.1.2 生產方式以傳統(tǒng)手工焊接和裝配操作為主

目前的生產自動化水平低，生產以手工操作、人工檢驗、人工配送物料為主，對高技能工人需求多、要求高，產品質量對工人技能的依賴較大，生產效率較低，勞動強度大，產品質量波動性較大，一致性較弱。隨著自動化設備的普及，智能化轉型追求的是機器與人相結合的柔性生產，本質是實現(xiàn)“機器幫人”。

1.1.3 數(shù)據(jù)采集展示以紙質為主，無法精準高效決策

電裝生產線無法實時采集生產過程中的產品、人員、工具等數(shù)據(jù)，信息透明度低，以致不能第一時間掌握生產線“人、機、料、法、環(huán)”的最新狀況，管理者無法精準地進行工作分配、交貨周期安排、質量問題處理等決策。因此，需要實時采集生產過程中的各項數(shù)據(jù)并進行實時可視化展示及保存，保證電子設備生產過程受控，也為高效決策提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 離散型智能電裝生產線建設思路

針對離散型制造電裝的生產制造特點與需求，統(tǒng)籌規(guī)劃，聚焦痛點，以效益驅動，結合智能制造系統(tǒng)的典型特征，扎實推進硬件和軟件并行建設，根據(jù)不同產品的裝配形式及數(shù)量，分析工藝流程，建立全自動生產、人機協(xié)作生產、單工位智能裝配三類生產模式，將制造信息轉化為可度量的數(shù)字、數(shù)據(jù)和模型，利用新一代信息技術解決制造系統(tǒng)中各種復雜的優(yōu)化決策問題等，實現(xiàn)設備互聯(lián)互通、高度集成，產品狀態(tài)的敏捷感知，數(shù)據(jù)的實時分析，自動決策和命令的精準執(zhí)行，從而建立以“人機協(xié)作、數(shù)字賦能、智慧管理”為特征的電裝智能生產線。離散型智能電裝生產線建設思路框圖如圖1所示，圖中：PLC為可編程邏輯控制器；RFID為射頻識別器。

圖1 離散型智能電裝生產線建設思路框圖

2 智能電裝生產線建設方法及實踐

基于離散型制造電裝生產線的多品種、變批量、變節(jié)拍的柔性生產需求，將硬件設備和操作人員作為整體，構建成“可見可控、可產可管”的集成環(huán)境，根據(jù)離散型制造不同產品的結構特點、產量需求和工藝流程，通過聚類分析，一般將產品劃分為研制型、小批量型、批產型3種類型，建立智能生產線資源匹配原則（表1），從而縮短生產制造周期，提高生產效率，提升產品質量。

表1 智能生產線資源匹配原則

2.1 自動生產線

2.1.1 設計思路

智能自動生產線以設備自動化、過程數(shù)字化、決策智能化為手段，具備柔性混線生產模式，工藝自適應、自調整，具備新產品導入、切換能力，基于信息感知、數(shù)據(jù)分析和知識學習技術，形成質量實時監(jiān)控、故障預測等能力。

2.1.2 建設方法及實踐

（1）確定生產對象

自動生產線首先要通過梳理數(shù)量需求、分析產品結構來確定生產對象，基本要求為生產綱領穩(wěn)定，年產量大，批量大，零部件的標準化、通用化程度比較高[3]。雷達天線單元組合生產數(shù)量龐大，種類多，但其結構形式基本一致，組裝零件少，裝配相對簡單，主要由底板、上千個天線單元、單元罩和匹配柱構成，而且裝配難度低，定位精度可以保證。

（2）分析工藝流程，研究裝配動作

自動生產線的設計原則為“人工操作舒適化、工藝步驟最小化、設計過程最簡化、設計成本最小化”，根據(jù)產品的訂單數(shù)及計劃安排，確定自動化生產線的生產節(jié)拍，梳理生產的操作工藝流程，將其中重復的動作識別出來，提取其動作數(shù)據(jù)，用自動化設備替代，形成穩(wěn)定持續(xù)的自動化裝配單元，將自動化裝配單元按照工藝流程進行合理排序組合，從而形成自動生產線，如圖2所示。

圖2 天線單元組合自動生產線示意圖

天線單元組合裝配中的螺釘緊固、封膠密封、匹配柱裝配等動作用全自動設備替代，形成穩(wěn)定持續(xù)的自動化裝配單元。通過全自動化設備參數(shù)設置，使螺釘緊固、封膠密封和匹配柱裝配操作實現(xiàn)自動化和定量化，可極大地降低工作強度，保證產品的一致性。多品種天線單元的裝配流程基本一致，可以同時混線生產，產品可以快速換線進行生產。

（3）自動生產線智能化升級

自動生產線智能化升級包括生產過程信息實時感知與處理、工藝自適應及關鍵參數(shù)自動調整、質量問題自動診斷與決策、設備健康檢測等，將數(shù)字化設備由以前的單機工作模式升級為數(shù)字化、網絡化、智能化的管理模式。

產品裝配程序通過掃碼自動下載執(zhí)行，實現(xiàn)裝配過程中的裝配力矩、膠量、壓力、溫濕度等關鍵工藝參數(shù)的實時采集、監(jiān)控、記錄和展示，形成自動化與信息化相結合的智能生產線。膠接質量是影響裝配質量和產品性能的關鍵參數(shù)，通過實時采集產品生產過程中的膠接質量監(jiān)測數(shù)據(jù)，對膠接質量狀態(tài)進行實時監(jiān)控，形成膠接質量波動報警，并通過智能判斷系統(tǒng)對引起膠接質量波動的原因進行判斷，再通過智能決策系統(tǒng)不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，其流程如圖3所示。

圖3 膠接質量監(jiān)測、判斷、決策流程

2.1.3 成效分析

相比傳統(tǒng)的人工裝配，智能化自動生產線的生產效率可提升10倍以上，可極大地減少人員的使用及降低勞動強度。自動生產線可生產同類型多品種的產品，柔性強，不到1 h即可換線生產另一品種產品。自動生產線配備智能判斷系統(tǒng)和智能決策系統(tǒng)，可減少停機排查、解決問題的時間，使自動生產線的使用效率最大化，將處理緊急事故的成本降低20%左右。

2.2 人機協(xié)作生產線

2.2.1 設計思路

針對批量小、工藝裝配難度中等、核心裝配與簡單重復裝配穿插的生產對象，通過工藝流程梳理優(yōu)化、人機協(xié)作工位設計、生產線布局等方式，建設人與機器相結合的柔性生產線，達到各工位作業(yè)負荷分配合理、柔性及靈活性好、生產過程可視可控的效果。

2.2.2 建設方法及實踐

（1）工藝流程梳理優(yōu)化

采用工業(yè)工程方法，通過對作業(yè)要素的合理配置、作業(yè)方法的合理改進、作業(yè)流程的優(yōu)化等，反復迭代，不斷優(yōu)化，消除各種浪費，縮短時間，節(jié)約資源，以提高生產效率。

以某平面電源裝配為例，原生產方式為“包干式”的手工操作方式。該方式對操作人員的技能要求高，勞動強度大，產品一致性較差，需要進行合理的工位配置、人員配置和設備配置。根據(jù)工業(yè)工程方法進行優(yōu)化后的工藝流程如圖4所示。人機協(xié)作工位操作可由一般操作工人承擔，從而解放高技能操作工人。

圖4 優(yōu)化后的某平面電源裝配工藝流程

（2）人機協(xié)作工位設計

裝配緊固人機協(xié)作工位主要包括螺接協(xié)作機器人、視覺識別檢測系統(tǒng)、智能判斷系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)等。人工將集成電路等精密部件裝配到機殼內，機器人利用圖像識別技術自動識別出部件的裝配位置，根據(jù)工藝設定將不同規(guī)格螺釘送料到機器人鎖緊機構，根據(jù)視覺識別檢測系統(tǒng)在線修正目標位置，再利用伺服控制系統(tǒng)精準可靠地裝配各螺釘[2]；然后通過精密成像機構和視覺識別檢測系統(tǒng)自動獲取產品的高質量圖像，再通過圖像定位與分割，提取出檢測區(qū)域，進行目標檢測識別，自動檢測裝配質量。若出現(xiàn)不合格情況，系統(tǒng)將標記出故障點并根據(jù)智能判斷系統(tǒng)（同自動生產線）對問題原因進行判斷，再通過智能決策系統(tǒng)進行決策，修改相應的工藝參數(shù)，如圖5所示。裝配緊固人機協(xié)作工位設計方法可應用在其他人機協(xié)作工位中。

圖5 裝配緊固人機協(xié)作工位操作流程示意圖

（3）生產布局設計

生產布局設計是科學合理地確認人員、設備、物料之間的相對位置關系，需要遵循相鄰原則、最短距離原則等基本原則，以最大限度地提高人流、物流、信息流的效率。利用生產線仿真和優(yōu)化工具eM-Plant等，在虛擬環(huán)境中對生產布局進行設計規(guī)劃，建立參數(shù)化的生產線模型進行運行仿真，分析仿真結果以判斷瓶頸，并重新配置相關參數(shù)直到得到最優(yōu)的生產布局[4]。如圖6所示，某平面電源裝配人機協(xié)作生產線的生產布局通過仿真和優(yōu)化建設成U型線，保證人機協(xié)作生產線整體的安全性與合理性。

圖6 某平面電源裝配人機協(xié)作U型生產線示意圖

2.2.3 成效分析

人機協(xié)作生產線裝配過程的螺裝力矩信息、膠接壓力、溫度參數(shù)等均通過傳感器自動采集記錄，機器人運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、自動故障報警、設備運行狀態(tài)及產品進度通過生產線看板實時展示，提高了生產透明度。通過人與機器人的協(xié)同作業(yè)，總體產能提升了1～2倍，減少了70%左右的高技能人員投入。

2.3 單工位智能裝配單元

2.3.1 設計思路

對于結構復雜、數(shù)量較少的電子設備采用細胞單元的模式組織生產，智能裝配單元要盡可能輔助操作人員工作，提高工作效率，提升產品一次成型率，使問題便于追溯。該單元主要集成了智能工具、可移動組合式工位、數(shù)字化工藝、圖像及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、精密擰緊系統(tǒng)、防錯報警以及信息化系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 單工位智能裝配單元示意圖

2.3.2 建設方法及實踐

（1）數(shù)字化工藝指導操作

數(shù)字化工藝便于完整反映工藝信息的過程性和動態(tài)性，提供多視角三維工藝信息的表達。工藝設計人員在基于三維產品模型建立的數(shù)字化環(huán)境下，通過裝配順序及裝配路徑規(guī)劃、工序/工步要素定義、關鍵參數(shù)設置、操作人員分配、制造資源關聯(lián)、三維工藝標注等方式生成工藝信息和三維工序模型。數(shù)字化工藝可以完整反映工藝信息的過程性和動態(tài)性，提供多視角三維工藝信息的表達，從而便于裝配工人理解裝配工藝，減少了裝配過程的反復和人為差錯。此外，基于三維模型的數(shù)字化工藝可以直接賦值智能化工具，驅動工具執(zhí)行工藝指令，并將執(zhí)行結果與工藝要求進行實時比對，對錯誤操作及時預警，從而減少了操作者人為設置的工具參數(shù)不正確對產品質量的影響。

（2）采取防呆、防錯措施，減少失誤

通過優(yōu)化設計和過程自動化，按隔離原則和警告原則采取防呆、防錯措施，如增加計數(shù)方式及按照順序裝配約束，每裝配一個螺釘系統(tǒng)就與工藝、圖紙自行比對，確保完全按照工藝、圖紙要求裝配螺釘；增加聲光警告措施，如有不符合工藝要求等不正?，F(xiàn)象，立即發(fā)出警告訊號，防止失誤的發(fā)生，使工人第一次就把事情做好，從而提升產品質量，減少檢查導致的浪費，消除返工及其產生的浪費。

2.3.3 成效分析

單工位智能裝配單元通過數(shù)字化工藝指導操作，極大地降低了操作人員識圖的難度，減少了裝配反復，將生產準備成本降低了15%；通過采取防呆、防錯措施減少了返工，將產品一次合格率提高了10%；通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA）實現(xiàn)了關鍵生產數(shù)據(jù)100%的采集和記錄。

2.4 信息化建設

利用條碼技術對生產制造的基礎要素（如人員、工具、物料等）進行數(shù)字化定義[5]。基于SCADA實時精確地采集、提供生產過程所產生的各類數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)中心服務器，通過實時數(shù)據(jù)分析和利用，實現(xiàn)對人員狀態(tài)、產品狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)、設備狀態(tài)等的實時監(jiān)控管理。建立倉儲管理系統(tǒng)（Warehouse Management System, WMS），基于工位、工序任務的拉動式齊套方法，利用自動導引車（Automated Guided Vehicle, AGV）將物料自動配送到工位，大幅縮短物料的等待時間，保證生產節(jié)拍滿足要求[6]。建立數(shù)字化看板系統(tǒng)（Workshop Visualization System, WVS），實現(xiàn)生產過程透明化、可視化管理，提高決策效率。數(shù)字化看板系統(tǒng)匯聚來自各生產線的生產信息，以多維統(tǒng)計圖表為展示形式，動態(tài)地可視化展示與生產過程相關的各種實況信息，為生產過程異常發(fā)現(xiàn)、產品質量優(yōu)化、生產調度優(yōu)化等提供決策支持。

3 結束語

本文通過硬件和軟件并行建設，建立了全自動生產、人機協(xié)作生產和單工位智能裝配3類生產模式，提供了智能產線建設的思路。在開展智能生產線建設和應用中，工藝優(yōu)化是前提，系統(tǒng)集成是核心，智能裝備是基礎，信息系統(tǒng)是手段，信息安全是根本[7]?！皵?shù)字孿生”是連接制造物理世界和數(shù)字虛擬世界的最佳紐帶，是企業(yè)達到生產和管控最優(yōu)的一種運行新模式[8]，今后車間建設應量體裁衣，充分利用“數(shù)字孿生”的工具，分階段推進。