袁曉敏，武 岳，林紹友，韓 鵬，顧 強

(北方信息控制研究院集團有限公司，江蘇 南京 211153)

精密光機電信息產(chǎn)品在軍用、民用領(lǐng)域中(包括機械、光學(xué)、微電子、控制和信息處理等)應(yīng)用廣泛。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大。

某光機電信息產(chǎn)品裝調(diào)車間存在如下問題：1)以人工為主的生產(chǎn)方式，管理手段落后，缺乏有效的信息實時采集、生產(chǎn)進度跟蹤和質(zhì)量管控手段；2)由于產(chǎn)品品種多、批量小、不同種類產(chǎn)品零部件重疊且工藝相近，容易出現(xiàn)產(chǎn)品零部件配套錯誤、產(chǎn)品零部件漏裝或錯裝等問題；3)在裝調(diào)過程中，缺乏對關(guān)鍵工藝參數(shù)的有效管控，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量一致性差。針對上述問題，本文設(shè)計開發(fā)了一套適用于該車間的制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)，實現(xiàn)了AGV調(diào)度、工業(yè)攝像、設(shè)備控制單元和自動倉儲等多維度、多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。目前，MES在汽車、航空、紡織和醫(yī)藥等諸多行業(yè)中均有應(yīng)用[2-5]，但是鮮有應(yīng)用于多品種、小批量的光機電信息產(chǎn)品裝調(diào)的報道。

1 需求概述

從車間實際生產(chǎn)需求角度考慮，MES應(yīng)包含如下功能。

1)產(chǎn)品信息管理。包含產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)和組成關(guān)系、產(chǎn)品裝配流程和裝配工藝的管理等功能。

2)生產(chǎn)計劃管理。支持計劃管理人員錄入、修改和刪除生產(chǎn)計劃。

3)設(shè)備信息管理。包含設(shè)備基本信息的管理、設(shè)備鎖定和解鎖控制、設(shè)備狀態(tài)實時采集和設(shè)備使用記錄等功能。

4)裝配過程工藝參數(shù)的在線檢測與管理。通過設(shè)備對關(guān)重器件(力矩電機)裝配過程中的有關(guān)工藝參數(shù)(壓緊行程、壓緊力變化)進行測量、存儲和上傳，便于確定最佳工藝參數(shù)。

5)物流記錄查詢。生成系統(tǒng)專用的二維碼，倉庫和工位通過掃描該二維碼來確認(rèn)物料的流出或流入，以此記錄物料在倉庫和每一個工位的流出或流入時間，并且可以查詢物件的流轉(zhuǎn)路徑。

6)倉庫配送控制。系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計劃和每個產(chǎn)品在每個工位所需的零部件，指導(dǎo)配送人員進行正確的配送。為保證配送人員更準(zhǔn)確、高效地完成配送，每種產(chǎn)品在每個工位配備特制的料盒，該料盒只能放入該產(chǎn)品、該工位所需的零部件。系統(tǒng)記錄每次配送的時間、實際配送的零部件、所用料盒和配送人員等信息，并且可以查詢所有配送記錄。

7)工人作業(yè)控制。包括工人在工位簽收倉庫配料后，系統(tǒng)根據(jù)簽收的配料查詢工人所需裝調(diào)的產(chǎn)品，調(diào)出相應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)內(nèi)容，以向?qū)浇缑嬷笇?dǎo)工人完成所有需要的步驟；防止工人誤用設(shè)備；到達(dá)關(guān)鍵質(zhì)量管控步驟時，檢測合格后方可進入后續(xù)步驟；記錄工人每個步驟的開始和完成時間、相關(guān)工藝參數(shù)和檢測結(jié)果等信息。

8)工位異常處理。工人在作業(yè)過程中遇到異常情況時，通過工位終端拋出異常，系統(tǒng)呼叫特定的異常處理人員在自身的終端或拋出異常的終端上進行處理；同時，系統(tǒng)記錄所有的異常處理情況，并且支持異常處理記錄的查詢。

9)統(tǒng)計查詢功能。系統(tǒng)根據(jù)采集的工人作業(yè)步驟開始和結(jié)束的時間，計算各個步驟所需時間的平均值、分布等統(tǒng)計學(xué)結(jié)果，為管理人員安排生產(chǎn)以及未來系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)生產(chǎn)排程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)支持產(chǎn)量、生產(chǎn)進度、產(chǎn)品合格率和返修返工次數(shù)等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計查詢。

10)質(zhì)量追溯。能夠追溯每一件產(chǎn)品的參與生產(chǎn)人員、生產(chǎn)流程、檢測結(jié)果和工位完工圖像等信息。

11)系統(tǒng)管理。能夠管理工位、人員、權(quán)限和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等系統(tǒng)內(nèi)容。

12)大屏展示。能在大屏上實時展示當(dāng)前生產(chǎn)線狀況，同時支持管理人員在大屏上發(fā)布公告。

13)與其他系統(tǒng)集成。系統(tǒng)需要與AGV小車調(diào)度系統(tǒng)集成，與工業(yè)攝像頭、每一臺設(shè)備的控制單元和自動倉儲等系統(tǒng)集成。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。AGV調(diào)度系統(tǒng)、工業(yè)攝像頭、在線檢測系統(tǒng)、設(shè)備控制單元和自動倉儲系統(tǒng)等車間設(shè)備和系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)和車間服務(wù)器相連，供車間管理人員、工藝人員、庫管人員和操作工人等通過各自的客戶端進行訪問。MES設(shè)計是基于B/S架構(gòu)，使用Java EE 7和Oracle 11g數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，利用Websocket協(xié)議實現(xiàn)客戶端網(wǎng)頁自主訪問，利用套接字(socket)或數(shù)據(jù)庫中間表等方式，實現(xiàn)MES系統(tǒng)和AGV調(diào)度系統(tǒng)、工業(yè)攝像頭、在線檢測系統(tǒng)、設(shè)備控制單元和自動倉儲等多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括在線檢測、客戶端和系統(tǒng)集成3大部分。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.1 在線檢測

結(jié)合車間生產(chǎn)實際情況，需要在線檢測如下參數(shù)。

1)軸承壓緊力。針對產(chǎn)品裝調(diào)過程中關(guān)鍵工藝參數(shù)——軸承壓緊力存在無法直接測量的問題，系統(tǒng)引入間接檢測設(shè)備，對部件進行振動扭擺測試。通過測試阻尼的大小和振動扭擺次數(shù)，實現(xiàn)對裝配擠壓力大小的測量。將系統(tǒng)簡化為單自由度有阻尼扭振系統(tǒng)，預(yù)緊擠壓力視為阻尼，與軸承構(gòu)成一個耗能元件(阻尼器)；外在施加1組彈簧作為存儲勢能的元件，被測體作為存儲動能的元件，構(gòu)成一個振動系統(tǒng)。每次作用在振動扭擺系統(tǒng)上的激勵保證一致，根據(jù)牛頓第二運動定律、運動微分方程和測試傳感器，可以得到阻尼比、振動周期、振幅和振動次數(shù)等技術(shù)參數(shù)，檢測并記錄多臺合格產(chǎn)品的數(shù)據(jù)和不合格產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，通過分析這些數(shù)據(jù)，確定未來產(chǎn)品裝調(diào)過程中判定合格的范圍。

2)質(zhì)心位置。對某幾個關(guān)鍵組件進行質(zhì)心測試，并且根據(jù)組件形狀、質(zhì)量等特性，給出調(diào)整平衡的建議，控制其組件的不平衡量，以保證裝配到整機上的不平衡性，解決了以往依靠操作者經(jīng)驗控制、無準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的問題。可360°旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)心位置偏移量測試儀，將4個部件的質(zhì)心位置測試集成在1臺儀器上完成，有效地節(jié)省場地和空間。

3)不平衡力矩。對于有限角度旋轉(zhuǎn)部件不平衡力矩檢測，目前無成熟的儀器設(shè)備，以往產(chǎn)品生產(chǎn)完全依靠操作者經(jīng)驗來控制和最終產(chǎn)品性能指標(biāo)測試來驗證。部件完工時，不能確認(rèn)不平衡力矩指標(biāo)是否合格，如果最終產(chǎn)品性能指標(biāo)測試不合格，則造成返工，并帶來大量損失。不平衡力矩檢測儀的使用可在部件完工時準(zhǔn)確檢測出具體數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)實時確認(rèn)不平衡力矩指標(biāo)是否合格。

4)電裝接線正確性。電裝接線正確性以往由操作者人工檢測，點對點檢測時不僅工作量大，且易產(chǎn)生點連接錯誤，既費時、費力又可靠性低。采用接線檢查儀檢查，只需根據(jù)待檢測功能器件選擇儀器上相應(yīng)的功能區(qū)，撥動對應(yīng)的開關(guān)，觀察通斷指示燈顏色(綠色為正確，紅色為錯誤)即可，并且點對點間的阻值也能適時顯示。

5)裝配完整性和外觀一致性。在產(chǎn)品裝配過程中，對關(guān)鍵工序進行拍照和檢測，自動檢測產(chǎn)品裝配完整性和外觀一致性，并將照片與檢測結(jié)果實時儲存至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，便于以后的質(zhì)量追溯。在裝調(diào)過程中，若遇到涉及關(guān)鍵工藝參數(shù)的工步，系統(tǒng)會提示工人使用檢測設(shè)備完成檢測，并自動收集檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過比對合格范圍來判定是否合格。合格后，方可進入下一工步；否則，進入不合格審理。

3.2 客戶端

當(dāng)有新的生產(chǎn)任務(wù)時，車間員工按照圖3所示的流程使用客戶端的功能。

圖3 生產(chǎn)過程基本流程圖

客戶端包括系統(tǒng)管理、產(chǎn)品信息、計劃排產(chǎn)、現(xiàn)場作業(yè)、設(shè)備管理、異常管理、庫存信息、統(tǒng)計查詢和大屏展示等部分，具體分析如下。

1)系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理包含人員基本信息管理和系統(tǒng)內(nèi)角色和權(quán)限的管理。通過對角色設(shè)置權(quán)限，對人員設(shè)置角色，實現(xiàn)系統(tǒng)權(quán)限控制，用戶登錄系統(tǒng)后，網(wǎng)頁內(nèi)只顯示有權(quán)限訪問的菜單和操作按鈕。

2)產(chǎn)品信息。產(chǎn)品信息用于錄入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)明細(xì)和裝配工藝等信息。

3)計劃排產(chǎn)。計劃排產(chǎn)用于車間計劃管理員錄入生產(chǎn)計劃，并且可以通過系統(tǒng)安排生產(chǎn)任務(wù)。

4)現(xiàn)場作業(yè)?，F(xiàn)場作業(yè)用于管理工位基本信息、工位狀態(tài)展示以及工人在工位裝調(diào)的指導(dǎo)和控制。工位作業(yè)具體流程圖如圖4所示。

工人在工位收到料盒后需要掃描二維碼，由于每一個料盒有唯一的二維碼，系統(tǒng)會根據(jù)料盒的二維碼判斷該料盒對應(yīng)的產(chǎn)品品種，以及該料盒是否是當(dāng)前工位所需。若不是，系統(tǒng)會給出提示，并不會展示對應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)界面，以保證工人在面對多品種、小批量、不同品種工藝相似度高的混線生產(chǎn)模式時，可以正確地完成所需品種產(chǎn)品的裝調(diào)。

工人在裝調(diào)作業(yè)過程中，若遇到需要進行檢測的步驟，系統(tǒng)會給出提示，工人只有完成該步驟并且檢測合格后，方可進入下一步，否則進入不合格審理流程；若遇到拍照留存步驟，系統(tǒng)會確認(rèn)工人已完成拍照并且照片已留存后，方可進入后續(xù)步驟，以此保證裝調(diào)作業(yè)過程中具有有效的質(zhì)量管控，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

系統(tǒng)會記錄工人每一步驟開始和結(jié)束的時間以及相關(guān)的檢測結(jié)果，為質(zhì)量追溯提供依據(jù)，并為統(tǒng)計各個步驟所需時間的平均值、平衡生產(chǎn)線各個工序以及實現(xiàn)系統(tǒng)生產(chǎn)排程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，管理人員可以查詢不同工人在同一種作業(yè)的作業(yè)時長和檢測結(jié)果等信息，為合理安排人員工作崗位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

此外，工人在作業(yè)過程中，如遇到特殊原因需要暫停裝調(diào)作業(yè)離開工位，工人關(guān)閉網(wǎng)頁離開即可，系統(tǒng)會自動保存工人當(dāng)前的進度，以及工人離開和歸來的時間，管理人員可以查詢所有工人的暫停記錄。

5)設(shè)備管理。設(shè)備管理用于管理系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備信息和料盒信息。

6)異常管理。異常管理用于管理人員在自身的客戶端查看，并處理生產(chǎn)過程中拋出的異常；同時，系統(tǒng)也支持管理人員在拋出異常的工位客戶端處理異常。

7)庫存信息。庫存管理用于管理庫存的信息、零部件二維碼的生成、指導(dǎo)配送人員完成配送作業(yè)、查詢以往的配送記錄和物件追蹤。系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計劃列表顯示相應(yīng)的配送任務(wù)，配送人員勾選其中一個，系統(tǒng)根據(jù)錄入的工藝，展示所需配送的零部件和所需裝入的料盒。配送人員從倉庫中取出所有需要的零部件放入料盒內(nèi)對應(yīng)的擺放位置，完成一個配送任務(wù)后，系統(tǒng)會提示配送人員掃描所需料盒表面的二維碼以確認(rèn)配送完成，并提示配送人員將該料盒放到指定的料架上，系統(tǒng)會記錄此過程中配送人員所放入料盒的零部件以及使用的料盒信息，以便后續(xù)追溯零部件配送完整性和正確性提供依據(jù)。

8)統(tǒng)計查詢。統(tǒng)計查詢用于統(tǒng)計工人在各個工步和工序的作業(yè)時長，統(tǒng)計在線檢測結(jié)果的分布、合格率和返工次數(shù)等信息供管理人員查詢，為管理人員分析工人技能特點，為工藝人員優(yōu)化裝配流程和平衡各個工位作業(yè)內(nèi)容，為實現(xiàn)智能排產(chǎn)提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

9)大屏展示。車間內(nèi)設(shè)置大屏用于展示管理人員向所有人發(fā)出的消息公告，或者車間實時狀態(tài)。管理人員可以通過自身的客戶端控制大屏具體展示的界面。

3.3 系統(tǒng)集成

生產(chǎn)線引入了AGV用于物件流轉(zhuǎn)，系統(tǒng)與AGV調(diào)度系統(tǒng)集成，以便于系統(tǒng)判定需要AGV運送物件時，可以自動呼叫AGV調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度AGV完成相應(yīng)的工作，逐步取代人工呼叫的方式，減少因工人誤操作而導(dǎo)致AGV無效運行。系統(tǒng)與工業(yè)攝像系統(tǒng)集成可實現(xiàn)實時采集工業(yè)攝像系統(tǒng)拍攝的圖像數(shù)據(jù)，為質(zhì)量追溯提供有效依據(jù)。系統(tǒng)與設(shè)備控制單元集成通過控制單元控制設(shè)備的鎖定和解鎖，防止出現(xiàn)工人誤用現(xiàn)象。系統(tǒng)與自動倉儲系統(tǒng)的集成，使得工人作業(yè)過程中，系統(tǒng)根據(jù)事先錄入的工藝，實時采集庫存信息，并且管理人員可以在辦公室通過自身的客戶端了解庫存狀況。此外，系統(tǒng)實現(xiàn)自動排產(chǎn)時，庫存信息也是重要的依據(jù)之一。

4 結(jié)語

本文針對某光機電信息產(chǎn)品裝調(diào)車間生產(chǎn)過程以人工為主導(dǎo)、缺乏信息化管理、缺乏有效的質(zhì)量管控手段、生產(chǎn)效率低和產(chǎn)品質(zhì)量一致性差等問題，結(jié)合該車間產(chǎn)品品種多、批量小、不同種類產(chǎn)品零部件重疊且工藝相近，容易出現(xiàn)產(chǎn)品零部件配套錯誤、產(chǎn)品零部件漏裝或錯裝的實際情況，以及關(guān)鍵工藝參數(shù)缺乏有效管控的問題，研究、設(shè)計并實現(xiàn)了適應(yīng)于該車間的制造執(zhí)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)在車間內(nèi)進行了測試運行，錄入了3種產(chǎn)品的BOM表和裝配作業(yè)指導(dǎo)書，首批22臺某關(guān)重部件上線生產(chǎn)，并增加了3個可量化的質(zhì)量控制點，使得該批次產(chǎn)品的生產(chǎn)效率提高了50%，一次交驗合格率達(dá)到100%，相較于之前的92%有了大幅的提高。該系統(tǒng)在車間內(nèi)運行的結(jié)果表明，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量一致性得到了明顯地提升。

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