馬 芳 余和青 趙薪 劉文波 逄 磊 蔡燕君

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510663）

前言

家電作為我國最具國際競爭力的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，在當(dāng)今資源短缺、人力成本上升，產(chǎn)業(yè)格局加劇變化的背景下，我國家電行業(yè)發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為行業(yè)迎接挑戰(zhàn)和機(jī)遇的關(guān)鍵，近年來，國內(nèi)各大知名家電企業(yè)也積極的在生產(chǎn)自動化、數(shù)字化方面不斷地探索，以希望能夠快速滿足當(dāng)下大規(guī)模、個性化定制的市場需求，同時能夠提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營成本。

在家電整機(jī)生產(chǎn)線自動化升級方面主要采取工業(yè)機(jī)器人替代人工操作，由于家電工藝流程復(fù)雜，混線生產(chǎn)、產(chǎn)品規(guī)格多、更新快等特點，產(chǎn)線上的自動化改造進(jìn)展緩慢，往往只能在個別工藝簡單、勞動強(qiáng)度大的工位采用機(jī)器人替代，復(fù)雜的操作還是主要依靠人工進(jìn)行，生產(chǎn)線整體的自動化水平提升不明顯，機(jī)器人系統(tǒng)的柔性和適應(yīng)性也難以滿足生產(chǎn)的需要，機(jī)器人系統(tǒng)柔性是家電數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一；另一方面，根據(jù)調(diào)研得知，目前自動化程度很高的產(chǎn)線，大多是根據(jù)特定產(chǎn)品高度定制的，只能滿足一個系列的產(chǎn)品裝配需求，一旦產(chǎn)線上產(chǎn)品發(fā)生較大變化，現(xiàn)有生產(chǎn)線需要做出很大的改動和調(diào)整才能適應(yīng)新的生產(chǎn)要求，對企業(yè)來說，改造周期長，成本大，不僅影響生產(chǎn)進(jìn)度，也增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，引入三維數(shù)字化設(shè)計仿真可有效降低企業(yè)的改造成本，并縮短產(chǎn)線升級改造的周期，在家電數(shù)字化升級過程中也很關(guān)鍵；車間生產(chǎn)過程的透明化、信息化管理對提高生產(chǎn)效率、提高設(shè)備、資源利用率、降低能源消耗、避免原材料浪費等方面有著非常顯著的效果，是企業(yè)今年數(shù)字化轉(zhuǎn)型關(guān)注的一個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，當(dāng)前大多數(shù)的家電生產(chǎn)車間缺乏生產(chǎn)運行管控手段，生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在信息孤島嚴(yán)重，生產(chǎn)信息不能有效共享，企業(yè)精益生產(chǎn)進(jìn)度緩慢，制約了家電數(shù)字化轉(zhuǎn)型。如果加快家電生產(chǎn)過程的數(shù)字化進(jìn)程成為近年來整個行業(yè)關(guān)注的焦點問題，綜上，本文將從數(shù)字化仿真設(shè)計、機(jī)器人柔性裝配、車間信息化管控三方面來探討家電生產(chǎn)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1 家電生產(chǎn)線的數(shù)字化仿真技術(shù)

家電生產(chǎn)線的自動化改造大多數(shù)情況是在原有的產(chǎn)線基礎(chǔ)上引入機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行升級，企業(yè)經(jīng)常對機(jī)器人系統(tǒng)的適應(yīng)性、開發(fā)周期、柔性、性能等方面要求很高，傳統(tǒng)的工藝及生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計手段已經(jīng)不能滿足家電數(shù)字化的轉(zhuǎn)型需求，以三維虛擬環(huán)境取代傳統(tǒng)的二維開發(fā)環(huán)境進(jìn)行生產(chǎn)線布局規(guī)劃設(shè)計的生產(chǎn)線數(shù)字化仿真技術(shù)已成為行業(yè)主流趨勢，在家電自動化生產(chǎn)線設(shè)計過程中，通過建立設(shè)備、工裝、機(jī)器人、輸送線等生產(chǎn)資源的三維數(shù)字模型（如圖1所示），在虛擬場景下模擬家電整機(jī)及關(guān)鍵部件的裝配操作，包含裝配順序、裝配路徑以及人機(jī)操作模擬等過程，通過合理地進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備布局來盡量減少操作時間，滿足生產(chǎn)節(jié)拍及自動化的要求，結(jié)合實際工程進(jìn)行方案驗證，實現(xiàn)工時分析、車間三維工藝布局、資源規(guī)劃和評估，提高了生產(chǎn)計劃的準(zhǔn)確度，提高設(shè)計效率，降低設(shè)計成本。

圖1 生產(chǎn)線的三維布局建模

家電機(jī)器人生產(chǎn)線屬于一個復(fù)雜的混合柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，通常在設(shè)計開發(fā)階段為了提高生產(chǎn)線的柔性和適應(yīng)性，需要對生產(chǎn)線系統(tǒng)的生產(chǎn)方式(如圖2所示)和生產(chǎn)路徑的柔性（如圖3所示）進(jìn)行仿真，對生產(chǎn)過程中面臨的工件輸送路徑選擇及多種服務(wù)選擇[1]等共性問題進(jìn)行虛擬場景下的仿真驗證，實現(xiàn)生產(chǎn)線或機(jī)器人系統(tǒng)的布局優(yōu)化，提升開發(fā)效率及系統(tǒng)的柔性及穩(wěn)定性，使得系統(tǒng)在滿足實際生產(chǎn)需求的情況下，更具可靠性。

圖2 生產(chǎn)方式柔性仿真方法

圖3 生產(chǎn)線路徑柔性仿真

2 家電機(jī)器人柔性裝配技術(shù)

采用機(jī)器人對家電生產(chǎn)線進(jìn)行自動化改造是當(dāng)前家電數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要途徑，國內(nèi)外基于機(jī)器人的柔性裝配生產(chǎn)線已經(jīng)較為普遍成熟，由于行業(yè)特點差異、應(yīng)用場景的不同，當(dāng)前家電裝配過程中的機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)水平非常有限，導(dǎo)致生產(chǎn)線整體生產(chǎn)效率無法得到有效提高。在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人應(yīng)用面臨的關(guān)鍵難點主要集中在裝配精度、工裝夾具適應(yīng)性、系統(tǒng)柔性等關(guān)鍵問題，為了解決機(jī)器人系統(tǒng)的柔性及可靠性問題，更好的推動家電生產(chǎn)線的自動化程度，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人特點，對應(yīng)用場景進(jìn)行分類，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計思路開發(fā)出不同應(yīng)用場景下的機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)，在復(fù)雜場景開發(fā)機(jī)器人智能視覺系統(tǒng)技術(shù)，可有效提高家電裝配線的自動化率及整體生產(chǎn)效率，滿足多品種多規(guī)格家電產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)和柔性裝配。

2.1 機(jī)器人視覺智能柔性識別系統(tǒng)

針對裝配難度大、精度要求高的應(yīng)用場景，基于視覺引導(dǎo)技術(shù)的智能型自主識別、高精度機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)，實現(xiàn)了機(jī)器人在空調(diào)壓縮機(jī)裝配、安規(guī)檢測、充冷媒、抽真空等角閥拆卸、標(biāo)簽檢測、產(chǎn)品外觀檢測等場景中的柔性應(yīng)用，解決機(jī)器人在特定場景柔性應(yīng)用的定位精度問題，提高了整機(jī)裝配的自動化率，提升整體生產(chǎn)效率。典型案列如圖4和圖5所示。

圖4 智能視覺定位系統(tǒng)

圖5 智能視覺檢測系統(tǒng)

2.2 復(fù)合多功能機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)

在采用機(jī)器人裝配過程中，不僅要考慮機(jī)器人系統(tǒng)滿足多種不同規(guī)格產(chǎn)品的裝配需求，更多時候，為了降低設(shè)備投入成本，利用一臺機(jī)器人同時在多個工藝場景下完成作業(yè)要求，可有效降低企業(yè)的改造成本，具備多種復(fù)合功能的機(jī)器人工裝夾具可提高機(jī)器人系統(tǒng)的適應(yīng)性及柔性，同時設(shè)計開發(fā)滿足不同裝配需求的機(jī)器人控制系統(tǒng)，根據(jù)實際情況快速切換及調(diào)用，在空調(diào)外機(jī)裝配壓縮機(jī)、冷凝器、開箱、套紙箱、冷凝器檢測等裝配中具有兩種以上裝配功能的機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)已較成熟，大大提高生產(chǎn)效率，圖6和圖7為實際典型案例。

圖6 壓縮機(jī)復(fù)合裝配機(jī)器人系統(tǒng)

圖7 開箱套箱復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)

2.3 單性能機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)

家電生產(chǎn)裝配過程中一些工藝簡單、且勞動強(qiáng)度較大的應(yīng)用場景，高效的單性能機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)能夠在滿足生產(chǎn)需求的情況下可大大縮短生產(chǎn)節(jié)拍，如壓縮機(jī)安裝、成品下線碼垛、底盤上線裝配等機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)。典型案列如圖8所示。

圖8 碼垛機(jī)器人系統(tǒng)

2.4 多工位機(jī)器人協(xié)同柔性系統(tǒng)

在任務(wù)復(fù)雜時，單機(jī)器人無法勝任，就需要多機(jī)器人協(xié)作來完成工作，因此多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃一直是關(guān)注和研究的重點。家電生產(chǎn)過程中，也常面臨復(fù)雜的裝配任務(wù)，通過對多機(jī)器人任務(wù)調(diào)度策略，協(xié)同控制，通信方式、任務(wù)分配、路徑規(guī)劃等展開深入研究，針對家電生產(chǎn)中一些任務(wù)復(fù)雜的場景，通過機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)，約束管控機(jī)器人的位置和運動軌跡，加強(qiáng)機(jī)器人之間的聯(lián)合式協(xié)作，大大提升裝配生產(chǎn)效率。典型案例如圖9和圖10所示。

圖9 螺母自動鎖付系統(tǒng)

圖10 冷凝器切割

3 家電數(shù)字化車間生產(chǎn)運行管理技術(shù)

隨著家電行業(yè)訂單式模式興起，車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的信息化、透明化問題日益突出，生產(chǎn)數(shù)據(jù)不透明導(dǎo)致的潛在浪費嚴(yán)重，生產(chǎn)成本居高不下，設(shè)備管理、質(zhì)量管控不到位等情況突出，無法對設(shè)備、人員的生產(chǎn)效率進(jìn)行有效評估，管理精細(xì)度低，導(dǎo)致企業(yè)內(nèi)部的整體生產(chǎn)能力及響應(yīng)速度滿足不了訂單交期，車間的數(shù)字化管理水平?jīng)Q定了企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的成效。

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家電數(shù)字化車間生產(chǎn)管理技術(shù)正在興起，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)，從生產(chǎn)端切入，開發(fā)滿足家電行業(yè)智能生產(chǎn)管理需求的數(shù)字化車間Smart MES系統(tǒng)（界面如圖11所示，數(shù)據(jù)可視化界面如圖12所示），基于互聯(lián)網(wǎng)平臺標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，采集現(xiàn)場移動終端、傳感器、PLC、機(jī)器人與工業(yè)電腦關(guān)鍵有效數(shù)據(jù)，采用平臺內(nèi)置數(shù)據(jù)庫開展數(shù)據(jù)交互技術(shù)，將涉及生產(chǎn)過程的相關(guān)人、機(jī)、物數(shù)據(jù)打通，實現(xiàn)企業(yè)制造運營與家電自動化產(chǎn)線（裝配設(shè)備、檢測設(shè)備、物流設(shè)備等）的數(shù)據(jù)閉環(huán)，利用平臺PaaS層提供的人崗匹配模型，實現(xiàn)智能派工，精確管理，KPI 信息實時收集，包工每日結(jié)報，新進(jìn)員工崗位適用性評估，調(diào)用PaaS 層微服務(wù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)字化、可視化管理；基于互聯(lián)網(wǎng)平臺第三方業(yè)務(wù)系統(tǒng)無縫集成功能，實現(xiàn)PLM、ERP、MOM等的數(shù)據(jù)高效協(xié)同與集成，可形成高度柔性化、數(shù)字化、精益化的家電數(shù)字化車間信息管理解決方案。

圖11 Smart MES系統(tǒng)界面

圖12 數(shù)據(jù)可視化界面

4 總結(jié)

開展家電生產(chǎn)數(shù)字化車間關(guān)鍵技術(shù)研究加快了家電制造業(yè)的自動化改造進(jìn)程，促進(jìn)家電行業(yè)從勞動密集型向現(xiàn)代技術(shù)型轉(zhuǎn)變，并突破勞動力、原材料成本對家電行業(yè)的制約因素，提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，根本上提升家電企業(yè)的核心競爭力，促進(jìn)我省智能裝備產(chǎn)品的自主創(chuàng)新能力，加快傳統(tǒng)家電產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提高家電產(chǎn)品及家電行業(yè)制造裝備在國內(nèi)和國際市場的競爭力和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。