李 洋，周三三，楊許亮，郭延發(fā)，趙蒼碧

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039）

引 言

生產(chǎn)線是產(chǎn)品生產(chǎn)過程所經(jīng)過的路線，是按對象原則組織起來完成產(chǎn)品工藝過程的一種生產(chǎn)組織形式。按照先進(jìn)程度，生產(chǎn)線的發(fā)展主要經(jīng)歷了手工生產(chǎn)線、機(jī)械化生產(chǎn)線、自動化生產(chǎn)線和智能生產(chǎn)線階段。進(jìn)入21世紀(jì)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(jìn)生產(chǎn)過程智能化，培育新型生產(chǎn)方式[1]。智能生產(chǎn)線是智能制造的核心環(huán)節(jié)，而離散型制造電裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)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(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新、集約高效的智能生產(chǎn)線。

1 智能電裝生產(chǎn)線建設(shè)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(shù)手段，把構(gòu)成電子產(chǎn)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(jié)構(gòu)件等在結(jié)構(gòu)和電氣上連接為一個具有特定功能和技術(shù)性能產(chǎn)品的技術(shù)，所涉及的生產(chǎn)對象包括整機(jī)/系統(tǒng)電子設(shè)備、模塊/部件級電子設(shè)備以及支撐電子設(shè)備的集成電路、電纜、光纜等基礎(chǔ)材料[2]。

1.1 離散型電裝生產(chǎn)線現(xiàn)狀及問題

1.1.1 生產(chǎn)對象品種多樣化、生產(chǎn)批量小、生產(chǎn)周期短

生產(chǎn)對象的品種有上千種，結(jié)構(gòu)形式各異，生產(chǎn)批量差異大，存在大批量制件、小批量制件、單件制件生產(chǎn)共存的情況。若全部采用自動化生產(chǎn)設(shè)備，則自動線將十分龐大復(fù)雜。受制于產(chǎn)品多樣性，整條生產(chǎn)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(chǎn)模式，這對提升效率、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本非常重要。

1.1.2 生產(chǎn)方式以傳統(tǒng)手工焊接和裝配操作為主

目前的生產(chǎn)自動化水平低，生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量對工人技能的依賴較大，生產(chǎn)效率較低，勞動強(qiáng)度大，產(chǎn)品質(zhì)量波動性較大，一致性較弱。隨著自動化設(shè)備的普及，智能化轉(zhuǎn)型追求的是機(jī)器與人相結(jié)合的柔性生產(chǎn)，本質(zhì)是實現(xiàn)“機(jī)器幫人”。

1.1.3 數(shù)據(jù)采集展示以紙質(zhì)為主，無法精準(zhǔn)高效決策

電裝生產(chǎn)線無法實時采集生產(chǎn)過程中的產(chǎn)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(chǎn)線“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的最新狀況，管理者無法精準(zhǔn)地進(jìn)行工作分配、交貨周期安排、質(zhì)量問題處理等決策。因此，需要實時采集生產(chǎn)過程中的各項數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時可視化展示及保存，保證電子設(shè)備生產(chǎn)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(chǎn)線建設(shè)思路

針對離散型制造電裝的生產(chǎn)制造特點與需求，統(tǒng)籌規(guī)劃，聚焦痛點，以效益驅(qū)動，結(jié)合智能制造系統(tǒng)的典型特征，扎實推進(jìn)硬件和軟件并行建設(shè)，根據(jù)不同產(chǎn)品的裝配形式及數(shù)量，分析工藝流程，建立全自動生產(chǎn)、人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)、單工位智能裝配三類生產(chǎn)模式，將制造信息轉(zhuǎn)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(shù)解決制造系統(tǒng)中各種復(fù)雜的優(yōu)化決策問題等，實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)互通、高度集成，產(chǎn)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(zhǔn)執(zhí)行，從而建立以“人機(jī)協(xié)作、數(shù)字賦能、智慧管理”為特征的電裝智能生產(chǎn)線。離散型智能電裝生產(chǎn)線建設(shè)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(chǎn)線建設(shè)思路框圖

2 智能電裝生產(chǎn)線建設(shè)方法及實踐

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

表1 智能生產(chǎn)線資源匹配原則

2.1 自動生產(chǎn)線

2.1.1 設(shè)計思路

智能自動生產(chǎn)線以設(shè)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(chǎn)模式，工藝自適應(yīng)、自調(diào)整，具備新產(chǎn)品導(dǎo)入、切換能力，基于信息感知、數(shù)據(jù)分析和知識學(xué)習(xí)技術(shù)，形成質(zhì)量實時監(jiān)控、故障預(yù)測等能力。

2.1.2 建設(shè)方法及實踐

（1）確定生產(chǎn)對象

自動生產(chǎn)線首先要通過梳理數(shù)量需求、分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來確定生產(chǎn)對象，基本要求為生產(chǎn)綱領(lǐng)穩(wěn)定，年產(chǎn)量大，批量大，零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度比較高[3]。雷達(dá)天線單元組合生產(chǎn)數(shù)量龐大，種類多，但其結(jié)構(gòu)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(gòu)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(chǎn)線的設(shè)計原則為“人工操作舒適化、工藝步驟最小化、設(shè)計過程最簡化、設(shè)計成本最小化”，根據(jù)產(chǎn)品的訂單數(shù)及計劃安排，確定自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍，梳理生產(chǎn)的操作工藝流程，將其中重復(fù)的動作識別出來，提取其動作數(shù)據(jù)，用自動化設(shè)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(jìn)行合理排序組合，從而形成自動生產(chǎn)線，如圖2所示。

圖2 天線單元組合自動生產(chǎn)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(shè)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(shè)備參數(shù)設(shè)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(qiáng)度，保證產(chǎn)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(chǎn)，產(chǎn)品可以快速換線進(jìn)行生產(chǎn)。

（3）自動生產(chǎn)線智能化升級

自動生產(chǎn)線智能化升級包括生產(chǎn)過程信息實時感知與處理、工藝自適應(yīng)及關(guān)鍵參數(shù)自動調(diào)整、質(zhì)量問題自動診斷與決策、設(shè)備健康檢測等，將數(shù)字化設(shè)備由以前的單機(jī)工作模式升級為數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的管理模式。

產(chǎn)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(guān)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(jié)合的智能生產(chǎn)線。膠接質(zhì)量是影響裝配質(zhì)量和產(chǎn)品性能的關(guān)鍵參數(shù)，通過實時采集產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的膠接質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，對膠接質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，形成膠接質(zhì)量波動報警，并通過智能判斷系統(tǒng)對引起膠接質(zhì)量波動的原因進(jìn)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(zhì)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(chǎn)線的生產(chǎn)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(qiáng)度。自動生產(chǎn)線可生產(chǎn)同類型多品種的產(chǎn)品，柔性強(qiáng)，不到1 h即可換線生產(chǎn)另一品種產(chǎn)品。自動生產(chǎn)線配備智能判斷系統(tǒng)和智能決策系統(tǒng)，可減少停機(jī)排查、解決問題的時間，使自動生產(chǎn)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(jī)協(xié)作生產(chǎn)線

2.2.1 設(shè)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(fù)裝配穿插的生產(chǎn)對象，通過工藝流程梳理優(yōu)化、人機(jī)協(xié)作工位設(shè)計、生產(chǎn)線布局等方式，建設(shè)人與機(jī)器相結(jié)合的柔性生產(chǎn)線，達(dá)到各工位作業(yè)負(fù)荷分配合理、柔性及靈活性好、生產(chǎn)過程可視可控的效果。

2.2.2 建設(shè)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(jìn)、作業(yè)流程的優(yōu)化等，反復(fù)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(chǎn)效率。

以某平面電源裝配為例，原生產(chǎn)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(qiáng)度大，產(chǎn)品一致性較差，需要進(jìn)行合理的工位配置、人員配置和設(shè)備配置。根據(jù)工業(yè)工程方法進(jìn)行優(yōu)化后的工藝流程如圖4所示。人機(jī)協(xié)作工位操作可由一般操作工人承擔(dān)，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(jī)協(xié)作工位設(shè)計

裝配緊固人機(jī)協(xié)作工位主要包括螺接協(xié)作機(jī)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(jī)殼內(nèi)，機(jī)器人利用圖像識別技術(shù)自動識別出部件的裝配位置，根據(jù)工藝設(shè)定將不同規(guī)格螺釘送料到機(jī)器人鎖緊機(jī)構(gòu)，根據(jù)視覺識別檢測系統(tǒng)在線修正目標(biāo)位置，再利用伺服控制系統(tǒng)精準(zhǔn)可靠地裝配各螺釘[2]；然后通過精密成像機(jī)構(gòu)和視覺識別檢測系統(tǒng)自動獲取產(chǎn)品的高質(zhì)量圖像，再通過圖像定位與分割，提取出檢測區(qū)域，進(jìn)行目標(biāo)檢測識別，自動檢測裝配質(zhì)量。若出現(xiàn)不合格情況，系統(tǒng)將標(biāo)記出故障點并根據(jù)智能判斷系統(tǒng)（同自動生產(chǎn)線）對問題原因進(jìn)行判斷，再通過智能決策系統(tǒng)進(jìn)行決策，修改相應(yīng)的工藝參數(shù)，如圖5所示。裝配緊固人機(jī)協(xié)作工位設(shè)計方法可應(yīng)用在其他人機(jī)協(xié)作工位中。

圖5 裝配緊固人機(jī)協(xié)作工位操作流程示意圖

（3）生產(chǎn)布局設(shè)計

生產(chǎn)布局設(shè)計是科學(xué)合理地確認(rèn)人員、設(shè)備、物料之間的相對位置關(guān)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(chǎn)線仿真和優(yōu)化工具eM-Plant等，在虛擬環(huán)境中對生產(chǎn)布局進(jìn)行設(shè)計規(guī)劃，建立參數(shù)化的生產(chǎn)線模型進(jìn)行運行仿真，分析仿真結(jié)果以判斷瓶頸，并重新配置相關(guān)參數(shù)直到得到最優(yōu)的生產(chǎn)布局[4]。如圖6所示，某平面電源裝配人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)線的生產(chǎn)布局通過仿真和優(yōu)化建設(shè)成U型線，保證人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)線整體的安全性與合理性。

圖6 某平面電源裝配人機(jī)協(xié)作U型生產(chǎn)線示意圖

2.2.3 成效分析

人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)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(jī)器人運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、自動故障報警、設(shè)備運行狀態(tài)及產(chǎn)品進(jìn)度通過生產(chǎn)線看板實時展示，提高了生產(chǎn)透明度。通過人與機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)，總體產(chǎn)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(shè)計思路

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量較少的電子設(shè)備采用細(xì)胞單元的模式組織生產(chǎn)，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(chǎn)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(shè)方法及實踐

（1）數(shù)字化工藝指導(dǎo)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(dá)。工藝設(shè)計人員在基于三維產(chǎn)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(guān)鍵參數(shù)設(shè)置、操作人員分配、制造資源關(guān)聯(lián)、三維工藝標(biāo)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(dá)，從而便于裝配工人理解裝配工藝，減少了裝配過程的反復(fù)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(qū)動工具執(zhí)行工藝指令，并將執(zhí)行結(jié)果與工藝要求進(jìn)行實時比對，對錯誤操作及時預(yù)警，從而減少了操作者人為設(shè)置的工具參數(shù)不正確對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

（2）采取防呆、防錯措施，減少失誤

通過優(yōu)化設(shè)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(chǎn)品質(zhì)量，減少檢查導(dǎo)致的浪費，消除返工及其產(chǎn)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(dǎo)操作，極大地降低了操作人員識圖的難度，減少了裝配反復(fù)，將生產(chǎn)準(zhǔn)備成本降低了15%；通過采取防呆、防錯措施減少了返工，將產(chǎn)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(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)100%的采集和記錄。

2.4 信息化建設(shè)

利用條碼技術(shù)對生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)要素（如人員、工具、物料等）進(jìn)行數(shù)字化定義[5]?；赟CADA實時精確地采集、提供生產(chǎn)過程所產(chǎn)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(wù)器，通過實時數(shù)據(jù)分析和利用，實現(xiàn)對人員狀態(tài)、產(chǎn)品狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)、設(shè)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(wù)的拉動式齊套方法，利用自動導(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)線的生產(chǎn)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(chǎn)過程相關(guān)的各種實況信息，為生產(chǎn)過程異常發(fā)現(xiàn)、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化等提供決策支持。

3 結(jié)束語

本文通過硬件和軟件并行建設(shè)，建立了全自動生產(chǎn)、人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)和單工位智能裝配3類生產(chǎn)模式，提供了智能產(chǎn)線建設(shè)的思路。在開展智能生產(chǎn)線建設(shè)和應(yīng)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(chǔ)，信息系統(tǒng)是手段，信息安全是根本[7]。“數(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(dá)到生產(chǎn)和管控最優(yōu)的一種運行新模式[8]，今后車間建設(shè)應(yīng)量體裁衣，充分利用“數(shù)字孿生”的工具，分階段推進(jìn)。