張 濤

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

0 引言

隨著航空電子設備產(chǎn)品多品種、中小批量生產(chǎn)任務日益增長的需求，在保障產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本，構成規(guī)模經(jīng)濟效益的生產(chǎn)方式，是新形勢下對工業(yè)部門提出的客觀要求[1]。數(shù)字化轉(zhuǎn)型大環(huán)境下，各大工業(yè)部門在數(shù)字化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型方面持續(xù)發(fā)力，目前在數(shù)字化加工制造、數(shù)字化裝配方面已有相對成熟的整體解決方案，但在數(shù)字化調(diào)測方面研究相對薄弱。本文對標航空電子設備所具有的技術先進、結構復雜、單體設備多、測試項目雜等特點[2]，結合企業(yè)多年數(shù)字化柔性調(diào)測產(chǎn)線建設經(jīng)驗，分享如何構建一套通用、靈活、可升級的測試系統(tǒng)[3]；同時，提供了方案論證之初的建設思想，為后續(xù)有相關產(chǎn)線建設需求的生產(chǎn)企業(yè)提供建設思路和先進理念。

1 航空電子設備調(diào)測必要性

電子裝備信號多且復雜，涵蓋了低頻和高頻信號、連續(xù)和離散信號，同時還包括一些非電信號[4]。為便于功能劃分、組織生產(chǎn)，從實物上將電子裝備分為板級、模塊級、分機級和整機級四種類型。電子設備設計、制造的過程也是裝備性能形成的過程，因器件性能參數(shù)離散以及裝配誤差帶來的產(chǎn)品性能偏移，無法做到加工、裝配完成后即可保證裝備各項功能/性能、技術指標正常，滿足使用要求。因此針對航空電子設備，其生產(chǎn)過程一定包含功能/性能、技術指標符合性調(diào)測環(huán)節(jié)。

2 航空電子設備調(diào)測存在的問題

調(diào)測是航空電子設備研制生產(chǎn)過程中極為重要的環(huán)節(jié)，屬于電子裝備研制生產(chǎn)的共性需求。當前行業(yè)中電子裝備調(diào)測主要還是手工調(diào)測為主，所以還存在諸多問題，如：調(diào)測效率低，操作者根據(jù)文檔化的工藝文件要求進行測試，測試效率不高，工序繁瑣，過程中需要大量手工操作和測試，測試時間較長[5]；手動設置各個儀器參數(shù)，容易輸錯，造成質(zhì)量事故；產(chǎn)品測試過程中操作者精力需要一直集中，長期工作，工人勞動強度大。

3 已有自動測試系統(tǒng)存在的問題

3.1 研制工作量大，使用維護性差

由于自動測試系統(tǒng)由專門人員開發(fā)，系統(tǒng)研制工作量大、成本高，適應性不強[6]，在使用過程中出現(xiàn)的問題，只能由專門人員現(xiàn)場解決，可維護性差，耽誤產(chǎn)品調(diào)測生產(chǎn)周期。

3.2 可移植應用性差

各個系統(tǒng)獨立設計完成，沒有統(tǒng)一標準的規(guī)范，導致測試系統(tǒng)型號繁多，互不通用[7]。新開發(fā)的自動測試系統(tǒng)無法做到儀器自動適配，造成資源浪費，增加企業(yè)運營成本。

3.3 研發(fā)進度難以與產(chǎn)品生產(chǎn)周期同步

自動測試系統(tǒng)是在產(chǎn)品的功能、性能確定，以及產(chǎn)品物理形態(tài)完整后開發(fā)，待產(chǎn)品需要調(diào)測生產(chǎn)時，自動測試系統(tǒng)的開發(fā)往往還未完成，并且需要在生產(chǎn)的產(chǎn)品上進行驗證，與調(diào)測生產(chǎn)計劃不匹配。

4 數(shù)字化柔性調(diào)測產(chǎn)線設計思路

通過現(xiàn)代信息技術、機器人技術、大數(shù)據(jù)技術、數(shù)據(jù)采集技術、智能傳感技術等，針對現(xiàn)有生產(chǎn)測試全過程進行資源的“統(tǒng)籌、貫通、融合”，以提高裝備生產(chǎn)調(diào)測能力，并實現(xiàn)產(chǎn)線產(chǎn)能的彈性增長。通過測試自動化、工裝智能化提升作業(yè)層工作效率；通過測試儀器網(wǎng)絡化、資源柔性化提升測試資源的使用效率；利用現(xiàn)有設備構建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)各分散點測試數(shù)據(jù)的自動采集[8]，以及數(shù)字化生產(chǎn)管理、工藝設計、質(zhì)量管理。

5 柔性數(shù)字化調(diào)測產(chǎn)線設計原則

柔性數(shù)字化調(diào)測產(chǎn)線設計原則如下：

1）易用性，操作流程簡單，界面風格簡潔友好。

2）通用性，所設計的機構可以為日后功能的拓展提供基礎，或者通過替換某一模塊實現(xiàn)新的功能[9]。

3）實時性，實時下發(fā)各產(chǎn)線的生產(chǎn)任務，實時獲取各產(chǎn)線的工作信息和環(huán)境信息，并提高異常狀態(tài)告警的及時性。

4）高效性，提升工位的作業(yè)效率，提高工位的管理能力。

5）穩(wěn)定性，各產(chǎn)線和管理系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。

6）兼容性，柔性調(diào)測產(chǎn)線應兼容多種產(chǎn)品上線需求。

7）可擴展性，預留較多的硬件控制接口，后期需擴展新增型號時，通過增設相應信號適配和開發(fā)測試程序即可實現(xiàn)；當硬件控制接口資源無法滿足新增型號需求時，也可通過擴展相應的控制卡來滿足設計要求。

6 數(shù)字化柔性調(diào)測產(chǎn)線工作原理設計

柔性數(shù)字化調(diào)測產(chǎn)線工作原理如圖1 所示。

圖1 數(shù)字化柔性調(diào)測產(chǎn)線工作原理圖

數(shù)據(jù)機房為整個系統(tǒng)的運行提供相應的平臺部署基礎設施，技術中臺、業(yè)務中臺、數(shù)據(jù)中臺、管理門戶及下屬應用、通用數(shù)據(jù)采集控制平臺和產(chǎn)線智能物流系統(tǒng)部署在數(shù)據(jù)機房中。

管理人員在管控工位通用Web 統(tǒng)一入口訪問管理門戶下的應用。

業(yè)務中臺根據(jù)產(chǎn)線實際運行場景及管理需要，對業(yè)務處理進行定制化開發(fā)，對于各種場景的處理在業(yè)務中臺中完成。

工藝人員在工藝管理應用中配置編輯各圖號產(chǎn)品的生產(chǎn)路線、測試工序、測試項、測試文件等，并將編輯好的工藝數(shù)據(jù)版本發(fā)布在數(shù)據(jù)中臺上，對外發(fā)布工藝數(shù)據(jù)版本接口。

業(yè)務中臺中的產(chǎn)線生產(chǎn)運營模塊，從數(shù)據(jù)中臺獲取工藝版本數(shù)據(jù)，根據(jù)工藝數(shù)據(jù)及產(chǎn)線配置數(shù)據(jù)對產(chǎn)線生產(chǎn)進行調(diào)度，管理人員通過數(shù)字化產(chǎn)線管控應用對產(chǎn)線生產(chǎn)運營情況進行訪問和控制。

產(chǎn)線智能物流系統(tǒng)對AGV 及AGV 物流路線進行管理，并控制AGV 進行物流運輸，業(yè)務中臺中的物流調(diào)度模塊根據(jù)產(chǎn)線實際運行場景向產(chǎn)線智能物流系統(tǒng)發(fā)送運輸命令來進行AGV 運輸。

根據(jù)物流機構實際分布情況部署物流數(shù)據(jù)采集控制終端，對測試工作站的物流機構進行控制和數(shù)據(jù)采集。

產(chǎn)線生產(chǎn)現(xiàn)場的工位管控終端上部署有工位管控應用，現(xiàn)場測試人員登錄該應用接收測試任務并進行測試，測試完成后將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)上報業(yè)務中心。

工位管控終端連接工位數(shù)據(jù)采集控制終端，進行工位數(shù)據(jù)采集設備的控制和數(shù)據(jù)采集。

工位數(shù)據(jù)采集控制終端采集上來的數(shù)據(jù)在發(fā)給工位管控應用的同時，也會自動發(fā)往通用數(shù)據(jù)采集控制平臺，并根據(jù)平臺配置的數(shù)據(jù)處理機制進行轉(zhuǎn)發(fā)或抽樣存儲。

數(shù)據(jù)中臺根據(jù)數(shù)據(jù)治理規(guī)則對各產(chǎn)線的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)、采集的環(huán)境數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)等進行匯聚，通過數(shù)據(jù)中臺提供的數(shù)據(jù)加工和數(shù)據(jù)發(fā)布功能，以無代碼或少代碼的方式生成各產(chǎn)品測試報告所需數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析所需數(shù)據(jù)。

7 數(shù)字化柔性調(diào)測產(chǎn)線硬件構成

7.1 產(chǎn)線整體設計

生產(chǎn)線由多個測試工位、一個線邊庫和一組循環(huán)傳送帶組成，每個工位均配置一個抓料機構。工位采取流水線的方式進行擺放，方便后期擴充工位。生產(chǎn)線整體布置圖如圖2 所示。

圖2 生產(chǎn)線整體布置圖

7.2 測試工位設計

每個測試工位主要由全自動裝夾適配臺、模塊適配器、射頻開關網(wǎng)絡、測試主控設備、自動測試平臺軟件、測試程序集（TPS）、工位數(shù)字看板、工位數(shù)據(jù)采集設備和通用測試儀器等組成。

測試工位采用面向信號的思想進行設計，根據(jù)測試指標種類及所需測試儀器類型來規(guī)劃測試工位。每個測試工位分別用于測試產(chǎn)品不同類型的待測項。通過適配器，每個工位一次可支持多塊同類型產(chǎn)品的測試。產(chǎn)線具備擴展功能，通過簡單的工裝適配即可兼容新型號的產(chǎn)品，也可通過增加儀器或更換射頻開關網(wǎng)絡等手段支持其他類型的產(chǎn)品。當現(xiàn)有的測試工位類型無法滿足測試需求時，也可額外增加新類型工位用于新增指標的測試。

各測試工位由全自動裝夾適配臺完成被測產(chǎn)品的全自動裝夾及信號互聯(lián)適配。測試主控設備控制被測產(chǎn)品進入被測工作狀態(tài)，并控制通用測試儀器完成對被測產(chǎn)品的功能、性能指標測試。智能測試工作站原理如圖3 所示。

圖3 智能測試工作站原理框圖

7.3 適配器設計

適配器可根據(jù)不同類型產(chǎn)品進行定制。為了方便全自動裝夾適配臺進行自動裝夾，不同適配器對外接口與尺寸保持一致，內(nèi)部可根據(jù)具體產(chǎn)品進行接口適配，同時支持插入多個同類型產(chǎn)品。適配器設計架構圖如圖4 所示。

圖4 適配器設計架構圖

7.4 射頻開關網(wǎng)絡設計

射頻開關網(wǎng)絡用于被測模塊與測試儀器之間射頻鏈路的自動切換。其由多路單刀雙擲、單刀四擲、單刀六擲開關等自由組合而成，滿足多路射頻信號與測試儀器之間的通信，同時可以進行通道間程控切換。射頻開關網(wǎng)絡滿足射頻信號傳輸所需要的低損耗、高隔離度等特征。

7.5 全自動裝夾適配臺設計

全自動裝夾適配臺主要由基座、外罩、自動對插機構、自動定位夾緊機構、抓料機構等組成，可支持模塊適配器的自動裝夾，外部配備工程小車自動上料車、傳料機構、下料機構、自動物料儲存架等，配合全自動裝夾適配臺完成模塊的物流運輸、測試工位轉(zhuǎn)運及測試完成后模塊的分類暫存。

7.6 循環(huán)傳送帶設計

循環(huán)傳送帶由上層輸送線、下層輸送線、升降輸送線、適配器托盤、阻擋、二維碼掃碼器等組成，如圖5所示。

圖5 循環(huán)傳送帶布置圖

循環(huán)傳送帶上下兩層輸送線流向相反，輸送線首端和尾端各布置一套升降輸送線，從而實現(xiàn)產(chǎn)品在輸送線上循環(huán)流動。

托盤用于放置模塊適配器，托盤隨輸送線流轉(zhuǎn)。當托盤載著產(chǎn)品流轉(zhuǎn)到全自動裝夾適配臺取料位置時，阻擋氣缸伸出，將托盤阻擋在抓料位置。

二維碼掃碼器用于掃描物料信息。掃碼器安裝于循環(huán)傳送帶型材框架上，在進行裝夾適配臺抓取和線邊庫上下料等操作之前都需要進行掃碼操作。

循環(huán)傳送帶垂直于線邊庫布置，循環(huán)傳送帶首端靠近線邊庫，線邊庫取放料機構可直接從循環(huán)傳送帶上取放料，從而實現(xiàn)測試產(chǎn)品的自動上料和下料。全自動裝夾適配臺平行于循環(huán)傳送帶布置，適配臺抓料機構可從循環(huán)傳送帶上抓取料。

通過循環(huán)傳送帶，測試產(chǎn)品可自動流轉(zhuǎn)至相應的測試站位進行相關性能測試。

7.7 線邊庫架構

線邊庫由貨架、取放料機構（堆垛機）、控制系統(tǒng)等構成，如圖6 所示。

圖6 線邊庫組成布局圖

貨架放置臺面設置有定位銷釘，可準確定位模塊適配器。貨架每組存放位下方安裝有2 組傳感器，可用于檢測存放位是否有產(chǎn)品。

線邊庫貨架如圖7 所示。

圖7 線邊庫貨架

取放料機構用于實現(xiàn)模塊適配器的自動取放。取放料機構由底座、立柱、水平行走機構、豎直提升機構、伸縮貨叉等部分構成，如圖8 所示。

圖8 線邊庫取放料機構

貨叉可雙向伸縮，最大伸縮距離為550 mm，負載能力為40 kg。貨叉上安裝有二維碼掃碼器，可自動掃描模塊適配器上的二維碼。伸縮貨叉配合行走機構和提升機構，實現(xiàn)自動取放料功能。

7.8 產(chǎn)線實物照片

產(chǎn)線建設實物圖如圖9 所示。

圖9 產(chǎn)線建設實物圖

8 數(shù)字化柔性調(diào)測產(chǎn)線軟件構成

8.1 自動測試平臺軟件

平臺軟件按照數(shù)據(jù)庫驅(qū)動、執(zhí)行引擎、功能插件、測試用例和運行界面的方式進行分層級設計，各部分采用松耦合的方式進行有序組合，可以方便進行功能擴展和完善。圖10 所示為平臺軟件的基本架構框圖。

圖10 平臺軟件基本架構框圖

1）數(shù)據(jù)庫。平臺軟件使用本地的SQLite3 關系數(shù)據(jù)庫。SQLite 數(shù)據(jù)庫是最典型的嵌入式輕量級數(shù)據(jù)庫，具有文件數(shù)據(jù)庫特性和內(nèi)存數(shù)據(jù)庫特性[10?12]，能夠高效地存儲測試過程中產(chǎn)生的用戶數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)、儀器數(shù)據(jù)和設置信息等。通過封裝增、刪、改、查等接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫和執(zhí)行引擎的交互，保證了數(shù)據(jù)傳輸和存儲的穩(wěn)定和安全。

2）功能插件。功能插件包含了儀器驅(qū)動和UUT 控制協(xié)議，提供了豐富的接口定義適配不同類型的硬件，如visa、TCP/IP、串口、CAN 等，通過功能復用可以實現(xiàn)硬件設備的快速操控。同時，功能插件中還集成了諸如算法、常用函數(shù)等功能模塊，為測試開發(fā)提供了標準的應用套件。

3）測試用例。測試用例主要面向被測產(chǎn)品，根據(jù)測試項目編寫測試邏輯，配置參數(shù)。不同的產(chǎn)品具有不同的測試用例，但都要按約定的范式進行組合，才能被平臺軟件自動識別和正確執(zhí)行。

4）執(zhí)行引擎。執(zhí)行引擎主要基于多線程技術和模塊重載技術，將測試用例、數(shù)據(jù)庫和運行界面有序地連接起來，在不同的線程上運行各功能程序，通過信號?槽機制傳遞數(shù)據(jù)，保證了各功能程序執(zhí)行過程中互不干擾，運行流暢。

5）運行界面。運行界面圍繞日常測試需求，尊重用戶的使用和體驗，提供了簡潔友好的人機交互界面，用戶可以輕松查看和選擇測試用例，并按照需求進行功能配置，觀察測試過程和測試結果。

8.2 數(shù)字化工位管控軟件

數(shù)字化工位管控軟件功能組成圖如圖11 所示。

圖11 功能組成圖

1）作業(yè)執(zhí)行。作業(yè)執(zhí)行包括作業(yè)工藝指導、作業(yè)提示、作業(yè)操作、作業(yè)信息收集、作業(yè)過程回放和作業(yè)異常處理。

2）人員管理。工位操作人員在應用數(shù)字化工位管控時，通過指紋或者帳號進行登錄，通過調(diào)用業(yè)務中臺人員登錄接口完成權限校驗，登錄成功后系統(tǒng)后臺記錄操作人員登錄信息，統(tǒng)計人員工作時長。

3）工位看板。通過工位看板界面展示工位三維場景，并在場景中展示工位設備、工位環(huán)境、任務情況等信息。

4）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集和儀器數(shù)據(jù)采集兩部分，其中環(huán)境數(shù)據(jù)通過工位數(shù)據(jù)采集設備進行采集，儀器數(shù)據(jù)通過儀器自檢程序進行采集。

5）狀態(tài)報警。對于測試異常報警、手動報警兩種情景提供報警功能，將工位異常信息上報給業(yè)務中臺。

6）產(chǎn)品排故。對異常品進行管理和維修，記錄產(chǎn)品排故處理記錄。

9 數(shù)字化柔性調(diào)測產(chǎn)線快速換產(chǎn)能力

產(chǎn)線采用通用化、標準化、模塊化設計，標準化程度高，當要進行產(chǎn)能擴充的時候，可實現(xiàn)產(chǎn)線的快速復制；并且采用柔性化設計，產(chǎn)線的所有工位的硬件接口都標準化設計可實現(xiàn)快速換產(chǎn)。

1）相同模塊的物理結構可互換，如：設計的標準工作臺，站位之間任一模塊可實現(xiàn)互換；AGV 全部采用同種型號的產(chǎn)品，在產(chǎn)品出現(xiàn)故障時即可進行快速切換。

2）設備的控制軟件做到底層驅(qū)動的標準化。

3）AGV 導航采用SLAM 方式[13]，對場地適應性強，不受到復雜環(huán)境的影響，可快速構建導航地圖。

4）產(chǎn)線管控系統(tǒng)提供基于現(xiàn)有產(chǎn)品型號相關資源、工藝、流程、數(shù)據(jù)、軟件界面新建數(shù)據(jù)模板的能力，可快速提供新產(chǎn)品型號相關的集中管控和現(xiàn)場信息輔助功能，基于新的數(shù)據(jù)模板，可以快速開展相應的產(chǎn)線現(xiàn)場管控工作。

5）產(chǎn)線換產(chǎn)時，硬件只需要更換被測站的低頻適配項、配套電纜或相應適配器就可實現(xiàn)多種型號的換產(chǎn)，時間為20～40 min。

10 結語

本文設計的數(shù)字化柔性調(diào)測產(chǎn)線經(jīng)過系統(tǒng)的軟、硬件設計和實際建設、調(diào)試，目前已投入使用，產(chǎn)線整體運行穩(wěn)定可靠，調(diào)試生產(chǎn)效率得到大幅提升；同時調(diào)試人員需求量和人員勞動強度得到大幅降低，通過增加測試工作站、測試TPS，即可滿足上線產(chǎn)品柔性可調(diào)整，滿足航空電子設備調(diào)測生產(chǎn)的需求。