精密光机电信息产品装调制造执行系统设计

袁晓敏，武 岳，林绍友，韩 鹏，顾 强

(北方信息控制研究院集团有限公司，江苏 南京 211153)

精密光机电信息产品在军用、民用领域中(包括机械、光学、微电子、控制和信息处理等)应用广泛。该产品结构复杂，制造难度大。

某光机电信息产品装调车间存在如下问题：1)以人工为主的生产方式，管理手段落后，缺乏有效的信息实时采集、生产进度跟踪和质量管控手段；2)由于产品品种多、批量小、不同种类产品零部件重叠且工艺相近，容易出现产品零部件配套错误、产品零部件漏装或错装等问题；3)在装调过程中，缺乏对关键工艺参数的有效管控，导致生产效率低，产品质量一致性差。针对上述问题，本文设计开发了一套适用于该车间的制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)，实现了AGV调度、工业摄像、设备控制单元和自动仓储等多维度、多业务系统的集成，提高了生产效率和产品质量[1]。目前，MES在汽车、航空、纺织和医药等诸多行业中均有应用[2-5]，但是鲜有应用于多品种、小批量的光机电信息产品装调的报道。

1 需求概述

从车间实际生产需求角度考虑，MES应包含如下功能。

1)产品信息管理。包含产品零部件结构和组成关系、产品装配流程和装配工艺的管理等功能。

2)生产计划管理。支持计划管理人员录入、修改和删除生产计划。

3)设备信息管理。包含设备基本信息的管理、设备锁定和解锁控制、设备状态实时采集和设备使用记录等功能。

4)装配过程工艺参数的在线检测与管理。通过设备对关重器件(力矩电机)装配过程中的有关工艺参数(压紧行程、压紧力变化)进行测量、存储和上传，便于确定最佳工艺参数。

5)物流记录查询。生成系统专用的二维码，仓库和工位通过扫描该二维码来确认物料的流出或流入，以此记录物料在仓库和每一个工位的流出或流入时间，并且可以查询物件的流转路径。

6)仓库配送控制。系统根据生产计划和每个产品在每个工位所需的零部件，指导配送人员进行正确的配送。为保证配送人员更准确、高效地完成配送，每种产品在每个工位配备特制的料盒，该料盒只能放入该产品、该工位所需的零部件。系统记录每次配送的时间、实际配送的零部件、所用料盒和配送人员等信息，并且可以查询所有配送记录。

7)工人作业控制。包括工人在工位签收仓库配料后，系统根据签收的配料查询工人所需装调的产品，调出相应的作业指导内容，以向导式界面指导工人完成所有需要的步骤；防止工人误用设备；到达关键质量管控步骤时，检测合格后方可进入后续步骤；记录工人每个步骤的开始和完成时间、相关工艺参数和检测结果等信息。

8)工位异常处理。工人在作业过程中遇到异常情况时，通过工位终端抛出异常，系统呼叫特定的异常处理人员在自身的终端或抛出异常的终端上进行处理；同时，系统记录所有的异常处理情况，并且支持异常处理记录的查询。

9)统计查询功能。系统根据采集的工人作业步骤开始和结束的时间，计算各个步骤所需时间的平均值、分布等统计学结果，为管理人员安排生产以及未来系统实现系统生产排程提供基础数据。系统支持产量、生产进度、产品合格率和返修返工次数等数据的统计查询。

10)质量追溯。能够追溯每一件产品的参与生产人员、生产流程、检测结果和工位完工图像等信息。

11)系统管理。能够管理工位、人员、权限和基础数据等系统内容。

12)大屏展示。能在大屏上实时展示当前生产线状况，同时支持管理人员在大屏上发布公告。

13)与其他系统集成。系统需要与AGV小车调度系统集成，与工业摄像头、每一台设备的控制单元和自动仓储等系统集成。

2 系统架构

系统的网络架构如图1所示。AGV调度系统、工业摄像头、在线检测系统、设备控制单元和自动仓储系统等车间设备和系统通过工业以太网和车间服务器相连，供车间管理人员、工艺人员、库管人员和操作工人等通过各自的客户端进行访问。MES设计是基于B/S架构，使用Java EE 7和Oracle 11g数据库实现，利用Websocket协议实现客户端网页自主访问，利用套接字(socket)或数据库中间表等方式，实现MES系统和AGV调度系统、工业摄像头、在线检测系统、设备控制单元和自动仓储等多业务系统的数据交换。

图1 系统网络架构

3 系统功能

系统功能结构图如图2所示，包括在线检测、客户端和系统集成3大部分。

图2 系统功能结构图

3.1 在线检测

结合车间生产实际情况，需要在线检测如下参数。

1)轴承压紧力。针对产品装调过程中关键工艺参数——轴承压紧力存在无法直接测量的问题，系统引入间接检测设备，对部件进行振动扭摆测试。通过测试阻尼的大小和振动扭摆次数，实现对装配挤压力大小的测量。将系统简化为单自由度有阻尼扭振系统，预紧挤压力视为阻尼，与轴承构成一个耗能元件(阻尼器)；外在施加1组弹簧作为存储势能的元件，被测体作为存储动能的元件，构成一个振动系统。每次作用在振动扭摆系统上的激励保证一致，根据牛顿第二运动定律、运动微分方程和测试传感器，可以得到阻尼比、振动周期、振幅和振动次数等技术参数，检测并记录多台合格产品的数据和不合格产品的数据，通过分析这些数据，确定未来产品装调过程中判定合格的范围。

2)质心位置。对某几个关键组件进行质心测试，并且根据组件形状、质量等特性，给出调整平衡的建议，控制其组件的不平衡量，以保证装配到整机上的不平衡性，解决了以往依靠操作者经验控制、无准确数据的问题。可360°旋转部件质心位置偏移量测试仪，将4个部件的质心位置测试集成在1台仪器上完成，有效地节省场地和空间。

3)不平衡力矩。对于有限角度旋转部件不平衡力矩检测，目前无成熟的仪器设备，以往产品生产完全依靠操作者经验来控制和最终产品性能指标测试来验证。部件完工时，不能确认不平衡力矩指标是否合格，如果最终产品性能指标测试不合格，则造成返工，并带来大量损失。不平衡力矩检测仪的使用可在部件完工时准确检测出具体数据，实现系统实时确认不平衡力矩指标是否合格。

4)电装接线正确性。电装接线正确性以往由操作者人工检测，点对点检测时不仅工作量大，且易产生点连接错误，既费时、费力又可靠性低。采用接线检查仪检查，只需根据待检测功能器件选择仪器上相应的功能区，拨动对应的开关，观察通断指示灯颜色(绿色为正确，红色为错误)即可，并且点对点间的阻值也能适时显示。

5)装配完整性和外观一致性。在产品装配过程中，对关键工序进行拍照和检测，自动检测产品装配完整性和外观一致性，并将照片与检测结果实时储存至系统数据库中，便于以后的质量追溯。在装调过程中，若遇到涉及关键工艺参数的工步，系统会提示工人使用检测设备完成检测，并自动收集检测设备的数据，通过比对合格范围来判定是否合格。合格后，方可进入下一工步；否则，进入不合格审理。

3.2 客户端

当有新的生产任务时，车间员工按照图3所示的流程使用客户端的功能。

图3 生产过程基本流程图

客户端包括系统管理、产品信息、计划排产、现场作业、设备管理、异常管理、库存信息、统计查询和大屏展示等部分，具体分析如下。

1)系统管理。系统管理包含人员基本信息管理和系统内角色和权限的管理。通过对角色设置权限，对人员设置角色，实现系统权限控制，用户登录系统后，网页内只显示有权限访问的菜单和操作按钮。

2)产品信息。产品信息用于录入产品结构明细和装配工艺等信息。

3)计划排产。计划排产用于车间计划管理员录入生产计划，并且可以通过系统安排生产任务。

4)现场作业。现场作业用于管理工位基本信息、工位状态展示以及工人在工位装调的指导和控制。工位作业具体流程图如图4所示。

工人在工位收到料盒后需要扫描二维码，由于每一个料盒有唯一的二维码，系统会根据料盒的二维码判断该料盒对应的产品品种，以及该料盒是否是当前工位所需。若不是，系统会给出提示，并不会展示对应的作业指导界面，以保证工人在面对多品种、小批量、不同品种工艺相似度高的混线生产模式时，可以正确地完成所需品种产品的装调。

工人在装调作业过程中，若遇到需要进行检测的步骤，系统会给出提示，工人只有完成该步骤并且检测合格后，方可进入下一步，否则进入不合格审理流程；若遇到拍照留存步骤，系统会确认工人已完成拍照并且照片已留存后，方可进入后续步骤，以此保证装调作业过程中具有有效的质量管控，从而提高产品质量。

系统会记录工人每一步骤开始和结束的时间以及相关的检测结果，为质量追溯提供依据，并为统计各个步骤所需时间的平均值、平衡生产线各个工序以及实现系统生产排程提供基础数据。此外，管理人员可以查询不同工人在同一种作业的作业时长和检测结果等信息，为合理安排人员工作岗位提供基础数据。

此外，工人在作业过程中，如遇到特殊原因需要暂停装调作业离开工位，工人关闭网页离开即可，系统会自动保存工人当前的进度，以及工人离开和归来的时间，管理人员可以查询所有工人的暂停记录。

5)设备管理。设备管理用于管理系统内的设备信息和料盒信息。

6)异常管理。异常管理用于管理人员在自身的客户端查看，并处理生产过程中抛出的异常；同时，系统也支持管理人员在抛出异常的工位客户端处理异常。

7)库存信息。库存管理用于管理库存的信息、零部件二维码的生成、指导配送人员完成配送作业、查询以往的配送记录和物件追踪。系统根据生产计划列表显示相应的配送任务，配送人员勾选其中一个，系统根据录入的工艺，展示所需配送的零部件和所需装入的料盒。配送人员从仓库中取出所有需要的零部件放入料盒内对应的摆放位置，完成一个配送任务后，系统会提示配送人员扫描所需料盒表面的二维码以确认配送完成，并提示配送人员将该料盒放到指定的料架上，系统会记录此过程中配送人员所放入料盒的零部件以及使用的料盒信息，以便后续追溯零部件配送完整性和正确性提供依据。

8)统计查询。统计查询用于统计工人在各个工步和工序的作业时长，统计在线检测结果的分布、合格率和返工次数等信息供管理人员查询，为管理人员分析工人技能特点，为工艺人员优化装配流程和平衡各个工位作业内容，为实现智能排产提供有效的基础数据。

9)大屏展示。车间内设置大屏用于展示管理人员向所有人发出的消息公告，或者车间实时状态。管理人员可以通过自身的客户端控制大屏具体展示的界面。

3.3 系统集成

生产线引入了AGV用于物件流转，系统与AGV调度系统集成，以便于系统判定需要AGV运送物件时，可以自动呼叫AGV调度系统，调度AGV完成相应的工作，逐步取代人工呼叫的方式，减少因工人误操作而导致AGV无效运行。系统与工业摄像系统集成可实现实时采集工业摄像系统拍摄的图像数据，为质量追溯提供有效依据。系统与设备控制单元集成通过控制单元控制设备的锁定和解锁，防止出现工人误用现象。系统与自动仓储系统的集成，使得工人作业过程中，系统根据事先录入的工艺，实时采集库存信息，并且管理人员可以在办公室通过自身的客户端了解库存状况。此外，系统实现自动排产时，库存信息也是重要的依据之一。

4 结语

本文针对某光机电信息产品装调车间生产过程以人工为主导、缺乏信息化管理、缺乏有效的质量管控手段、生产效率低和产品质量一致性差等问题，结合该车间产品品种多、批量小、不同种类产品零部件重叠且工艺相近，容易出现产品零部件配套错误、产品零部件漏装或错装的实际情况，以及关键工艺参数缺乏有效管控的问题，研究、设计并实现了适应于该车间的制造执行系统。该系统在车间内进行了测试运行，录入了3种产品的BOM表和装配作业指导书，首批22台某关重部件上线生产，并增加了3个可量化的质量控制点，使得该批次产品的生产效率提高了50%，一次交验合格率达到100%，相较于之前的92%有了大幅的提高。该系统在车间内运行的结果表明，生产效率和产品质量一致性得到了明显地提升。

[1] 饶运清，李培根，李淑霞，等. 制造执行系统的现状与发展趋势[J]. 机械科学与技术，2002，21(6)：1011-1016.

[2] 邵景峰，贺兴时，王进富，等. 大数据环境下的纺织制造执行系统设计[J]. 机械工程学报，2015，51(5)：160-170.

[3] 宋利康，郑堂介，黄少华，等. 飞机装配智能制造体系构建及关键技术[J]. 航空制造技术，2015，482(13)：40-45.

[4] 李亚凯，王亚刚. 制造执行系统在制药行业的应用研究[J]. 控制工程，2015，22(2)：352-355.

[5] 陈溯. 上汽整车制造执行系统的开发与实施[D]. 上海：华东理工大学，2015.