家电整机生产过程的数字化转型关键技术探讨

马 芳 余和青 赵薪 刘文波 逄 磊 蔡燕君

（中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510663）

前言

家电作为我国最具国际竞争力的优势产业之一，在当今资源短缺、人力成本上升，产业格局加剧变化的背景下，我国家电行业发展面临诸多挑战，产业数字化转型成为行业迎接挑战和机遇的关键，近年来，国内各大知名家电企业也积极的在生产自动化、数字化方面不断地探索，以希望能够快速满足当下大规模、个性化定制的市场需求，同时能够提高生产效率，降低企业的生产经营成本。

在家电整机生产线自动化升级方面主要采取工业机器人替代人工操作，由于家电工艺流程复杂，混线生产、产品规格多、更新快等特点，产线上的自动化改造进展缓慢，往往只能在个别工艺简单、劳动强度大的工位采用机器人替代，复杂的操作还是主要依靠人工进行，生产线整体的自动化水平提升不明显，机器人系统的柔性和适应性也难以满足生产的需要，机器人系统柔性是家电数字化转型需要突破的关键技术之一；另一方面，根据调研得知，目前自动化程度很高的产线，大多是根据特定产品高度定制的，只能满足一个系列的产品装配需求，一旦产线上产品发生较大变化，现有生产线需要做出很大的改动和调整才能适应新的生产要求，对企业来说，改造周期长，成本大，不仅影响生产进度，也增加了企业的生产成本，引入三维数字化设计仿真可有效降低企业的改造成本，并缩短产线升级改造的周期，在家电数字化升级过程中也很关键；车间生产过程的透明化、信息化管理对提高生产效率、提高设备、资源利用率、降低能源消耗、避免原材料浪费等方面有着非常显著的效果，是企业今年数字化转型关注的一个关键技术领域，当前大多数的家电生产车间缺乏生产运行管控手段，生产环节存在信息孤岛严重，生产信息不能有效共享，企业精益生产进度缓慢，制约了家电数字化转型。如果加快家电生产过程的数字化进程成为近年来整个行业关注的焦点问题，综上，本文将从数字化仿真设计、机器人柔性装配、车间信息化管控三方面来探讨家电生产的数字化转型。

1 家电生产线的数字化仿真技术

家电生产线的自动化改造大多数情况是在原有的产线基础上引入机器人系统进行升级，企业经常对机器人系统的适应性、开发周期、柔性、性能等方面要求很高，传统的工艺及生产线规划设计手段已经不能满足家电数字化的转型需求，以三维虚拟环境取代传统的二维开发环境进行生产线布局规划设计的生产线数字化仿真技术已成为行业主流趋势，在家电自动化生产线设计过程中，通过建立设备、工装、机器人、输送线等生产资源的三维数字模型（如图1所示），在虚拟场景下模拟家电整机及关键部件的装配操作，包含装配顺序、装配路径以及人机操作模拟等过程，通过合理地进行生产设备布局来尽量减少操作时间，满足生产节拍及自动化的要求，结合实际工程进行方案验证，实现工时分析、车间三维工艺布局、资源规划和评估，提高了生产计划的准确度，提高设计效率，降低设计成本。

图1 生产线的三维布局建模

家电机器人生产线属于一个复杂的混合柔性生产系统，通常在设计开发阶段为了提高生产线的柔性和适应性，需要对生产线系统的生产方式(如图2所示)和生产路径的柔性（如图3所示）进行仿真，对生产过程中面临的工件输送路径选择及多种服务选择[1]等共性问题进行虚拟场景下的仿真验证，实现生产线或机器人系统的布局优化，提升开发效率及系统的柔性及稳定性，使得系统在满足实际生产需求的情况下，更具可靠性。

图2 生产方式柔性仿真方法

图3 生产线路径柔性仿真

2 家电机器人柔性装配技术

采用机器人对家电生产线进行自动化改造是当前家电数字化转型的重要途径，国内外基于机器人的柔性装配生产线已经较为普遍成熟，由于行业特点差异、应用场景的不同，当前家电装配过程中的机器人应用技术水平非常有限，导致生产线整体生产效率无法得到有效提高。在实践过程中发现，机器人应用面临的关键难点主要集中在装配精度、工装夹具适应性、系统柔性等关键问题，为了解决机器人系统的柔性及可靠性问题，更好的推动家电生产线的自动化程度，结合工业机器人特点，对应用场景进行分类，采用标准化、模块化设计思路开发出不同应用场景下的机器人柔性装配系统，在复杂场景开发机器人智能视觉系统技术，可有效提高家电装配线的自动化率及整体生产效率，满足多品种多规格家电产品的自动化生产和柔性装配。

2.1 机器人视觉智能柔性识别系统

针对装配难度大、精度要求高的应用场景，基于视觉引导技术的智能型自主识别、高精度机器人柔性装配系统，实现了机器人在空调压缩机装配、安规检测、充冷媒、抽真空等角阀拆卸、标签检测、产品外观检测等场景中的柔性应用，解决机器人在特定场景柔性应用的定位精度问题，提高了整机装配的自动化率，提升整体生产效率。典型案列如图4和图5所示。

图4 智能视觉定位系统

图5 智能视觉检测系统

2.2 复合多功能机器人柔性装配系统

在采用机器人装配过程中，不仅要考虑机器人系统满足多种不同规格产品的装配需求，更多时候，为了降低设备投入成本，利用一台机器人同时在多个工艺场景下完成作业要求，可有效降低企业的改造成本，具备多种复合功能的机器人工装夹具可提高机器人系统的适应性及柔性，同时设计开发满足不同装配需求的机器人控制系统，根据实际情况快速切换及调用，在空调外机装配压缩机、冷凝器、开箱、套纸箱、冷凝器检测等装配中具有两种以上装配功能的机器人柔性装配系统已较成熟，大大提高生产效率，图6和图7为实际典型案例。

图6 压缩机复合装配机器人系统

图7 开箱套箱复合机器人系统

2.3 单性能机器人柔性装配系统

家电生产装配过程中一些工艺简单、且劳动强度较大的应用场景，高效的单性能机器人柔性装配系统能够在满足生产需求的情况下可大大缩短生产节拍，如压缩机安装、成品下线码垛、底盘上线装配等机器人柔性装配系统。典型案列如图8所示。

图8 码垛机器人系统

2.4 多工位机器人协同柔性系统

在任务复杂时，单机器人无法胜任，就需要多机器人协作来完成工作，因此多机器人系统的协同任务规划一直是关注和研究的重点。家电生产过程中，也常面临复杂的装配任务，通过对多机器人任务调度策略，协同控制，通信方式、任务分配、路径规划等展开深入研究，针对家电生产中一些任务复杂的场景，通过机器人的协同作业，约束管控机器人的位置和运动轨迹，加强机器人之间的联合式协作，大大提升装配生产效率。典型案例如图9和图10所示。

图9 螺母自动锁付系统

图10 冷凝器切割

3 家电数字化车间生产运行管理技术

随着家电行业订单式模式兴起，车间生产数据的信息化、透明化问题日益突出，生产数据不透明导致的潜在浪费严重，生产成本居高不下，设备管理、质量管控不到位等情况突出，无法对设备、人员的生产效率进行有效评估，管理精细度低，导致企业内部的整体生产能力及响应速度满足不了订单交期，车间的数字化管理水平决定了企业数字化转型的成效。

基于工业互联网技术的家电数字化车间生产管理技术正在兴起，基于工业互联网平台技术，从生产端切入，开发满足家电行业智能生产管理需求的数字化车间Smart MES系统（界面如图11所示，数据可视化界面如图12所示），基于互联网平台标准数据模型，采集现场移动终端、传感器、PLC、机器人与工业电脑关键有效数据，采用平台内置数据库开展数据交互技术，将涉及生产过程的相关人、机、物数据打通，实现企业制造运营与家电自动化产线（装配设备、检测设备、物流设备等）的数据闭环，利用平台PaaS层提供的人岗匹配模型，实现智能派工，精确管理，KPI 信息实时收集，包工每日结报，新进员工岗位适用性评估，调用PaaS 层微服务，实现生产过程数字化、可视化管理；基于互联网平台第三方业务系统无缝集成功能，实现PLM、ERP、MOM等的数据高效协同与集成，可形成高度柔性化、数字化、精益化的家电数字化车间信息管理解决方案。

图11 Smart MES系统界面

图12 数据可视化界面

4 总结

开展家电生产数字化车间关键技术研究加快了家电制造业的自动化改造进程，促进家电行业从劳动密集型向现代技术型转变，并突破劳动力、原材料成本对家电行业的制约因素，提高生产效率及产品质量，根本上提升家电企业的核心竞争力，促进我省智能装备产品的自主创新能力，加快传统家电产业转型升级，提高家电产品及家电行业制造装备在国内和国际市场的竞争力和可持续发展具有重要意义。