基于AI视觉技术构建柔性生产数字化车间

文/黄春机 福建星网锐捷通讯股份有限公司

当前中国快速进入老龄化社会，人口红利逐渐消失，企业用工难招工难日益显著。面对当前困局，为继续推动中国从制造大国走向制造强国，需要加快建设数字化车间，用自动化设备替代繁重的人工劳动，实现生产的智能化和信息化。星网锐捷结合新一代信息技术构建数字化车间。本文总结了星网锐捷构建数字化车间的背景、总体目标和主要研究内容，供电子制造业企业探索企业数字化转型参考。

背景情况

当前中国电子制造行业还存在大量的人工作业生产环节，依赖人工经验，效率不高且易出错。例如：电路板的测试、产品的锁附螺丝、装配件完整性检查、外观检查、产品功能/性能测试、装配打外、堆栈板等一系列的生产制程。随着中国进入老龄化社会，人口红利的逐渐消失使得用工成本高，招工越来越难，这是劳动密集型产业包括电子制造业近年来遇到的共同问题。

为应对这一问题，近年来国家工信部开启“机器换人”计划，来提高生产效率，降低劳动力规模和成本，开始走上“智能制造”之路：鼓励和引导通过大规模的技术创新，在产业结构上实现从劳动密集转向资本技术密集；通过技术创新达到技术密集，从而为经济发展创造出有力的技术条件，促进国家提升整体产业结构从而实现产业升级，实现经济的稳定、可持续增长。新的生产与管理技术也是技术创新的重要表现，提高了工业制造的生产率，如机械化与自动化设备、信息化管理等。这些技术进步不但扩大了产业经济对劳动力的需求，而且大幅提高了社会的经济价值，从而创造了持续不断的人口红利与技术红利稳步增长的局面。越来越多的企业开始引进物联网、云计算等新一代信息技术，打造现代化的数字化车间，解决企业招工用工难的问题，提高生产效率，同时大幅度提升品质，加强企业市场竞争力。电子行业的巨头，如格力的黑灯工厂，过去一万人的工厂现在只需1 000人，在AI的加持下，无人操作对精度、质量、效率带来了颠覆性变化；小米的智能工厂年产百万台高端手机，该工厂可实现全厂生产管理过程、机械加工过程和包装储运过程的全程自动化黑灯生产，过去贴片机前后端需要四五位工人，现在依靠自主研发的设备，可以完全替代了人力。相比行业巨头投入巨资建设全新的黑灯工厂，目前数量众多的中小企业没有充足的资金投入，也缺少相关的技术能力，他们更需要在现有的条件上，进行数字化车间的改造，从而减少对人工的依赖，提升生产效率。星网锐捷正是从中小企业进行数字化转型的实际情况出发，基于AI视觉技术，打造和改造数字化车间，从而实现柔性生产。

数字化车间构建目标

星网锐捷构建数字化车间，打造具有国内领先水平AI视觉软件基础平台，应用于电子产品智能柔性生产线，实现省人或无人化，提高生产效率及品质，生产全过程管控和可追溯性，形成一套完整的解决方案并推向市场，提升中国电子产品制造企业的自动化和智能化水平，数字化车间总体规划如图1所示。数字化车间构建目标如下：

图1 数字化车间总体规划

1）以人工智能解决用工问题（依赖人工经验，招工难，老年化、繁重重复劳动等）；

2）稳定的生产作业，提升品质；

3）少人化、无人化；

4）提升生产效率，降低生产成本。

数字化车间内容

将AI视觉技术应用于生产的各个环节，从构建数字化车间整体规划，到生产作业、质量管控等各个场景，打造柔性生产的数字化车间。

（1）软件平台——AI视觉技术应用于数字化车间总体设计

数字化车间技术架构如图2所示。

图2 数字化车间技术架构图

通过AI视觉软件基础平台，对生产过程中不同作业环节的工艺要求、经验值、作业方法等进行软件算法转换，再通过机器学习后，通过控制软件系统与辅助机械手进行生产作业。同时依托智能化的服务平台，分析大数据和建立模型及模拟预测的方式，结合监控装置设备反馈回来的站情中心的信息，进行综合管理，质量管控和设备管理等应用场景，并与设备联网、终控平台、物流控制等自动化互联系统（如AGV搬运、自动化设备状态监控、机器人工作站和检测设备）进行衔接。

（2）PCBA板卡无人测试——AI视觉技术应用于质量管控

电路板的测试，通常需要人工拔插通电、放入固定屏蔽箱等一系列的操作，耗时耗力，通过AI视觉技术的应用及机械手的辅助，原有人工测试工作，完全实现了无人化作业。

PCBA板卡无人测试具有自动上下板、装治具、各类测试、扫码等作业功能，ATE工具自动对接通信，测试数据可追溯。测试工艺可灵活定制，测试过程自动控制，实现无人化作业。适用于各类 PCBA 主板。PCBA板卡无人测试如图3所示。

图3 PCBA板卡无人测试

技术优势：

1）工艺流程可配置，预先设定多种生产工艺，柔性生产；

2）自动监测屏蔽箱工作状态，系统自动分配测试工站；

3）多种机型同时测试（MAX：3种）；

4）可活动式测试小车，便于工装治具NG时，不停线并移出线外处理；

5）可达到国内先进水平。

（3）螺丝锁附——AI视觉技术应用在生产作业

这是基于AI视觉技术在紧固件作业中的创新式应用。通过机器学习和AI视觉技术实现自动识别产品、自动找孔、自动定位、自动锁附等作业，支持多角度斜面锁附。设备适用范围广，可满足多品种、少批量产品生产的螺丝锁附需求。产品内部与外部螺丝的锁附，依靠人工方式容易出现漏锁、浮锁、划伤产品等问题，通过机器学习和AI视觉技术实现了自动识别产品、自动找孔、自动定位、自动锁附，无工装、动态定位、多角度、斜面锁附作业，在各项技术指标中均表现优秀，整体应用效果可达到国内先进水平。

导入AI视觉锁螺丝设备后可使生产锁螺丝环节效率提升50%、产品优化率100%、锁附环节工时利用率提升80%、生产效率提升20%。螺丝锁附如图4所示。

图4 螺丝锁附

设备关键技术指标：

1）产品识别定位时间小0.5s，产品定位精度偏差小于0.2mm；

2）螺丝孔位识别时间小于0.5s，螺丝孔位识别精度偏差小于0.2mm；

3）单颗螺丝锁附小于4s，正常锁付成功率大于99.5%；

4）无工装、动态定位、精准锁附；产品可以任意方向（多角度，斜面锁付）进入设备作业，无须轨道限位和导向；

5）可达到国内先进水平。

（4）智能品质检测——AI视觉技术应用于质量管控

这是基于AI视觉技术在内外观检测作业中的创新式应用。通过视觉系统学习和训练及图像处理、特征识别、字符识别等，能有效识别出产品的内外观不良。设备适用范围广，可满足多品种、少批量产品生产的内外观检测需求。产品在生产装配过程中，通过人工检查产品的部件完整性、外观的完好性，容易出现漏检、视觉疲劳等因素，造成不良品流入市场；而智能品质检测设备通过视觉系统学习和训练，能有效识别出产品的内、外观不良，支持多面、任意角度的不良检测，形成完整的品质数据追溯链，整体应用可达到国内先进水平。

检测内容：

1）内观包含检器件有无、检安装方向、检插线、点胶、走线及需要确认的产品内部装配特征等；

2）外观包含螺丝、标签、丝印、划痕及需要确认的产品外部特征等。

技术优势：设备支持多面、任意角度的不良检测； 可根据产品SN数据采集外观视觉信息，形成完整的作业数据追溯； 产品识别定位时间小0.5s； 产品定位精度偏差小于0.2mm；可达到国内先进水平。

图5 智能品质检测

（5）智能产品测试——AI视觉技术应用于质量管控

为了确保产品在功能方面、性能方面的良好，通过AI视觉与测试装备相结合，实现全自动化测试的智能产品测试生产线，达到无人化作业，同时提升测试效率与产品质量。

导入智能产品测试装备后可实现自动化测试，系统记录测试全过程实现实时的产品测试过程追溯；可以节省人力、降低劳动强度、提升测试效率，产品的测试过程实现可追溯性、提高生产效率。

设备关键技术指标包括： 产品识别定位时间小0.5s；产品视觉定位精度偏差小于0.2mm； 单设备每小时完成150个产品测试；无人化作业。

（6）自动装箱装栈——AI视觉技术应用于生产作业

产品下线包装时，通过AI视觉技术，完成产品信息自动采集、不良品与良品的自动区分，良品自动装入包装箱，替代原有人工人作业，同时提升生产效率。

自动装箱装栈采集产品上的二维码（正面或反面），将产品条码与装箱的条码绑定，并上传系统；自动将漏过站&NG品放入NG区，同时从备品区抓取合格品（带条码信息）补入装箱，适用于电子产品。

技术优势：兼容托盘尺寸范围：214mmx298mm、267mmx370mm；UPH：≥5 000pcs/h，产品换型操作便捷；操作员工：1人；生产信息对接MES（智能制造执行系统）。自动装箱、装栈如图6所示。

图6 自动装箱、装栈

（7）最终目标——建立应用AI视觉技术的智能柔性生产线

视觉技术、AI软件算法、控制系统、智能化服务平台应于生产制造过程（例如PCBA测试、装配、检验、产品测试、装箱和装栈等生产环节），与机械手、自动化装置等协同，实现省人或无人化、降低劳动强度、提高生产效率及品质，降低制造成本，以及生产全过程管控和实时完整的可追溯性等，很好地解决了各场景中的困扰，实现了少人或无人化，提高生产效率及品质，降低制造成本；同时通过自主研发、申请软著、专利等技术积累及市场应用经验的沉淀，给中国电子信息企业带来直接或间接的经济效益。

图7 应用AI视觉技术的智能柔性生产线

结束语