离散型智能电装生产线建设研究及实践*

李 洋，周三三，杨许亮，郭延发，赵苍碧

（南京电子技术研究所，江苏南京 210039）

引 言

生产线是产品生产过程所经过的路线，是按对象原则组织起来完成产品工艺过程的一种生产组织形式。按照先进程度，生产线的发展主要经历了手工生产线、机械化生产线、自动化生产线和智能生产线阶段。进入21世纪10年代，世界各国兴起智能制造浪潮，我国也积极制定“中国制造2025”发展战略，推进生产过程智能化，培育新型生产方式[1]。智能生产线是智能制造的核心环节，而离散型制造电装生产线的生产方式以传统手工焊接和装配操作为主，需要打造数字转型、智能升级、融合创新、集约高效的智能生产线。

1 智能电装生产线建设思路

电子装联（简称电装）是通过焊接、螺接、压接、胶接等连接技术手段，把构成电子产品的各种光电元器件、功能模块、印制板组件、高低频电缆组件、结构件等在结构和电气上连接为一个具有特定功能和技术性能产品的技术，所涉及的生产对象包括整机/系统电子设备、模块/部件级电子设备以及支撑电子设备的集成电路、电缆、光缆等基础材料[2]。

1.1 离散型电装生产线现状及问题

1.1.1 生产对象品种多样化、生产批量小、生产周期短

生产对象的品种有上千种，结构形式各异，生产批量差异大，存在大批量制件、小批量制件、单件制件生产共存的情况。若全部采用自动化生产设备，则自动线将十分庞大复杂。受制于产品多样性，整条生产线的利用率大大降低，且成本高昂，因此需要选择合适的生产模式，这对提升效率、缩短生产周期、降低生产成本非常重要。

1.1.2 生产方式以传统手工焊接和装配操作为主

目前的生产自动化水平低，生产以手工操作、人工检验、人工配送物料为主，对高技能工人需求多、要求高，产品质量对工人技能的依赖较大，生产效率较低，劳动强度大，产品质量波动性较大，一致性较弱。随着自动化设备的普及，智能化转型追求的是机器与人相结合的柔性生产，本质是实现“机器帮人”。

1.1.3 数据采集展示以纸质为主，无法精准高效决策

电装生产线无法实时采集生产过程中的产品、人员、工具等数据，信息透明度低，以致不能第一时间掌握生产线“人、机、料、法、环”的最新状况，管理者无法精准地进行工作分配、交货周期安排、质量问题处理等决策。因此，需要实时采集生产过程中的各项数据并进行实时可视化展示及保存，保证电子设备生产过程受控，也为高效决策提供数据支持。

1.2 离散型智能电装生产线建设思路

针对离散型制造电装的生产制造特点与需求，统筹规划，聚焦痛点，以效益驱动，结合智能制造系统的典型特征，扎实推进硬件和软件并行建设，根据不同产品的装配形式及数量，分析工艺流程，建立全自动生产、人机协作生产、单工位智能装配三类生产模式，将制造信息转化为可度量的数字、数据和模型，利用新一代信息技术解决制造系统中各种复杂的优化决策问题等，实现设备互联互通、高度集成，产品状态的敏捷感知，数据的实时分析，自动决策和命令的精准执行，从而建立以“人机协作、数字赋能、智慧管理”为特征的电装智能生产线。离散型智能电装生产线建设思路框图如图1所示，图中：PLC为可编程逻辑控制器；RFID为射频识别器。

图1 离散型智能电装生产线建设思路框图

2 智能电装生产线建设方法及实践

基于离散型制造电装生产线的多品种、变批量、变节拍的柔性生产需求，将硬件设备和操作人员作为整体，构建成“可见可控、可产可管”的集成环境，根据离散型制造不同产品的结构特点、产量需求和工艺流程，通过聚类分析，一般将产品划分为研制型、小批量型、批产型3种类型，建立智能生产线资源匹配原则（表1），从而缩短生产制造周期，提高生产效率，提升产品质量。

表1 智能生产线资源匹配原则

2.1 自动生产线

2.1.1 设计思路

智能自动生产线以设备自动化、过程数字化、决策智能化为手段，具备柔性混线生产模式，工艺自适应、自调整，具备新产品导入、切换能力，基于信息感知、数据分析和知识学习技术，形成质量实时监控、故障预测等能力。

2.1.2 建设方法及实践

（1）确定生产对象

自动生产线首先要通过梳理数量需求、分析产品结构来确定生产对象，基本要求为生产纲领稳定，年产量大，批量大，零部件的标准化、通用化程度比较高[3]。雷达天线单元组合生产数量庞大，种类多，但其结构形式基本一致，组装零件少，装配相对简单，主要由底板、上千个天线单元、单元罩和匹配柱构成，而且装配难度低，定位精度可以保证。

（2）分析工艺流程，研究装配动作

自动生产线的设计原则为“人工操作舒适化、工艺步骤最小化、设计过程最简化、设计成本最小化”，根据产品的订单数及计划安排，确定自动化生产线的生产节拍，梳理生产的操作工艺流程，将其中重复的动作识别出来，提取其动作数据，用自动化设备替代，形成稳定持续的自动化装配单元，将自动化装配单元按照工艺流程进行合理排序组合，从而形成自动生产线，如图2所示。

图2 天线单元组合自动生产线示意图

天线单元组合装配中的螺钉紧固、封胶密封、匹配柱装配等动作用全自动设备替代，形成稳定持续的自动化装配单元。通过全自动化设备参数设置，使螺钉紧固、封胶密封和匹配柱装配操作实现自动化和定量化，可极大地降低工作强度，保证产品的一致性。多品种天线单元的装配流程基本一致，可以同时混线生产，产品可以快速换线进行生产。

（3）自动生产线智能化升级

自动生产线智能化升级包括生产过程信息实时感知与处理、工艺自适应及关键参数自动调整、质量问题自动诊断与决策、设备健康检测等，将数字化设备由以前的单机工作模式升级为数字化、网络化、智能化的管理模式。

产品装配程序通过扫码自动下载执行，实现装配过程中的装配力矩、胶量、压力、温湿度等关键工艺参数的实时采集、监控、记录和展示，形成自动化与信息化相结合的智能生产线。胶接质量是影响装配质量和产品性能的关键参数，通过实时采集产品生产过程中的胶接质量监测数据，对胶接质量状态进行实时监控，形成胶接质量波动报警，并通过智能判断系统对引起胶接质量波动的原因进行判断，再通过智能决策系统不断优化工艺参数，其流程如图3所示。

图3 胶接质量监测、判断、决策流程

2.1.3 成效分析

相比传统的人工装配，智能化自动生产线的生产效率可提升10倍以上，可极大地减少人员的使用及降低劳动强度。自动生产线可生产同类型多品种的产品，柔性强，不到1 h即可换线生产另一品种产品。自动生产线配备智能判断系统和智能决策系统，可减少停机排查、解决问题的时间，使自动生产线的使用效率最大化，将处理紧急事故的成本降低20%左右。

2.2 人机协作生产线

2.2.1 设计思路

针对批量小、工艺装配难度中等、核心装配与简单重复装配穿插的生产对象，通过工艺流程梳理优化、人机协作工位设计、生产线布局等方式，建设人与机器相结合的柔性生产线，达到各工位作业负荷分配合理、柔性及灵活性好、生产过程可视可控的效果。

2.2.2 建设方法及实践

（1）工艺流程梳理优化

采用工业工程方法，通过对作业要素的合理配置、作业方法的合理改进、作业流程的优化等，反复迭代，不断优化，消除各种浪费，缩短时间，节约资源，以提高生产效率。

以某平面电源装配为例，原生产方式为“包干式”的手工操作方式。该方式对操作人员的技能要求高，劳动强度大，产品一致性较差，需要进行合理的工位配置、人员配置和设备配置。根据工业工程方法进行优化后的工艺流程如图4所示。人机协作工位操作可由一般操作工人承担，从而解放高技能操作工人。

图4 优化后的某平面电源装配工艺流程

（2）人机协作工位设计

装配紧固人机协作工位主要包括螺接协作机器人、视觉识别检测系统、智能判断系统、智能决策系统等。人工将集成电路等精密部件装配到机壳内，机器人利用图像识别技术自动识别出部件的装配位置，根据工艺设定将不同规格螺钉送料到机器人锁紧机构，根据视觉识别检测系统在线修正目标位置，再利用伺服控制系统精准可靠地装配各螺钉[2]；然后通过精密成像机构和视觉识别检测系统自动获取产品的高质量图像，再通过图像定位与分割，提取出检测区域，进行目标检测识别，自动检测装配质量。若出现不合格情况，系统将标记出故障点并根据智能判断系统（同自动生产线）对问题原因进行判断，再通过智能决策系统进行决策，修改相应的工艺参数，如图5所示。装配紧固人机协作工位设计方法可应用在其他人机协作工位中。

图5 装配紧固人机协作工位操作流程示意图

（3）生产布局设计

生产布局设计是科学合理地确认人员、设备、物料之间的相对位置关系，需要遵循相邻原则、最短距离原则等基本原则，以最大限度地提高人流、物流、信息流的效率。利用生产线仿真和优化工具eM-Plant等，在虚拟环境中对生产布局进行设计规划，建立参数化的生产线模型进行运行仿真，分析仿真结果以判断瓶颈，并重新配置相关参数直到得到最优的生产布局[4]。如图6所示，某平面电源装配人机协作生产线的生产布局通过仿真和优化建设成U型线，保证人机协作生产线整体的安全性与合理性。

图6 某平面电源装配人机协作U型生产线示意图

2.2.3 成效分析

人机协作生产线装配过程的螺装力矩信息、胶接压力、温度参数等均通过传感器自动采集记录，机器人运行状态的实时监控、自动故障报警、设备运行状态及产品进度通过生产线看板实时展示，提高了生产透明度。通过人与机器人的协同作业，总体产能提升了1～2倍，减少了70%左右的高技能人员投入。

2.3 单工位智能装配单元

2.3.1 设计思路

对于结构复杂、数量较少的电子设备采用细胞单元的模式组织生产，智能装配单元要尽可能辅助操作人员工作，提高工作效率，提升产品一次成型率，使问题便于追溯。该单元主要集成了智能工具、可移动组合式工位、数字化工艺、图像及数据采集系统、精密拧紧系统、防错报警以及信息化系统，如图7所示。

图7 单工位智能装配单元示意图

2.3.2 建设方法及实践

（1）数字化工艺指导操作

数字化工艺便于完整反映工艺信息的过程性和动态性，提供多视角三维工艺信息的表达。工艺设计人员在基于三维产品模型建立的数字化环境下，通过装配顺序及装配路径规划、工序/工步要素定义、关键参数设置、操作人员分配、制造资源关联、三维工艺标注等方式生成工艺信息和三维工序模型。数字化工艺可以完整反映工艺信息的过程性和动态性，提供多视角三维工艺信息的表达，从而便于装配工人理解装配工艺，减少了装配过程的反复和人为差错。此外，基于三维模型的数字化工艺可以直接赋值智能化工具，驱动工具执行工艺指令，并将执行结果与工艺要求进行实时比对，对错误操作及时预警，从而减少了操作者人为设置的工具参数不正确对产品质量的影响。

（2）采取防呆、防错措施，减少失误

通过优化设计和过程自动化，按隔离原则和警告原则采取防呆、防错措施，如增加计数方式及按照顺序装配约束，每装配一个螺钉系统就与工艺、图纸自行比对，确保完全按照工艺、图纸要求装配螺钉；增加声光警告措施，如有不符合工艺要求等不正常现象，立即发出警告讯号，防止失误的发生，使工人第一次就把事情做好，从而提升产品质量，减少检查导致的浪费，消除返工及其产生的浪费。

2.3.3 成效分析

单工位智能装配单元通过数字化工艺指导操作，极大地降低了操作人员识图的难度，减少了装配反复，将生产准备成本降低了15%；通过采取防呆、防错措施减少了返工，将产品一次合格率提高了10%；通过数据采集与监控系统（Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA）实现了关键生产数据100%的采集和记录。

2.4 信息化建设

利用条码技术对生产制造的基础要素（如人员、工具、物料等）进行数字化定义[5]。基于SCADA实时精确地采集、提供生产过程所产生的各类数据，将采集的数据传至数据中心服务器，通过实时数据分析和利用，实现对人员状态、产品状态、环境状态、设备状态等的实时监控管理。建立仓储管理系统（Warehouse Management System, WMS），基于工位、工序任务的拉动式齐套方法，利用自动导引车（Automated Guided Vehicle, AGV）将物料自动配送到工位，大幅缩短物料的等待时间，保证生产节拍满足要求[6]。建立数字化看板系统（Workshop Visualization System, WVS），实现生产过程透明化、可视化管理，提高决策效率。数字化看板系统汇聚来自各生产线的生产信息，以多维统计图表为展示形式，动态地可视化展示与生产过程相关的各种实况信息，为生产过程异常发现、产品质量优化、生产调度优化等提供决策支持。

3 结束语

本文通过硬件和软件并行建设，建立了全自动生产、人机协作生产和单工位智能装配3类生产模式，提供了智能产线建设的思路。在开展智能生产线建设和应用中，工艺优化是前提，系统集成是核心，智能装备是基础，信息系统是手段，信息安全是根本[7]。“数字孪生”是连接制造物理世界和数字虚拟世界的最佳纽带，是企业达到生产和管控最优的一种运行新模式[8]，今后车间建设应量体裁衣，充分利用“数字孪生”的工具，分阶段推进。