面向消費類電子產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)線成組技術(shù)

趙盛宇，張松嶺，陳良輝，周泳全,

(1.深圳市海目星激光科技有限公司，廣東深圳518110；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，廣東 深圳518172)

現(xiàn)代消費類電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造模式，已廣泛使用自動化生產(chǎn)線，以取代傳統(tǒng)勞動密集型作業(yè)方式。定制剛性自動化生產(chǎn)線對生命周期相對較長的消費類電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造發(fā)揮了高效、持久、耐用的積極作用。然而，當前消費類電子產(chǎn)品（包括IT 信息產(chǎn)品）的生命周期越來越短，更新?lián)Q代的頻率不但加快，導致定制剛性自動化生產(chǎn)線的使用周期也越來越短。更令產(chǎn)商頭疼的是，定制剛性自動化生產(chǎn)線的設計與制造周期，有時長于產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期，這就導致定制剛性自動化生產(chǎn)線在制造裝配過程中，或在剛剛投入產(chǎn)品生產(chǎn)不久，就面臨被擱置或翻新的尷尬局面。

消費類電子產(chǎn)品生產(chǎn)制造商不僅期望自動化生產(chǎn)線的變更能快速適應產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，而且希望這種變更的成本遠遠低于定制剛性自動化生產(chǎn)線的設計制造成本，因此，柔性標準化的自動化生產(chǎn)線呼之欲出。當前，許多自動化研究機構(gòu)和制造商在系統(tǒng)模塊化和標準化等領(lǐng)域開展了一定的研究[1-5]，并獲得了一定的成就，本文結(jié)合多年的理論研究和項目實踐，借鑒成組技術(shù)的相似性和派生性在種類多批量小的機械加工領(lǐng)域取得的成果，對消費類電子產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)線的成組技術(shù)進行研究，將促進了定制剛性自動化生產(chǎn)線朝柔性化和標準化方向的發(fā)展。

1 自動化生產(chǎn)線的成組技術(shù)

成組技術(shù)（Group technology，GT）通常應用于機械零件的加工，即利用系統(tǒng)分析方法將中小批量的機械零件具有某些相似信息的事物集合成組進行機械加工的一種高效率的生產(chǎn)技術(shù)和管理技術(shù)。當前瞬時萬變的市場需求，尤其互聯(lián)網(wǎng)+等新技術(shù)的應用，催生了現(xiàn)代消費類電子產(chǎn)品高頻率的更新?lián)Q代，使定制剛性自動化生產(chǎn)線越來越不適應現(xiàn)代產(chǎn)品的制造要求。但仔細分析，被換代的產(chǎn)品之間，只是功能和外觀等產(chǎn)品規(guī)格的更新，它們之間仍然存在相似性、派生性和繼承性，因此對應的自動化生產(chǎn)之間也存在這種普遍特性。把自動化生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)、材料、機械加工工藝相近似的部件組成一個部件族（組），按照一定的準則分類成組，是消費類電子產(chǎn)品自動化生產(chǎn)線成組技術(shù)的核心內(nèi)容。自動化生產(chǎn)線的相似性是廣義的，在幾何形狀、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似程度為基本相似性。然而，不同種類的消費類電子產(chǎn)品，都有其獨特之處，自動化生產(chǎn)線的某些局部，還需要定制，以保證其獨特性，因此，以基本相似性為基礎，在生產(chǎn)線進行運送、分選、加工、裝配、檢驗等生產(chǎn)工藝和管理等方面所衍生的局部定制需求，稱為派生相似性。圖1揭示了根據(jù)相似性和派生性特征對消費類電子產(chǎn)品自動化生產(chǎn)線進行分類的原理。這類產(chǎn)線的通用工位單元，如機器視覺、機器人、裝載板、分選機構(gòu)、元器件點膠和焊接、打螺絲和激光打標等，都具備一定的相似性，完全由這些通用工位組成的產(chǎn)線，可以定義為相似性工位單元組合的產(chǎn)線，因此事先將這些通用工位單元進行分類成組設計和制造，篩選滿足客戶要求的功能工位組合，通過快速組裝產(chǎn)線，達到迅速滿足客戶自動化產(chǎn)線更新?lián)Q代的要求。但每類產(chǎn)品又都有各自特點，都具備一些派生性的特征，將通用工位單元或某些基本工位單元，在相似性的基礎上，進行某些局部的定制化的改造，可以衍生出具備派生特征的工位單元，經(jīng)與其他相似性工位單元和其他派生性工位單元的組合，生成局部定制化特征的自動化產(chǎn)線。

圖1 具備相似性和派生性特征的自動化生產(chǎn)線分類

表1 自動化生產(chǎn)線的成組與編碼

表1對消費類電子產(chǎn)品自動化生產(chǎn)線的相似性和派生性進行了成組分類和編碼。產(chǎn)線派生性工位單元，包括零件裝卸、超聲波焊接、貼標簽、功能測試、移印和外包裝等。根據(jù)成組技術(shù)原理，對自動化生產(chǎn)線相似性和派生性進行集中識別和成組分類，以便在設計和制造過程中分享相似性和派生性，提高設計與制造的工作效率。

相似性和派生性特征，可被歸納為產(chǎn)線族（組）。每個具備相似性和派生性的工位單元，都進行了成組編碼。如序號為前五位的編碼，主要定義產(chǎn)線的形狀和尺寸，具備相對標準作業(yè)流程的相似性工位單元，以及具備局部定制化特征的派生性工位，也都一一進行了分類編碼。根據(jù)客戶產(chǎn)品規(guī)格和特征，可選擇適當?shù)漠a(chǎn)線形狀和尺寸編碼、相似性和派生性工位單元編碼，那么產(chǎn)線的成組集成編碼就唯一確定了，如表1所示的編碼范例9,6,3,3,2,1,12,5, …,8,4,2, …,11 為某產(chǎn)線的集成編碼，在每個工位單元的編碼確定后，根據(jù)單元構(gòu)建，其產(chǎn)線所有特征也完全確定了。

2 單元構(gòu)建建模及案例分析

成組技術(shù)是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線柔性化和標準化的關(guān)鍵技術(shù)之一，而對每個工位對應編碼所代表的單元構(gòu)建（Cell Formation，CF）進行建模，是成組技術(shù)的關(guān)鍵步驟。在產(chǎn)線和消費類電子產(chǎn)品之間進行相似性和派生性的度量，是單元構(gòu)建建模的基礎，這種度量必須建立在具備廣泛代表性的消費類電子產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)和尺寸的統(tǒng)計和分析等信息的基礎上開展，最終在滿足消費類電子產(chǎn)品的相似性和派生性的前提下，根據(jù)每個工位單元應實現(xiàn)的加工功能，把工位單元結(jié)構(gòu)形狀和尺寸進行歸類，建立一定數(shù)量的工位單元模塊，對每個模塊逐一編碼，并設計其機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，完成工位單元構(gòu)建的建模。具體建模流程如圖2所示。

圖2 單元構(gòu)建建模流程

工位單元模塊是依據(jù)對要完成產(chǎn)品工藝及過程的分析，在確定該產(chǎn)線功能和結(jié)構(gòu)的基礎上，對該產(chǎn)線進行分解而得到的子功能系統(tǒng)的統(tǒng)一稱呼。例如：具備相似性特征的工位，如機器視覺、機器人、裝載板、分選機構(gòu)、元器件點膠和焊接、打螺絲和激光打標模塊等；具備派生性特征的零件裝卸、超聲波焊接、貼標簽、功能測試、移印和外包裝模塊等。模塊化是通過簡化和統(tǒng)一化的方法，得出有典型功能的子系統(tǒng)，通過對該子系統(tǒng)的改進和多接口標準化，實現(xiàn)同類功能通過一個子系統(tǒng)完成[1]。裝載板是消費類電子產(chǎn)品自動化生產(chǎn)線常用的子系統(tǒng)，圖3和圖4是從系列裝載板模塊中導出的4 個設計案例，其中圖3所示兩個模塊的結(jié)構(gòu)形狀完全相同，但尺寸大小不一，因此定義不同的編碼；圖4兩個模塊的結(jié)構(gòu)形狀差異較大，但仍有一定的相似性，尺寸大小類似，也定義了不同的編碼。通過對該子系統(tǒng)的改進和與產(chǎn)線其他工位的多接口標準化，實現(xiàn)同類功能通過一個子系統(tǒng)完成。

圖3 結(jié)構(gòu)形狀相同尺寸不同的裝載板模塊

相似性工位模塊的單元構(gòu)建的建模，相對而言比較單一，而派生性工位模塊的單元構(gòu)建的建模，因考慮不同領(lǐng)域電子產(chǎn)品各自的工藝特點和特殊性，自動化產(chǎn)線的工位需要局部個性化的定制設計與制造，需要綜合多方面的因素實現(xiàn)多接口標準化。

3 自動化產(chǎn)線成組編碼集成

自動化產(chǎn)線的主要工位單元構(gòu)建建模完成以后，針對某個特定的消費類電子產(chǎn)品的相似性和派生性特征，可以從單元構(gòu)建庫中遴選每個工位的單元編碼，從中獲得唯一對應的該工位單元具體的機械結(jié)構(gòu)裝配圖、零件圖、控制原理和相關(guān)標準化的制造信息。該產(chǎn)線的編碼可由各個工位單元的編碼組合而成，即約定產(chǎn)線編碼的位數(shù)，定義每個位數(shù)為指定工位單元的編碼，進而獲得該產(chǎn)線的成組集成編碼。

但產(chǎn)線制造商定義的產(chǎn)線成組編碼的位數(shù)較多，每個位數(shù)的編碼數(shù)量也較多，這樣，如何進行各位工位單元編碼的成組集成優(yōu)化組合，是必須解決的一個問題。

3.1 無裝載板的產(chǎn)線成組編碼集成

裝載板是自動化產(chǎn)線產(chǎn)品的裝載工具，負責將產(chǎn)品（或半成品）從一個工位裝運到另一個工位，但許多小型消費類電子產(chǎn)品（含部件）的自動化生產(chǎn)線，并不需要裝載板，該類產(chǎn)線通常是直型或直型與U 型的組合形狀，主線通過傳送皮帶運輸，通過分選機構(gòu)或包括機器視覺系統(tǒng)的機器人操作系統(tǒng)，把產(chǎn)品（半成品）從主線送入加工工位單元，加工完成后再導入到主線（見圖5）。

圖5 無裝載板的自動化產(chǎn)線范例

這類產(chǎn)線成組編碼的集成相對簡單，因為大部分的工位單元都具備相似性，根據(jù)產(chǎn)線的工作效率要求，可以首先確定產(chǎn)線線型編碼，然后按工位排序，選擇與加工工件（產(chǎn)品或半成品）相適應的工位單元編碼，進而集成產(chǎn)線的成組編碼。

3.2 含裝載板的產(chǎn)線成組編碼集成

中大型消費類電子產(chǎn)品，或某些復雜結(jié)構(gòu)的電子產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)線，為確保加工工件準確送入工位單元的加工位置，都需要配置裝載板。這類產(chǎn)線的成組編碼的集成相對復雜，首先要根據(jù)加工效率要求和產(chǎn)線工作節(jié)拍，確定裝載板的大小和運行速度，如圖6所示，進而確定產(chǎn)線線型編碼。因裝載板穿梭于產(chǎn)線的每個工位，因此，以選定工位單元編碼后的裝載板作為接口標準，依次確定其他各個工位單元的編碼，進而集成產(chǎn)線的成組編碼。

圖6 含裝載板的自動化產(chǎn)線范例

這類產(chǎn)線的每個加工工位單元的編碼數(shù)量，一定多于裝載板單元編碼數(shù)量，因為每個編碼的裝載板必須與加工單元對應的編碼匹配，這種匹配的接口，就是標準模塊化的裝載板相應的形狀與尺寸。加工工位單元的編碼在滿足裝載板匹配要求的前提下，還有其他工藝加工要求，這不僅導致其單元的編碼數(shù)量過多，也極大地增加了工位單元建模的設計工作量。

4 總結(jié)及展望

消費類電子產(chǎn)品自動化生產(chǎn)線的成組技術(shù)，不僅能使產(chǎn)線工位單元實現(xiàn)模塊化和標準化的設計與制造，而且能夠縮短產(chǎn)線的設計與試制周期、提高可靠性、降低成本，并能使產(chǎn)線本身適應產(chǎn)品更新?lián)Q代的需求，實現(xiàn)自身快速更新的特點，并確保工作維護更加簡便。消費類電子產(chǎn)品自動化生產(chǎn)線的成組技術(shù)，目前僅僅還處于小范圍試用階段，但已深受客戶和市場熱捧，證明是值得大力發(fā)展的一種集成基礎方法。展望未來，開拓模糊聚集論和集合論等數(shù)學算法[5-6]，可以進一步優(yōu)化自動化生產(chǎn)線編碼的集成，使產(chǎn)線既適合大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，也能通過快速的變更，實現(xiàn)小批量多品種產(chǎn)品的加工制造。

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