精密光機電信息產品裝調制造執行系統設計

袁曉敏，武 岳，林紹友，韓 鵬，顧 強

(北方信息控制研究院集團有限公司，江蘇 南京 211153)

精密光機電信息產品在軍用、民用領域中(包括機械、光學、微電子、控制和信息處理等)應用廣泛。該產品結構復雜，制造難度大。

某光機電信息產品裝調車間存在如下問題：1)以人工為主的生產方式，管理手段落后，缺乏有效的信息實時采集、生產進度跟蹤和質量管控手段；2)由于產品品種多、批量小、不同種類產品零部件重疊且工藝相近，容易出現產品零部件配套錯誤、產品零部件漏裝或錯裝等問題；3)在裝調過程中，缺乏對關鍵工藝參數的有效管控，導致生產效率低，產品質量一致性差。針對上述問題，本文設計開發了一套適用于該車間的制造執行系統(Manufacturing Execution System，MES)，實現了AGV調度、工業攝像、設備控制單元和自動倉儲等多維度、多業務系統的集成，提高了生產效率和產品質量[1]。目前，MES在汽車、航空、紡織和醫藥等諸多行業中均有應用[2-5]，但是鮮有應用于多品種、小批量的光機電信息產品裝調的報道。

1 需求概述

從車間實際生產需求角度考慮，MES應包含如下功能。

1)產品信息管理。包含產品零部件結構和組成關系、產品裝配流程和裝配工藝的管理等功能。

2)生產計劃管理。支持計劃管理人員錄入、修改和刪除生產計劃。

3)設備信息管理。包含設備基本信息的管理、設備鎖定和解鎖控制、設備狀態實時采集和設備使用記錄等功能。

4)裝配過程工藝參數的在線檢測與管理。通過設備對關重器件(力矩電機)裝配過程中的有關工藝參數(壓緊行程、壓緊力變化)進行測量、存儲和上傳，便于確定最佳工藝參數。

5)物流記錄查詢。生成系統專用的二維碼，倉庫和工位通過掃描該二維碼來確認物料的流出或流入，以此記錄物料在倉庫和每一個工位的流出或流入時間，并且可以查詢物件的流轉路徑。

6)倉庫配送控制。系統根據生產計劃和每個產品在每個工位所需的零部件，指導配送人員進行正確的配送。為保證配送人員更準確、高效地完成配送，每種產品在每個工位配備特制的料盒，該料盒只能放入該產品、該工位所需的零部件。系統記錄每次配送的時間、實際配送的零部件、所用料盒和配送人員等信息，并且可以查詢所有配送記錄。

7)工人作業控制。包括工人在工位簽收倉庫配料后，系統根據簽收的配料查詢工人所需裝調的產品，調出相應的作業指導內容，以向導式界面指導工人完成所有需要的步驟；防止工人誤用設備；到達關鍵質量管控步驟時，檢測合格后方可進入后續步驟；記錄工人每個步驟的開始和完成時間、相關工藝參數和檢測結果等信息。

8)工位異常處理。工人在作業過程中遇到異常情況時，通過工位終端拋出異常，系統呼叫特定的異常處理人員在自身的終端或拋出異常的終端上進行處理；同時，系統記錄所有的異常處理情況，并且支持異常處理記錄的查詢。

9)統計查詢功能。系統根據采集的工人作業步驟開始和結束的時間，計算各個步驟所需時間的平均值、分布等統計學結果，為管理人員安排生產以及未來系統實現系統生產排程提供基礎數據。系統支持產量、生產進度、產品合格率和返修返工次數等數據的統計查詢。

10)質量追溯。能夠追溯每一件產品的參與生產人員、生產流程、檢測結果和工位完工圖像等信息。

11)系統管理。能夠管理工位、人員、權限和基礎數據等系統內容。

12)大屏展示。能在大屏上實時展示當前生產線狀況，同時支持管理人員在大屏上發布公告。

13)與其他系統集成。系統需要與AGV小車調度系統集成，與工業攝像頭、每一臺設備的控制單元和自動倉儲等系統集成。

2 系統架構

系統的網絡架構如圖1所示。AGV調度系統、工業攝像頭、在線檢測系統、設備控制單元和自動倉儲系統等車間設備和系統通過工業以太網和車間服務器相連，供車間管理人員、工藝人員、庫管人員和操作工人等通過各自的客戶端進行訪問。MES設計是基于B/S架構，使用Java EE 7和Oracle 11g數據庫實現，利用Websocket協議實現客戶端網頁自主訪問，利用套接字(socket)或數據庫中間表等方式，實現MES系統和AGV調度系統、工業攝像頭、在線檢測系統、設備控制單元和自動倉儲等多業務系統的數據交換。

圖1 系統網絡架構

3 系統功能

系統功能結構圖如圖2所示，包括在線檢測、客戶端和系統集成3大部分。

圖2 系統功能結構圖

3.1 在線檢測

結合車間生產實際情況，需要在線檢測如下參數。

1)軸承壓緊力。針對產品裝調過程中關鍵工藝參數——軸承壓緊力存在無法直接測量的問題，系統引入間接檢測設備，對部件進行振動扭擺測試。通過測試阻尼的大小和振動扭擺次數，實現對裝配擠壓力大小的測量。將系統簡化為單自由度有阻尼扭振系統，預緊擠壓力視為阻尼，與軸承構成一個耗能元件(阻尼器)；外在施加1組彈簧作為存儲勢能的元件，被測體作為存儲動能的元件，構成一個振動系統。每次作用在振動扭擺系統上的激勵保證一致，根據牛頓第二運動定律、運動微分方程和測試傳感器，可以得到阻尼比、振動周期、振幅和振動次數等技術參數，檢測并記錄多臺合格產品的數據和不合格產品的數據，通過分析這些數據，確定未來產品裝調過程中判定合格的范圍。

2)質心位置。對某幾個關鍵組件進行質心測試，并且根據組件形狀、質量等特性，給出調整平衡的建議，控制其組件的不平衡量，以保證裝配到整機上的不平衡性，解決了以往依靠操作者經驗控制、無準確數據的問題。可360°旋轉部件質心位置偏移量測試儀，將4個部件的質心位置測試集成在1臺儀器上完成，有效地節省場地和空間。

3)不平衡力矩。對于有限角度旋轉部件不平衡力矩檢測，目前無成熟的儀器設備，以往產品生產完全依靠操作者經驗來控制和最終產品性能指標測試來驗證。部件完工時，不能確認不平衡力矩指標是否合格，如果最終產品性能指標測試不合格，則造成返工，并帶來大量損失。不平衡力矩檢測儀的使用可在部件完工時準確檢測出具體數據，實現系統實時確認不平衡力矩指標是否合格。

4)電裝接線正確性。電裝接線正確性以往由操作者人工檢測，點對點檢測時不僅工作量大，且易產生點連接錯誤，既費時、費力又可靠性低。采用接線檢查儀檢查，只需根據待檢測功能器件選擇儀器上相應的功能區，撥動對應的開關，觀察通斷指示燈顏色(綠色為正確，紅色為錯誤)即可，并且點對點間的阻值也能適時顯示。

5)裝配完整性和外觀一致性。在產品裝配過程中，對關鍵工序進行拍照和檢測，自動檢測產品裝配完整性和外觀一致性，并將照片與檢測結果實時儲存至系統數據庫中，便于以后的質量追溯。在裝調過程中，若遇到涉及關鍵工藝參數的工步，系統會提示工人使用檢測設備完成檢測，并自動收集檢測設備的數據，通過比對合格范圍來判定是否合格。合格后，方可進入下一工步；否則，進入不合格審理。

3.2 客戶端

當有新的生產任務時，車間員工按照圖3所示的流程使用客戶端的功能。

圖3 生產過程基本流程圖

客戶端包括系統管理、產品信息、計劃排產、現場作業、設備管理、異常管理、庫存信息、統計查詢和大屏展示等部分，具體分析如下。

1)系統管理。系統管理包含人員基本信息管理和系統內角色和權限的管理。通過對角色設置權限，對人員設置角色，實現系統權限控制，用戶登錄系統后，網頁內只顯示有權限訪問的菜單和操作按鈕。

2)產品信息。產品信息用于錄入產品結構明細和裝配工藝等信息。

3)計劃排產。計劃排產用于車間計劃管理員錄入生產計劃，并且可以通過系統安排生產任務。

4)現場作業。現場作業用于管理工位基本信息、工位狀態展示以及工人在工位裝調的指導和控制。工位作業具體流程圖如圖4所示。

工人在工位收到料盒后需要掃描二維碼，由于每一個料盒有唯一的二維碼，系統會根據料盒的二維碼判斷該料盒對應的產品品種，以及該料盒是否是當前工位所需。若不是，系統會給出提示，并不會展示對應的作業指導界面，以保證工人在面對多品種、小批量、不同品種工藝相似度高的混線生產模式時，可以正確地完成所需品種產品的裝調。

工人在裝調作業過程中，若遇到需要進行檢測的步驟，系統會給出提示，工人只有完成該步驟并且檢測合格后，方可進入下一步，否則進入不合格審理流程；若遇到拍照留存步驟，系統會確認工人已完成拍照并且照片已留存后，方可進入后續步驟，以此保證裝調作業過程中具有有效的質量管控，從而提高產品質量。

系統會記錄工人每一步驟開始和結束的時間以及相關的檢測結果，為質量追溯提供依據，并為統計各個步驟所需時間的平均值、平衡生產線各個工序以及實現系統生產排程提供基礎數據。此外，管理人員可以查詢不同工人在同一種作業的作業時長和檢測結果等信息，為合理安排人員工作崗位提供基礎數據。

此外，工人在作業過程中，如遇到特殊原因需要暫停裝調作業離開工位，工人關閉網頁離開即可，系統會自動保存工人當前的進度，以及工人離開和歸來的時間，管理人員可以查詢所有工人的暫停記錄。

5)設備管理。設備管理用于管理系統內的設備信息和料盒信息。

6)異常管理。異常管理用于管理人員在自身的客戶端查看，并處理生產過程中拋出的異常；同時，系統也支持管理人員在拋出異常的工位客戶端處理異常。

7)庫存信息。庫存管理用于管理庫存的信息、零部件二維碼的生成、指導配送人員完成配送作業、查詢以往的配送記錄和物件追蹤。系統根據生產計劃列表顯示相應的配送任務，配送人員勾選其中一個，系統根據錄入的工藝，展示所需配送的零部件和所需裝入的料盒。配送人員從倉庫中取出所有需要的零部件放入料盒內對應的擺放位置，完成一個配送任務后，系統會提示配送人員掃描所需料盒表面的二維碼以確認配送完成，并提示配送人員將該料盒放到指定的料架上，系統會記錄此過程中配送人員所放入料盒的零部件以及使用的料盒信息，以便后續追溯零部件配送完整性和正確性提供依據。

8)統計查詢。統計查詢用于統計工人在各個工步和工序的作業時長，統計在線檢測結果的分布、合格率和返工次數等信息供管理人員查詢，為管理人員分析工人技能特點，為工藝人員優化裝配流程和平衡各個工位作業內容，為實現智能排產提供有效的基礎數據。

9)大屏展示。車間內設置大屏用于展示管理人員向所有人發出的消息公告，或者車間實時狀態。管理人員可以通過自身的客戶端控制大屏具體展示的界面。

3.3 系統集成

生產線引入了AGV用于物件流轉，系統與AGV調度系統集成，以便于系統判定需要AGV運送物件時，可以自動呼叫AGV調度系統，調度AGV完成相應的工作，逐步取代人工呼叫的方式，減少因工人誤操作而導致AGV無效運行。系統與工業攝像系統集成可實現實時采集工業攝像系統拍攝的圖像數據，為質量追溯提供有效依據。系統與設備控制單元集成通過控制單元控制設備的鎖定和解鎖，防止出現工人誤用現象。系統與自動倉儲系統的集成，使得工人作業過程中，系統根據事先錄入的工藝，實時采集庫存信息，并且管理人員可以在辦公室通過自身的客戶端了解庫存狀況。此外，系統實現自動排產時，庫存信息也是重要的依據之一。

4 結語

本文針對某光機電信息產品裝調車間生產過程以人工為主導、缺乏信息化管理、缺乏有效的質量管控手段、生產效率低和產品質量一致性差等問題，結合該車間產品品種多、批量小、不同種類產品零部件重疊且工藝相近，容易出現產品零部件配套錯誤、產品零部件漏裝或錯裝的實際情況，以及關鍵工藝參數缺乏有效管控的問題，研究、設計并實現了適應于該車間的制造執行系統。該系統在車間內進行了測試運行，錄入了3種產品的BOM表和裝配作業指導書，首批22臺某關重部件上線生產，并增加了3個可量化的質量控制點，使得該批次產品的生產效率提高了50%，一次交驗合格率達到100%，相較于之前的92%有了大幅的提高。該系統在車間內運行的結果表明，生產效率和產品質量一致性得到了明顯地提升。

[1] 饒運清，李培根，李淑霞，等. 制造執行系統的現狀與發展趨勢[J]. 機械科學與技術，2002，21(6)：1011-1016.

[2] 邵景峰，賀興時，王進富，等. 大數據環境下的紡織制造執行系統設計[J]. 機械工程學報，2015，51(5)：160-170.

[3] 宋利康，鄭堂介，黃少華，等. 飛機裝配智能制造體系構建及關鍵技術[J]. 航空制造技術，2015，482(13)：40-45.

[4] 李亞凱，王亞剛. 制造執行系統在制藥行業的應用研究[J]. 控制工程，2015，22(2)：352-355.

[5] 陳溯. 上汽整車制造執行系統的開發與實施[D]. 上海：華東理工大學，2015.