航天電子數字化微組裝生產線物聯網應用技術

陳 巍，康 楠，史 磊，劉德喜

（北京遙測技術研究所，北京 100094）

0 引言

電子產品在航天領域測控通信、導航定位等電子系統中扮演著重要角色，隨著器件向著微型化、高集成方向發展，微組裝技術通過微型焊接工藝和封裝工藝把構成電子電路的各種微型元器件（集成電路芯片及片式元件）組裝起來，是形成高密度、高速度、高可靠電子產品的主要解決方案。

“十三五”開局以來，在國家堅持強軍目標和深度軍民融合的發展方針指導下，各武器系統和航天型號對電子技術和產品的需求從單一化、簡單化轉向定制化、多樣化、集成化、高質量，生產模式從小批量、多品種向變批量、多品種轉變。由于產品品種繁多、工況復雜、經常發生插單、換線等變動，單純依靠增加設備和人員，投資較大且不能從根本上提升質量和效率，各電子產品研制單位生產線面臨升級轉型。

2015年，中國提出“中國制造2025”發展規劃，為電子產品生產線的升級轉型指明了方向，數字化制造相關的先進工業技術成為提升電子產品微組裝生產效率和質量的關鍵。其中，物聯網技術因其核心要素“感知、傳輸、智能、控制”[1]生產過程和人、及、料、法、環等生產要素，可以實現制造過程的透明監控和高效決策。

1 航天電子產品微組裝生產現狀與建設需求

1.1 國內外生產線建設發展趨勢

圖1 電子產品及微組裝工藝

國內外生產線建設過程大體經歷了三個階段，即上世紀初開始的流水線方式，70年代初期開始的FMS（柔性制造系統）方式和80年代的CIMS（計算機集成制造系統）方式，隨著各種生產方式的演變，總體趨勢為生產過程各要素的集成度越來越高。為了繼續提高產品的市場競爭力，西方發達國家深入開展高性能、低成本、高可靠的工業技術。其中，美國發布了《工業互聯網戰略》積極布局智能工程，推進智能生產，引領制造模式轉型。同期，歐盟了提出《IMS2020》、德國提出了《工業4.0》、日本提出了《制造業白皮書》，其目的旨在推動智能制造成為制造業的發展重點，在未來搶占市場先機。

美國通用電氣公司將工業革命與互聯網革命統一為“第三波”創新與變革，將IT與自動化融合，推出了自動化軟件產品Proficy Mobile，連接底層自動化控制系統和上層管理系統，全面掌握產品產銷流程、提高生產過程的可控性、減少生產線人工干預、合理安排生產進度等，實現制造過程高度信息互通。

歐洲空客集團提出“未來工廠”建設構想并將裝配線自動化、車間級數字化、集成化生產等部分技術應用到各子公司。使用“即插即用”型輕量化的單臂機器人自主沿著飛機內部移動，在機身內部實現了支架的流水式安裝。該集團直升飛機公司勒布爾歇工廠采用柔性化車間布置，實現最大可能的模塊化，可根據需要對車間布置進行相應調整，實現了制造單元的可重構。

美國雷聲公司使用SAP公司的制造創新與智能（Manufacturing Innovation and Intelligence）軟件系統，開發出導彈搬運導引車、導彈導引頭光學微組裝工業機器人等自動化系統，實現了導引頭光學透鏡拾放、清潔、視覺檢驗、粘接劑注入、紫外光固化、物料流轉等工序的全面自動化，導引頭裝配時間由原來的2天縮短到不足5分鐘，失效了裝配精度的過程可控和多型號產品的柔性化裝配。

在“十三五”期間，中國航天制造企業在“載人航天”工程、“探月”工程等一批重大工程和重點型號的牽引下，開展了數字化生產線建設工作，實施了PDM、ERP、MES等信息系統和大量的自動制造能力，但在生產全過程數據的采集貫通性和數據的應用方面還在不斷的摸索前行。

1.2 電子產品微組裝生產現狀

電子產品微組裝生產接插件、印制板、模塊等物料需要在空間不同安裝面組裝，而非平面“堆疊”，常規的標準微組裝設備通常只能完成X、Y、Z和θ軸運動，很難滿足多個維度的自動化裝配要求，依靠手工作業，組裝過程無法量化，生產數據全覆蓋難度較大。

電子產品微組裝工藝涉及到物理學、化學、機械學、光學及材料學等諸多學科，集中了半導體IC制造、無源元件制造、微型互連、封裝、電路基板制造、材料加工等工藝技術，產品性能指標要求高、技術難度大、關鍵技術多，生產調度和生產過程控制難度較大。

圖2 雷聲公司自動化系統

航天型號需求量大幅增加，電子產品多品種、小批量離散制造和大批量流程制造模式并存，生產組織復雜。緊急任務插單、物料消耗等導致生產頻繁換線，任務調度周期長、技術狀態控制難度大。

航天產品質量要求嚴苛，往往需要“不惜一切代價”確保產品質量“萬無一失”，傳統側重產品結果檢驗的質量控制方式，過程控制和預防性措施不足，數據反饋不及時，導致產品返工、報廢現象較多，對交期和成本影響較大。

1.3 航天電子產品微組裝生產線建設需求

航天電子產品在多品種、變批量生產條件下，具有制造過程質量嚴格、交付周期要求嚴、工藝復雜等特點，如前所述不難發現，目前制約電子產品微組裝生產質量和效率提升的關鍵是生產過程的數據采集不全、流轉不暢和缺乏應用等，因此，航天電子產品微組裝生產線建設需要采用數字化制造技術，從生產全過程、全要素狀態物聯化采集開始，建立起可以真實有效反映生產的數字化場景，進行生產狀態的分析、監控，快速發現問題、調整策略，從而實現生產的連續、高效和高質量。為達到這一目標需要解決下面幾個問題。

1）生產信息的數字化

在生產管理中，無論是生產計劃排產、質量管理、物料管理、設備管理，還是故障的分析與維修都需要信息數據支撐。生產信息的形式主要包括數字、文本和多媒體記錄等，其中，數字是能夠最直觀提供分析的信息形式。

在指導文件方面，設計圖紙、工藝文件、作業指導等多為文字和圖片信息，依靠電子文檔或者紙質傳遞，效率低下。過程記錄方面，部分微組裝物料采用人工完成，信息的準確性、及時性受到限制。因此，無法形成上下貫通的數字化信息鏈。

2）數據信息的實時有效性

在生產活動中，各生產要素隨計劃的流轉的實時掌握是計劃調度能力和質量追溯能力的關鍵。每個生產要素需要建立身份特征與任務的識別、關聯、定位、追蹤等，通過二維碼掃碼或者RFID、Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等無線通信的方式實現，由于軍工企業保密的要求，通常采用二維碼掃碼的方式。由于微組裝需要經歷焊接、清洗等工藝環節，二維碼在全生產過程的可辨識度較為關鍵。

3）數據的分析與可視化

在生產過程中，數據的分析處理與應用是最終決定計劃完成率、資源優化配置、過程故障快速響應的核心。傳統依賴人工對大量的數據進行分析處理效率不高、策略不夠優化、響應不及時，在柔性化大批量生產中，無法滿足生產制造的準時化和精確化，造成時間的浪費、成本的增加以及質量可靠性風險等一系列問題。

2 航天電子產品數字化微組裝生產線物聯網架構

航天電子產品數字化微組裝生產線物聯網的架構如圖3所示，主要包括數據采集層、數據識別層、數據存儲層、數據分析層和數據應用層，打通原料與產品、管理人員與操作人員、人員與設備、物料之間的數據互聯，實現產品生產全過程、全要素的管理。

圖3 生產線物聯網架構

數據采集層是實現生產線物料網的基礎，主要包括生產線制造、檢驗、測試、試驗各個環節設備的數據以及相關的二維碼。

數據識別層主要包括各類數據的通信協議和二維碼的規則，用于解析不同來源的數據，便于分類存儲。

數據存儲層主要包括現場采集的數據、生產下發指令數據、生產要素基礎信息等動態和靜態的數據，用于分類存放便于數據分析調用。

數據分析層主要包括控制、調度、質量分析和設備故障分析等相關算法，用于實現自動排產、動態調整、過程監控和故障相應等功能的分析計算。

數據應用層主要包括生產進度、狀態等數據的可視化顯示以及生產輔助策略的顯示。

3 關鍵功能應用方案

在這個生產線互聯網架構首先通過數據的采集功能實現結構化的信息結構，在通過數據識別功能實現全過程數據的分類與存儲，最終通過數據分析顯示實現整個結構的運轉。

3.1 數據采集功能實現

數據的獲取主要分為兩方面建設：1）采用機器人技術替代人工實現工序過程的數字化；2）通過視覺系統實現工序結果的數字化。

當今制造業，工業機器人已廣泛應用于搬運、裝配、焊接等多個領域，其中6自由度多關節機器人，基本可以模擬人工完成電子產品多個安裝面的裝配動作，通過在機器手臂平臺上安裝加持、吸取，焊劑的噴涂、焊接等裝置模擬人工完成物料拾取、放置和其他工藝動作，機器人平臺典型微組裝功能應用如圖4所示。在工作過程中，機器人實時運動的軌跡和點位坐標在控制PLC中保存，通過上位機以TCP/IP協議上傳至服務器，實現過程的數字化。

圖4 機器人平臺微組裝典型功能應用示意圖

微組裝機器人通常采用Eye-to-Hand機器視覺系統（“手眼系統”）[2]，系統示意圖如圖5所示。

圖5 手眼系統機器人外形圖

手眼系統通過機器人手臂末端固定的CCD讀取裝配目標圖像，進行計算處理后識別出裝配目標坐標，修正機器人運動誤差，引導機器人精確動作，可以將組裝誤差從百微米量級修正到滿足微組裝控制要求的幾十微米同時，可利用手眼系統對組裝結果識別并形成可量化的誤差數據，實現組裝工序結果的數字化。

3.2 數據識別功能實現

數據識別功能通過信息源追溯技術進行物料（含半成品和成品）的標識碼賦碼，并通過物料標識碼的制作，將產品信息和物料信息等多種信息進行交互。由于微組裝產品結構尺寸小，為二維碼留下的區域小，所容納的數字量達十幾位甚至二十幾位，賦碼實現方法對可讀性影響較大。此外，標識出的二維碼在經歷高溫及化學的工藝過程后易造成表面腐蝕等現象，對標識的可識別性有較大的影響。

激光打標是一種非接觸、無污染、無磨損的標記工藝，是在高能激光束的作用下，利用激光的熱效應燒蝕掉物體表面材料從而留下永久標記的技術，主要工藝包括焦化法（深色標記）、發泡法（淺色標記）和燒蝕法（雕刻標記）其主要特點如下：

1）聚焦后的極細的激光光束，可將物體表面的材料逐點去除，其先進性在于標記過程為非接觸式加工，不產生機械擠壓或機械應力，因此不會損壞被加工物件，同時由于激光聚焦后的尺寸很小，熱影響區域小，加工精細，因此可以完成一些常規方法無法實現的工藝。

2）激光加工使用的是聚焦后的光點，不需要額外增添其他設備和材料，激光加工速度快，成本低廉，加工過程為計算機控制，生產時不需人工干預。

3）激光能夠標刻計算機軟件所設計的任何可行性信息。

針對不同的根據識別對象材料的不同選擇合適的打碼方式是建立數字化識別的重要手段。隨后，通過建立結構化的靜態數據庫和動態數據庫，按照設備、物流、人員、過程、質量等進行分類存儲。

3.3 數據分析顯示

通過建立動態數據庫與靜態數據庫的關系，實現結構化數據的交互與管理，對數據流進行抽取、分析、綜合應用等，為車間管理人員提供生產資源的優化策略、推薦多任務混線排產策略、生產路徑規劃策略等，對生產人員和檢驗人員下發生產指令和質量狀態控制要求等，為生產保障人員下發物料、設備狀態與實時跟蹤信息，為工藝人員和質量人員提供生產過程質量波動分析等，示例如圖6所示。

圖6 生產過程統計分析流程圖

最后，將生產線現場數據與實景疊加顯示，并建立人機交互界面，實時監控、調整、指揮生產現場作業。

圖7 數據顯示系統示意圖

4 結語

航天電子產品的數字化微組裝生產線建設過程中應用物聯網技術，通過機器人技術和視覺識別技術量化工藝過程扭轉了傳統數字化生產線大量依靠人工錄入的低效率；通過數字化的分析算法，轉變了傳統數據采集的單方向收集，實現了人與設備的數據交互，提升了生產過程的控制效率。

但是，必須清醒的認識到，在航天電子產品在生產模式升級轉型過程中還存在較多的困難，例如，網絡安全缺乏完善的解決方案，智能制造的研制團隊和高端人才相對缺乏。這些問題都需要在未來航天電子產品智造落實工作中予以解決。