淺談智能制造單元的一般設計*

袁文卿 ， 袁迎松

（1.蘇州富強科技有限公司，江蘇 常州 213000；2.常州紡織服裝職業(yè)技術學院，江蘇 常州 213164）

汽車消費市場的急劇擴張，帶動了整個汽車工業(yè)的快速發(fā)展。為了滿足人們個性化的消費需求，汽車廠商也會對一款企業(yè)設計多個子系列，或者推出高中低不同的配置。同樣一個功能的車載電子（汽車傳感器），不同廠家也會有細微的定制差別，也就給森薩塔這個科技巨頭帶來了新的制造課題——如何建設智能工廠實現(xiàn)產品柔性制造，一條產線滿足多種需求，快速響應，靈活切換，通過MES自動導入生產訂單，輔以少數人員，設備自動完成生產制造與訂單入庫[1]。

蘇州富強科技有限公司與森薩塔合作建設了車載電子產品智能制造生產線，為滿足產品制造工藝要求而設計的一款點膠機，作為其智能工廠生產線的一個獨立設計制造且聯(lián)線生產運行的智能單元，具有一般推廣意義。本文將以編號為R2293的一款富強科技智能點膠機為例展開論述說明，并匯總一般智能制造單元的設計經驗[2]，主要包括整體功能設計、軸系設計、點膠閥設計、流水線、視覺與量測系統(tǒng)、校針、擦膠系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、MES與通信、軟件等部分。

1 設備整體規(guī)劃以及設備部件、功能分解

通過前期考察客戶生產線、了解學習森薩塔工廠該產品DPS、DRS（客戶端產品代碼）的生產工藝，并與膠水廠家交流，測試并獲得膠水的特性，富強科技編制了DFM（定制設備設計制造方案），從而對點膠機設備有了整體規(guī)劃。

該產品使用的是道康寧電子行業(yè)膠黏劑，牌號如下Dow Corning? 3-1598 HP，主要性質如表1所示。

表1 道康寧電子行業(yè)膠黏劑

基于從森薩塔客戶端獲得的信息，客戶選用了行業(yè)內較為普遍使用的硅膠類型黏合劑，具有黏度高、固化慢、易掛膠拉絲等特點，該膠水應選用螺桿閥。市場主流膠閥品牌有諾信（Nordson）、漢高樂泰（Henkel LOCTITE）、世宗（Sejong）、太河（TAEHA），本項目經過技術篩選對比后，選取了兩款進行實測對比，如表2所示。

表2 兩款膠閥品牌實測對比表

以加權綜合評比，PCP-150膠閥綜合評比得分較高。本項目加權平均計算時，充分參考了客戶意見，由于項目周期緊迫，對供貨周期權重調整，并賦予了15%的權重。這也是因項目不同而作臨時調整的。這種綜合評分往往也會因不同行業(yè)而又有差別。如醫(yī)藥制造行業(yè)，生產制造周期較長，往往對供貨周期較為放寬，3C行業(yè)則是與時間賽跑，錯過產品發(fā)布時間，則會造成整個項目流產，對性能、周期特別敏感。外形尺寸對設備的影響在于，是否增加新的結構件、是否需要增加設備軸系行程，這也將會影響設備的設計周期以及成本。膠閥本體直接安裝在Z軸，閥體的重量占據了軸系大部分負載能力，達到同樣的定位精度、重復精度，負載越大，加速度越小，或同樣的運動性能下，負載越小，精度越高。膠閥的選型是一個綜合評定的過程。往往需要一定的項目經驗、測試數據以及生產工藝參數為基礎進行評定，也是點膠機設計過程中最為關鍵的一個環(huán)節(jié)。為了實現(xiàn)不間斷添加膠水物料，膠閥上游配備了壓力泵，不間斷供膠，減少產線配料作業(yè)人員，同時降低因添加膠水導致的宕機時間。

選定膠閥之后，基于設備并線運行時的生產工藝流程以及關鍵管控要求，對所需要設備功能模塊分解，并逐一細化設計。設備主要功能包括膠閥選型設計、軸系設計、點膠閥設計、托盤輸送流水線、視覺與量測系統(tǒng)、校針、擦膠系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、MES與通信、操控軟件與UI界面等部分[3]。后面就關鍵功能模塊設計開發(fā)予以分別討論說明。

2 托盤輸送流水線

產品連同夾具裝載于托盤上，自動傳輸到點膠機軌道上，該點膠機為雙軌軌道，并行輸送物料，膠閥交替作業(yè)。該流水線智能工廠是柔性生產線常用的模塊化流水線。一般采用鏈條、皮帶輸送。同樣負載、同樣速度下，皮帶傳動具有信號平穩(wěn)、噪聲低、響應快等特點。而鏈條主要在長距離、方便接駁串聯(lián)、大負載等表現(xiàn)出突出優(yōu)勢。3C消費電子行業(yè)多用皮帶傳動，汽車行業(yè)由于負載較重，整條線體大多數工站單元必須選用鏈條輸送，為保持風格一致，點膠機單元也采用倍速鏈條輸送。

為了實時監(jiān)測物料與托盤的流入情況，安裝了四組光電傳感器，將流水線分為3個功能區(qū)域，待料區(qū)、點膠區(qū)、流出區(qū)，光電分別順序編號abcd，安裝間距為托盤（載具）。等待區(qū)，ab同時感應到（感應指示燈亮）代表托盤到等待位置，a亮b滅，代表正在流入，a滅b亮代表托盤正在流出，ab同時熄滅則載具已流出，可以允許下一個托盤流出，阻擋氣缸釋放，允許上游物料與載具流入。ab同時亮起，代表流入到位。點膠區(qū)、流出區(qū)也是同樣的控制流程，不允許兩片載具同時流入同一個作業(yè)區(qū)段，避免生產狀態(tài)記錄混亂，也避免載具前后互相撞擊。

輸送線自動調整功能，是為了適應產品快速切換而設計的一個增值選配功能。一般生產線都是定寬輸送線，或者是手動調整寬度，而柔性輸送線則可以完成自動調整寬度，完成與載具的匹配，并自動換型生產，或者不同工單混線生產[4-5]。

從工廠層面接入MES系統(tǒng)，并將不同的產品信息輸入載具點膠機設備，點膠機PC上存儲多種規(guī)格的產品、載具、流水線寬度匹配信息。生產訂單下達，輸送線自動調整，安裝在等待區(qū)的RFID射頻讀取器讀取載具的編碼信息，驗證流入的載具是否正確。流水線調整寬度之后，光柵尺也會自動讀取寬度，并反饋至IPC（工控電腦），與預先加載的調整寬度信息比較，是否調整到位。載具設計，一般加入防呆特征，沒有與產品匹配一致，則被等待區(qū)的阻擋機構拒絕流入點膠區(qū)，提示人工核對或取走異常物料、載具，避免載具與物料混亂。由于產品上會刻有二維碼，等待區(qū)的掃碼槍也會讀取識別裝載的產品是否正確。點膠區(qū)的視覺系統(tǒng)也可以加載視覺模板，驗證生產配方與流入的產品是否匹配。寬度不對，載具則流不進來，載具信息不對會被RFID識別出來，產品不對治具不兼容掃碼槍也不會允許訂單外的產品流入，到了點膠區(qū)域還能復檢，四種保障確保生產訂單無串貨，A客戶的訂單不會流入到B客戶現(xiàn)場，既做到了客戶間產品信息保密，也確保了每一個生產訂單完整、準確。

輸送線自動調整過程如下：工廠MES系統(tǒng)下達生產訂單，確定產品規(guī)格型號、批次；設備控制系統(tǒng)IPC調取生產配方（治具參數、點膠參數、其他工藝參數），發(fā)送給控制運動器，轉化為運動參數，由馬達驅動器和馬達調整到位。比如需要調整200 mm寬度，馬達轉動，通過螺桿與直線導軌傳動，輸送線調節(jié)側與基準側之間寬度變化，光柵尺與讀數頭，反饋回來調整后的寬度，調整完畢，則進入生產模式。

這種柔性輸送線，不僅適用于汽車零部件行業(yè)，也可以用于以手機為代表的3C消費電子行業(yè)，比如一款新發(fā)布的手機會有標配、Pro、Plus、Max等多個版本，根據市場上消費者的反饋，可能會對某個版本需求增加，就需要在特定時期內將Pro版本切換到Plus版本。而這種柔性輸送線就能很友好地適應瞬息萬變的市場需求。不僅是點膠機，智能制造線上的其他單元，諸如組裝設備、焊接設備、檢測設備、測試設備都可以借鑒這種設計。

3 軸系設計

軸系設計主要考慮速度、負載、精度、行程等指標。載具有很多個規(guī)格，而且最大載具外形是260 mm，考慮到提高效率采取了雙閥點膠，輔以小軸X1Y1，主閥在XYZ空間內補償運動，副閥由X1Y1軸系直接驅動，實際為雙軸系疊加驅動，兩個閥可以同時工作。此種設計可以將膠閥點膠時間縮短一半，同時把每盤載具上各個穴位之間切換運動的時間縮短一半以上。比如四穴載具，原來運動1→2→3→4→1……循環(huán)，現(xiàn)在則是1，2→3，4→1，2……運動步數由4步減少為1步，節(jié)省了50%以上的穴位切換運動時間。

軸系行程設計，主要考慮兼容最大載具，也要預留一定的擴展功能。X行程260足夠覆蓋260長度的載具。但是為了降低宕機率，提高設備可靠性，特地設計了單閥點膠模式——在一個閥拋錨時候，另外一個閥可以兼容整個載具四個穴位的點膠。左閥能點膠到最右邊，右閥能點膠到最左邊，雙閥間距110 mm～130 mm，則需要X行程130+260=390 mm，取整數設計X行程400 mm。同理Y軸需要能兼容雙軌道輸送線，并能到達擦膠位置。

軸系結構設計，綜合行程、精度、負載以及在線點膠的功能，Y軸橫跨流水線的龍門結構最適合本機。綜合皮帶傳動、絲桿傳動、直線電機直驅各個特點，皮帶傳動在大負載工況下定位精度表現(xiàn)不佳，直線電機經濟指標不突出，選用絲桿傳動，配以精密直線滑軌是最優(yōu)方案。副軸系X1Y1，以質量輕、體積小為佳，選用集成度高的精密電缸滑臺是最為合適的方案。

軸系精度設計，點膠機以客戶需求為依據，經驗公式絲桿精度誤差=1/5 mm～1/2 mm點膠精度誤差，CPK指數越大，相應的絲桿精度也就更高。本機點膠機精度±0.1 mm/260 mm，根據以往項目經驗，C5級別研磨滾珠絲桿定位誤差±0.05 mm/300 mm足以滿足使用要求。輔以視覺定位，最終精度可以做得更精準，CPK指數也是能實現(xiàn)的。本機在實際完成之后進行了測試，重復定位誤差小于±0.02 mm，定位誤差±0.05 mm，CPK指數＞1.67，性能指標合格。

諸如點膠機這樣的智能制造單元，往往需要各種軸系，整體結構、伺服系統(tǒng)、傳動、精度、速度與產能多個維度綜合衡量而確定最終設計[6]。最終的設計成果也是各個細分工作的組合。一般項目周期短，往往會選擇模組或電缸，產能速度要求高則選用直線電機，經濟指標突出則選皮帶傳動，基于客戶需求綜合評比而定型設計方案。

4 視覺與量測系統(tǒng)

視覺與量測系統(tǒng)是點膠機的慧眼。主要用于捕捉產品精準定位、復檢產品點膠NG/OK、檢測產品在治具中是否混料、串貨，是否把產品裝夾到位、載具是否平整。

視覺系統(tǒng)主要包括智能CCD相機與相應的視覺處理軟件系統(tǒng)，通過抓拍產品自身定位特征，建立產品的物理坐標P（X，Y）坐標系，通過視覺系統(tǒng)計算，與CCD相機拍攝的坐標P’（X’，Y’）關聯(lián)起來，視覺坐標系與世界物理坐標系建立映射關系f：P’P，從而獲得點膠針頭應該到達的物理位置，視覺引導軸系與膠閥完成點膠。此外通過CCD拍照以及OCR圖像處理，掃碼功能識別不同產品批次系列。輔助校核設備調取的工藝配方與生產物料是否一致，對MES依據RFID識別載具調取配方再次檢查。

點膠完成后，復檢拍照，圖像處理后把點膠軌跡處理成明暗不同的灰度圖像，依據示教學習設定特定的閾值，判定膠水是否中斷或者膠水是否溢出。對于各個穴位的結果存儲并上傳，并以載具編號、穴位編號、NG/OK等信息上傳至整線主機IPC，實現(xiàn)與其他工站（智能制造單元）共享。比如下一站黏合殼體之前，先讀取點膠是否OK，否則跳過，不予以組裝，以避免物料浪費。NG產品將在下游分選工站予以剔除，或報廢，或再返修利用[7-8]。

激光測距傳感器、位移傳感器，主要用于Z軸標定以及高度方向檢測或者量測。點膠機經常更換針頭，每次更換針頭后，需要標定針頭的高度Z以及XY位置。XY可以在標定板上點膠，由相機拍照獲得視覺坐標與軸系已建立關聯(lián)，從而獲得了針頭的XY坐標。同理，Z方向，需要針頭去接觸位移傳感器，根據位移傳感器獲得Z反饋的高度。每次更換針頭后，XYZ坐標都會獲得補償，保證更換后點膠品質不變化。

5 其他輔助功能

點膠機作為智能制造生產線一個單元，不可能全天24小時生產，其他工站宕機、停機抽查品質，或者計劃內停機休息，都會要求點膠機也相應地配合停機待生產。長時間停機針頭上就會漬膠水，也就需要配以清膠機構。

本項目點膠機為高黏度硅膠，屬于高黏度難清除的膠水，特設計了布帶擦膠機構。一個提供無塵布帶的阻尼料卷，一個主動收集廢布帶的料卷，中間從一個夾爪氣缸經過，模擬人類手指，粘貼發(fā)泡硅膠海綿，外面套上一副指套，配著無塵布夾緊針頭，針頭在Z軸帶動下退出來，從而實現(xiàn)擦拭針頭。針對低黏度、水溶性流體，環(huán)保無毒膠水，使用噴射閥點膠，則選用瓦拉爾高速氣嘴吹拭，凈壓縮空氣經過噴嘴吹出，獲得高速氣流，殘留膠水被打散成細小顆粒或氣化，通過廢氣收集管道抽走，集中處理。膠水、膠閥千變萬化，需要對不同的工況靈活選用，或者對中等黏度的UV膠，也有選用真空抽取殘膠的方式[9-11]。許多輔助功能往往體現(xiàn)著個性化設計，是為客戶量身定做的亮點功能。

智能制造生產線，往往只需要配備極少數的生產輔助人員，所以每一站的設備，除了發(fā)揮制造功能還要具備一定的品質管控功能。本項目的點膠機對點膠重量有管控要求，本設備就實現(xiàn)了在線監(jiān)測并管控、調整點膠重量。

不同的產品生產任務有著不同點膠重量要求，這也可以預先存儲到PC中。根據工廠MES下達的訂單，自動切換生產配方，并對點膠重量自動調整、修訂。點膠機膠閥運動到收集盒位置，按照生產時的點膠路徑點膠，并稱重。稱重結果與品質管控目標（重量）比較，如果不在設定目標范圍，則自動調整點膠參數。比如螺桿閥修正補償轉速、噴射閥補償修正點膠頻率。每次稱重后，檢重稱上傳數據，并自動清零。

該檢重系統(tǒng)還能實時監(jiān)控生產，定時抽查點膠重量及其點膠工藝參數，并上傳MES系統(tǒng)，實現(xiàn)實時品質自動管控。以往都是品控人員定時、定點、定額抽檢，現(xiàn)在可以在線管控，并及時調整，從而提高了整線的智能水平，具體流程如圖1所示。

圖1 點膠重量動態(tài)監(jiān)控調整示意圖

點膠機是智能工廠柔性生產線一個制造單元，無論它是非標定制，還是廠家量產，無論它簡配笨拙粗陋，還是豪華靈動智慧，它也只是一臺普通的設備，都要遵循一般的機械設計理論。機械設計本身就是一門工程實踐科學，既要遵循系統(tǒng)的科學理論，也要善于總結自身經驗，學習同行的優(yōu)秀案例。他山之石，可以為錯，他山之石，可以攻玉。本文也是對自己項目的一個總結，也是一次案例分享。借此機會將點膠機的一些設計經驗分享給機械工程領域的各位同仁，以期能為各位工程師提供一些靈感，使得自己的設計成果更多地融匯新思路、新功能，讓自己設計的智能設備（或智能制造單元）在工業(yè)4.0的浪潮中劈波斬浪、揚帆遠航。