電子信息設備智能制造的技術熱點研究

曾昭武

（佛山市三水日明電子有限公司 廣東 佛山 528000）

0 引言

隨著信息技術的快速發(fā)展，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為特征的電子信息設備制造技術正在蓬勃發(fā)展，加快了各行業(yè)、各領域的融合創(chuàng)新，為智能制造的興起創(chuàng)造了條件。電子信息設備是電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，廣泛應用于通信、檢測、導航、對抗等電子系統(tǒng)中，是信息檢測、存儲、處理和傳輸?shù)妮d體，是信息時代的支柱[1]。電子信息裝備制造業(yè)也成為推動智能制造的主戰(zhàn)場。在此背景下，研究人員逐漸將智能制造的關鍵技術引入電子信息設備的全生命周期[2]。張紅旗等[3]研究了不同發(fā)展階段不同形式的電信虛擬樣機的概念/功能和模型，提出了支持概念/功能原型和工程原型的協(xié)同仿真平臺。胡長明等[4]提出了電子信息設備結構數(shù)字原型的實現(xiàn)模式，建立了結構數(shù)字原型的標準體系結構，并建立了結構數(shù)字原型的集成平臺。夏麗娜等[5]設計了電子信息設備綜合供應平臺的方案，并提出了綜合支撐服務站的內(nèi)容。

在以上研究的基礎上，本文進一步分析了當前電子信息裝備制造的特點和對智能制造的需求，開展智能制造新技術、新模式在電子信息裝備制造業(yè)中的應用探索與實踐，推動電子信息裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

1 電子信息設備制造的特點與要求

電子信息設備是機械、控制、電子、液壓、氣動、軟件等多個領域的零部件和子系統(tǒng)的綜合體，涉及許多不同的領域。它是典型的復雜產(chǎn)品，有5 個制造特點。

（1）電子信息設備企業(yè)大多采用“科研+生產(chǎn)+服務”的一體化運營模式，需要一個集需求分析、方案設計、工藝試制、試驗驗證、維護支持、具有整個生命周期的信息感知、分析和控制能力。

（2）電子信息設備是一種典型的多品種、可變批量、定制化的生產(chǎn)模式，這就決定了必須采用靈活透明的新型制造模式，以解決生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)過程控制困難的問題。

（3）電子信息設備比其加載平臺更新速度更快。它需要數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化技術來提高開發(fā)和生產(chǎn)效率。

（4）電子信息設備研發(fā)涉及多學科、跨專業(yè)的深度耦合，需要采用更先進的數(shù)字化協(xié)同仿真手段，提高多學科、跨專業(yè)的綜合設計優(yōu)化能力。

（5）電子信息設備的研發(fā)涉及廣泛的領域和眾多的企業(yè)。它是一項復雜的系統(tǒng)工程，要求具有較強的跨系統(tǒng)、跨平臺集成能力。

從本質(zhì)上講，電子信息設備智能制造是針對電子設備制造的特點和要求，將新一代信息技術和先進制造技術深度融合在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)管理中，從而有效縮短電子信息設備的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率和資源的綜合利用，降低運行成本和次品率。

2 智能制造中的新技術應用

目前，新技術在電子信息設備智能制造中的應用有許多亮點，其中以3D 打印技術、VR 和AR 技術、數(shù)字孿生信息通信技術以及微系統(tǒng)技術為典型代表。

2.1 機械電子系統(tǒng)結構的3D 打印

3D 打印技術是一種通過CAD 設計數(shù)據(jù)，利用材料逐層堆積的方法制作實體零件的技術。最早的3D 打印技術在20 世紀80 年代末首次出現(xiàn)，當時它們被稱為快速原型技術（RP）。將材料（粉末、金屬、光敏樹脂等）逐層制造，在X-Y 平面上掃描，形成數(shù)字模型的橫截面，再通過3D 打印機在Z 坐標方向上不連續(xù)移位，即可形成3D 模型。通過不斷地更新和修正，該技術已經(jīng)越來越成熟。

雖然3D 打印技術已經(jīng)取得了重大進展，不僅打印速度變快，而且打印成本也大幅降低。但目前仍存在許多不足之處，其中之一就是其模式過于死板。3D 打印機通常由機械結構、控制電路和上位機軟件組成。系統(tǒng)的軟件作為系統(tǒng)的核心部分，需要更加靈活才能實現(xiàn)快速開發(fā)和擴展。而傳統(tǒng)的3D 模型通常使用文本編程工具來完成打印任務，這雖然有簡單、可移植性和易于操作的優(yōu)點，但缺點也很明顯，它的調(diào)試和更新執(zhí)行起來相對困難，最重要的是它的開發(fā)周期較長。虛擬儀器是一種利用軟件和模塊化測量硬件來創(chuàng)建用戶定義的測量和控制系統(tǒng)的技術。使用虛擬儀器的優(yōu)點是具有靈活性高、節(jié)省時間和成本、開發(fā)速度快、投資好、解決方案簡單、附加軟件產(chǎn)品多等特點。特別是在編程、調(diào)試和快速開發(fā)方面，虛擬儀器非常適合于3D 打印機的設計和應用。

蜻蜓2020 3D 打印機是全球首款復合線路板3D 打印機，自發(fā)布以來備受關注，可快速生產(chǎn)專業(yè)多層線路板（圖1）和三維線路板。這種多層電路板不僅可以焊接傳統(tǒng)的印刷電路板，還可以焊接電子零件。目前，3D 打印是快速制造單片、小批量多層、三維電路板的好方法。對于由毫米厚度的多層非均質(zhì)材料組成的結構和功能一體化的新型復雜電子產(chǎn)品的制造，如戰(zhàn)斗機表面共形天線，傳統(tǒng)技術已難以實現(xiàn)，這已成為制約電子信息設備結構和功能小型化、集成化發(fā)展的關鍵因素。目前，迫切需要突破3D打印材料、技術和設備的技術難題。

2.2 VR 和AR 技術

在產(chǎn)品研發(fā)過程中，行業(yè)龍頭企業(yè)開始使用虛擬現(xiàn)實（VR）軟件和系統(tǒng)來模擬電子信息設備在虛擬環(huán)境中的裝配過程，實現(xiàn)裝配過程的仿真和優(yōu)化。利用虛擬現(xiàn)實技術對產(chǎn)品進行制造前的虛擬評估，可以解決電子信息設備在制造過程早期存在的問題，提高研發(fā)和制造的效率，降低人工成本。未來AR/VR 技術將應用于電子信息設備沉浸式設計審核、生產(chǎn)運營指導、產(chǎn)品安裝、運輸服務等典型應用場景。

2.3 數(shù)字孿生技術

數(shù)字孿生技術在電子信息設備中的應用經(jīng)歷了產(chǎn)品生命周期的不同階段，包括設計階段的數(shù)字孿生、生產(chǎn)階段的數(shù)字孿生和服務階段的數(shù)字孿生。通過數(shù)字模型的設計、模擬和仿真，驗證了其在真實環(huán)境中的性能。在制造階段，通過生產(chǎn)線數(shù)字化、生產(chǎn)過程仿真、關鍵指標監(jiān)控和工藝能力評價，提高電子信息設備設計質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高交貨速度。在數(shù)字孿生的服務階段，使用大量的傳感器采集運行階段電子信息設備的環(huán)境和工作狀態(tài)，進行遠程監(jiān)控和預測性維護，優(yōu)化客戶的生產(chǎn)指標，提高用戶體驗。數(shù)字孿生技術不斷快速發(fā)展，對產(chǎn)品設計、生產(chǎn)和服務的促進作用巨大。

2.4 微系統(tǒng)的設計與制造

微系統(tǒng)是以微納米制造和技術為基礎的微納米理論，是集微機械、微電子、微光學、微能量、微流等技術，結合微傳感、微處理、微控制、微傳輸?shù)裙δ苣K集成實現(xiàn)單一或多用途的綜合性前沿技術。目前，一些新的微系統(tǒng)技術已經(jīng)開始進入實際應用，如微雷達、芯片級原子鐘、芯片衛(wèi)星等電子信息設備。

微納米制造技術是微系統(tǒng)的基本手段和基礎。微納米制造主要研究微納米范圍內(nèi)的功能結構、器件和系統(tǒng)設計以及特征尺寸的制造等科學問題。研究內(nèi)容涉及微納米器件和系統(tǒng)的設計、加工、測試、包裝和設備。隨著微納米制造技術的不斷發(fā)展，目前微系統(tǒng)產(chǎn)品正從芯片級和組件級發(fā)展到更復雜的系統(tǒng)級。微系統(tǒng)技術也對電子信息設備的小型化、輕量化和智能產(chǎn)生了顛覆性的影響。

3 探索智能制造新模式

隨著新型智能制造技術的應用，電子信息設備以基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）為指導，對研發(fā)模式、生產(chǎn)模式、支撐模式和管理模式進行了探索和實踐。

3.1 智能研發(fā)新模式

MBSE 方法是建立并使用一系列模型來控制系統(tǒng)工程的原理、過程和實踐。為滿足電子信息裝備改進升級、技術研發(fā)和原創(chuàng)設計的要求，需要建立以MBSE 方法為指導的電子信息裝備前沿研發(fā)創(chuàng)新體系，構建“需求牽引、模型滲透、虛擬現(xiàn)實驗證、積極協(xié)作、流程規(guī)范、并行工作”的新型研發(fā)模式。已形成需求全過程跟蹤溯源、項目策劃過程一體化銷售管理多學科協(xié)同仿真等研發(fā)能力。開辟了產(chǎn)品正面設計流程，提高了企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新能力和市場競爭力，大大縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。MBSE方法與智能制造技術的融合，推動電子信息設備研發(fā)模式由傳統(tǒng)的逆向工程向正向研發(fā)轉(zhuǎn)變。

3.2 智能生產(chǎn)新模式

智能生產(chǎn)是指利用先進的制造工具和網(wǎng)絡信息技術，對生產(chǎn)過程進行智能化改造的生產(chǎn)方法。電子信息設備多品種、小批量的生產(chǎn)方式催生了柔性生產(chǎn)的需求。柔性生產(chǎn)需要通過智能生產(chǎn)載體來實現(xiàn)。智能化生產(chǎn)線、智能化車間、智能化工廠是柔性生產(chǎn)的主要載體。

3.2.1 智能生產(chǎn)線

在生產(chǎn)組裝過程中，智能生產(chǎn)線可通過傳感器或射頻識別（RFID）自動采集數(shù)據(jù)，并通過電子看板實時顯示生產(chǎn)狀態(tài)。它可以通過機器視覺和各種傳感器檢測質(zhì)量，自動剔除不合格產(chǎn)品，并通過統(tǒng)計過程控制（SPC）分析收集到的質(zhì)量數(shù)據(jù)，找出質(zhì)量問題的原因，見圖2。

3.2.2 智能車間

在智能生產(chǎn)線的基礎上，智能車間進一步部署了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）。實時采集分析生產(chǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)質(zhì)量、物料消耗、工藝參數(shù)、設備狀態(tài)、能耗等信息，進行高效的生產(chǎn)調(diào)度和合理調(diào)度，顯著提高整體設備效率（OEE）和產(chǎn)品質(zhì)量，并實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的可追溯性。

3.2.3 智能工廠

智能工廠由一個或多個智能車間組成。多個車間的生產(chǎn)計劃需要通過企業(yè)資源計劃（ERP）來制定。MES 系統(tǒng)根據(jù)各車間的生產(chǎn)計劃進行詳細的生產(chǎn)調(diào)度。智能工廠不僅要實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、透明化、可視化和精益化，還要實現(xiàn)產(chǎn)品檢測、質(zhì)量檢測分析、生產(chǎn)物流與生產(chǎn)過程的閉環(huán)集成，實現(xiàn)智能工廠各車間的信息整合共享、物料準時交付、作業(yè)計劃協(xié)同。

3.2.4 網(wǎng)絡協(xié)同制造

網(wǎng)絡協(xié)同制造是指借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、工業(yè)云平臺，開發(fā)企業(yè)間協(xié)同研發(fā)、眾包設計、供應鏈協(xié)作等新模式，有效提高資源利用效率，降低資源利用成本，拓寬資源利用范圍。網(wǎng)絡協(xié)同制造尤其適用于產(chǎn)品結構復雜、設計周期長、制造環(huán)節(jié)多的大型裝備產(chǎn)品。以中型氣象設備為例（圖3），它是一種高度集成的復雜電子信息設備，零部件數(shù)以萬計。這種裝備的研發(fā)必須進行協(xié)同設計、協(xié)同生產(chǎn)、供應鏈協(xié)同等社會協(xié)作。

利用網(wǎng)絡協(xié)同制造技術，電子信息設備制造企業(yè)的價值鏈從單一的制造環(huán)節(jié)延伸到上游的設計開發(fā)環(huán)節(jié)，再延伸到下游的生產(chǎn)制造控制環(huán)節(jié)，形成集工程設計、生產(chǎn)制造、供應鏈、企業(yè)管理為一體的網(wǎng)絡化協(xié)同制造系統(tǒng)。

3.3 智能支撐新模式

智能支撐是指通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)和運營數(shù)據(jù)采集，并利用大數(shù)據(jù)分析提供各種智能服務。智能支撐實現(xiàn)從銷售產(chǎn)品到銷售服務的擴張，從產(chǎn)業(yè)鏈的制造環(huán)節(jié)到銷售環(huán)節(jié)的兩端，拓展利潤空間。電子信息設備的設備狀態(tài)監(jiān)測、預測性維護和遠程維護，對于確保電子信息設備的安全運行，降低運行成本，促進設備服務業(yè)的跨越式發(fā)展具有重要意義。基于大數(shù)據(jù)的雷達產(chǎn)品智能服務支撐平臺，可以通過遠程互聯(lián)對設備的運行狀態(tài)、健康水平和性能變化趨勢進行監(jiān)控和分析，實現(xiàn)預測性維護。此外，通過對大數(shù)據(jù)的分析和挖掘，為設備優(yōu)化設計提供反饋，不斷提高設備性能。傳統(tǒng)的“交鑰匙工程”轉(zhuǎn)變?yōu)槿悄苤危瑢崿F(xiàn)“一代平臺，多代電子”。

3.4 智能管理新模式

電子信息設備企業(yè)通過構建基于大數(shù)據(jù)的決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)了經(jīng)濟運行、科技創(chuàng)新、市場營銷等管理領域的數(shù)據(jù)采集、分析和預警（圖4）。實現(xiàn)整個過程的管理和控制，整個領域和整個維度主要風險的預警和預測，有效地提高了決策的效率和電子信息設備的管理和控制水平。

4 結語

智能制造新技術的應用促進了電子信息設備研發(fā)模式、生產(chǎn)模式、服務模式和管理模式的轉(zhuǎn)型升級和創(chuàng)新，有效縮短了電子信息設備的開發(fā)周期，大大提高了生產(chǎn)效率和資源的綜合利用率，大大降低了運行成本和次品率。未來，在電子信息設備智能制造的加速發(fā)展中，將面臨諸多挑戰(zhàn)，如標準、人才、安全、生態(tài)等。相信隨著區(qū)塊鏈、人工智能（AI）、機器人過程自動化（RPA）等信息通信技術和先進制造技術的不斷成熟，以及各方不斷深化的探索，電子信息設備智能制造的發(fā)展將迎來新的篇章。