基于AI視覺技術構建柔性生產數字化車間

文/黃春機 福建星網銳捷通訊股份有限公司

當前中國快速進入老齡化社會，人口紅利逐漸消失，企業用工難招工難日益顯著。面對當前困局，為繼續推動中國從制造大國走向制造強國，需要加快建設數字化車間，用自動化設備替代繁重的人工勞動，實現生產的智能化和信息化。星網銳捷結合新一代信息技術構建數字化車間。本文總結了星網銳捷構建數字化車間的背景、總體目標和主要研究內容，供電子制造業企業探索企業數字化轉型參考。

背景情況

當前中國電子制造行業還存在大量的人工作業生產環節，依賴人工經驗，效率不高且易出錯。例如：電路板的測試、產品的鎖附螺絲、裝配件完整性檢查、外觀檢查、產品功能/性能測試、裝配打外、堆棧板等一系列的生產制程。隨著中國進入老齡化社會，人口紅利的逐漸消失使得用工成本高，招工越來越難，這是勞動密集型產業包括電子制造業近年來遇到的共同問題。

為應對這一問題，近年來國家工信部開啟“機器換人”計劃，來提高生產效率，降低勞動力規模和成本，開始走上“智能制造”之路：鼓勵和引導通過大規模的技術創新，在產業結構上實現從勞動密集轉向資本技術密集；通過技術創新達到技術密集，從而為經濟發展創造出有力的技術條件，促進國家提升整體產業結構從而實現產業升級，實現經濟的穩定、可持續增長。新的生產與管理技術也是技術創新的重要表現，提高了工業制造的生產率，如機械化與自動化設備、信息化管理等。這些技術進步不但擴大了產業經濟對勞動力的需求，而且大幅提高了社會的經濟價值，從而創造了持續不斷的人口紅利與技術紅利穩步增長的局面。越來越多的企業開始引進物聯網、云計算等新一代信息技術，打造現代化的數字化車間，解決企業招工用工難的問題，提高生產效率，同時大幅度提升品質，加強企業市場競爭力。電子行業的巨頭，如格力的黑燈工廠，過去一萬人的工廠現在只需1 000人，在AI的加持下，無人操作對精度、質量、效率帶來了顛覆性變化；小米的智能工廠年產百萬臺高端手機，該工廠可實現全廠生產管理過程、機械加工過程和包裝儲運過程的全程自動化黑燈生產，過去貼片機前后端需要四五位工人，現在依靠自主研發的設備，可以完全替代了人力。相比行業巨頭投入巨資建設全新的黑燈工廠，目前數量眾多的中小企業沒有充足的資金投入，也缺少相關的技術能力，他們更需要在現有的條件上，進行數字化車間的改造，從而減少對人工的依賴，提升生產效率。星網銳捷正是從中小企業進行數字化轉型的實際情況出發，基于AI視覺技術，打造和改造數字化車間，從而實現柔性生產。

數字化車間構建目標

星網銳捷構建數字化車間，打造具有國內領先水平AI視覺軟件基礎平臺，應用于電子產品智能柔性生產線，實現省人或無人化，提高生產效率及品質，生產全過程管控和可追溯性，形成一套完整的解決方案并推向市場，提升中國電子產品制造企業的自動化和智能化水平，數字化車間總體規劃如圖1所示。數字化車間構建目標如下：

圖1 數字化車間總體規劃

1）以人工智能解決用工問題（依賴人工經驗，招工難，老年化、繁重重復勞動等）；

2）穩定的生產作業，提升品質；

3）少人化、無人化；

4）提升生產效率，降低生產成本。

數字化車間內容

將AI視覺技術應用于生產的各個環節，從構建數字化車間整體規劃，到生產作業、質量管控等各個場景，打造柔性生產的數字化車間。

（1）軟件平臺——AI視覺技術應用于數字化車間總體設計

數字化車間技術架構如圖2所示。

圖2 數字化車間技術架構圖

通過AI視覺軟件基礎平臺，對生產過程中不同作業環節的工藝要求、經驗值、作業方法等進行軟件算法轉換，再通過機器學習后，通過控制軟件系統與輔助機械手進行生產作業。同時依托智能化的服務平臺，分析大數據和建立模型及模擬預測的方式，結合監控裝置設備反饋回來的站情中心的信息，進行綜合管理，質量管控和設備管理等應用場景，并與設備聯網、終控平臺、物流控制等自動化互聯系統（如AGV搬運、自動化設備狀態監控、機器人工作站和檢測設備）進行銜接。

（2）PCBA板卡無人測試——AI視覺技術應用于質量管控

電路板的測試，通常需要人工拔插通電、放入固定屏蔽箱等一系列的操作，耗時耗力，通過AI視覺技術的應用及機械手的輔助，原有人工測試工作，完全實現了無人化作業。

PCBA板卡無人測試具有自動上下板、裝治具、各類測試、掃碼等作業功能，ATE工具自動對接通信，測試數據可追溯。測試工藝可靈活定制，測試過程自動控制，實現無人化作業。適用于各類 PCBA 主板。PCBA板卡無人測試如圖3所示。

圖3 PCBA板卡無人測試

技術優勢：

1）工藝流程可配置，預先設定多種生產工藝，柔性生產；

2）自動監測屏蔽箱工作狀態，系統自動分配測試工站；

3）多種機型同時測試（MAX：3種）；

4）可活動式測試小車，便于工裝治具NG時，不停線并移出線外處理；

5）可達到國內先進水平。

（3）螺絲鎖附——AI視覺技術應用在生產作業

這是基于AI視覺技術在緊固件作業中的創新式應用。通過機器學習和AI視覺技術實現自動識別產品、自動找孔、自動定位、自動鎖附等作業，支持多角度斜面鎖附。設備適用范圍廣，可滿足多品種、少批量產品生產的螺絲鎖附需求。產品內部與外部螺絲的鎖附，依靠人工方式容易出現漏鎖、浮鎖、劃傷產品等問題，通過機器學習和AI視覺技術實現了自動識別產品、自動找孔、自動定位、自動鎖附，無工裝、動態定位、多角度、斜面鎖附作業，在各項技術指標中均表現優秀，整體應用效果可達到國內先進水平。

導入AI視覺鎖螺絲設備后可使生產鎖螺絲環節效率提升50%、產品優化率100%、鎖附環節工時利用率提升80%、生產效率提升20%。螺絲鎖附如圖4所示。

圖4 螺絲鎖附

設備關鍵技術指標：

1）產品識別定位時間小0.5s，產品定位精度偏差小于0.2mm；

2）螺絲孔位識別時間小于0.5s，螺絲孔位識別精度偏差小于0.2mm；

3）單顆螺絲鎖附小于4s，正常鎖付成功率大于99.5%；

4）無工裝、動態定位、精準鎖附；產品可以任意方向（多角度，斜面鎖付）進入設備作業，無須軌道限位和導向；

5）可達到國內先進水平。

（4）智能品質檢測——AI視覺技術應用于質量管控

這是基于AI視覺技術在內外觀檢測作業中的創新式應用。通過視覺系統學習和訓練及圖像處理、特征識別、字符識別等，能有效識別出產品的內外觀不良。設備適用范圍廣，可滿足多品種、少批量產品生產的內外觀檢測需求。產品在生產裝配過程中，通過人工檢查產品的部件完整性、外觀的完好性，容易出現漏檢、視覺疲勞等因素，造成不良品流入市場；而智能品質檢測設備通過視覺系統學習和訓練，能有效識別出產品的內、外觀不良，支持多面、任意角度的不良檢測，形成完整的品質數據追溯鏈，整體應用可達到國內先進水平。

檢測內容：

1）內觀包含檢器件有無、檢安裝方向、檢插線、點膠、走線及需要確認的產品內部裝配特征等；

2）外觀包含螺絲、標簽、絲印、劃痕及需要確認的產品外部特征等。

技術優勢：設備支持多面、任意角度的不良檢測； 可根據產品SN數據采集外觀視覺信息，形成完整的作業數據追溯； 產品識別定位時間小0.5s； 產品定位精度偏差小于0.2mm；可達到國內先進水平。

圖5 智能品質檢測

（5）智能產品測試——AI視覺技術應用于質量管控

為了確保產品在功能方面、性能方面的良好，通過AI視覺與測試裝備相結合，實現全自動化測試的智能產品測試生產線，達到無人化作業，同時提升測試效率與產品質量。

導入智能產品測試裝備后可實現自動化測試，系統記錄測試全過程實現實時的產品測試過程追溯；可以節省人力、降低勞動強度、提升測試效率，產品的測試過程實現可追溯性、提高生產效率。

設備關鍵技術指標包括： 產品識別定位時間小0.5s；產品視覺定位精度偏差小于0.2mm； 單設備每小時完成150個產品測試；無人化作業。

（6）自動裝箱裝棧——AI視覺技術應用于生產作業

產品下線包裝時，通過AI視覺技術，完成產品信息自動采集、不良品與良品的自動區分，良品自動裝入包裝箱，替代原有人工人作業，同時提升生產效率。

自動裝箱裝棧采集產品上的二維碼（正面或反面），將產品條碼與裝箱的條碼綁定，并上傳系統；自動將漏過站&NG品放入NG區，同時從備品區抓取合格品（帶條碼信息）補入裝箱，適用于電子產品。

技術優勢：兼容托盤尺寸范圍：214mmx298mm、267mmx370mm；UPH：≥5 000pcs/h，產品換型操作便捷；操作員工：1人；生產信息對接MES（智能制造執行系統）。自動裝箱、裝棧如圖6所示。

圖6 自動裝箱、裝棧

（7）最終目標——建立應用AI視覺技術的智能柔性生產線

視覺技術、AI軟件算法、控制系統、智能化服務平臺應于生產制造過程（例如PCBA測試、裝配、檢驗、產品測試、裝箱和裝棧等生產環節），與機械手、自動化裝置等協同，實現省人或無人化、降低勞動強度、提高生產效率及品質，降低制造成本，以及生產全過程管控和實時完整的可追溯性等，很好地解決了各場景中的困擾，實現了少人或無人化，提高生產效率及品質，降低制造成本；同時通過自主研發、申請軟著、專利等技術積累及市場應用經驗的沉淀，給中國電子信息企業帶來直接或間接的經濟效益。

圖7 應用AI視覺技術的智能柔性生產線

結束語