一種產線多部品組裝工位智能工作站的開發與設計

萬金根，馮鎮球，張英軍

（東莞新友智能科技有限公司，廣東 東莞 523533）

0 引言

智能設備不斷地進入生產、制造領域，旨在提高生產效率、產品品質[1-6]。例如：護士工作站智能提醒功能的設計應用提升護士工作效率，提高護理質量，保證患者安全[7-8]。智能電網安全監控極大地提高了電網的安全和電網的質量[9]。工業機器人智能生產線的打造提高了生產效率和生產精度[10]。利用智能機器人、視覺跟蹤等設備與企業系統的互聯，實現了按照生產計劃和生產工藝生產的目的[11]。數控機床行業通過改裝數控機床自動門、外加PLC作為智能工作站的上位機和采用觸摸屏監控等形式，實現數控機床上下料智能工作站的設計，不僅能夠提高工作效率，而且能夠很好地監控數控機床的運行狀態[12]。各式各樣的智能設備的應用，與人實時交互，有效地降低人為因素導致的產品品質問題，也提高了生產效率。在實際的工廠組立生產工藝過程中，一個產品由各種各樣的部件組成，當部件數量過多時，單純靠人工作業很難保證產品的質量，在組裝過程中很容易出現漏裝、錯裝、作業順序錯誤等現象，因而通過智能工作站的應用來改變傳統的作業方式，降低人力資源投入，有效提高作業人員的安全性和產品的標準性。同時新員工可通過智能工作站進行自主反復訓練，不僅節約了培訓人工費用，而且還縮短了培訓時間，使新員工能夠更快地上線作業。

1 智能工作站

智能工作站設計的目的：一是作業流程管控，防止錯誤作業；二是作業動作引導，提升作業效率；三是縮短新人教育時間。智能工作站在硬件方面的功能有作業防錯防呆、作業動作引導、缺料呼叫等；軟件方面的功能有權限管理、生產數據顯示、機種管理、作業偏好管理等。

智能工作站的整體布局如圖1所示，包含電腦與顯示器、照明燈、貨架、下沉式原料箱、運動氣缸、工作臺面、狀態信號燈、信號采集與顯示部分（指示燈、反射傳感器、對射傳感器）、功能按鍵、運動控制箱等構成。

圖1 智能工作站整體布局

智能工作站有如下優點。

（1）對作業流程進行管控，防止錯誤作業，提高產品品質水平。

（2）作業動作引導，提升作業效率。

（3）新作業員培訓時具備全程可視化指導，培訓時間縮短，一定程度上可實現自主學習與培訓。

（4）機種作業流程可編輯、新建、修改，機種切換方便，對應機種切換，裝有存儲機能（程序記錄），能在電腦上儲存多個作業（每個機種、每個品目、每個作業流程），并提供下載功能。

（5）與作業指導書聯動，作業開始時，PC播放指導書內容，播放進度需與作業進度同步，支持作業手順書全屏顯示，特定重要部品用量可實現特寫與放大顯示。

2 智能工作站硬件系統設計

2.1 硬件結構

智能工作站硬件結構如圖2所示，由控制部分、顯示部分、執行部分、信號采集部分構成。主控板（控制箱）的功能是處理傳感器IO的信號、控制貨架升降氣缸、控制操作指示燈與設備狀態指示和與上位機之間的信息傳輸。上位機軟件主要功能是機種管理、權限管理、作業過程的實時跟進與處理等。

圖2 智能工作站硬件結構

2.2 傳感器IO板

傳感器IO板實物如圖3所示，其PCB板如圖4所示，包含電源及CAN通信接口、光電傳感器、5050RGB、可調電阻、J-LINK下載接口等。

圖3 傳感器IO板實物

圖4 傳感器IO板PCB

傳感器IO板接線通過J1為系統供電，并與上位機通信。其中各個部件的作用與功能如下。

（1）電源及CAN通信接口（J1）：1、2腳為電源引腳為系統供電，3、4腳為CAN通信引腳，與上位機通信。

（2）紅外傳感器（RPR）：人手動作檢測。

（3）RGBLED（LED）：動作指示。

（4）可調電阻（VR）：通過調整電阻阻值來調整傳感器的靈敏度，阻值越小靈敏度越高。

（5）下載接口（J3）：單片機程序下載端口。

2.3 主控板

主控板實物如圖5所示。主控板的功能包括控制工作臺傳感器、設備狀態指示燈、三色燈，以及氣缸升降。氣缸控制繼電器實現氣缸的自動升降。

圖5 傳感器IO板實物

控制箱共4個接口，分別為CN1CN2DIO1220V，如圖6所示。其中，CN1連接CAN、USB端接工控主機；CN2引出傳感器IO板的電源與通信接口（+12、GND、CAN_N、CAN_P）、氣缸控制接口（S1、S2、+24）；DIO1連接工作臺傳感器、三色指示燈等，此接口將DIO板卡（16輸入、16輸出）的所有IO口引出到轉接板上；AC 220 V為220 V電源接口。

圖6 傳感器IO板實物

2.4 貨架部品布局

貨架部品布局如圖7所示，分為下沉式和架式布局，每個庫位的寬度約為15 cm，在實際使用過程中可以根據部品的大小、數量可使單個部品占據2個、3個或更多的庫位。圖8所示為某一機種部品實際使用布局。

圖7 貨架部品布局

圖8 貨架部品實際使用布局

3 軟件設計

3.1 系統總體流程

系統運行總體流程如圖9所示，首先是作業前準備，選擇當前需要生產的機種，員工可設置作業的偏好；然后在燈光和作業指導書的指引下嚴格按照作業步驟生產產品；對作業過程中不符合要求的作業實施提示和報警。當前產品作業結束方可進行下一個產品的作業。

圖9 系統總體運行流程

3.2 主要功能

智能工作站核心的功能是在系統的指導、提示以及相應的硬件驅動下使得作業員按照正確的作業步驟和方式一步一步的規范作業，最終組裝出合格的產品。極大提升了產品生產效率，具有防呆、防錯等功能。主要功能如圖10所示。

圖10 系統總體運行流程

主要功能如下。

（1）權限管理：對系統的各項功能進行權限設置，用戶職責明確。設置軟件登錄和數據訪問權限，便于追本溯源，提升管理和生產的安全水平。

（2）生產數據顯示：實時統計和顯示生產過程中的產能信息，減少人工統計數據，及時反饋生產情況。

（3）機種管理：可根據實際生產需求進行機種新建、編輯、刪除等操作，增加工作站對不同產品的自適應能力，提升工作站的使用率和重復利用率。

（4）作業偏好管理：用戶可根據自身的操作習慣設置操作順序、部件放置位置等。

（5）防呆防錯管理：嚴密監測生產過程中的質量穩定性，對于作業員對部件的錯拿、漏拿、拿取順序不正確等操作實時報警提示；連續多次拿取錯誤，系統自動鎖住，需管理人員解除。

（6）員工培訓與資格管理：可視化指導與培訓，管理操作員工的培訓和技能資格。

3.3 生產作業流程

生產作業流程如圖11所示。

圖11 基礎功能流程

3.4 權限管理

權限管理等級分布如圖12所示，用戶等級分為作業員、技術員、工程師3個等級。其中工程師為最高用戶等級，具有數據顯示、偏好管理、機種管理、權限管理的權限；技術員可以對機種進行新建、編輯、選擇、刪除等操作。

3.5 機種管理

機種管理提高了智能工作站的通用性和多功能性，便于后期機種的維護與使用。機種管理分為機種新建、機種編輯、機種選擇、機種刪除。新建機種、修改機種、更新程序時需要操作軟件CMD（指令表）、Picture（照片）、Sound（聲音）文件夾，其存儲位置可以通過（1）右鍵軟件圖標—＞【屬性】；（2）【打開文件夾所在位置】—＞【確認】，快速訪問。配置文件組成如圖13所示。

圖13 配置文件組成

CMD文件存放機種指令表（CommandData）和功能配置文件（ini）。如圖14～15所示。

圖14 CMD文件夾

CommandData各項意義如下。

（1）序列號：僅指示作用（從1遞增）。

（2）步驟號：同時拿去多個部品時使用，步驟號相同則同時拿取，即必須把步驟號相同的拿取完后才進入下一步驟。即并行關系、互不影響（若要設置傳感器25、26同時拿取，則步驟號改為相同數值）。

（3）單步號：預留參數。

（4）傳感器號：部品對應的傳感器，如圖15中第1步為拿取傳感器25的材料。庫位合并：有時一個部品可能占據多個庫位如圖，這時需將部品占據的傳感器號都填寫出來，即多個庫位可視為一個庫位處理，拿取時觸發其中任意一個即可，即串行關系。如圖15中第8步為拿取占據20、21、22的部品。

圖15 指令表（CommandData）

（5）用量：對應步驟部品拿取個數。

（6）指導書：步驟對應指導書頁數。

（7）部品圖片：要拿取部品的圖片。

（8）LED提示：若為Y則要拿取部品對應的指示燈閃爍，為N則指示燈不亮（默認開啟）。

（9）聲音提示：若為Y則要拿取部品時播報相應提示語音，為N則不播報（默認開啟）。

（10）套數管理：拿取套數管理。

（11）作業動作（確認鍵）：若為Y則要拿取部品后需再按下確認鍵才進入下一步驟，為N則關閉。此項可用于沒有傳感器對應的動作的確認。

（12）延時時間：作業完成后，延時一段時間進入下一步（一般可不設置，此項用于所需操作時間較長的操作，以確保操作與提示語言同步）。

（13）文本框：此項填寫軟件運行時需要提示的內容。

功能配置文件（ini）各項意義如圖16所示。

圖16 功能配置文件

Picture文件夾組成如圖17所示。圖中文件構成如下：（1）此包含機種對應的圖片文件（相應操作指導書和部品圖片，以MAIN_DRIVE_ASSY為例），如圖18所示；（2）作業完成、復位時顯示的圖片，不可刪除。

圖17 Picture文件夾

圖18 機種對應圖片

Sound文件夾保存有每個傳感器對應的語音。（如若在機種指令表（CommandData）中設置傳感器1有語音提示則在拿取一號傳感器時就會播報1.wav的語音）。注：以文字命名的語音在程序中調用不可刪除。

新建機種的操作，大部分是在EXCEL表格內進行的。具體是通過設 置CMD-＞Command-Data.xls、Picture、Sound文件夾內的內容實現的。在相應表格內填入相關參數，再通過軟件逐步讀取表格內的參數，經軟件解析后，發送相應命令控制底層硬件的工作。雙擊運行操作軟件，在登錄界面（圖19）點擊機種選項后的藍色加號按鈕新建機種。

圖19 新建機種初始界面

新建機種界面中各選項意義如下。機種：機種行右邊的黑色下拉箭頭可選取已經建好的機種類型，若是沒建有則點擊右邊藍色的按鈕創建機種。工位：使用默認值。線別：可手動輸入或點擊右邊的黑色下拉箭頭選取。地區：使用默認值。設備：使用默認值。工號：手動輸入。密碼：手動輸入。填寫機種信息機種號：輸入機種名字（例子輸入：TEST）。工位名：輸入工位名（例子輸入：智能工作站）。設備號：輸入設備號（例子輸入：XFT-001）。天產能：一天要完成的產量。標準用時：作業完成所需時間（實測300 s左右）。單步間隔：取兩個材料的最短間隔（即本次操作完成后，需經過此時間后再進入下一步）。掃碼：產品有掃碼需要的則勾選。允許錯誤次數：完成一次組立所允許的錯誤次數，該項默認為0，新建機種時必須將此項設置為大于1的數，否則會一直提示錯誤。設置傳感器屏蔽（注：此時傳感器讓能感應，只是拿錯時不在進行紅燈提示）將對應傳感器的可選框內打鉤則表明此傳感器被屏蔽（即拿錯時不進行紅燈提示）點擊確認，提示“配置文件生成成功”。指令表及機種配置如圖20所示。對已創建的機種變更時需要重新配置相關文件。已創建的機種的修改與新建機種操作一致。

圖20 指令表及機種配置

3.6 軟件運行

雙擊運行操作軟件，在登錄界面，點擊機種后的下拉箭頭選擇機種MAIN_DRIVE_ASSY。輸入工號和密碼，點擊登錄。登錄后如圖21所示（此時為產品到位狀態）。

圖21 程序運行界面

各項內容：

（1）作業指導書區域對應操作指導書的內容；

（2）顯示信息對應指令表-【文本框】的內容；

（3）動作次數顯示下一次應拿取數量，對應指令表-【用量】的內容；

（4）部品圖片顯示拿取部品的圖片，對應指令表-【部品圖片號】的內容，【部品圖片號】為幾就顯示Picture文件夾中同名圖片；

（5）動作實際顯示當前應拿取數量。

4 結束語

本文設計和開發的智能工作站已應用于實際生產過程中。該平臺具有以下優點：（1）防止拿取錯漏、減少自工程檢查；（2）部品供給改善，缺料自動提示，數據可追溯，作業異常可快速改善，人員管理作業性能改善；（3）部品取用效率改善，提高生產效率；（4）新人上崗無需指導老師，自己選擇學習模式進行作業練習，縮短新人教育時間。

目前，該智能工作站已成功應用于打印機部件的組裝、電子秤組裝、工業機器人組裝、PCBA插件組裝等生產環節，服務的客戶有京瓷、百利達、新技等國內外公司，幫助客戶降低生產成本、提高產品品質。針對多部品組裝、品質要求高的工位場景未來對智能工作站還具有更大的應用前景。