智能終端精密外觀結構件離散型智能工廠規劃*

羅衛強，唐 斌，陳勇軍

（廣東長盈精密技術有限公司，廣東東莞 523808）

0 引言

金屬中框、外殼等精密外觀結構件是移動電話、平板電腦等3C（Computer,Communication,Consumer Electronic）智能終端的重要組件，具有支撐智能終端結構、固定零部件布局、美化外觀等功能。由于移動電話、平板電腦等智能終端的品牌與型號繁多，精密外觀結構件大多為個性化的非標器件[1]。精密外觀結構件的結構與制造工藝流程復雜，且需依據要實現的不同功能來選擇各類原材料，經模切、沖鍛壓、成型、CNC 加工、研磨等各種不同工序后，再經過表面處理、組裝等環節最終形成成品。智能終端精密外觀結構件的生產過程需要應用高速加工和超精加工技術、快速成型技術、自動化控制技術等，因此，該類產品對先進制造技術的綜合性要求高[2]。

當前世界各國都在大力推進新一代的5G 移動通信技術，我國已在“十三五”期間大面積建設了5G 基礎設施，并將在“十四五”期間著重推廣5G技術的應用，這加速推進了智能終端的更新換代[3]。同時，各智能終端廠商針對不同應用場景與消費群體所推出的產品間均存在差異。因此，智能終端精密外觀結構件的制造也相應越來越呈現出大批量、個性化、短周期的特點。然而精密外觀結構件的傳統制造工藝流程存在各環節難以靈活組合、環節間的銜接大量依靠人工、無法根據訂單靈活進行生產調度優化等問題，因此在生產效率、靈活性與精確性等方面難以滿足日益提高的市場需求。

智能制造是制造業的發展方向，它將先進的制造技術與信息技術進行深度融合，是提高制造業水平、實現制造業結構調整的高端技術。智能制造將為制造業的全面發展提供有力推動和必要保障[4]，2021年12月工信部發布了《“十四五”智能制造發展規劃》，明確指出智能制造是國家的重大戰略部署[5]。為滿足智能終端市場的需求、緊跟時代發展，精密外觀結構件的制造也亟需向智能制造轉型。現有研究多著重于精密外觀結構件制造中某一環節的優化與改進，如數控加工[6-7]，結構件打磨[8]，結構件三維形貌測量[9]與外觀缺陷檢測[10]等。然而，一個或某幾個環節的智能化無法幫助精密外觀結構件的制造企業順利轉型，一套完整的精密外觀結構件智能制造方案尚未見報道。

本文介紹了基于智能終端精密外觀結構件制造過程與工藝特征所構建的離散型智能工廠。通過研發關鍵智能化制造設備，實現高精密數控加工、柔性機器人、自動化產線等生產單元的智能化組合應用。同時，將數字化加工技術、自動化數據采集與模式識別技術、信息技術與現代管理技術相結合，把信息的采集、傳遞、集成和共享等融入新型制造模式的管理與決策之中，實現企業資源的優化配置和高效運轉。所構建的離散型智能制造工廠極大地提高了精密金屬結構件的生產效率和品質，改造了傳統的勞動密集型生產工藝，提升了制造工藝流程的靈活性，增強了企業的競爭力。同時，鑒于人工成本的大幅上升與勞動力人口的快速下降，本文介紹的離散型智能制造工廠對其他勞動密集型制造企業向智能制造轉型升級具有示范意義。

1 智能工廠

智能成型、智能檢測和智能組裝是3C 智能終端精密外觀結構件制造中的3 種主要工藝環節，為使這3 個環節高效靈活地協同運行，首先基于企業自主研發的工業機器人、車銑復合多軸數控機床等核心設備，搭建用于各工藝環節的柔性生產單元，再通過合理規劃、使用柔性生產單元來組建智能成型車間、智能檢測車間與智能組裝車間，各車間通過工業大數據平臺共享信息，并由信息物理系統（CPS：Cyber Physical System）統籌管理生產過程，形成依據工藝路徑的分布式離散型智能制造工廠，如圖1所示，并實現車間可視化監控。

圖1 離散型智能工廠架構

其中，信息化統籌與管理是智能制造工廠的核心，包括以下功能。

（1）采用西門子公司的Plant Simulation 對成型車間、檢測車間、組裝車間進行建模仿真，設計最佳車間布局[11]。

（2）采用工業機器人控制技術、智能傳感器技術、智能監測技術以及電子識別技術、制造過程現場數據采集與可視化等智能化技術手段，通過與工藝數據庫的分析匹配實現批量化新產品、新工藝的開發與快速導入，實時記錄相關信息，確保精密外觀結構件產品的柔性化、批量化等生產。

（3）通過智能數據采集與監測，實現對精密外觀結構件產品的唯一性標識與信息實時記錄，使得產品的生產過程可追溯，形成一個自動化、信息化、智能化、綠色化的精密外觀結構件產品智能制造車間。

（4）由產品研發管理（PLM）、企業資源計劃管理（ERP）、生產制造執行系統（MES）、資產管理系統（EAM）、BI大數據分析等軟件組成的信息化系統。

（5）數字車間的各設備間通過工業以太網，工業無線網絡等集中傳輸至數據匯聚節點，生產設備綜合信息透過TCP/IP通訊協議接收機器人和PLC 數據傳送到MES 系統。車間通過LED、電腦顯示等進行生產過程狀態的圖形及數字化顯示，智能車間的可視化監控系統如圖2所示。

圖2 智能車間監控平臺

2 智能工廠各車間設備及工藝

2.1 成型設備及工藝

以移動電話精密外觀結構件為例，其加工工藝流程如圖3所示。經過CNC 粗加工切削成形后，需使用納米注塑以加固機身，最后需進行CNC 精加工，以及噴砂、拉絲和陽極氧化等精飾加工。本文所提到的成型設備及工藝主要面向CNC 精加工及打磨環節。

圖3 手機金屬外觀件主要生產工藝流程

精密外觀結構件智能成型車間的布局如圖4 所示，所使用的智能裝備主要包括機器人、高效高精車銑復合數控機床、數控加工中心、打磨拋光機等，通過工業級物聯網的集成與控制，協同6關節機器人上下料，實現智能化制造。

圖4 成形加工智能車間布局

（1）3C行業小型輕量化6關節機械手，其主控制器使用帶高速總線網絡接口的嵌入式PC 替代傳統的機器人控制系統。利用高速網絡接口，實現嵌入式PC 數控系統的實時化高精度控制，方便進行生產線各機器人動作的高重復度協作運動，并進行車間裝備遠程加工數據的傳輸以及遠程監控。

圖5 一拖八CNC精加工智能化單元

（2）一拖八CNC 精加工智能化單元（圖5），通過以太網端口進行互連管理與控制，并結合傳輸裝置與機器人的上下料，使車間的CNC 設備與工業機器人實現無縫對接，并通過CNC設備加工數據的實時遠程交換達到智能化管理生產[12]。

（3）打磨拋光智能化單元，由打磨拋光設備及上下料設備組成，通過工業級物聯網的集成與控制，配合拋光打磨監控系統，協同工業機器人形成大規模精密打磨拋光生產線。

（4）整個車間高度自動化集成，生產過程采用MES 系統，通過智能車間監控平臺集中管控，車間現場如圖6所示。

圖6 精密外觀結構件智能成型車間現場

2.2 檢測設備及先進工藝

智能檢測車間的布局如圖7 所示。智能檢測設備包括6 關節機器人、CCD檢測機臺、自動升降及傳輸裝置及各類檢測裝置，通過工業級物聯網柔性集成全自動檢測單元。該單元對3C 智能移動電話精密外觀結構件內長寬尺寸、外長寬尺寸、外觀、孔位、高低落差等實現全方位的檢測，保證了檢測的高質、高效并降低了檢測成本，其中各主要環節的功能如下。

圖7 智能檢測車間及智能組裝車間規劃布局

（1）儲料升降平臺，配有生料倉和熟料倉2 個可調節的料倉，通過PLC系統控制伺服驅動器進行運動，通過絲杠以及料倉頂部感應器，帶動料倉平臺停止在指定位置。生料倉及熟料倉可以根據不同吸塑盤進行調節，配合機器人取放料，完成投料及收料過程。

（2）簡易通用測量機（圖8），選用通用性更強的龍門式結構，配上更穩定的大理石平臺；使用旋轉治具有效地平衡上料CT。使用以PLC 為核心的控制器，對伺服馬達實現聯動控制。該測量機還具有檢測數據可視化、標準文件導出等功能。

圖8 簡易通用測量機及測量裝置

（3）自動檢測技術，利用激光探頭、普通探頭和CCD 獲取工件信息，采用梯形圖技術開發專業嵌入式自動質量檢測軟件，通過伺服馬達驅動定位模組的位移，實現段差、內長寬或CCD視覺檢測。將檢測系統與機器人系統集成，控制機器手靈活抓取，利用IO 信號自動判斷不良品，將良品與不良品的自動區分存放，從而實現全自動高精度檢測。

（4）利用機器人控制系統進行二次開發，設計機器人手臂運動軌跡以及檢測狀態、取料、放料、分揀等工序的邏輯關系，使機器人按照生產線的加工節拍運行。

智能檢測車間的實施現場如圖9所示。

圖9 智能檢測車間實施現場

2.3 組裝設備及先進工藝

智能組裝車間的布局如圖7 所示。全自動多工位智能移動電話柔性組裝線采用由上位控制單元控制的二級計算機集散控制、直接異步輸送、直接定位等技術，利用樹形結構、串聯結構和并聯結構的積木式設備組合方法，實現供料、組裝、點膠、壓磁、翻轉、貼標、檢測、整形、收料的柔性生產，形成新的組裝工藝流程，結合PLC可編程邏輯控制，從而實現多機械手協同作業，形成組裝工藝新突破。智能組裝車間的優點如下。

（1）全自動多工位智能移動電話柔性組裝線將傳統的單工位半自動設備整合到一條線體上實現整線全自動生產（圖10），特點是以單元模組化拼接實現多料號換線共用生產，整線生產數據實時采集，故障實時監控，完全實現無人化操作以達到節省人力、提高生產效率及品質的目的。

圖10 組裝工藝流程

（2）能結合相應工藝，有針對性的進行工藝重組，將多而復雜的工藝進行模塊化，將勞動密集型的作業方式變為適合工業機器人集成的模塊化作業方式，可以很方便地引進工業機器人進行移動電話組裝（圖11）。

圖11 全自動多工位智能手機柔性組裝線設計圖

（3）工業機器人分步取代人工，在進行工業機器人自動化生產線設計時，優先考慮人員占用高、容易疲勞、工藝枯燥重復性高的工藝，分步使用工業機器人取代人工。從離散的機器人自動化工位到多工位的集成機器人自動化工作站，最終實現基于多機器人工作站的連續自動化生線。

智能組裝車間的實施現場如圖12所示。

圖12 智能組裝車間實施現場

3 車間制造執行MES系統

針對3C智能制造加工的特點設計開發了專業的MES系統，系統包括數字化透明工廠網頁、數字化透明工廠數據采集器、數字化透明工廠數據分析器和XTEC-Loader 監控程序，具有設備監控、生產管理、數據分析、報警管理等功能，支持實時狀態、實時稼動率、當班稼動率、實時產能、歷史產能等數據的實時查看分析。

MES系統可實現計劃、生產、檢驗的全過程閉環管理，集合設備、生產、質量、零件、人員績效等綜合管理功能，及時監控機臺生產狀態、訂單的生產進度、良率狀況，有效改善產能利用率。圖13所示為MES系統主要功能模塊及其集成關系。

圖13 MES系統及集成關系

4 結束語

基于3C 產品的精密外觀結構件制造過程與工藝，首次實施了工藝特征主導的設計、運行一體化智能制造新模式。針對精密外觀結構件的成型、檢測、組裝工藝，采取物理空間分布式布局、信息空間集中式管控的一體化設計、運行方法，滿足了3C結構件大批量高效生產和產品快速換線柔性生產的需求，成功實現了面向智能終端精密外觀結構件離散型智能制造的透明化數字工廠設計和運行新模式。

通過離散型智能工廠在企業的規劃和實施，3 年時間使得生產效率提升130.88%，運營成本降低44.06%，產品研制周期縮短40.00%，產品不良品率降低52.76%，單位產值能耗降低73.82%。減少了用工人數，提升了企業智能制造水平。該智能工廠的設計與運行模式對于3C 制造業向智能制造轉型具有指導意義，對其他勞動密集型制造企業同樣具有示范意義。