复杂电子装备整机总装智能生产线研究与应用_吕龙泉.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 02 008复杂电子装备整机总装智能生产线研究与应用吕龙泉，胡长明，许洪韬(南京电子技术研究所，江苏 南京210039)摘要:为满足复杂电子装备高产能、高质量的生产需求，促进整机总装生产线智能化转型升级，给出了整机总装智能生产线的总体建设思路，从工艺布局优化、工艺装备智能化和信息管理系统智能化 3 个方面展开论述，并将其成功应用于某型复杂电子装备的整机总装智能生产线的建设，极大提升了生产线的数字化、集成化和智能化水平。关键词:复杂电子装备;整机总装;智能生产线;工艺布局;信息管理系统中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)02 0039 06“十三五”以来，我国大力推进制造强国战略，并在重点领域大力推进数字化车间/智能工厂建设1。智能生产线是数字化车间进行生产活动的重要载体，也是数字化车间建设的重要基础。近年来，许多学者围绕智能生产线做了大量的研究工作，如在具备多品种、变批量特点的航空、航天和船舶等离散型制造领域2，苌书梅和宋利康等3 4 给出了飞机总装智能生产线的总体建设思路，提出了飞机总装智能生产线的架构与系统组成;郭佳和薛良昌等5 6 分别阐述了通用飞机总装脉动式生产线的构建技术和信息管理系统的功能要求;黄江和单继东等7 8 设计了面向航空发动机的智能生产线架构，并阐述了主要建设内容、关键技术和实现方案;王庆等9 结合航天典型壳段产品的生产特点，提出了典型壳段加工智能生产线的总体框架与建设方案;秦浩然等10 针对船舶智能化涂装需求，打造出一整套以现场总线控制技术及先进无线通信技术为控制核心的船舶智能化涂装生产线。当前，复杂电子装备迭代更新速度加快，研制周期缩短，传统生产组织形式难以满足高产能、高质量的需求，迫切需要打造适用于复杂电子装备的智能生产线。复杂电子装备整机结构复杂、设备数量大，具有总装工序多、机电液交叉混装、装调一体化的生产特点，整机总装组织困难，生产组织方式适合采用脉动式生产线。本文在借鉴前人研究成果的基础上，结合复杂电子装备的生产特点，提出了复杂电子装备整机总装智能生产线的建设思路，阐述了具体建设内容与实现路线，对于电子领域的智能生产线建设具有重要的参考价值。1总体建设思路整机总装智能生产线的建设以精益制造思想为基础，将总装作业标准化，以资源重组、质量提升、效能提升为目标，满足离散型制造“多品种、变批量、研产共线”的柔性生产需求，主要建设思路如下:1)产品聚类分析。将产品聚类，分析其结构与工艺特点，设计具有柔性共线特点的生产线，满足同一类型多个型号产品的总装生产。2)工艺流程设计。全寿命周期分析产品总装过程，突破原有工艺流程设计思路，再造整机总装生产的全流程工艺。3)工艺布局优化。精益分析整机总装过程，兼顾物料流动、存储状态，对每个工位的作业内容进行细分、整合及优化。4)数字化仿真优化。建立整机总装智能生产线仿真模型，对生产线的工艺流程、设备利用率及产能进行仿真分析，迭代优化工艺流程及优化工位布局。5)智能化提升。设计具有柔性、智能化特点的工艺装备，提升生产线的自动化和专业化水平。通过建设信息管理系统，实现生产数据的自动化采收稿日期:2022 10 14作者简介:吕龙泉(1979)，男，高级工程师，工程硕士，主要从事雷达工艺总体研究与设计工作，lvlongquan126 com通讯作者:胡长明，男，研究员级高级工程师，huchangmingjia sina com932023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2集与分析、生产运行的三维可视化、物料的准时配送和智能化管控。2智能生产线工艺布局2 1生产对象及生产特点分析通过产品聚类分析，构建一款虚拟的典型结构的地面雷达，该雷达主要由天线系统和天线座系统两部分组成，产品外观及结构组成如图 1 和图 2 所示。图 1某型复杂电子装备外观图 2某型复杂电子装备结构组成天线系统用于辐射和接收电磁波，实现对目标的识别与锁定。天线座系统用于支撑天线系统，并驱动天线阵面进行方位转动、随动及寻位。该电子装备的设备数量大、集成度高，包含大量的结构件、电子器件、液压器件、液压管路、电缆组件等，一般有上万个零部件，元器件数量达百万级。天线系统集成度高，线缆、油管数量多，操作空间小，需要精细化设计布线、布管的工艺流程，装配作业要求高;高频箱含有大批量的水接头，装配数量大且洁净度要求高，人工作业效率低且质量一致性较差。整机总装作业内容多，机电液交叉混装，装配作业难度大，需要迭代优化工艺流程，合理设计工艺布局，才能高效完成产品的总装作业。2 2工艺流程设计工艺流程是产品总装生产的依据，同时也是生产线规划、设计及建设的源头。在工艺流程设计时，应充分把握产品的结构组成、工艺特点、指标要求等，保证产品质量，缩短生产周期。根据产品结构组成模块化的特点，总装工艺流程设计时将整机分解为天线系统装配、天线座系统装配两部分并行开展，待两部分完成后进行整机的总装集成。同时，根据工艺分离面，可将天线系统分解为面板、高频箱和天线系统三部分，阶段性递进开展天线系统的总装。整机总装工艺涉及的工序多，主要包括机装、涂胶、电装、液压装配、机电液混装、调试、检测和测试等，整机总装工艺流程如图3 所示。图 3整机总装工艺流程2 3工艺布局优化在进行生产线工位布局时从物流分析的角度出发，分析产品整机总装过程，合理设置工位，对每个工位的操作内容进行整合及优化，保证人流、物流和信息流的通畅，达到提高系统整体运行效益，降低运行成本的目的。1)生产节拍。生产节拍是指生产线上连续生产两个相同产品的时间间隔。工艺布局设计以实现整体产能为目标，以年设计产量为生产纲领，依据生产班制和工作小时确定年时基数，计算生产节拍。假设该型电子装备的产能要求为 30 套/年，除去节假日、公休日后的有效工作时间按 300 天/年计算，可得该电子装备生产线的生产节拍 T，T=300/30=10 天。2)工位设计。根据生产纲领确定了生产线的生产节拍，再根据生产节拍将工艺流程中的工艺内容分解至各个工位，使得各工位的工艺周期均衡化，同时保证各工位的工艺周期小于等于生产节拍，保证时间上略有富余，以补偿故障维修等突发事故的时间损失。分析天线系统、天线座系统和整机总成系统的042023 年第 52 卷机械设计与制造工程工艺流程及工作内容，天线系统和整机总成系统的工艺周期明显比天线座系统的长。为了满足生产节拍要求，将天线系统作业内容拆分在 3 个工位进行，分别为面板装配工位、高频箱拼装工位、阵面装配工位;将整机总成系统作业内容拆分在 3 个工位进行，分别为整机总成工位、系统联调工位和中近场测试工位;天线座系统工作内容只需一个工位，命名为天线座工位。3)工艺布局。工艺布局需结合车间实际情况和生产线各工位占地面积等合理规划，同时保障总装生产线流动顺畅，方便现场生产管理，为实现人流、物流、信息流“三流合一”提供基础条件。整机总装脉动生产线各工位按总装工艺流程的顺序布置，共设计 7 个工位，因受现有车间场地限制，同一场地无法布局整条生产线的所有工位，故采用“主线+支线”的布局形式，主线为面板装配工位、高频箱拼装工位、阵面装配工位、整机总成工位、系统联调工位和中近场测试工位等 6 个工位，支线为天线座工位。主线采用直线型布局，支线工位完成后周转至主线整机总成工位上进行总装集成。整机总装生产线工艺布局如图 4 所示。图 4整机总装脉动生产线工艺布局图4)生产线平衡。生产线工位的设置，应使各个工位具有大致相等的工艺周期，即均衡化各工位工艺周期。工位工艺周期均衡化的方法主要有:1)拆分整合各工位作业内容，将工艺周期长的工位的部分内容拆分至工艺周期短的工位;2)梳理各装配工位机装、电装、调试内容的逻辑关系，对工艺周期长的工位并行开展工作，对工艺周期短的工位串行开展工作;3)对于工艺周期长的工位，通过配置自动化设备提升装配能力、增加人员配置、增加工作班次等方式缩短工位工艺周期;4)因工艺分离而导致某工位工艺周期过长，且无法通过增加人员、提升效能等方式有效缩短工艺周期的，则增加该工位的数量。经过工艺流程优化、工位划分和均衡工位周期，各工位工艺周期均为 9 5 d，小于生产节拍 10d。通过上述措施，可保证产品的装配与调试可以有节拍、按节奏地进行，使得生产各环节在移动过程中保持动态协同或同步，减少生产过程中的流动不均衡。2 4数字化仿真优化工艺布局优化和生产线平衡初步完成后，需进行生产线数字化仿真迭代优化，提前发现空间布置、生产流程、物流流转甚至人力资源配置等方面的问题，降低物理验证成本和周期11。生产线仿真的主要内容为:1)建立产品、工装设备、厂房场地、人员、可视化终端等的三维模型;2)将三维模型按照工艺流程确定的装配顺序及物流需求在预定的场地进行布置;3)在虚拟环境下模拟生产线布局及生产线工艺流程、总装总调过程、物流过程、人机工程等，实现生产线综合性能最优化。在仿真软件 Flexsim 中建立整机总装智能生产线仿真模型，并编译运行，得到生产线产能及各工位设备利用率，见表 1。按实际作业 300 天/年进行仿真，整机总装脉动生产线产能为 31 套/年，大于生产线年设计产能 30 套/年。表 1仿真结果数据表工位名称状态分布/%空闲工作拥堵面板装配01000高频箱拼装3 29680阵面装配6 39370天线座装配093664整机总成9 79030系统联调1288720中近场测试1618390注:空闲指还未开展工位任务;工作指正常运行;拥堵指工位任务完成后未及时流转。142023 年第 2 期吕龙泉:复杂电子装备整机总装智能生产线研究与应用由仿真结果可知，各工位设备利用率均达到80%以上，在生产过程中有效减少了各工位设备的闲置时间，同时各工位拥堵率较低，大幅避免了工位占用及设备空置，是较优的生产线组织方式。3工艺装备智能化传统的生产线主要存在生产效率低、质量一致性差和过程数据采集率低等问题，主要原因是作业高度依赖人工、智能化工艺装备配置率低。工艺装备智能化是智能生产线建设的基础，通过具体分析生产过程特点，设计具有柔性、智能化的工艺装备，提升生产线的自动化和专业化水平，为实现智能化装配奠定基础。在生产线建设过程中自主研发了多种智能化工艺装备，下文以其中 3 种工艺装备为例进行介绍说明。3 1水接头自动化装配系统面板装配工位中需要将大量的水接头装入综合面板对应的孔中，并用 4 颗螺钉紧固。水接头的装配范围大，超过5 000 mm(长)1 500 mm(宽);装配孔的位置尺寸精度高，尺寸偏差不大于 0 08mm，水接头装入部分与孔的侧隙不大于 0 08 mm。传统方法采用人工装配，存在作业效率低、流道洁净度控制难度大、质量一致性较差等问题。水接头自动化装配系统实现了水接头装配自动化，装配过程数据采集智能化，系统如图 5 所示。该系统通过六轴工业机器人和第七轴运动系统覆盖了水接头的装配范围，通过水接头移栽系统实现对装配孔的拍照定位并将水接头装入孔内，通过螺钉供钉系统实现螺钉的供应与紧固。装配效率为5 个/min，水接头组装优良率为 99 2%，螺丝锁附优良率为 99 8%。图 5水接头自动化装配系统组成图3 2通用安装平台在面板装配工位、高频箱拼装工位、天线座装配工位中都使用到通用安装平台，其主要用于支撑需卧式装配的对象。传统卧式装配工装底部支撑采用平板、方座组合形式，其支撑高度固定，装配过程中高度不可调，若要调整高度，则需要把被支撑的产品移开，通过增加或减少方座进行调节，总装生产效率低下。通用安装平台如图 6 所示，其支撑高度通过电机驱动升降装置进行自动调节，调节精度为 0 1mm，支撑点位置可根据产品的规格进行调整，产品放置在通用安装平台上时具有定位功能，保证一次吊装到位。相对传统固定式卧式装配工装，通用安装平台使得装配效率大大提升。图