趙盛宇,張松嶺,陳良輝,周泳全,
(1.深圳市海目星激光科技有限公司,廣東深圳518110;2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣東 深圳518172)
現(xiàn)代消費(fèi)類電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造模式,已廣泛使用自動(dòng)化生產(chǎn)線,以取代傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型作業(yè)方式。定制剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)生命周期相對(duì)較長(zhǎng)的消費(fèi)類電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造發(fā)揮了高效、持久、耐用的積極作用。然而,當(dāng)前消費(fèi)類電子產(chǎn)品(包括IT 信息產(chǎn)品)的生命周期越來(lái)越短,更新?lián)Q代的頻率不但加快,導(dǎo)致定制剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線的使用周期也越來(lái)越短。更令產(chǎn)商頭疼的是,定制剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與制造周期,有時(shí)長(zhǎng)于產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期,這就導(dǎo)致定制剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線在制造裝配過(guò)程中,或在剛剛投入產(chǎn)品生產(chǎn)不久,就面臨被擱置或翻新的尷尬局面。
消費(fèi)類電子產(chǎn)品生產(chǎn)制造商不僅期望自動(dòng)化生產(chǎn)線的變更能快速適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度,而且希望這種變更的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于定制剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)制造成本,因此,柔性標(biāo)準(zhǔn)化的自動(dòng)化生產(chǎn)線呼之欲出。當(dāng)前,許多自動(dòng)化研究機(jī)構(gòu)和制造商在系統(tǒng)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化等領(lǐng)域開展了一定的研究[1-5],并獲得了一定的成就,本文結(jié)合多年的理論研究和項(xiàng)目實(shí)踐,借鑒成組技術(shù)的相似性和派生性在種類多批量小的機(jī)械加工領(lǐng)域取得的成果,對(duì)消費(fèi)類電子產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)線的成組技術(shù)進(jìn)行研究,將促進(jìn)了定制剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線朝柔性化和標(biāo)準(zhǔn)化方向的發(fā)展。
成組技術(shù)(Group technology,GT)通常應(yīng)用于機(jī)械零件的加工,即利用系統(tǒng)分析方法將中小批量的機(jī)械零件具有某些相似信息的事物集合成組進(jìn)行機(jī)械加工的一種高效率的生產(chǎn)技術(shù)和管理技術(shù)。當(dāng)前瞬時(shí)萬(wàn)變的市場(chǎng)需求,尤其互聯(lián)網(wǎng)+等新技術(shù)的應(yīng)用,催生了現(xiàn)代消費(fèi)類電子產(chǎn)品高頻率的更新?lián)Q代,使定制剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品的制造要求。但仔細(xì)分析,被換代的產(chǎn)品之間,只是功能和外觀等產(chǎn)品規(guī)格的更新,它們之間仍然存在相似性、派生性和繼承性,因此對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化生產(chǎn)之間也存在這種普遍特性。把自動(dòng)化生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)、材料、機(jī)械加工工藝相近似的部件組成一個(gè)部件族(組),按照一定的準(zhǔn)則分類成組,是消費(fèi)類電子產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)線成組技術(shù)的核心內(nèi)容。自動(dòng)化生產(chǎn)線的相似性是廣義的,在幾何形狀、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似程度為基本相似性。然而,不同種類的消費(fèi)類電子產(chǎn)品,都有其獨(dú)特之處,自動(dòng)化生產(chǎn)線的某些局部,還需要定制,以保證其獨(dú)特性,因此,以基本相似性為基礎(chǔ),在生產(chǎn)線進(jìn)行運(yùn)送、分選、加工、裝配、檢驗(yàn)等生產(chǎn)工藝和管理等方面所衍生的局部定制需求,稱為派生相似性。圖1揭示了根據(jù)相似性和派生性特征對(duì)消費(fèi)類電子產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行分類的原理。這類產(chǎn)線的通用工位單元,如機(jī)器視覺、機(jī)器人、裝載板、分選機(jī)構(gòu)、元器件點(diǎn)膠和焊接、打螺絲和激光打標(biāo)等,都具備一定的相似性,完全由這些通用工位組成的產(chǎn)線,可以定義為相似性工位單元組合的產(chǎn)線,因此事先將這些通用工位單元進(jìn)行分類成組設(shè)計(jì)和制造,篩選滿足客戶要求的功能工位組合,通過(guò)快速組裝產(chǎn)線,達(dá)到迅速滿足客戶自動(dòng)化產(chǎn)線更新?lián)Q代的要求。但每類產(chǎn)品又都有各自特點(diǎn),都具備一些派生性的特征,將通用工位單元或某些基本工位單元,在相似性的基礎(chǔ)上,進(jìn)行某些局部的定制化的改造,可以衍生出具備派生特征的工位單元,經(jīng)與其他相似性工位單元和其他派生性工位單元的組合,生成局部定制化特征的自動(dòng)化產(chǎn)線。
圖1 具備相似性和派生性特征的自動(dòng)化生產(chǎn)線分類
表1 自動(dòng)化生產(chǎn)線的成組與編碼
表1對(duì)消費(fèi)類電子產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)線的相似性和派生性進(jìn)行了成組分類和編碼。產(chǎn)線派生性工位單元,包括零件裝卸、超聲波焊接、貼標(biāo)簽、功能測(cè)試、移印和外包裝等。根據(jù)成組技術(shù)原理,對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線相似性和派生性進(jìn)行集中識(shí)別和成組分類,以便在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中分享相似性和派生性,提高設(shè)計(jì)與制造的工作效率。
相似性和派生性特征,可被歸納為產(chǎn)線族(組)。每個(gè)具備相似性和派生性的工位單元,都進(jìn)行了成組編碼。如序號(hào)為前五位的編碼,主要定義產(chǎn)線的形狀和尺寸,具備相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程的相似性工位單元,以及具備局部定制化特征的派生性工位,也都一一進(jìn)行了分類編碼。根據(jù)客戶產(chǎn)品規(guī)格和特征,可選擇適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)線形狀和尺寸編碼、相似性和派生性工位單元編碼,那么產(chǎn)線的成組集成編碼就唯一確定了,如表1所示的編碼范例9,6,3,3,2,1,12,5, …,8,4,2, …,11 為某產(chǎn)線的集成編碼,在每個(gè)工位單元的編碼確定后,根據(jù)單元構(gòu)建,其產(chǎn)線所有特征也完全確定了。
成組技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線柔性化和標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵技術(shù)之一,而對(duì)每個(gè)工位對(duì)應(yīng)編碼所代表的單元構(gòu)建(Cell Formation,CF)進(jìn)行建模,是成組技術(shù)的關(guān)鍵步驟。在產(chǎn)線和消費(fèi)類電子產(chǎn)品之間進(jìn)行相似性和派生性的度量,是單元構(gòu)建建模的基礎(chǔ),這種度量必須建立在具備廣泛代表性的消費(fèi)類電子產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)和尺寸的統(tǒng)計(jì)和分析等信息的基礎(chǔ)上開展,最終在滿足消費(fèi)類電子產(chǎn)品的相似性和派生性的前提下,根據(jù)每個(gè)工位單元應(yīng)實(shí)現(xiàn)的加工功能,把工位單元結(jié)構(gòu)形狀和尺寸進(jìn)行歸類,建立一定數(shù)量的工位單元模塊,對(duì)每個(gè)模塊逐一編碼,并設(shè)計(jì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng),完成工位單元構(gòu)建的建模。具體建模流程如圖2所示。
圖2 單元構(gòu)建建模流程
工位單元模塊是依據(jù)對(duì)要完成產(chǎn)品工藝及過(guò)程的分析,在確定該產(chǎn)線功能和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對(duì)該產(chǎn)線進(jìn)行分解而得到的子功能系統(tǒng)的統(tǒng)一稱呼。例如:具備相似性特征的工位,如機(jī)器視覺、機(jī)器人、裝載板、分選機(jī)構(gòu)、元器件點(diǎn)膠和焊接、打螺絲和激光打標(biāo)模塊等;具備派生性特征的零件裝卸、超聲波焊接、貼標(biāo)簽、功能測(cè)試、移印和外包裝模塊等。模塊化是通過(guò)簡(jiǎn)化和統(tǒng)一化的方法,得出有典型功能的子系統(tǒng),通過(guò)對(duì)該子系統(tǒng)的改進(jìn)和多接口標(biāo)準(zhǔn)化,實(shí)現(xiàn)同類功能通過(guò)一個(gè)子系統(tǒng)完成[1]。裝載板是消費(fèi)類電子產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)線常用的子系統(tǒng),圖3和圖4是從系列裝載板模塊中導(dǎo)出的4 個(gè)設(shè)計(jì)案例,其中圖3所示兩個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)形狀完全相同,但尺寸大小不一,因此定義不同的編碼;圖4兩個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)形狀差異較大,但仍有一定的相似性,尺寸大小類似,也定義了不同的編碼。通過(guò)對(duì)該子系統(tǒng)的改進(jìn)和與產(chǎn)線其他工位的多接口標(biāo)準(zhǔn)化,實(shí)現(xiàn)同類功能通過(guò)一個(gè)子系統(tǒng)完成。
圖3 結(jié)構(gòu)形狀相同尺寸不同的裝載板模塊
相似性工位模塊的單元構(gòu)建的建模,相對(duì)而言比較單一,而派生性工位模塊的單元構(gòu)建的建模,因考慮不同領(lǐng)域電子產(chǎn)品各自的工藝特點(diǎn)和特殊性,自動(dòng)化產(chǎn)線的工位需要局部個(gè)性化的定制設(shè)計(jì)與制造,需要綜合多方面的因素實(shí)現(xiàn)多接口標(biāo)準(zhǔn)化。
自動(dòng)化產(chǎn)線的主要工位單元構(gòu)建建模完成以后,針對(duì)某個(gè)特定的消費(fèi)類電子產(chǎn)品的相似性和派生性特征,可以從單元構(gòu)建庫(kù)中遴選每個(gè)工位的單元編碼,從中獲得唯一對(duì)應(yīng)的該工位單元具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖、零件圖、控制原理和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化的制造信息。該產(chǎn)線的編碼可由各個(gè)工位單元的編碼組合而成,即約定產(chǎn)線編碼的位數(shù),定義每個(gè)位數(shù)為指定工位單元的編碼,進(jìn)而獲得該產(chǎn)線的成組集成編碼。
但產(chǎn)線制造商定義的產(chǎn)線成組編碼的位數(shù)較多,每個(gè)位數(shù)的編碼數(shù)量也較多,這樣,如何進(jìn)行各位工位單元編碼的成組集成優(yōu)化組合,是必須解決的一個(gè)問(wèn)題。
裝載板是自動(dòng)化產(chǎn)線產(chǎn)品的裝載工具,負(fù)責(zé)將產(chǎn)品(或半成品)從一個(gè)工位裝運(yùn)到另一個(gè)工位,但許多小型消費(fèi)類電子產(chǎn)品(含部件)的自動(dòng)化生產(chǎn)線,并不需要裝載板,該類產(chǎn)線通常是直型或直型與U 型的組合形狀,主線通過(guò)傳送皮帶運(yùn)輸,通過(guò)分選機(jī)構(gòu)或包括機(jī)器視覺系統(tǒng)的機(jī)器人操作系統(tǒng),把產(chǎn)品(半成品)從主線送入加工工位單元,加工完成后再導(dǎo)入到主線(見圖5)。
圖5 無(wú)裝載板的自動(dòng)化產(chǎn)線范例
這類產(chǎn)線成組編碼的集成相對(duì)簡(jiǎn)單,因?yàn)榇蟛糠值墓の粏卧季邆湎嗨菩?,根?jù)產(chǎn)線的工作效率要求,可以首先確定產(chǎn)線線型編碼,然后按工位排序,選擇與加工工件(產(chǎn)品或半成品)相適應(yīng)的工位單元編碼,進(jìn)而集成產(chǎn)線的成組編碼。
中大型消費(fèi)類電子產(chǎn)品,或某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電子產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)線,為確保加工工件準(zhǔn)確送入工位單元的加工位置,都需要配置裝載板。這類產(chǎn)線的成組編碼的集成相對(duì)復(fù)雜,首先要根據(jù)加工效率要求和產(chǎn)線工作節(jié)拍,確定裝載板的大小和運(yùn)行速度,如圖6所示,進(jìn)而確定產(chǎn)線線型編碼。因裝載板穿梭于產(chǎn)線的每個(gè)工位,因此,以選定工位單元編碼后的裝載板作為接口標(biāo)準(zhǔn),依次確定其他各個(gè)工位單元的編碼,進(jìn)而集成產(chǎn)線的成組編碼。
圖6 含裝載板的自動(dòng)化產(chǎn)線范例
這類產(chǎn)線的每個(gè)加工工位單元的編碼數(shù)量,一定多于裝載板單元編碼數(shù)量,因?yàn)槊總€(gè)編碼的裝載板必須與加工單元對(duì)應(yīng)的編碼匹配,這種匹配的接口,就是標(biāo)準(zhǔn)模塊化的裝載板相應(yīng)的形狀與尺寸。加工工位單元的編碼在滿足裝載板匹配要求的前提下,還有其他工藝加工要求,這不僅導(dǎo)致其單元的編碼數(shù)量過(guò)多,也極大地增加了工位單元建模的設(shè)計(jì)工作量。
消費(fèi)類電子產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)線的成組技術(shù),不僅能使產(chǎn)線工位單元實(shí)現(xiàn)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)與制造,而且能夠縮短產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與試制周期、提高可靠性、降低成本,并能使產(chǎn)線本身適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代的需求,實(shí)現(xiàn)自身快速更新的特點(diǎn),并確保工作維護(hù)更加簡(jiǎn)便。消費(fèi)類電子產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)線的成組技術(shù),目前僅僅還處于小范圍試用階段,但已深受客戶和市場(chǎng)熱捧,證明是值得大力發(fā)展的一種集成基礎(chǔ)方法。展望未來(lái),開拓模糊聚集論和集合論等數(shù)學(xué)算法[5-6],可以進(jìn)一步優(yōu)化自動(dòng)化生產(chǎn)線編碼的集成,使產(chǎn)線既適合大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)制造,也能通過(guò)快速的變更,實(shí)現(xiàn)小批量多品種產(chǎn)品的加工制造。
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