萬金根，馮鎮(zhèn)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(chǎn)、制造領域，旨在提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)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(wǎng)安全監(jiān)控極大地提高了電網(wǎng)的安全和電網(wǎng)的質量[9]。工業(yè)機器人智能生產(chǎn)線的打造提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度[10]。利用智能機器人、視覺跟蹤等設備與企業(yè)系統(tǒng)的互聯(lián)，實現(xiàn)了按照生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的目的[11]。數(shù)控機床行業(yè)通過改裝數(shù)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(jiān)控等形式，實現(xiàn)數(shù)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(jiān)控數(shù)控機床的運行狀態(tài)[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(chǎn)品品質問題，也提高了生產(chǎn)效率。在實際的工廠組立生產(chǎn)工藝過程中，一個產(chǎn)品由各種各樣的部件組成，當部件數(shù)量過多時，單純靠人工作業(yè)很難保證產(chǎn)品的質量，在組裝過程中很容易出現(xiàn)漏裝、錯裝、作業(yè)順序錯誤等現(xiàn)象，因而通過智能工作站的應用來改變傳統(tǒng)的作業(yè)方式，降低人力資源投入，有效提高作業(yè)人員的安全性和產(chǎn)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(jié)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(yè)。

1 智能工作站

智能工作站設計的目的：一是作業(yè)流程管控，防止錯誤作業(yè)；二是作業(yè)動作引導，提升作業(yè)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(yè)防錯防呆、作業(yè)動作引導、缺料呼叫等；軟件方面的功能有權限管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示、機種管理、作業(yè)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(tài)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(yōu)點。

（1）對作業(yè)流程進行管控，防止錯誤作業(yè)，提高產(chǎn)品品質水平。

（2）作業(yè)動作引導，提升作業(yè)效率。

（3）新作業(yè)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(xiàn)自主學習與培訓。

（4）機種作業(yè)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(yè)（每個機種、每個品目、每個作業(yè)流程），并提供下載功能。

（5）與作業(yè)指導書聯(lián)動，作業(yè)開始時，PC播放指導書內(nèi)容，播放進度需與作業(yè)進度同步，支持作業(yè)手順書全屏顯示，特定重要部品用量可實現(xiàn)特寫與放大顯示。

2 智能工作站硬件系統(tǒng)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(zhí)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(tài)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(yè)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)指示燈、三色燈，以及氣缸升降。氣缸控制繼電器實現(xiàn)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(jù)部品的大小、數(shù)量可使單個部品占據(jù)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(tǒng)總體流程

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

圖9 系統(tǒng)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(tǒng)的指導、提示以及相應的硬件驅動下使得作業(yè)員按照正確的作業(yè)步驟和方式一步一步的規(guī)范作業(yè)，最終組裝出合格的產(chǎn)品。極大提升了產(chǎn)品生產(chǎn)效率，具有防呆、防錯等功能。主要功能如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)總體運行流程

主要功能如下。

（1）權限管理：對系統(tǒng)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(shù)據(jù)訪問權限，便于追本溯源，提升管理和生產(chǎn)的安全水平。

（2）生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示：實時統(tǒng)計和顯示生產(chǎn)過程中的產(chǎn)能信息，減少人工統(tǒng)計數(shù)據(jù)，及時反饋生產(chǎn)情況。

（3）機種管理：可根據(jù)實際生產(chǎn)需求進行機種新建、編輯、刪除等操作，增加工作站對不同產(chǎn)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(yè)偏好管理：用戶可根據(jù)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(jiān)測生產(chǎn)過程中的質量穩(wěn)定性，對于作業(yè)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(xù)多次拿取錯誤，系統(tǒng)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(chǎn)作業(yè)流程

生產(chǎn)作業(yè)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(yè)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(shù)據(jù)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(shù)值）。

（3）單步號：預留參數(shù)。

（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(jù)多個庫位如圖，這時需將部品占據(jù)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(fā)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(jù)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(shù)。

（6）指導書：步驟對應指導書頁數(shù)。

（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(shù)管理：拿取套數(shù)管理。

（11）作業(yè)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(yè)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(nèi)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(yè)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(nèi)進行的。具體是通過設 置CMD-＞Command-Data.xls、Picture、Sound文件夾內(nèi)的內(nèi)容實現(xiàn)的。在相應表格內(nèi)填入相關參數(shù)，再通過軟件逐步讀取表格內(nèi)的參數(shù)，經(jīng)軟件解析后，發(fā)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(jīng)建好的機種類型，若是沒建有則點擊右邊藍色的按鈕創(chuàng)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(qū)：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(chǎn)能：一天要完成的產(chǎn)量。標準用時：作業(yè)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(jīng)過此時間后再進入下一步）。掃碼：產(chǎn)品有掃碼需要的則勾選。允許錯誤次數(shù)：完成一次組立所允許的錯誤次數(shù)，該項默認為0，新建機種時必須將此項設置為大于1的數(shù)，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(nèi)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(chuàng)建的機種變更時需要重新配置相關文件。已創(chuàng)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(chǎn)品到位狀態(tài)）。

圖21 程序運行界面

各項內(nèi)容：

（1）作業(yè)指導書區(qū)域對應操作指導書的內(nèi)容；

（2）顯示信息對應指令表-【文本框】的內(nèi)容；

（3）動作次數(shù)顯示下一次應拿取數(shù)量，對應指令表-【用量】的內(nèi)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(nèi)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(shù)量。

4 結束語

本文設計和開發(fā)的智能工作站已應用于實際生產(chǎn)過程中。該平臺具有以下優(yōu)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(shù)據(jù)可追溯，作業(yè)異?？煽焖俑纳?，人員管理作業(yè)性能改善；（3）部品取用效率改善，提高生產(chǎn)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(yè)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(yè)機器人組裝、PCBA插件組裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，服務的客戶有京瓷、百利達、新技等國內(nèi)外公司，幫助客戶降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)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。