面向消费类电子产品的自动化生产线成组技术

赵盛宇，张松岭，陈良辉，周泳全,

(1.深圳市海目星激光科技有限公司，广东深圳518110；2.深圳信息职业技术学院机电工程学院，广东 深圳518172)

现代消费类电子产品的生产制造模式，已广泛使用自动化生产线，以取代传统劳动密集型作业方式。定制刚性自动化生产线对生命周期相对较长的消费类电子产品的生产制造发挥了高效、持久、耐用的积极作用。然而，当前消费类电子产品（包括IT 信息产品）的生命周期越来越短，更新换代的频率不但加快，导致定制刚性自动化生产线的使用周期也越来越短。更令产商头疼的是，定制刚性自动化生产线的设计与制造周期，有时长于产品的更新换代周期，这就导致定制刚性自动化生产线在制造装配过程中，或在刚刚投入产品生产不久，就面临被搁置或翻新的尴尬局面。

消费类电子产品生产制造商不仅期望自动化生产线的变更能快速适应产品更新换代的速度，而且希望这种变更的成本远远低于定制刚性自动化生产线的设计制造成本，因此，柔性标准化的自动化生产线呼之欲出。当前，许多自动化研究机构和制造商在系统模块化和标准化等领域开展了一定的研究[1-5]，并获得了一定的成就，本文结合多年的理论研究和项目实践，借鉴成组技术的相似性和派生性在种类多批量小的机械加工领域取得的成果，对消费类电子产品的自动化生产线的成组技术进行研究，将促进了定制刚性自动化生产线朝柔性化和标准化方向的发展。

1 自动化生产线的成组技术

成组技术（Group technology，GT）通常应用于机械零件的加工，即利用系统分析方法将中小批量的机械零件具有某些相似信息的事物集合成组进行机械加工的一种高效率的生产技术和管理技术。当前瞬时万变的市场需求，尤其互联网+等新技术的应用，催生了现代消费类电子产品高频率的更新换代，使定制刚性自动化生产线越来越不适应现代产品的制造要求。但仔细分析，被换代的产品之间，只是功能和外观等产品规格的更新，它们之间仍然存在相似性、派生性和继承性，因此对应的自动化生产之间也存在这种普遍特性。把自动化生产线的结构、材料、机械加工工艺相近似的部件组成一个部件族（组），按照一定的准则分类成组，是消费类电子产品自动化生产线成组技术的核心内容。自动化生产线的相似性是广义的，在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似程度为基本相似性。然而，不同种类的消费类电子产品，都有其独特之处，自动化生产线的某些局部，还需要定制，以保证其独特性，因此，以基本相似性为基础，在生产线进行运送、分选、加工、装配、检验等生产工艺和管理等方面所衍生的局部定制需求，称为派生相似性。图1揭示了根据相似性和派生性特征对消费类电子产品自动化生产线进行分类的原理。这类产线的通用工位单元，如机器视觉、机器人、装载板、分选机构、元器件点胶和焊接、打螺丝和激光打标等，都具备一定的相似性，完全由这些通用工位组成的产线，可以定义为相似性工位单元组合的产线，因此事先将这些通用工位单元进行分类成组设计和制造，筛选满足客户要求的功能工位组合，通过快速组装产线，达到迅速满足客户自动化产线更新换代的要求。但每类产品又都有各自特点，都具备一些派生性的特征，将通用工位单元或某些基本工位单元，在相似性的基础上，进行某些局部的定制化的改造，可以衍生出具备派生特征的工位单元，经与其他相似性工位单元和其他派生性工位单元的组合，生成局部定制化特征的自动化产线。

图1 具备相似性和派生性特征的自动化生产线分类

表1 自动化生产线的成组与编码

表1对消费类电子产品自动化生产线的相似性和派生性进行了成组分类和编码。产线派生性工位单元，包括零件装卸、超声波焊接、贴标签、功能测试、移印和外包装等。根据成组技术原理，对自动化生产线相似性和派生性进行集中识别和成组分类，以便在设计和制造过程中分享相似性和派生性，提高设计与制造的工作效率。

相似性和派生性特征，可被归纳为产线族（组）。每个具备相似性和派生性的工位单元，都进行了成组编码。如序号为前五位的编码，主要定义产线的形状和尺寸，具备相对标准作业流程的相似性工位单元，以及具备局部定制化特征的派生性工位，也都一一进行了分类编码。根据客户产品规格和特征，可选择适当的产线形状和尺寸编码、相似性和派生性工位单元编码，那么产线的成组集成编码就唯一确定了，如表1所示的编码范例9,6,3,3,2,1,12,5, …,8,4,2, …,11 为某产线的集成编码，在每个工位单元的编码确定后，根据单元构建，其产线所有特征也完全确定了。

2 单元构建建模及案例分析

成组技术是实现自动化生产线柔性化和标准化的关键技术之一，而对每个工位对应编码所代表的单元构建（Cell Formation，CF）进行建模，是成组技术的关键步骤。在产线和消费类电子产品之间进行相似性和派生性的度量，是单元构建建模的基础，这种度量必须建立在具备广泛代表性的消费类电子产品的功能、结构和尺寸的统计和分析等信息的基础上开展，最终在满足消费类电子产品的相似性和派生性的前提下，根据每个工位单元应实现的加工功能，把工位单元结构形状和尺寸进行归类，建立一定数量的工位单元模块，对每个模块逐一编码，并设计其机械结构和控制系统，完成工位单元构建的建模。具体建模流程如图2所示。

图2 单元构建建模流程

工位单元模块是依据对要完成产品工艺及过程的分析，在确定该产线功能和结构的基础上，对该产线进行分解而得到的子功能系统的统一称呼。例如：具备相似性特征的工位，如机器视觉、机器人、装载板、分选机构、元器件点胶和焊接、打螺丝和激光打标模块等；具备派生性特征的零件装卸、超声波焊接、贴标签、功能测试、移印和外包装模块等。模块化是通过简化和统一化的方法，得出有典型功能的子系统，通过对该子系统的改进和多接口标准化，实现同类功能通过一个子系统完成[1]。装载板是消费类电子产品自动化生产线常用的子系统，图3和图4是从系列装载板模块中导出的4 个设计案例，其中图3所示两个模块的结构形状完全相同，但尺寸大小不一，因此定义不同的编码；图4两个模块的结构形状差异较大，但仍有一定的相似性，尺寸大小类似，也定义了不同的编码。通过对该子系统的改进和与产线其他工位的多接口标准化，实现同类功能通过一个子系统完成。

图3 结构形状相同尺寸不同的装载板模块

相似性工位模块的单元构建的建模，相对而言比较单一，而派生性工位模块的单元构建的建模，因考虑不同领域电子产品各自的工艺特点和特殊性，自动化产线的工位需要局部个性化的定制设计与制造，需要综合多方面的因素实现多接口标准化。

3 自动化产线成组编码集成

自动化产线的主要工位单元构建建模完成以后，针对某个特定的消费类电子产品的相似性和派生性特征，可以从单元构建库中遴选每个工位的单元编码，从中获得唯一对应的该工位单元具体的机械结构装配图、零件图、控制原理和相关标准化的制造信息。该产线的编码可由各个工位单元的编码组合而成，即约定产线编码的位数，定义每个位数为指定工位单元的编码，进而获得该产线的成组集成编码。

但产线制造商定义的产线成组编码的位数较多，每个位数的编码数量也较多，这样，如何进行各位工位单元编码的成组集成优化组合，是必须解决的一个问题。

3.1 无装载板的产线成组编码集成

装载板是自动化产线产品的装载工具，负责将产品（或半成品）从一个工位装运到另一个工位，但许多小型消费类电子产品（含部件）的自动化生产线，并不需要装载板，该类产线通常是直型或直型与U 型的组合形状，主线通过传送皮带运输，通过分选机构或包括机器视觉系统的机器人操作系统，把产品（半成品）从主线送入加工工位单元，加工完成后再导入到主线（见图5）。

图5 无装载板的自动化产线范例

这类产线成组编码的集成相对简单，因为大部分的工位单元都具备相似性，根据产线的工作效率要求，可以首先确定产线线型编码，然后按工位排序，选择与加工工件（产品或半成品）相适应的工位单元编码，进而集成产线的成组编码。

3.2 含装载板的产线成组编码集成

中大型消费类电子产品，或某些复杂结构的电子产品的自动化生产线，为确保加工工件准确送入工位单元的加工位置，都需要配置装载板。这类产线的成组编码的集成相对复杂，首先要根据加工效率要求和产线工作节拍，确定装载板的大小和运行速度，如图6所示，进而确定产线线型编码。因装载板穿梭于产线的每个工位，因此，以选定工位单元编码后的装载板作为接口标准，依次确定其他各个工位单元的编码，进而集成产线的成组编码。

图6 含装载板的自动化产线范例

这类产线的每个加工工位单元的编码数量，一定多于装载板单元编码数量，因为每个编码的装载板必须与加工单元对应的编码匹配，这种匹配的接口，就是标准模块化的装载板相应的形状与尺寸。加工工位单元的编码在满足装载板匹配要求的前提下，还有其他工艺加工要求，这不仅导致其单元的编码数量过多，也极大地增加了工位单元建模的设计工作量。

4 总结及展望

消费类电子产品自动化生产线的成组技术，不仅能使产线工位单元实现模块化和标准化的设计与制造，而且能够缩短产线的设计与试制周期、提高可靠性、降低成本，并能使产线本身适应产品更新换代的需求，实现自身快速更新的特点，并确保工作维护更加简便。消费类电子产品自动化生产线的成组技术，目前仅仅还处于小范围试用阶段，但已深受客户和市场热捧，证明是值得大力发展的一种集成基础方法。展望未来，开拓模糊聚集论和集合论等数学算法[5-6]，可以进一步优化自动化生产线编码的集成，使产线既适合大批量产品的生产制造，也能通过快速的变更，实现小批量多品种产品的加工制造。

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