智能裝配生產線

裝配線的概念是HenryFord于1913年提出的，是機器時代最重大的技術革新之一。所謂裝配線是指按照制定的工藝流程，應用制定的操作步驟，按照一定的節拍，對各裝配目標有序地進行組裝的生產過程。是一種廣泛應用的人機工程，是一種重要的規模化生產方式。20世紀80年代，美國學者賴特教授（P.K.Wright）和布恩教授（D.A.Bourne）提出了智能制造的概念，隨著機器學習、大數據、物聯網、云計算等智能技術的不斷發展，智能裝配生產線作為典型的智能制造裝備之一，是實現高端制造轉型的重要需求。

「 1. 基本概念 」

針對智能裝配生產線，首先需要理清智能單元與生產線、節拍、裝配線平衡等3個重要概念。

1）智能單元與生產線

智能單元與生產線是指針對制造加工現場特點，將一組能力相近相輔的加工模塊進行一體化集成，實現各項能力的相互接通，具備適應不同品種、不同批量產品生產能力輸出的組織單元，智能單元與生產線也是數字化工廠的基本工作單元。

智能單元與生產線具有獨特的屬性與結構，具體包括結構模塊化、數據輸出標準化、場景異構柔性化及軟硬件一體化，這樣的特點使得智能單元與生產線易于集成為數字化工廠。在建立智能單元與生產線時，需要從資源、管理、執行3個維度來實現基本工作單元的智能化、模塊化、自動化、信息化功能，最終保證工作單元的高效運行。總結來看，智能化生產線的建設離不開依賴于高度信息化的總體布局與智能化裝配裝備。

以汽車發動機裝配為例，發動機裝配線要保證發動機的裝配技術條件，實現高精度；要保證裝配節拍，實現高效率；要多機型同時裝配，實現高柔性；要有效地控制裝配精度，實現高質量。要實現以上幾個方面必須從生產線的規劃開始著手。傳統的汽車零部件裝配線雖然能實現流水線式生產，但是由于生產過程中無法保存產品的生產和測試參數，導致一旦出現質量問題就無從查起。因此，對人工成本上升、原料價格上漲、出口訂單萎縮的中國汽車零部件制造業而言，走升級現有裝配、檢測設備的智能化道路是未來產業發展的必然趨勢。實現汽車發動機裝配線智能化，體現在成熟的裝配工藝、智能化裝備的選擇、質量控制與智能化物流方式等方面。

民機制造方面的裝配工作量更大，飛機裝配工作量約占整個飛機制造工作量的1/3左右，整個裝配過程中涉及大量工裝、系統的整合，因此對智能化設備進行合理的規劃與管理是實現裝配智能化過程中的重要環節。波音公司采用數字化工廠實現全方位、全周期生產管控，這樣可以在制造環節顯著提高生產效率并降低質量缺陷率。借助計算機建模仿真和信息通信技術的巨大潛力，不斷優化產品設計和制造過程，獲得顯著的經濟效益。

2）節拍

節拍是指整個生產系統在規定的時間范圍內產出規定數量。對于單臺設備而言，指代單個工件的平均產出時間；對于一條生產線而言，指代瓶頸工位產出單個工件的平均時間。

3）裝配線平衡

裝配線平衡是指位于同一條裝配線上的各個工位，生產同一種產品所需的節拍的差異情況。

裝配線平衡率f能夠直接反映企業的生產能級水平，是一項重要的指標。擁有較高平衡率的裝配線，其產能也越大。

式中,T指各工序時間總和；CT指生產線工序中**標準工時，即生產線節拍；n指工序數。

「 2. 智能裝配生產線的總體布局與信息化集成 」

結合企業的實際情況，采取總體規劃布局、分步實施的原則是智能化生產線建立的重要保證。在前期布局階段就應充分考慮未來的可持續發展性，提升生產線的靈活性與兼容擴展性，以便于現有和未來設備的選型、聯網集成與協同運行。

1）智能裝配生產線的總體布局

智能裝配生產線的總體布局主要應從信息化建設和設備、物料的管理與調度兩個方面著手。首先，生產線的信息化建設應達到數字化管理的要求，即通過MES（制造執行系統）的建設，同時整合已經實施的ERP（企業資源計劃）、設備物聯網系統及即將實施或規劃的PDM（產品數據管理）系統、CAPP（計算機輔助工藝規劃）系統，徹底打通橫向信息集成。然后以Smart Plant Foundation為數據連接及管理平臺，構建協同設計的構架，再通過信息化進行整合，通過車間布局改造、設備升級及自動化改造，最終實現智能化生產線的構建。其次要解決好零部件裝配質量控制與檢測各個階段的管理與控制，解決好產品從設計到裝配制造階段的全過程監控問題，降低設計到生產制造之間的不確定因素，使生產過程通過數字化手段得以驗證。

利用現代信息技術和網絡技術，以“產品加工與裝配”為主線，將由計算機、網絡、數據庫、設備、軟件等所組成的系統平臺構建成一個高速信息網，實現計劃快速下達、作業調度控制、工藝指導、生產統計、設備狀態監控、質量全面管控及追溯、生產信息協同（物料協同、準時配送、生產準備協同）等，實現設備的智能化、生產管理的信息化。

2）智能裝配生產線信息化集成

智能化裝備單體雖然具備智能特征，但其功能和效率始終是優先的，無法滿足現代制造業規模化發展的需求，因此，需要將智能化裝備進一步發展和建立智能裝配系統。

底層的多臺智能化裝備組成數字化裝配生產線，實現智能化裝備間的連接；多條數字化裝配線進一步組成數字化車間，實現數字化生產線的連接；最終，數字化車間組成了智能化工廠，實現各數字化車間的連接。頂層的應用層由物聯網、云計算、大數據、機器學習、遠程運維等使能技術組成，為智能裝配系統提供技術支撐與服務。

智能裝配生產線的信息化集成過程就是將物理對象（智能裝配裝備、產品）等與信息系統（如MES和ERP）進行集成，通過計算機集成控制產品的裝配過程。通過智能人機交互將機器和人的優勢充分發揮，實現產品裝配過程的智能化、高效化。總裝智能生產線融合智能裝備、智能配送、物聯網、人工智能、數據挖掘、信息系統集成、計算機仿真等先進技術。智能總裝生產線由智能總裝生產過程建模與仿真優化系統、智能生產管控系統、智能物料配送系統、基于物聯網的制造信息智能感知系統和智能制造云服務平臺等子系統組成。以飛機產品為例，其脈動總裝智能生產線架構如圖1所示。

圖1 飛機脈動總裝智能生產線架構

采用物聯網技術對移動裝配生產線現場各項信息數據進行采集、分析整理，并結合節拍設計與管理、生產計劃與執行等信息化管理系統實現產品裝配過程中的監測及控制、生產過程追蹤質量控制、物流配送及裝配資源管理是一種高效的先進管理手段。基于物聯網的總裝生產線管理系統及控制系統硬件結構分別如圖2和圖3所示。

圖2 基于物聯網的裝配過程管理系統框架

圖3 基于物聯網的裝配監測與控制系統硬件部署

「 3. 智能裝配生產線的硬件設備 」

智能裝配生產線系統的硬件設備是實現智能制造的核心載體，相比于傳統的制造裝配而言，智能化裝備具有自我感知、自適應與優化、自我診斷與維護、自主規劃與決策等能力，智能化裝備的發展水平是衡量一個國家工業現代化程度的重要標志。智能裝配生產線系統典型的硬件設備包括智能機器人、智能傳感器、柔性工裝、智能裝配裝備等。

1）智能機器人

智能機器人是集成計算機技術、制造技術、自動控制技術、傳感技術及人工智能技術于一體的智能制造裝備，其主體包括機器人本體、控制系統、伺服驅動系統和檢測傳感裝置，具有擬人化、自控制、可重復編程等特點。智能機器人可以利用傳感器對環境變化進行感知，基于物聯網技術，實現機器與人員之間的交互，并自主做出判斷，給出決策指令，從而在生產過程中減少對人的依賴。隨著人工智能技術、多功能傳感技術以及信息收集、傳輸和分析技術的快速發展，通過配備傳感器、機器視覺和智能控制系統，智能機器人正朝著服務化與標準化的方向發展，其中服務化要求未來的智能機器人充分利用互聯網技術，實現在線的主動服務，而標準化是指智能機器人的各種組件和構建實現模塊化、通用化，使智能機器人的制造成本降低，制造周期縮短，應用范圍得到拓展。

2）智能傳感器

智能傳感器是指將待感知、待控制的參數進行量化并集成應用于工業網絡的高性能、高可靠性與功能性的新型傳感器，通常帶有微處理系統，具有信息感知、信息診斷、信息交互的能力。智能傳感器是集成技術與微處理技術相結合的產物，是一種新型的系統化產品。目前常見的傳感器類型包括視覺傳感器、位置傳感器、射頻識別傳感器、音頻傳感器與力/觸覺傳感器等。其核心技術涉及五個方面，分別是壓電技術、熱式傳感技術、微流控Bio MEMS技術、磁傳感技術和柔性傳感技術。多個智能傳感器還可組建成相應的拓撲網絡，并且具備從系統到單元的反向分析與自主校準能力。在當前大數據網絡化發展的趨勢下，智能傳感器機器網絡拓撲將成為推動制造業信息化、網絡化發展的重要力量。

3）柔性工裝

飛機裝配過程中的柔性工裝設備包括柔性對接平臺、柔性制孔設備、AGV等相關輔助設備，是實現智能化裝配的硬件基礎。柔性定位過程采用彈性體曲面柔性定位技術，通過調整、重組、控制等手段動態生成工裝定位模塊，通過拼裝或調換柔性裝配工裝局部定位件進行信息重組，完成多型號飛機的裝配任務，適用于多機型，多結構的生產模式。包括柔性對接平臺、制孔設備及AGV等相關輔助設備的柔性工裝設備是實現智能化裝配的硬件基礎，是降低裝配成本，縮短裝配準備周期的重要工具。柔性工裝配合先進的測量檢驗系統與連接設備是保障智能化裝配中最重要的環節。

4）智能裝配裝備

隨著人工智能技術的不斷發展，智能裝配技術與裝備開始在航空、航天、汽車、家用電器、半導體、醫療等重點領域得到應用。例如，配備機器視覺的多功能多目標智能裝配裝備首先可以準確找到目標的各類特征，并自動確定目標的外形特征和準確位置，并進一步利用自動執行裝置完成裝配，實現對產品質量的有效控制，同時增加生產裝配過程的柔性、可靠性與穩定性，提升生產制造效率；數字化智能裝配系統則可以根據產品的結構特點和加工工藝特點，結合供貨周期要求，進行全局裝配規劃，**限度提升各裝配設備的利用率，盡可能縮短裝配時間。

「 4. 智能裝配生產線典型應用案例 」

在汽車制造領域，國內各大整車廠及零部件制造廠普遍向智能化生產線轉型。長城汽車建設的高端智能化工廠以科技為基礎，打造以“智能、智慧”為主的新模式創新工廠。通過實施智能裝備自主研發與互聯網的有機結合，實現了高端智能裝備、柔性化工藝技術、無人化智慧物流管理等核心技術的攻關與突破（圖4）。該智能化工廠年產能為25萬輛，占地總面積為27.15公頃（約557.25畝），總建筑面積為286.316m2，項目總投資為378483.27萬元，達產時年銷售收入約為50億元。

圖4 長城汽車智能化裝配線

在民用電氣領域，隨著中央空調更新換代速度的加快，空調設備越來越提倡環保節能減排，產品越來越復雜，個性要求越來越高。在個性化定制、柔性化生產更符合當下市場需求的背景下，海匯集團有限公司積極創新發展，將新一代信息技術與傳統輸送線相結合，自主研發了一條模塊化、柔性化和智能化的多聯機中央空調裝配線（圖5），滿足型號復雜多變的多聯機中央空調的個性化裝配生產，項目研發歷時2年，于2018年正式投入應用于海爾中央空調智能互聯工廠，擁有年產大型水機機組逾萬臺、空調末端產品突破35萬臺的生產能力，總裝效率提高了30%，人工勞動強度降低。此外，海爾中央空調互聯工廠首創容器智能裝配線、智慧能源管理系統，擁有全球**的智能互聯測試臺，實現了生產制造的轉型升級，和包括內外互聯、信息互聯、虛實互聯的三大互聯。

圖5 海爾中央空調智能裝配線

民用飛機領域，具有代表性的是洛克希德馬丁公司在F-35的研制和生產過程中，采用柔性裝配技術，應用激光定位和電磁驅動等新技術組成模塊化、智能化柔性自動化裝配系統，可一次性完成制孔、锪窩、鉚接等多項裝配工作，極大提高了工作效率與整機質量（圖6）。此外，該公司在對復雜型面的復合材料零件的檢測工作中（如大型郵箱、大梁、復合材料進氣道、機翼蒙皮等位置）采用先進的激光超聲檢測技術，自動檢測范圍近乎100%。2015年，空客公司采用這種柔性裝配技術開發出電磁鉚接動力頭和行列式高速柱陣的柔性裝配工裝，歷史性地實現了每月生產38套機翼，尤其在機翼翼盒自動裝配過程中，柔性裝配技術充分應用于柔性裝配單元中，可完成測量、定位、加緊、送料、機器人鉆孔等多種復雜工作。

圖6 F-35脈動生產線

國內，民機制造領域，以C919為代表的飛機部裝車間的4條生產線（水平尾翼、中央翼、中機身及全機對接生產線）均采用了自動化設備及柔性工裝（圖7）。C919飛機的研制采用MBD技術建立面向三維數字化工藝設計和應用的一體化集成體系。采用分散式技術柔性裝配工裝，可對各機體零、組件穩定支撐，實現空間六自由度調整，具有較高的定位精度。此外，裝配線的自動鉆鉚系統結合平尾、中央翼、中機身部件的不同結構特點及裝配工藝流程要求，配置不同的鉆鉚裝置。

圖7 C919首架機機體對接線

采用激光跟蹤儀搭載空間分析儀（SA）測量軟件組成數字化測量系統實現自動測量，將測量數據傳遞給控制系統，實現測量數據的數模交互。并采用AGV設備進行物流運輸，具備萬向運動功能，運動靈活、精度高，通過位置傳感器自動感應與周圍環境物體的距離，計算安全距離進行避障運動或報警。

總裝移動生產線包含導引驅動系統、機體承載系統、動力源（氣、電、液）的傳導部分、裝配工作平臺、安全監測系統、控制系統軟件及與MES的集成接口等。整條移動生產線采用導引驅動系統牽引機體承載系統，帶動飛機和工裝沿預定路線行進并采用地上與地下相結合的方式提供生產線的能源供給，配備生產控制系統及在線安全監控系統，保證生產線穩定可控。能夠實現機身內部填充、全機系統件安裝、電纜導通/分系統測試、最終功能試驗、內飾系統安裝、水平測量和客戶檢查等，能夠滿足100架/年的產能要求。

通過以上應用案例可以看出以實現加工生產智能化、檢測與控制智能化、決策管理智能化、綠色化為出發的裝配裝備、裝配生產線的智能化是智能制造發展的必然趨勢和要求，在提升產能及產品附加值方面都有著十分重要的作用。

Automated production line, assembly automation, intelligent assembly automation, precision assembly automation, medical device assembly automation, automated assembly, Suzhou intelligent assembly automation, robot assembly automation, medical device automation assembly, military product automation assembly, intelligent automation assembly, Ouzan Intelligent Technology (Suzhou) Co., Ltd., assembly automation non-standard testing, non-standard automation testing, intelligent automation assembly system, automated assembly, Suzhou assembly automation testing, Suzhou assembly automation, medical device automation assembly, Shanghai non-standard automation assembly, non-standard automation assembly,