陳 巍，康 楠，史 磊，劉德喜

（北京遙測技術(shù)研究所，北京 100094）

0 引言

電子產(chǎn)品在航天領(lǐng)域測控通信、導(dǎo)航定位等電子系統(tǒng)中扮演著重要角色，隨著器件向著微型化、高集成方向發(fā)展，微組裝技術(shù)通過微型焊接工藝和封裝工藝把構(gòu)成電子電路的各種微型元器件（集成電路芯片及片式元件）組裝起來，是形成高密度、高速度、高可靠電子產(chǎn)品的主要解決方案。

“十三五”開局以來，在國家堅(jiān)持強(qiáng)軍目標(biāo)和深度軍民融合的發(fā)展方針指導(dǎo)下，各武器系統(tǒng)和航天型號對電子技術(shù)和產(chǎn)品的需求從單一化、簡單化轉(zhuǎn)向定制化、多樣化、集成化、高質(zhì)量，生產(chǎn)模式從小批量、多品種向變批量、多品種轉(zhuǎn)變。由于產(chǎn)品品種繁多、工況復(fù)雜、經(jīng)常發(fā)生插單、換線等變動(dòng)，單純依靠增加設(shè)備和人員，投資較大且不能從根本上提升質(zhì)量和效率，各電子產(chǎn)品研制單位生產(chǎn)線面臨升級轉(zhuǎn)型。

2015年，中國提出“中國制造2025”發(fā)展規(guī)劃，為電子產(chǎn)品生產(chǎn)線的升級轉(zhuǎn)型指明了方向，數(shù)字化制造相關(guān)的先進(jìn)工業(yè)技術(shù)成為提升電子產(chǎn)品微組裝生產(chǎn)效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。其中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)因其核心要素“感知、傳輸、智能、控制”[1]生產(chǎn)過程和人、及、料、法、環(huán)等生產(chǎn)要素，可以實(shí)現(xiàn)制造過程的透明監(jiān)控和高效決策。

1 航天電子產(chǎn)品微組裝生產(chǎn)現(xiàn)狀與建設(shè)需求

1.1 國內(nèi)外生產(chǎn)線建設(shè)發(fā)展趨勢

圖1 電子產(chǎn)品及微組裝工藝

國內(nèi)外生產(chǎn)線建設(shè)過程大體經(jīng)歷了三個(gè)階段，即上世紀(jì)初開始的流水線方式，70年代初期開始的FMS（柔性制造系統(tǒng)）方式和80年代的CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）方式，隨著各種生產(chǎn)方式的演變，總體趨勢為生產(chǎn)過程各要素的集成度越來越高。為了繼續(xù)提高產(chǎn)品的市場競爭力，西方發(fā)達(dá)國家深入開展高性能、低成本、高可靠的工業(yè)技術(shù)。其中，美國發(fā)布了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略》積極布局智能工程，推進(jìn)智能生產(chǎn)，引領(lǐng)制造模式轉(zhuǎn)型。同期，歐盟了提出《IMS2020》、德國提出了《工業(yè)4.0》、日本提出了《制造業(yè)白皮書》，其目的旨在推動(dòng)智能制造成為制造業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，在未來搶占市場先機(jī)。

美國通用電氣公司將工業(yè)革命與互聯(lián)網(wǎng)革命統(tǒng)一為“第三波”創(chuàng)新與變革，將IT與自動(dòng)化融合，推出了自動(dòng)化軟件產(chǎn)品Proficy Mobile，連接底層自動(dòng)化控制系統(tǒng)和上層管理系統(tǒng)，全面掌握產(chǎn)品產(chǎn)銷流程、提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)、合理安排生產(chǎn)進(jìn)度等，實(shí)現(xiàn)制造過程高度信息互通。

歐洲空客集團(tuán)提出“未來工廠”建設(shè)構(gòu)想并將裝配線自動(dòng)化、車間級數(shù)字化、集成化生產(chǎn)等部分技術(shù)應(yīng)用到各子公司。使用“即插即用”型輕量化的單臂機(jī)器人自主沿著飛機(jī)內(nèi)部移動(dòng)，在機(jī)身內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了支架的流水式安裝。該集團(tuán)直升飛機(jī)公司勒布爾歇工廠采用柔性化車間布置，實(shí)現(xiàn)最大可能的模塊化，可根據(jù)需要對車間布置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了制造單元的可重構(gòu)。

美國雷聲公司使用SAP公司的制造創(chuàng)新與智能（Manufacturing Innovation and Intelligence）軟件系統(tǒng)，開發(fā)出導(dǎo)彈搬運(yùn)導(dǎo)引車、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭光學(xué)微組裝工業(yè)機(jī)器人等自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)引頭光學(xué)透鏡拾放、清潔、視覺檢驗(yàn)、粘接劑注入、紫外光固化、物料流轉(zhuǎn)等工序的全面自動(dòng)化，導(dǎo)引頭裝配時(shí)間由原來的2天縮短到不足5分鐘，失效了裝配精度的過程可控和多型號產(chǎn)品的柔性化裝配。

在“十三五”期間，中國航天制造企業(yè)在“載人航天”工程、“探月”工程等一批重大工程和重點(diǎn)型號的牽引下，開展了數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)工作，實(shí)施了PDM、ERP、MES等信息系統(tǒng)和大量的自動(dòng)制造能力，但在生產(chǎn)全過程數(shù)據(jù)的采集貫通性和數(shù)據(jù)的應(yīng)用方面還在不斷的摸索前行。

1.2 電子產(chǎn)品微組裝生產(chǎn)現(xiàn)狀

電子產(chǎn)品微組裝生產(chǎn)接插件、印制板、模塊等物料需要在空間不同安裝面組裝，而非平面“堆疊”，常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)微組裝設(shè)備通常只能完成X、Y、Z和θ軸運(yùn)動(dòng)，很難滿足多個(gè)維度的自動(dòng)化裝配要求，依靠手工作業(yè)，組裝過程無法量化，生產(chǎn)數(shù)據(jù)全覆蓋難度較大。

電子產(chǎn)品微組裝工藝涉及到物理學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)、光學(xué)及材料學(xué)等諸多學(xué)科，集中了半導(dǎo)體IC制造、無源元件制造、微型互連、封裝、電路基板制造、材料加工等工藝技術(shù)，產(chǎn)品性能指標(biāo)要求高、技術(shù)難度大、關(guān)鍵技術(shù)多，生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)過程控制難度較大。

圖2 雷聲公司自動(dòng)化系統(tǒng)

航天型號需求量大幅增加，電子產(chǎn)品多品種、小批量離散制造和大批量流程制造模式并存，生產(chǎn)組織復(fù)雜。緊急任務(wù)插單、物料消耗等導(dǎo)致生產(chǎn)頻繁換線，任務(wù)調(diào)度周期長、技術(shù)狀態(tài)控制難度大。

航天產(chǎn)品質(zhì)量要求嚴(yán)苛，往往需要“不惜一切代價(jià)”確保產(chǎn)品質(zhì)量“萬無一失”，傳統(tǒng)側(cè)重產(chǎn)品結(jié)果檢驗(yàn)的質(zhì)量控制方式，過程控制和預(yù)防性措施不足，數(shù)據(jù)反饋不及時(shí)，導(dǎo)致產(chǎn)品返工、報(bào)廢現(xiàn)象較多，對交期和成本影響較大。

1.3 航天電子產(chǎn)品微組裝生產(chǎn)線建設(shè)需求

航天電子產(chǎn)品在多品種、變批量生產(chǎn)條件下，具有制造過程質(zhì)量嚴(yán)格、交付周期要求嚴(yán)、工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，如前所述不難發(fā)現(xiàn)，目前制約電子產(chǎn)品微組裝生產(chǎn)質(zhì)量和效率提升的關(guān)鍵是生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集不全、流轉(zhuǎn)不暢和缺乏應(yīng)用等，因此，航天電子產(chǎn)品微組裝生產(chǎn)線建設(shè)需要采用數(shù)字化制造技術(shù)，從生產(chǎn)全過程、全要素狀態(tài)物聯(lián)化采集開始，建立起可以真實(shí)有效反映生產(chǎn)的數(shù)字化場景，進(jìn)行生產(chǎn)狀態(tài)的分析、監(jiān)控，快速發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)整策略，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)、高效和高質(zhì)量。為達(dá)到這一目標(biāo)需要解決下面幾個(gè)問題。

1）生產(chǎn)信息的數(shù)字化

在生產(chǎn)管理中，無論是生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)、質(zhì)量管理、物料管理、設(shè)備管理，還是故障的分析與維修都需要信息數(shù)據(jù)支撐。生產(chǎn)信息的形式主要包括數(shù)字、文本和多媒體記錄等，其中，數(shù)字是能夠最直觀提供分析的信息形式。

在指導(dǎo)文件方面，設(shè)計(jì)圖紙、工藝文件、作業(yè)指導(dǎo)等多為文字和圖片信息，依靠電子文檔或者紙質(zhì)傳遞，效率低下。過程記錄方面，部分微組裝物料采用人工完成，信息的準(zhǔn)確性、及時(shí)性受到限制。因此，無法形成上下貫通的數(shù)字化信息鏈。

2）數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)有效性

在生產(chǎn)活動(dòng)中，各生產(chǎn)要素隨計(jì)劃的流轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)掌握是計(jì)劃調(diào)度能力和質(zhì)量追溯能力的關(guān)鍵。每個(gè)生產(chǎn)要素需要建立身份特征與任務(wù)的識(shí)別、關(guān)聯(lián)、定位、追蹤等，通過二維碼掃碼或者RFID、Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等無線通信的方式實(shí)現(xiàn)，由于軍工企業(yè)保密的要求，通常采用二維碼掃碼的方式。由于微組裝需要經(jīng)歷焊接、清洗等工藝環(huán)節(jié)，二維碼在全生產(chǎn)過程的可辨識(shí)度較為關(guān)鍵。

3）數(shù)據(jù)的分析與可視化

在生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)的分析處理與應(yīng)用是最終決定計(jì)劃完成率、資源優(yōu)化配置、過程故障快速響應(yīng)的核心。傳統(tǒng)依賴人工對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理效率不高、策略不夠優(yōu)化、響應(yīng)不及時(shí)，在柔性化大批量生產(chǎn)中，無法滿足生產(chǎn)制造的準(zhǔn)時(shí)化和精確化，造成時(shí)間的浪費(fèi)、成本的增加以及質(zhì)量可靠性風(fēng)險(xiǎn)等一系列問題。

2 航天電子產(chǎn)品數(shù)字化微組裝生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

航天電子產(chǎn)品數(shù)字化微組裝生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)如圖3所示，主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)識(shí)別層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)分析層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層，打通原料與產(chǎn)品、管理人員與操作人員、人員與設(shè)備、物料之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程、全要素的管理。

圖3 生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線物料網(wǎng)的基礎(chǔ)，主要包括生產(chǎn)線制造、檢驗(yàn)、測試、試驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)備的數(shù)據(jù)以及相關(guān)的二維碼。

數(shù)據(jù)識(shí)別層主要包括各類數(shù)據(jù)的通信協(xié)議和二維碼的規(guī)則，用于解析不同來源的數(shù)據(jù)，便于分類存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要包括現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)、生產(chǎn)下發(fā)指令數(shù)據(jù)、生產(chǎn)要素基礎(chǔ)信息等動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的數(shù)據(jù)，用于分類存放便于數(shù)據(jù)分析調(diào)用。

數(shù)據(jù)分析層主要包括控制、調(diào)度、質(zhì)量分析和設(shè)備故障分析等相關(guān)算法，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排產(chǎn)、動(dòng)態(tài)調(diào)整、過程監(jiān)控和故障相應(yīng)等功能的分析計(jì)算。

數(shù)據(jù)應(yīng)用層主要包括生產(chǎn)進(jìn)度、狀態(tài)等數(shù)據(jù)的可視化顯示以及生產(chǎn)輔助策略的顯示。

3 關(guān)鍵功能應(yīng)用方案

在這個(gè)生產(chǎn)線互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)首先通過數(shù)據(jù)的采集功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的信息結(jié)構(gòu)，在通過數(shù)據(jù)識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)全過程數(shù)據(jù)的分類與存儲(chǔ)，最終通過數(shù)據(jù)分析顯示實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.1 數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)的獲取主要分為兩方面建設(shè)：1）采用機(jī)器人技術(shù)替代人工實(shí)現(xiàn)工序過程的數(shù)字化；2）通過視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工序結(jié)果的數(shù)字化。

當(dāng)今制造業(yè)，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、裝配、焊接等多個(gè)領(lǐng)域，其中6自由度多關(guān)節(jié)機(jī)器人，基本可以模擬人工完成電子產(chǎn)品多個(gè)安裝面的裝配動(dòng)作，通過在機(jī)器手臂平臺(tái)上安裝加持、吸取，焊劑的噴涂、焊接等裝置模擬人工完成物料拾取、放置和其他工藝動(dòng)作，機(jī)器人平臺(tái)典型微組裝功能應(yīng)用如圖4所示。在工作過程中，機(jī)器人實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡和點(diǎn)位坐標(biāo)在控制PLC中保存，通過上位機(jī)以TCP/IP協(xié)議上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)過程的數(shù)字化。

圖4 機(jī)器人平臺(tái)微組裝典型功能應(yīng)用示意圖

微組裝機(jī)器人通常采用Eye-to-Hand機(jī)器視覺系統(tǒng)（“手眼系統(tǒng)”）[2]，系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 手眼系統(tǒng)機(jī)器人外形圖

手眼系統(tǒng)通過機(jī)器人手臂末端固定的CCD讀取裝配目標(biāo)圖像，進(jìn)行計(jì)算處理后識(shí)別出裝配目標(biāo)坐標(biāo)，修正機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差，引導(dǎo)機(jī)器人精確動(dòng)作，可以將組裝誤差從百微米量級修正到滿足微組裝控制要求的幾十微米同時(shí)，可利用手眼系統(tǒng)對組裝結(jié)果識(shí)別并形成可量化的誤差數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)組裝工序結(jié)果的數(shù)字化。

3.2 數(shù)據(jù)識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)識(shí)別功能通過信息源追溯技術(shù)進(jìn)行物料（含半成品和成品）的標(biāo)識(shí)碼賦碼，并通過物料標(biāo)識(shí)碼的制作，將產(chǎn)品信息和物料信息等多種信息進(jìn)行交互。由于微組裝產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸小，為二維碼留下的區(qū)域小，所容納的數(shù)字量達(dá)十幾位甚至二十幾位，賦碼實(shí)現(xiàn)方法對可讀性影響較大。此外，標(biāo)識(shí)出的二維碼在經(jīng)歷高溫及化學(xué)的工藝過程后易造成表面腐蝕等現(xiàn)象，對標(biāo)識(shí)的可識(shí)別性有較大的影響。

激光打標(biāo)是一種非接觸、無污染、無磨損的標(biāo)記工藝，是在高能激光束的作用下，利用激光的熱效應(yīng)燒蝕掉物體表面材料從而留下永久標(biāo)記的技術(shù)，主要工藝包括焦化法（深色標(biāo)記）、發(fā)泡法（淺色標(biāo)記）和燒蝕法（雕刻標(biāo)記）其主要特點(diǎn)如下：

1）聚焦后的極細(xì)的激光光束，可將物體表面的材料逐點(diǎn)去除，其先進(jìn)性在于標(biāo)記過程為非接觸式加工，不產(chǎn)生機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力，因此不會(huì)損壞被加工物件，同時(shí)由于激光聚焦后的尺寸很小，熱影響區(qū)域小，加工精細(xì)，因此可以完成一些常規(guī)方法無法實(shí)現(xiàn)的工藝。

2）激光加工使用的是聚焦后的光點(diǎn)，不需要額外增添其他設(shè)備和材料，激光加工速度快，成本低廉，加工過程為計(jì)算機(jī)控制，生產(chǎn)時(shí)不需人工干預(yù)。

3）激光能夠標(biāo)刻計(jì)算機(jī)軟件所設(shè)計(jì)的任何可行性信息。

針對不同的根據(jù)識(shí)別對象材料的不同選擇合適的打碼方式是建立數(shù)字化識(shí)別的重要手段。隨后，通過建立結(jié)構(gòu)化的靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，按照設(shè)備、物流、人員、過程、質(zhì)量等進(jìn)行分類存儲(chǔ)。

3.3 數(shù)據(jù)分析顯示

通過建立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫與靜態(tài)數(shù)據(jù)庫的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的交互與管理，對數(shù)據(jù)流進(jìn)行抽取、分析、綜合應(yīng)用等，為車間管理人員提供生產(chǎn)資源的優(yōu)化策略、推薦多任務(wù)混線排產(chǎn)策略、生產(chǎn)路徑規(guī)劃策略等，對生產(chǎn)人員和檢驗(yàn)人員下發(fā)生產(chǎn)指令和質(zhì)量狀態(tài)控制要求等，為生產(chǎn)保障人員下發(fā)物料、設(shè)備狀態(tài)與實(shí)時(shí)跟蹤信息，為工藝人員和質(zhì)量人員提供生產(chǎn)過程質(zhì)量波動(dòng)分析等，示例如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)過程統(tǒng)計(jì)分析流程圖

最后，將生產(chǎn)線現(xiàn)場數(shù)據(jù)與實(shí)景疊加顯示，并建立人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)整、指揮生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)。

圖7 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)語

航天電子產(chǎn)品的數(shù)字化微組裝生產(chǎn)線建設(shè)過程中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過機(jī)器人技術(shù)和視覺識(shí)別技術(shù)量化工藝過程扭轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)數(shù)字化生產(chǎn)線大量依靠人工錄入的低效率；通過數(shù)字化的分析算法，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的單方向收集，實(shí)現(xiàn)了人與設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，提升了生產(chǎn)過程的控制效率。

但是，必須清醒的認(rèn)識(shí)到，在航天電子產(chǎn)品在生產(chǎn)模式升級轉(zhuǎn)型過程中還存在較多的困難，例如，網(wǎng)絡(luò)安全缺乏完善的解決方案，智能制造的研制團(tuán)隊(duì)和高端人才相對缺乏。這些問題都需要在未來航天電子產(chǎn)品智造落實(shí)工作中予以解決。