航天电子数字化微组装生产线物联网应用技术

2020-10-10刘德喜

制造业自动化 2020年9期

陈巍，康楠，史磊，刘德喜

（北京遥测技术研究所，北京 100094）

0 引言

电子产品在航天领域测控通信、导航定位等电子系统中扮演着重要角色，随着器件向着微型化、高集成方向发展，微组装技术通过微型焊接工艺和封装工艺把构成电子电路的各种微型元器件（集成电路芯片及片式元件）组装起来，是形成高密度、高速度、高可靠电子产品的主要解决方案。

“十三五”开局以来，在国家坚持强军目标和深度军民融合的发展方针指导下，各武器系统和航天型号对电子技术和产品的需求从单一化、简单化转向定制化、多样化、集成化、高质量，生产模式从小批量、多品种向变批量、多品种转变。由于产品品种繁多、工况复杂、经常发生插单、换线等变动，单纯依靠增加设备和人员，投资较大且不能从根本上提升质量和效率，各电子产品研制单位生产线面临升级转型。

2015年，中国提出“中国制造2025”发展规划，为电子产品生产线的升级转型指明了方向，数字化制造相关的先进工业技术成为提升电子产品微组装生产效率和质量的关键。其中，物联网技术因其核心要素“感知、传输、智能、控制”[1]生产过程和人、及、料、法、环等生产要素，可以实现制造过程的透明监控和高效决策。

1 航天电子产品微组装生产现状与建设需求

1.1 国内外生产线建设发展趋势

图1 电子产品及微组装工艺

国内外生产线建设过程大体经历了三个阶段，即上世纪初开始的流水线方式，70年代初期开始的FMS（柔性制造系统）方式和80年代的CIMS（计算机集成制造系统）方式，随着各种生产方式的演变，总体趋势为生产过程各要素的集成度越来越高。为了继续提高产品的市场竞争力，西方发达国家深入开展高性能、低成本、高可靠的工业技术。其中，美国发布了《工业互联网战略》积极布局智能工程，推进智能生产，引领制造模式转型。同期，欧盟了提出《IMS2020》、德国提出了《工业4.0》、日本提出了《制造业白皮书》，其目的旨在推动智能制造成为制造业的发展重点，在未来抢占市场先机。

美国通用电气公司将工业革命与互联网革命统一为“第三波”创新与变革，将IT与自动化融合，推出了自动化软件产品Proficy Mobile，连接底层自动化控制系统和上层管理系统，全面掌握产品产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线人工干预、合理安排生产进度等，实现制造过程高度信息互通。

欧洲空客集团提出“未来工厂”建设构想并将装配线自动化、车间级数字化、集成化生产等部分技术应用到各子公司。使用“即插即用”型轻量化的单臂机器人自主沿着飞机内部移动，在机身内部实现了支架的流水式安装。该集团直升飞机公司勒布尔歇工厂采用柔性化车间布置，实现最大可能的模块化，可根据需要对车间布置进行相应调整，实现了制造单元的可重构。

美国雷声公司使用SAP公司的制造创新与智能（Manufacturing Innovation and Intelligence）软件系统，开发出导弹搬运导引车、导弹导引头光学微组装工业机器人等自动化系统，实现了导引头光学透镜拾放、清洁、视觉检验、粘接剂注入、紫外光固化、物料流转等工序的全面自动化，导引头装配时间由原来的2天缩短到不足5分钟，失效了装配精度的过程可控和多型号产品的柔性化装配。

在“十三五”期间，中国航天制造企业在“载人航天”工程、“探月”工程等一批重大工程和重点型号的牵引下，开展了数字化生产线建设工作，实施了PDM、ERP、MES等信息系统和大量的自动制造能力，但在生产全过程数据的采集贯通性和数据的应用方面还在不断的摸索前行。

1.2 电子产品微组装生产现状

电子产品微组装生产接插件、印制板、模块等物料需要在空间不同安装面组装，而非平面“堆叠”，常规的标准微组装设备通常只能完成X、Y、Z和θ轴运动，很难满足多个维度的自动化装配要求，依靠手工作业，组装过程无法量化，生产数据全覆盖难度较大。

电子产品微组装工艺涉及到物理学、化学、机械学、光学及材料学等诸多学科，集中了半导体IC制造、无源元件制造、微型互连、封装、电路基板制造、材料加工等工艺技术，产品性能指标要求高、技术难度大、关键技术多，生产调度和生产过程控制难度较大。

图2 雷声公司自动化系统

航天型号需求量大幅增加，电子产品多品种、小批量离散制造和大批量流程制造模式并存，生产组织复杂。紧急任务插单、物料消耗等导致生产频繁换线，任务调度周期长、技术状态控制难度大。

航天产品质量要求严苛，往往需要“不惜一切代价”确保产品质量“万无一失”，传统侧重产品结果检验的质量控制方式，过程控制和预防性措施不足，数据反馈不及时，导致产品返工、报废现象较多，对交期和成本影响较大。

1.3 航天电子产品微组装生产线建设需求

航天电子产品在多品种、变批量生产条件下，具有制造过程质量严格、交付周期要求严、工艺复杂等特点，如前所述不难发现，目前制约电子产品微组装生产质量和效率提升的关键是生产过程的数据采集不全、流转不畅和缺乏应用等，因此，航天电子产品微组装生产线建设需要采用数字化制造技术，从生产全过程、全要素状态物联化采集开始，建立起可以真实有效反映生产的数字化场景，进行生产状态的分析、监控，快速发现问题、调整策略，从而实现生产的连续、高效和高质量。为达到这一目标需要解决下面几个问题。

1）生产信息的数字化

在生产管理中，无论是生产计划排产、质量管理、物料管理、设备管理，还是故障的分析与维修都需要信息数据支撑。生产信息的形式主要包括数字、文本和多媒体记录等，其中，数字是能够最直观提供分析的信息形式。

在指导文件方面，设计图纸、工艺文件、作业指导等多为文字和图片信息，依靠电子文档或者纸质传递，效率低下。过程记录方面，部分微组装物料采用人工完成，信息的准确性、及时性受到限制。因此，无法形成上下贯通的数字化信息链。

2）数据信息的实时有效性

在生产活动中，各生产要素随计划的流转的实时掌握是计划调度能力和质量追溯能力的关键。每个生产要素需要建立身份特征与任务的识别、关联、定位、追踪等，通过二维码扫码或者RFID、Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等无线通信的方式实现，由于军工企业保密的要求，通常采用二维码扫码的方式。由于微组装需要经历焊接、清洗等工艺环节，二维码在全生产过程的可辨识度较为关键。

3）数据的分析与可视化

在生产过程中，数据的分析处理与应用是最终决定计划完成率、资源优化配置、过程故障快速响应的核心。传统依赖人工对大量的数据进行分析处理效率不高、策略不够优化、响应不及时，在柔性化大批量生产中，无法满足生产制造的准时化和精确化，造成时间的浪费、成本的增加以及质量可靠性风险等一系列问题。

2 航天电子产品数字化微组装生产线物联网架构

航天电子产品数字化微组装生产线物联网的架构如图3所示，主要包括数据采集层、数据识别层、数据存储层、数据分析层和数据应用层，打通原料与产品、管理人员与操作人员、人员与设备、物料之间的数据互联，实现产品生产全过程、全要素的管理。

图3 生产线物联网架构

数据采集层是实现生产线物料网的基础，主要包括生产线制造、检验、测试、试验各个环节设备的数据以及相关的二维码。

数据识别层主要包括各类数据的通信协议和二维码的规则，用于解析不同来源的数据，便于分类存储。

数据存储层主要包括现场采集的数据、生产下发指令数据、生产要素基础信息等动态和静态的数据，用于分类存放便于数据分析调用。

数据分析层主要包括控制、调度、质量分析和设备故障分析等相关算法，用于实现自动排产、动态调整、过程监控和故障相应等功能的分析计算。

数据应用层主要包括生产进度、状态等数据的可视化显示以及生产辅助策略的显示。

3 关键功能应用方案

在这个生产线互联网架构首先通过数据的采集功能实现结构化的信息结构，在通过数据识别功能实现全过程数据的分类与存储，最终通过数据分析显示实现整个结构的运转。

3.1 数据采集功能实现

数据的获取主要分为两方面建设：1）采用机器人技术替代人工实现工序过程的数字化；2）通过视觉系统实现工序结果的数字化。

当今制造业，工业机器人已广泛应用于搬运、装配、焊接等多个领域，其中6自由度多关节机器人，基本可以模拟人工完成电子产品多个安装面的装配动作，通过在机器手臂平台上安装加持、吸取，焊剂的喷涂、焊接等装置模拟人工完成物料拾取、放置和其他工艺动作，机器人平台典型微组装功能应用如图4所示。在工作过程中，机器人实时运动的轨迹和点位坐标在控制PLC中保存，通过上位机以TCP/IP协议上传至服务器，实现过程的数字化。

图4 机器人平台微组装典型功能应用示意图

微组装机器人通常采用Eye-to-Hand机器视觉系统（“手眼系统”）[2]，系统示意图如图5所示。

图5 手眼系统机器人外形图

手眼系统通过机器人手臂末端固定的CCD读取装配目标图像，进行计算处理后识别出装配目标坐标，修正机器人运动误差，引导机器人精确动作，可以将组装误差从百微米量级修正到满足微组装控制要求的几十微米同时，可利用手眼系统对组装结果识别并形成可量化的误差数据，实现组装工序结果的数字化。

3.2 数据识别功能实现

数据识别功能通过信息源追溯技术进行物料（含半成品和成品）的标识码赋码，并通过物料标识码的制作，将产品信息和物料信息等多种信息进行交互。由于微组装产品结构尺寸小，为二维码留下的区域小，所容纳的数字量达十几位甚至二十几位，赋码实现方法对可读性影响较大。此外，标识出的二维码在经历高温及化学的工艺过程后易造成表面腐蚀等现象，对标识的可识别性有较大的影响。

激光打标是一种非接触、无污染、无磨损的标记工艺，是在高能激光束的作用下，利用激光的热效应烧蚀掉物体表面材料从而留下永久标记的技术，主要工艺包括焦化法（深色标记）、发泡法（浅色标记）和烧蚀法（雕刻标记）其主要特点如下：

1）聚焦后的极细的激光光束，可将物体表面的材料逐点去除，其先进性在于标记过程为非接触式加工，不产生机械挤压或机械应力，因此不会损坏被加工物件，同时由于激光聚焦后的尺寸很小，热影响区域小，加工精细，因此可以完成一些常规方法无法实现的工艺。

2）激光加工使用的是聚焦后的光点，不需要额外增添其他设备和材料，激光加工速度快，成本低廉，加工过程为计算机控制，生产时不需人工干预。

3）激光能够标刻计算机软件所设计的任何可行性信息。

针对不同的根据识别对象材料的不同选择合适的打码方式是建立数字化识别的重要手段。随后，通过建立结构化的静态数据库和动态数据库，按照设备、物流、人员、过程、质量等进行分类存储。

3.3 数据分析显示

通过建立动态数据库与静态数据库的关系，实现结构化数据的交互与管理，对数据流进行抽取、分析、综合应用等，为车间管理人员提供生产资源的优化策略、推荐多任务混线排产策略、生产路径规划策略等，对生产人员和检验人员下发生产指令和质量状态控制要求等，为生产保障人员下发物料、设备状态与实时跟踪信息，为工艺人员和质量人员提供生产过程质量波动分析等，示例如图6所示。