3C 自动化设备的模块化设计应用与研究

白 磊，刘 勇

（富士康精密电子（太原）有限公司，山西太原 030025）

0 引言

3C 产品包括电脑（Computer）、通信（Communication）和消费性电子类（Consumer Electronic）产品。传统的消费电子产品包括个人电脑、音响、MP3 和电视机等。新型3C 产品包括智能手机、平板电脑、可穿戴设备、智能电视为代表的电子产品，3C 产业保持高速发展状态。目前，我国已经成为世界上最大的3C 产品制造国，但是3C 行业的自动化覆盖率仅为15%，自动化水平程度较低。

1 3C 自动化设备的特点及发展现状

3C 自动化设备属于非标设备。非标设备是指没有固定的执行标准，主要是根据用户的实际使用需求，特别定制的一种专用设备。设备具有多品种、小批量、多功能、开发周期短和可复制性低的特点[1]。

随着3C 行业快速发展，3C 非标自动化设备的需求急速上升。国内3C 设备行业的市场需求预计是3600 亿元，但是非标设备企业发展不完善，呈现小规模、多数量和技术水平落后等特点。3C 自动化设备的开发制造存在以下问题[2]。

（1）3C 产品种类繁多，产品复杂，设备根据用户实际需求定制，使得设备研发任务繁重，研发周期占到设备交付时间的1/2以上。

（2）3C 产品更新换代周期短，自动化设备更新速度快。使得非标设备的研发周期被压缩到很短时间内。

（3）产品变换周期快，设备为非标设备，通用性差，设备改造升级难度大，容易出现旧设备的闲置浪费。

因此，缩短设计周期，使得设备具有良好的通用性和沿用性，是3C 行业面临的一大课题。

2 模块化设计

模块化设计是将设备的部分功能组件组合在一起，构成一个具有固定功能的单元。将此单元作为通用性模块与其他专用模块进行多种组合，组成新的组件，获得多种功能各异的系列设备[3]。相对于非标设计，模块化设计具有以下优点[4]。

（1）开发效率高。利用模块化技术，在新产品开发时，开发人员可直接利用已有模块图纸，不同对同一模块重复设计，降低设计工作难度，缩短设计时间。

（2）设备成本低。利用模块化技术，可以实现设备零件的采购加工批量化，大幅降低成本。

（3）安装调试方便。利用模块化技术，先安装单个功能子模块，然后再将所有功能子模块进行组合拼装。当单一模块出现故障时，由于相同模块间具有互换性，可采用相同模块进行替代，速度快，且可大幅减少备品备件数量。

（4）升级改造容易。利用模块化技术，可以形成一整套完整的标准设计库。通用模块保持不变，只需优化升级专用模块，即可完成设备升级改造，设备稳定性得到提升，可以保持较高的一致性。

3 模块化设计的方法

模块化设计思路：标准化+组合化=模块化。

（1）标准化思维。标准化是模块化的基础，标准化中的统一化和通用化等方法，可作为模块化过程中的基本思想方法。模块化是标准化方法与系统原理的有机组合。

（2）组合化思维。组合化是模块化的基本特征，组合化是将有关部分功能或特点汇集组合起来，产生的一种思维方式。组合化的设计是将已有模块按照一定的规律组合设计形成新产品，充分分析被组合模块的实质及组合效应，得到最佳组合效果。因此，模块化设计可以作为有效解决非标自动化设备现有问题的有效工具。

4 模块化设计应用

应用模块化设计思路，开发出一种适用性和通用性较强的连线自动化设备的底层组装平台。通过各种标准化模块组合，可以广泛应用在3C 产品的零件组装自动生产线，通用性强。

底层组装平台由架体模块、拉体模块、底座模块和料仓模块等4 个部分组成，如图1 所示。架体模块安装在底座模块上，架体底部装有滚轮，可以在底座模块上滑动，拉体模块固定在架体模块上，实现产品在设备间的运输。料仓模块与底座模块进行连接，作为组装物料的自动存储装置。各模块可以相互插合安装形成整体结构。只需根据工艺要求，在架体模块上组合相应的功能模组，即可成为一台完整的自动化设备，可以兼容多种产品柔性切换。

图1 底层组装平台

（1）架体模块根据设备功能的复杂程度及所需空间大小，分为宽度300 mm 和宽度600 mm 的架体两种模式。架体模块为侧卧式U 形结构，由设备机架、吊挂式X 轴/Y 轴/Z 轴、上下拉体安装平台、电控箱和显示屏组成，如图2 所示。

图2 架体模块和底座模块

吊挂式X 轴/Y 轴/Z 轴由滚珠丝杆、直线导轨和伺服电机组成，实现x，y，z 等3 个方向的运动。架体模块内可以存放工控机和电控元件等电气装置，拥有集成化的网、电、气快插接口，方便架体的快速更换维修，不同设备间的架体模块完全互换，可以自由组合相应的功能模块，满足工站工艺要求，是一种通用性强的组装平台[6]。

（2）底座模块由滑轨、导向槽、固定锁紧装置和连接块组成，架体模块底部带有滚轮，通过导向槽导向，可以实现架体模块抽拉式移动。当架体位置到位后，使用固定锁紧装置锁紧。多个底座模块通过连接块连接在一起，当生产线的工站数量变化时，可对底座模块进行增减调整，调整效率高。需要长时间维修时，可直接将架体拉出，换上备用架体，实现线下维护，操作简单方便。

（3）拉体模块由治具载体导轨、治具载体、动力皮带、竖直定位装置和拉体升降装置组成，如图3 所示。每段拉体拥有独立的动力皮带，采用单滑轨结构，通过导轨间的对接，实现拉体的整体连接。治具载体用于固定产品本体，可以在连线设备间穿梭，通过由定位轴承组成的竖直定位装置，完成治具载体在每台设备内的停止定位。拥有上下两层拉体，通过头尾的拉体升降装置，实现治具载体在上下两层拉体的循环往复，拉体速度可达2 m/s，生产效率高[7]。

图3 拉体模块

（4）料仓模块由基础底座、料仓升降装置和料盘伸缩装置组成，通过基础底座将料仓模块与设备底座模块快速连接。料仓模块底部带有滚轮，可以在基础底座上快速拉入和推出。料仓升降装置通过顶升气缸和弹仓式分离机构，可以实现单个料盘自动供料，料盘伸缩装置通过气缸和加紧机构，实现料盘在料仓和架体之间的运转，向空料盘供料以及回收满料盘，实现物料的自动供给[8]。

当产品种类发生改变时，原有底层组装平台保持不变，只需更换相应的功能模块，适当增减底层组装平台数量，即可组成新的自动化生产线。目前，该底层组装平台已成功应用于手机组装生产线，运行状态良好。

5 结束语

从3C 行业的非标自动化设备普遍存在的问题入手，引入模块化设计的思路，通过标准化加组合化的结合，开发出一种3C 行业连线自动化生产线的底层组装平台。该模块化结构可以缩短设计周期，提高装配维护效率，便于设备升级改造。为3C行业的非标自动化设备设计提供了一种新的思路，具有广阔的市场前景。