航空电子设备数字化柔性调测产线设计与实现

张 涛

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引言

随着航空电子设备产品多品种、中小批量生产任务日益增长的需求，在保障产品质量的前提下，缩短产品生产周期，降低产品成本，构成规模经济效益的生产方式，是新形势下对工业部门提出的客观要求[1]。数字化转型大环境下，各大工业部门在数字化生产转型方面持续发力，目前在数字化加工制造、数字化装配方面已有相对成熟的整体解决方案，但在数字化调测方面研究相对薄弱。本文对标航空电子设备所具有的技术先进、结构复杂、单体设备多、测试项目杂等特点[2]，结合企业多年数字化柔性调测产线建设经验，分享如何构建一套通用、灵活、可升级的测试系统[3]；同时，提供了方案论证之初的建设思想，为后续有相关产线建设需求的生产企业提供建设思路和先进理念。

1 航空电子设备调测必要性

电子装备信号多且复杂，涵盖了低频和高频信号、连续和离散信号，同时还包括一些非电信号[4]。为便于功能划分、组织生产，从实物上将电子装备分为板级、模块级、分机级和整机级四种类型。电子设备设计、制造的过程也是装备性能形成的过程，因器件性能参数离散以及装配误差带来的产品性能偏移，无法做到加工、装配完成后即可保证装备各项功能/性能、技术指标正常，满足使用要求。因此针对航空电子设备，其生产过程一定包含功能/性能、技术指标符合性调测环节。

2 航空电子设备调测存在的问题

调测是航空电子设备研制生产过程中极为重要的环节，属于电子装备研制生产的共性需求。当前行业中电子装备调测主要还是手工调测为主，所以还存在诸多问题，如：调测效率低，操作者根据文档化的工艺文件要求进行测试，测试效率不高，工序繁琐，过程中需要大量手工操作和测试，测试时间较长[5]；手动设置各个仪器参数，容易输错，造成质量事故；产品测试过程中操作者精力需要一直集中，长期工作，工人劳动强度大。

3 已有自动测试系统存在的问题

3.1 研制工作量大，使用维护性差

由于自动测试系统由专门人员开发，系统研制工作量大、成本高，适应性不强[6]，在使用过程中出现的问题，只能由专门人员现场解决，可维护性差，耽误产品调测生产周期。

3.2 可移植应用性差

各个系统独立设计完成，没有统一标准的规范，导致测试系统型号繁多，互不通用[7]。新开发的自动测试系统无法做到仪器自动适配，造成资源浪费，增加企业运营成本。

3.3 研发进度难以与产品生产周期同步

自动测试系统是在产品的功能、性能确定，以及产品物理形态完整后开发，待产品需要调测生产时，自动测试系统的开发往往还未完成，并且需要在生产的产品上进行验证，与调测生产计划不匹配。

4 数字化柔性调测产线设计思路

通过现代信息技术、机器人技术、大数据技术、数据采集技术、智能传感技术等，针对现有生产测试全过程进行资源的“统筹、贯通、融合”，以提高装备生产调测能力，并实现产线产能的弹性增长。通过测试自动化、工装智能化提升作业层工作效率；通过测试仪器网络化、资源柔性化提升测试资源的使用效率；利用现有设备构建数据采集系统，通过开发数据采集软件实现各分散点测试数据的自动采集[8]，以及数字化生产管理、工艺设计、质量管理。

5 柔性数字化调测产线设计原则

柔性数字化调测产线设计原则如下：

1）易用性，操作流程简单，界面风格简洁友好。

2）通用性，所设计的机构可以为日后功能的拓展提供基础，或者通过替换某一模块实现新的功能[9]。

3）实时性，实时下发各产线的生产任务，实时获取各产线的工作信息和环境信息，并提高异常状态告警的及时性。

4）高效性，提升工位的作业效率，提高工位的管理能力。

5）稳定性，各产线和管理系统性能稳定可靠。

6）兼容性，柔性调测产线应兼容多种产品上线需求。

7）可扩展性，预留较多的硬件控制接口，后期需扩展新增型号时，通过增设相应信号适配和开发测试程序即可实现；当硬件控制接口资源无法满足新增型号需求时，也可通过扩展相应的控制卡来满足设计要求。

6 数字化柔性调测产线工作原理设计

柔性数字化调测产线工作原理如图1 所示。

图1 数字化柔性调测产线工作原理图

数据机房为整个系统的运行提供相应的平台部署基础设施，技术中台、业务中台、数据中台、管理门户及下属应用、通用数据采集控制平台和产线智能物流系统部署在数据机房中。

管理人员在管控工位通用Web 统一入口访问管理门户下的应用。

业务中台根据产线实际运行场景及管理需要，对业务处理进行定制化开发，对于各种场景的处理在业务中台中完成。

工艺人员在工艺管理应用中配置编辑各图号产品的生产路线、测试工序、测试项、测试文件等，并将编辑好的工艺数据版本发布在数据中台上，对外发布工艺数据版本接口。

业务中台中的产线生产运营模块，从数据中台获取工艺版本数据，根据工艺数据及产线配置数据对产线生产进行调度，管理人员通过数字化产线管控应用对产线生产运营情况进行访问和控制。

产线智能物流系统对AGV 及AGV 物流路线进行管理，并控制AGV 进行物流运输，业务中台中的物流调度模块根据产线实际运行场景向产线智能物流系统发送运输命令来进行AGV 运输。

根据物流机构实际分布情况部署物流数据采集控制终端，对测试工作站的物流机构进行控制和数据采集。

产线生产现场的工位管控终端上部署有工位管控应用，现场测试人员登录该应用接收测试任务并进行测试，测试完成后将生产过程数据上报业务中心。

工位管控终端连接工位数据采集控制终端，进行工位数据采集设备的控制和数据采集。

工位数据采集控制终端采集上来的数据在发给工位管控应用的同时，也会自动发往通用数据采集控制平台，并根据平台配置的数据处理机制进行转发或抽样存储。

数据中台根据数据治理规则对各产线的生产过程数据、测试数据、采集的环境数据、物流数据等进行汇聚，通过数据中台提供的数据加工和数据发布功能，以无代码或少代码的方式生成各产品测试报告所需数据和数据分析所需数据。

7 数字化柔性调测产线硬件构成

7.1 产线整体设计

生产线由多个测试工位、一个线边库和一组循环传送带组成，每个工位均配置一个抓料机构。工位采取流水线的方式进行摆放，方便后期扩充工位。生产线整体布置图如图2 所示。

图2 生产线整体布置图

7.2 测试工位设计

每个测试工位主要由全自动装夹适配台、模块适配器、射频开关网络、测试主控设备、自动测试平台软件、测试程序集（TPS）、工位数字看板、工位数据采集设备和通用测试仪器等组成。

测试工位采用面向信号的思想进行设计，根据测试指标种类及所需测试仪器类型来规划测试工位。每个测试工位分别用于测试产品不同类型的待测项。通过适配器，每个工位一次可支持多块同类型产品的测试。产线具备扩展功能，通过简单的工装适配即可兼容新型号的产品，也可通过增加仪器或更换射频开关网络等手段支持其他类型的产品。当现有的测试工位类型无法满足测试需求时，也可额外增加新类型工位用于新增指标的测试。

各测试工位由全自动装夹适配台完成被测产品的全自动装夹及信号互联适配。测试主控设备控制被测产品进入被测工作状态，并控制通用测试仪器完成对被测产品的功能、性能指标测试。智能测试工作站原理如图3 所示。

图3 智能测试工作站原理框图

7.3 适配器设计

适配器可根据不同类型产品进行定制。为了方便全自动装夹适配台进行自动装夹，不同适配器对外接口与尺寸保持一致，内部可根据具体产品进行接口适配，同时支持插入多个同类型产品。适配器设计架构图如图4 所示。

图4 适配器设计架构图

7.4 射频开关网络设计

射频开关网络用于被测模块与测试仪器之间射频链路的自动切换。其由多路单刀双掷、单刀四掷、单刀六掷开关等自由组合而成，满足多路射频信号与测试仪器之间的通信，同时可以进行通道间程控切换。射频开关网络满足射频信号传输所需要的低损耗、高隔离度等特征。

7.5 全自动装夹适配台设计

全自动装夹适配台主要由基座、外罩、自动对插机构、自动定位夹紧机构、抓料机构等组成，可支持模块适配器的自动装夹，外部配备工程小车自动上料车、传料机构、下料机构、自动物料储存架等，配合全自动装夹适配台完成模块的物流运输、测试工位转运及测试完成后模块的分类暂存。

7.6 循环传送带设计

循环传送带由上层输送线、下层输送线、升降输送线、适配器托盘、阻挡、二维码扫码器等组成，如图5所示。

图5 循环传送带布置图

循环传送带上下两层输送线流向相反，输送线首端和尾端各布置一套升降输送线，从而实现产品在输送线上循环流动。

托盘用于放置模块适配器，托盘随输送线流转。当托盘载着产品流转到全自动装夹适配台取料位置时，阻挡气缸伸出，将托盘阻挡在抓料位置。

二维码扫码器用于扫描物料信息。扫码器安装于循环传送带型材框架上，在进行装夹适配台抓取和线边库上下料等操作之前都需要进行扫码操作。

循环传送带垂直于线边库布置，循环传送带首端靠近线边库，线边库取放料机构可直接从循环传送带上取放料，从而实现测试产品的自动上料和下料。全自动装夹适配台平行于循环传送带布置，适配台抓料机构可从循环传送带上抓取料。

通过循环传送带，测试产品可自动流转至相应的测试站位进行相关性能测试。

7.7 线边库架构

线边库由货架、取放料机构（堆垛机）、控制系统等构成，如图6 所示。

图6 线边库组成布局图

货架放置台面设置有定位销钉，可准确定位模块适配器。货架每组存放位下方安装有2 组传感器，可用于检测存放位是否有产品。

线边库货架如图7 所示。

图7 线边库货架

取放料机构用于实现模块适配器的自动取放。取放料机构由底座、立柱、水平行走机构、竖直提升机构、伸缩货叉等部分构成，如图8 所示。

图8 线边库取放料机构

货叉可双向伸缩，最大伸缩距离为550 mm，负载能力为40 kg。货叉上安装有二维码扫码器，可自动扫描模块适配器上的二维码。伸缩货叉配合行走机构和提升机构，实现自动取放料功能。

7.8 产线实物照片

产线建设实物图如图9 所示。

图9 产线建设实物图

8 数字化柔性调测产线软件构成

8.1 自动测试平台软件

平台软件按照数据库驱动、执行引擎、功能插件、测试用例和运行界面的方式进行分层级设计，各部分采用松耦合的方式进行有序组合，可以方便进行功能扩展和完善。图10 所示为平台软件的基本架构框图。

图10 平台软件基本架构框图

1）数据库。平台软件使用本地的SQLite3 关系数据库。SQLite 数据库是最典型的嵌入式轻量级数据库，具有文件数据库特性和内存数据库特性[10⁃12]，能够高效地存储测试过程中产生的用户数据、测试数据、仪器数据和设置信息等。通过封装增、删、改、查等接口实现数据库和执行引擎的交互，保证了数据传输和存储的稳定和安全。

2）功能插件。功能插件包含了仪器驱动和UUT 控制协议，提供了丰富的接口定义适配不同类型的硬件，如visa、TCP/IP、串口、CAN 等，通过功能复用可以实现硬件设备的快速操控。同时，功能插件中还集成了诸如算法、常用函数等功能模块，为测试开发提供了标准的应用套件。

3）测试用例。测试用例主要面向被测产品，根据测试项目编写测试逻辑，配置参数。不同的产品具有不同的测试用例，但都要按约定的范式进行组合，才能被平台软件自动识别和正确执行。

4）执行引擎。执行引擎主要基于多线程技术和模块重载技术，将测试用例、数据库和运行界面有序地连接起来，在不同的线程上运行各功能程序，通过信号⁃槽机制传递数据，保证了各功能程序执行过程中互不干扰，运行流畅。

5）运行界面。运行界面围绕日常测试需求，尊重用户的使用和体验，提供了简洁友好的人机交互界面，用户可以轻松查看和选择测试用例，并按照需求进行功能配置，观察测试过程和测试结果。

8.2 数字化工位管控软件

数字化工位管控软件功能组成图如图11 所示。

图11 功能组成图

1）作业执行。作业执行包括作业工艺指导、作业提示、作业操作、作业信息收集、作业过程回放和作业异常处理。

2）人员管理。工位操作人员在应用数字化工位管控时，通过指纹或者帐号进行登录，通过调用业务中台人员登录接口完成权限校验，登录成功后系统后台记录操作人员登录信息，统计人员工作时长。

3）工位看板。通过工位看板界面展示工位三维场景，并在场景中展示工位设备、工位环境、任务情况等信息。

4）数据采集。数据采集包括环境数据采集和仪器数据采集两部分，其中环境数据通过工位数据采集设备进行采集，仪器数据通过仪器自检程序进行采集。

5）状态报警。对于测试异常报警、手动报警两种情景提供报警功能，将工位异常信息上报给业务中台。

6）产品排故。对异常品进行管理和维修，记录产品排故处理记录。

9 数字化柔性调测产线快速换产能力

产线采用通用化、标准化、模块化设计，标准化程度高，当要进行产能扩充的时候，可实现产线的快速复制；并且采用柔性化设计，产线的所有工位的硬件接口都标准化设计可实现快速换产。

1）相同模块的物理结构可互换，如：设计的标准工作台，站位之间任一模块可实现互换；AGV 全部采用同种型号的产品，在产品出现故障时即可进行快速切换。

2）设备的控制软件做到底层驱动的标准化。

3）AGV 导航采用SLAM 方式[13]，对场地适应性强，不受到复杂环境的影响，可快速构建导航地图。

4）产线管控系统提供基于现有产品型号相关资源、工艺、流程、数据、软件界面新建数据模板的能力，可快速提供新产品型号相关的集中管控和现场信息辅助功能，基于新的数据模板，可以快速开展相应的产线现场管控工作。

5）产线换产时，硬件只需要更换被测站的低频适配项、配套电缆或相应适配器就可实现多种型号的换产，时间为20～40 min。

10 结语

本文设计的数字化柔性调测产线经过系统的软、硬件设计和实际建设、调试，目前已投入使用，产线整体运行稳定可靠，调试生产效率得到大幅提升；同时调试人员需求量和人员劳动强度得到大幅降低，通过增加测试工作站、测试TPS，即可满足上线产品柔性可调整，满足航空电子设备调测生产的需求。