一種產(chǎn)線多部品組裝工位智能工作站的開發(fā)與設(shè)計

萬金根，馮鎮(zhèn)球，張英軍

（東莞新友智能科技有限公司，廣東 東莞 523533）

0 引言

智能設(shè)備不斷地進(jìn)入生產(chǎn)、制造領(lǐng)域，旨在提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品品質(zhì)[1-6]。例如：護(hù)士工作站智能提醒功能的設(shè)計應(yīng)用提升護(hù)士工作效率，提高護(hù)理質(zhì)量，保證患者安全[7-8]。智能電網(wǎng)安全監(jiān)控極大地提高了電網(wǎng)的安全和電網(wǎng)的質(zhì)量[9]。工業(yè)機(jī)器人智能生產(chǎn)線的打造提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度[10]。利用智能機(jī)器人、視覺跟蹤等設(shè)備與企業(yè)系統(tǒng)的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了按照生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的目的[11]。數(shù)控機(jī)床行業(yè)通過改裝數(shù)控機(jī)床自動門、外加PLC作為智能工作站的上位機(jī)和采用觸摸屏監(jiān)控等形式，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床上下料智能工作站的設(shè)計，不僅能夠提高工作效率，而且能夠很好地監(jiān)控數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)[12]。各式各樣的智能設(shè)備的應(yīng)用，與人實(shí)時交互，有效地降低人為因素導(dǎo)致的產(chǎn)品品質(zhì)問題，也提高了生產(chǎn)效率。在實(shí)際的工廠組立生產(chǎn)工藝過程中，一個產(chǎn)品由各種各樣的部件組成，當(dāng)部件數(shù)量過多時，單純靠人工作業(yè)很難保證產(chǎn)品的質(zhì)量，在組裝過程中很容易出現(xiàn)漏裝、錯裝、作業(yè)順序錯誤等現(xiàn)象，因而通過智能工作站的應(yīng)用來改變傳統(tǒng)的作業(yè)方式，降低人力資源投入，有效提高作業(yè)人員的安全性和產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)性。同時新員工可通過智能工作站進(jìn)行自主反復(fù)訓(xùn)練，不僅節(jié)約了培訓(xùn)人工費(fèi)用，而且還縮短了培訓(xùn)時間，使新員工能夠更快地上線作業(yè)。

1 智能工作站

智能工作站設(shè)計的目的：一是作業(yè)流程管控，防止錯誤作業(yè)；二是作業(yè)動作引導(dǎo)，提升作業(yè)效率；三是縮短新人教育時間。智能工作站在硬件方面的功能有作業(yè)防錯防呆、作業(yè)動作引導(dǎo)、缺料呼叫等；軟件方面的功能有權(quán)限管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示、機(jī)種管理、作業(yè)偏好管理等。

智能工作站的整體布局如圖1所示，包含電腦與顯示器、照明燈、貨架、下沉式原料箱、運(yùn)動氣缸、工作臺面、狀態(tài)信號燈、信號采集與顯示部分（指示燈、反射傳感器、對射傳感器）、功能按鍵、運(yùn)動控制箱等構(gòu)成。

圖1 智能工作站整體布局

智能工作站有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）對作業(yè)流程進(jìn)行管控，防止錯誤作業(yè)，提高產(chǎn)品品質(zhì)水平。

（2）作業(yè)動作引導(dǎo)，提升作業(yè)效率。

（3）新作業(yè)員培訓(xùn)時具備全程可視化指導(dǎo)，培訓(xùn)時間縮短，一定程度上可實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)與培訓(xùn)。

（4）機(jī)種作業(yè)流程可編輯、新建、修改，機(jī)種切換方便，對應(yīng)機(jī)種切換，裝有存儲機(jī)能（程序記錄），能在電腦上儲存多個作業(yè)（每個機(jī)種、每個品目、每個作業(yè)流程），并提供下載功能。

（5）與作業(yè)指導(dǎo)書聯(lián)動，作業(yè)開始時，PC播放指導(dǎo)書內(nèi)容，播放進(jìn)度需與作業(yè)進(jìn)度同步，支持作業(yè)手順書全屏顯示，特定重要部品用量可實(shí)現(xiàn)特寫與放大顯示。

2 智能工作站硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

智能工作站硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由控制部分、顯示部分、執(zhí)行部分、信號采集部分構(gòu)成。主控板（控制箱）的功能是處理傳感器IO的信號、控制貨架升降氣缸、控制操作指示燈與設(shè)備狀態(tài)指示和與上位機(jī)之間的信息傳輸。上位機(jī)軟件主要功能是機(jī)種管理、權(quán)限管理、作業(yè)過程的實(shí)時跟進(jìn)與處理等。

圖2 智能工作站硬件結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器IO板

傳感器IO板實(shí)物如圖3所示，其PCB板如圖4所示，包含電源及CAN通信接口、光電傳感器、5050RGB、可調(diào)電阻、J-LINK下載接口等。

圖3 傳感器IO板實(shí)物

圖4 傳感器IO板PCB

傳感器IO板接線通過J1為系統(tǒng)供電，并與上位機(jī)通信。其中各個部件的作用與功能如下。

（1）電源及CAN通信接口（J1）：1、2腳為電源引腳為系統(tǒng)供電，3、4腳為CAN通信引腳，與上位機(jī)通信。

（2）紅外傳感器（RPR）：人手動作檢測。

（3）RGBLED（LED）：動作指示。

（4）可調(diào)電阻（VR）：通過調(diào)整電阻阻值來調(diào)整傳感器的靈敏度，阻值越小靈敏度越高。

（5）下載接口（J3）：單片機(jī)程序下載端口。

2.3 主控板

主控板實(shí)物如圖5所示。主控板的功能包括控制工作臺傳感器、設(shè)備狀態(tài)指示燈、三色燈，以及氣缸升降。氣缸控制繼電器實(shí)現(xiàn)氣缸的自動升降。

圖5 傳感器IO板實(shí)物

控制箱共4個接口，分別為CN1CN2DIO1220V，如圖6所示。其中，CN1連接CAN、USB端接工控主機(jī)；CN2引出傳感器IO板的電源與通信接口（+12、GND、CAN_N、CAN_P）、氣缸控制接口（S1、S2、+24）；DIO1連接工作臺傳感器、三色指示燈等，此接口將DIO板卡（16輸入、16輸出）的所有IO口引出到轉(zhuǎn)接板上；AC 220 V為220 V電源接口。

圖6 傳感器IO板實(shí)物

2.4 貨架部品布局

貨架部品布局如圖7所示，分為下沉式和架式布局，每個庫位的寬度約為15 cm，在實(shí)際使用過程中可以根據(jù)部品的大小、數(shù)量可使單個部品占據(jù)2個、3個或更多的庫位。圖8所示為某一機(jī)種部品實(shí)際使用布局。

圖7 貨架部品布局

圖8 貨架部品實(shí)際使用布局

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體流程

系統(tǒng)運(yùn)行總體流程如圖9所示，首先是作業(yè)前準(zhǔn)備，選擇當(dāng)前需要生產(chǎn)的機(jī)種，員工可設(shè)置作業(yè)的偏好；然后在燈光和作業(yè)指導(dǎo)書的指引下嚴(yán)格按照作業(yè)步驟生產(chǎn)產(chǎn)品；對作業(yè)過程中不符合要求的作業(yè)實(shí)施提示和報警。當(dāng)前產(chǎn)品作業(yè)結(jié)束方可進(jìn)行下一個產(chǎn)品的作業(yè)。

圖9 系統(tǒng)總體運(yùn)行流程

3.2 主要功能

智能工作站核心的功能是在系統(tǒng)的指導(dǎo)、提示以及相應(yīng)的硬件驅(qū)動下使得作業(yè)員按照正確的作業(yè)步驟和方式一步一步的規(guī)范作業(yè)，最終組裝出合格的產(chǎn)品。極大提升了產(chǎn)品生產(chǎn)效率，具有防呆、防錯等功能。主要功能如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)總體運(yùn)行流程

主要功能如下。

（1）權(quán)限管理：對系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，用戶職責(zé)明確。設(shè)置軟件登錄和數(shù)據(jù)訪問權(quán)限，便于追本溯源，提升管理和生產(chǎn)的安全水平。

（2）生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示：實(shí)時統(tǒng)計和顯示生產(chǎn)過程中的產(chǎn)能信息，減少人工統(tǒng)計數(shù)據(jù)，及時反饋生產(chǎn)情況。

（3）機(jī)種管理：可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)行機(jī)種新建、編輯、刪除等操作，增加工作站對不同產(chǎn)品的自適應(yīng)能力，提升工作站的使用率和重復(fù)利用率。

（4）作業(yè)偏好管理：用戶可根據(jù)自身的操作習(xí)慣設(shè)置操作順序、部件放置位置等。

（5）防呆防錯管理：嚴(yán)密監(jiān)測生產(chǎn)過程中的質(zhì)量穩(wěn)定性，對于作業(yè)員對部件的錯拿、漏拿、拿取順序不正確等操作實(shí)時報警提示；連續(xù)多次拿取錯誤，系統(tǒng)自動鎖住，需管理人員解除。

（6）員工培訓(xùn)與資格管理：可視化指導(dǎo)與培訓(xùn)，管理操作員工的培訓(xùn)和技能資格。

3.3 生產(chǎn)作業(yè)流程

生產(chǎn)作業(yè)流程如圖11所示。

圖11 基礎(chǔ)功能流程

3.4 權(quán)限管理

權(quán)限管理等級分布如圖12所示，用戶等級分為作業(yè)員、技術(shù)員、工程師3個等級。其中工程師為最高用戶等級，具有數(shù)據(jù)顯示、偏好管理、機(jī)種管理、權(quán)限管理的權(quán)限；技術(shù)員可以對機(jī)種進(jìn)行新建、編輯、選擇、刪除等操作。

3.5 機(jī)種管理

機(jī)種管理提高了智能工作站的通用性和多功能性，便于后期機(jī)種的維護(hù)與使用。機(jī)種管理分為機(jī)種新建、機(jī)種編輯、機(jī)種選擇、機(jī)種刪除。新建機(jī)種、修改機(jī)種、更新程序時需要操作軟件CMD（指令表）、Picture（照片）、Sound（聲音）文件夾，其存儲位置可以通過（1）右鍵軟件圖標(biāo)—＞【屬性】；（2）【打開文件夾所在位置】—＞【確認(rèn)】，快速訪問。配置文件組成如圖13所示。

圖13 配置文件組成

CMD文件存放機(jī)種指令表（CommandData）和功能配置文件（ini）。如圖14～15所示。

圖14 CMD文件夾

CommandData各項(xiàng)意義如下。

（1）序列號：僅指示作用（從1遞增）。

（2）步驟號：同時拿去多個部品時使用，步驟號相同則同時拿取，即必須把步驟號相同的拿取完后才進(jìn)入下一步驟。即并行關(guān)系、互不影響（若要設(shè)置傳感器25、26同時拿取，則步驟號改為相同數(shù)值）。

（3）單步號：預(yù)留參數(shù)。

（4）傳感器號：部品對應(yīng)的傳感器，如圖15中第1步為拿取傳感器25的材料。庫位合并：有時一個部品可能占據(jù)多個庫位如圖，這時需將部品占據(jù)的傳感器號都填寫出來，即多個庫位可視為一個庫位處理，拿取時觸發(fā)其中任意一個即可，即串行關(guān)系。如圖15中第8步為拿取占據(jù)20、21、22的部品。

圖15 指令表（CommandData）

（5）用量：對應(yīng)步驟部品拿取個數(shù)。

（6）指導(dǎo)書：步驟對應(yīng)指導(dǎo)書頁數(shù)。

（7）部品圖片：要拿取部品的圖片。

（8）LED提示：若為Y則要拿取部品對應(yīng)的指示燈閃爍，為N則指示燈不亮（默認(rèn)開啟）。

（9）聲音提示：若為Y則要拿取部品時播報相應(yīng)提示語音，為N則不播報（默認(rèn)開啟）。

（10）套數(shù)管理：拿取套數(shù)管理。

（11）作業(yè)動作（確認(rèn)鍵）：若為Y則要拿取部品后需再按下確認(rèn)鍵才進(jìn)入下一步驟，為N則關(guān)閉。此項(xiàng)可用于沒有傳感器對應(yīng)的動作的確認(rèn)。

（12）延時時間：作業(yè)完成后，延時一段時間進(jìn)入下一步（一般可不設(shè)置，此項(xiàng)用于所需操作時間較長的操作，以確保操作與提示語言同步）。

（13）文本框：此項(xiàng)填寫軟件運(yùn)行時需要提示的內(nèi)容。

功能配置文件（ini）各項(xiàng)意義如圖16所示。

圖16 功能配置文件

Picture文件夾組成如圖17所示。圖中文件構(gòu)成如下：（1）此包含機(jī)種對應(yīng)的圖片文件（相應(yīng)操作指導(dǎo)書和部品圖片，以MAIN_DRIVE_ASSY為例），如圖18所示；（2）作業(yè)完成、復(fù)位時顯示的圖片，不可刪除。

圖17 Picture文件夾

圖18 機(jī)種對應(yīng)圖片

Sound文件夾保存有每個傳感器對應(yīng)的語音。（如若在機(jī)種指令表（CommandData）中設(shè)置傳感器1有語音提示則在拿取一號傳感器時就會播報1.wav的語音）。注：以文字命名的語音在程序中調(diào)用不可刪除。

新建機(jī)種的操作，大部分是在EXCEL表格內(nèi)進(jìn)行的。具體是通過設(shè) 置CMD-＞Command-Data.xls、Picture、Sound文件夾內(nèi)的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)的。在相應(yīng)表格內(nèi)填入相關(guān)參數(shù)，再通過軟件逐步讀取表格內(nèi)的參數(shù)，經(jīng)軟件解析后，發(fā)送相應(yīng)命令控制底層硬件的工作。雙擊運(yùn)行操作軟件，在登錄界面（圖19）點(diǎn)擊機(jī)種選項(xiàng)后的藍(lán)色加號按鈕新建機(jī)種。

圖19 新建機(jī)種初始界面

新建機(jī)種界面中各選項(xiàng)意義如下。機(jī)種：機(jī)種行右邊的黑色下拉箭頭可選取已經(jīng)建好的機(jī)種類型，若是沒建有則點(diǎn)擊右邊藍(lán)色的按鈕創(chuàng)建機(jī)種。工位：使用默認(rèn)值。線別：可手動輸入或點(diǎn)擊右邊的黑色下拉箭頭選取。地區(qū)：使用默認(rèn)值。設(shè)備：使用默認(rèn)值。工號：手動輸入。密碼：手動輸入。填寫機(jī)種信息機(jī)種號：輸入機(jī)種名字（例子輸入：TEST）。工位名：輸入工位名（例子輸入：智能工作站）。設(shè)備號：輸入設(shè)備號（例子輸入：XFT-001）。天產(chǎn)能：一天要完成的產(chǎn)量。標(biāo)準(zhǔn)用時：作業(yè)完成所需時間（實(shí)測300 s左右）。單步間隔：取兩個材料的最短間隔（即本次操作完成后，需經(jīng)過此時間后再進(jìn)入下一步）。掃碼：產(chǎn)品有掃碼需要的則勾選。允許錯誤次數(shù)：完成一次組立所允許的錯誤次數(shù)，該項(xiàng)默認(rèn)為0，新建機(jī)種時必須將此項(xiàng)設(shè)置為大于1的數(shù)，否則會一直提示錯誤。設(shè)置傳感器屏蔽（注：此時傳感器讓能感應(yīng)，只是拿錯時不在進(jìn)行紅燈提示）將對應(yīng)傳感器的可選框內(nèi)打鉤則表明此傳感器被屏蔽（即拿錯時不進(jìn)行紅燈提示）點(diǎn)擊確認(rèn)，提示“配置文件生成成功”。指令表及機(jī)種配置如圖20所示。對已創(chuàng)建的機(jī)種變更時需要重新配置相關(guān)文件。已創(chuàng)建的機(jī)種的修改與新建機(jī)種操作一致。

圖20 指令表及機(jī)種配置

3.6 軟件運(yùn)行

雙擊運(yùn)行操作軟件，在登錄界面，點(diǎn)擊機(jī)種后的下拉箭頭選擇機(jī)種MAIN_DRIVE_ASSY。輸入工號和密碼，點(diǎn)擊登錄。登錄后如圖21所示（此時為產(chǎn)品到位狀態(tài)）。

圖21 程序運(yùn)行界面

各項(xiàng)內(nèi)容：

（1）作業(yè)指導(dǎo)書區(qū)域?qū)?yīng)操作指導(dǎo)書的內(nèi)容；

（2）顯示信息對應(yīng)指令表-【文本框】的內(nèi)容；

（3）動作次數(shù)顯示下一次應(yīng)拿取數(shù)量，對應(yīng)指令表-【用量】的內(nèi)容；

（4）部品圖片顯示拿取部品的圖片，對應(yīng)指令表-【部品圖片號】的內(nèi)容，【部品圖片號】為幾就顯示Picture文件夾中同名圖片；

（5）動作實(shí)際顯示當(dāng)前應(yīng)拿取數(shù)量。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計和開發(fā)的智能工作站已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程中。該平臺具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）防止拿取錯漏、減少自工程檢查；（2）部品供給改善，缺料自動提示，數(shù)據(jù)可追溯，作業(yè)異常可快速改善，人員管理作業(yè)性能改善；（3）部品取用效率改善，提高生產(chǎn)效率；（4）新人上崗無需指導(dǎo)老師，自己選擇學(xué)習(xí)模式進(jìn)行作業(yè)練習(xí)，縮短新人教育時間。

目前，該智能工作站已成功應(yīng)用于打印機(jī)部件的組裝、電子秤組裝、工業(yè)機(jī)器人組裝、PCBA插件組裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，服務(wù)的客戶有京瓷、百利達(dá)、新技等國內(nèi)外公司，幫助客戶降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)。針對多部品組裝、品質(zhì)要求高的工位場景未來對智能工作站還具有更大的應(yīng)用前景。