基于5G的智慧装配车间总体架构方案

(上海飞机制造有限公司，上海 201324)

1 概述

制造业在国家层面乃至整个人类社会扮演着至关重要的角色，智能制造已然成为全球化课题和国家级战略课题，很多国家都在智能制造领域进行了规划和部署，如中国“中国制造2025”、德国“工业4.0平台”、美国“工业互联网计划”等。5G时代的到来，恰恰满足了智能制造对通信网络系统升级的需求，引爆了人们对未来智能制造的遐想。

工业制造是国家综合实力的体现，工业5G智能制造更是先进技术的示范标杆，结合制造的批产降本、稳质、增效的发展需求，构建一个5G智能制造的智慧装配车间。

2 车间总体架构方案

智慧装配车间总体架构分为平台层、网络层和现场层三个层次。

1)智慧装配车间的平台层主要包括各个生产环节的业务平台，包括生产流程平台、物料系统平台、6I全连接平台和企业云平台等。

2)智慧装配车间网络层包括5G网络应用和面向装配齐套管理的装配MES系统。智慧装配车间的5G网络应用于AR装配辅助、大部件自动对接、物料及工装状态获取、装配远程操作、装配人机协作等应用场景，其主要需求侧重于高带宽、低时延及大量设备相互通信，5G网络的增强型移动宽带(eMBB)、超高可靠低时延(uRLLC)、大规模机器类通信(mMTC)提供了环境支持。

3)智慧装配车间现场层包括6I互联、智能装备及AR。其接收网络层下发的数采指令及生产资源数据，根据要求，调动车间现场资源进行生产操作。车间现场层向网络层实时反馈6I数据，实现装配的精准执行以及现场状态的全面感知。

基于5G的智慧装配车间总体架构如图1所示。按照装配车间的总体架构方案，开展基于5G的智慧装配车间建设，实现装配车间的智能制造。

3 关键技术与系统

3.1 面向装配齐套管理的装配MES系统

装配零部件、工具、工装等的齐套性是装配的前提，也是装配过程管控的重点，因此将面向装配齐套管理的装配MES系统作为总体方案的重点内容，予以描述。

3.1.1 智能排产

1)智能订单管理。MES系统从物料系统中提取、导入可进入装配车间进行装配的订单。对已导入的订单可执行查询、删除等操作，并提供计划审核工作流管理，和审核管理界面。

图1 智慧装配车间总体架构

2)生产计划智能管理。生产计划排程系统需要能够应对客户紧急插单处理，接受到订单后，重新排程，可设置插单优化目标。重新排程后，对原有已排程的订单交期进行分析，根据分析结果决定是否接受插单。

3)智能排产。根据给定的主生产计划和设备、工艺等信息，运用调度算法给出订单的生产顺序并显示调度结果；针对生产中的扰动和用户的满意程度进行适当的人工调整；将装配指令下达给生产班组进行装配，对调度工单进行维护管理。通过资源负荷图显示对未来设备使用率的预测，并及时调整相关设备及人员安排。

4)生产进度智能追踪。生产进度追踪主要的目的是明确生产订单的完成情况，帮助生产管理人员了解生产订单完成的进度、产品数量以及不良品的数量，以便在必要时采取正确的措施。系统以实时报警为核心功能的生产过程可视化实时监控。对生产计划进度、生产状态、设备状态、生产节拍等实时监控，超出报警阈值的，系统自动产生预警、报警，可通过多种方式推送给相关人员，以及时处理生产过程中的问题。从而提高生产效率和管理效率。

3.1.2 设备管理

物料系统设备管理主要分为三部分内容：设备信息管理、设备状态监控及设备状态预测。

1)设备信息管理。设备信息管理管理设备的基础信息，如设备名称、设备型号、设备规格、设备厂商、设备购置日期等信息。

2)设备状态监控。实时监控设备的运行状态：运行、停止、故障，并且对于设备的运行参数进行实时的数据采集，以便精确的掌握设备的运行状态。

3)设备状态预测。通过对设备正常运行、停机、故障、维修等数据统计和分析，获得设备使用效率。通过可视化界面直观展示实时统计的设备效率，并且通过大数据分析对设备的运行进行预测性分析。

3.1.3 工装管理

装配车间的工装基础从平台层的物料系统获取，通过实时监测工装、型架的状态，确保工装的可用性和准确性。其实现可采用UWB芯片、RFID标签等方式实现。

3.1.4 刀具寿命监控

通过获取刀具的参数属性，包含刀具的使用参数，并比对刀具的使用总次数，得到刀具的使用寿命，并以图表的方式体现。

3.1.5 人员监控

通过获取人员所携带的可穿戴设备数据，采集人员的位置信息，结合车间现场的监控视频，监控装配人员的工作状态。

3.1.6 物料管理

装配车间所需使用的物料进行管理，主要包括以下几方面。

1)装配车间所需物料基础信息：物料名称、物料种类、物料规格、物料型号等。

2)装配车间所需物料数量实时监测。

3)根据物料系统的装配订单，出具物料需求。

4)装配车间在制品数量。

3.1.7 装配质量管理

1)工艺质量基础信息。装配车间不同的产品对应不同的工艺参数以及工艺路径。为了便于工艺管理，对不同型号的产品质量参数进行统计管理，包含工艺质量参数的增、删、改、查功能。在实时采集工艺参数的同时，自动比对数据库中的预设工艺参数，如果有实际参数超出预设范围的情况发生，系统会自动发送警报信息，实现工艺参数预警。

2)质量检测数据采集。对车间品质量检测数据进行采集，对每一个装配产品的关键质量参数进行统计，包括多次测量，测试的人员、开始结束时间、耗时等。同时，可对关键质量数据进行在线对标。

3)智能产品质量统计。主要包含三部分内容。①对单批次同一测量数据与标准值对比，描述整个批次某个参数的测量值范围及波动大小。②对同批次的任意一个产品与其余产品测量值，统计各测量值所在区间的百分比。③对历史上任意两个批次某一个测量参数值，统计各测量值落所在参数区间的百分比，进行参数寻优。

4)质量分析。统计部件不良原因，同一类产品不良原因占比分析和处理方式占比。形成对产品生产工艺和不良品返修效率的优化。

5)智能在线防呆防错。具备装配工单防错，装配匹配防错，工艺路线防错，工艺参数防错功能。一旦生产出错，产生报警和高亮提示。

3.1.8 零件追溯

装配车间系统过对接智能物流系统，记录使用过的零件批次号、零件编号，实现对装配现场使用过的零件进行跟踪记录。

3.1.9 可视化管理

通过实时监控界面，使用三维效果图形、趋势曲线、表格、柱状图、饼图等展示各类数据，对生产过程运行参数、设备状态、质量状态、生产进度等进行查看，图2为生产过程设备状态实时监控的可视化管理界面示例。

图2 生产过程设备状态实时监控界面示例

3.1.10 工刀具管理与智能配送

基于激光喷码技术，对工刀具进行喷码，关联工具本体特性和激光喷码，通过扫码枪扫码实现工刀具的信息化管控。

根据工刀具的使用特性，结合工况、装配工艺流程、装配知识数据及AO管理，自动出具最优工刀具组合，进行自动推送。

3.2 基于AR的智能辅助装配系统

由于装配过程少不了人员的参与执行，提升人员装配操作的准确性、高效性是提升装配效率的关键，因此采用AR等技术建立辅助装配系统，为人员作业提供及时指导、将作业过程及时记录是装配车间智能化的重要手段，因此也作为总体方案重点内容予以描述。

1)装配指导信息录入及编辑。在实际装配工作中，为保证产品在装配过程中的质量稳定，除了对普通工序进行控制和验证、使其处于受控状态外，还应对关键工序环节设置检验点，系统地开展工序控制活动。同时，为了有效开展装配工序质量控制，应具备必要的控制文件和记录，并把质量控制要求落实到工序控制点上。系统建立装配指导信息录入模块，根据后台数据统计分析的数据结果，及时更新装配工艺流程图，同时若现有的流程图出现不恰当的地方，可随时进入后台对该指导信息进行增删改等操作。

2)三维装配过程建模。装配指导需要对生产装配过程中的部件进行建模。为了使得装配人员能够认清辨别各个零件，需要对零件进行高精度建模、使用纹理、材质、灯光等还原零件外观，并对所用到的安装工具、设备、仪器等进行细致建模。通过对各型产品进行高精度建模，建立相对完善的装配模型库。

3)装配作业技术分析。现场实施的装配工艺流程图，在装配实际操作时，采集到各种数据，通过AR系统在工序用时、出错率、熟练度等方面进行统计与分析，可进一步完善工艺流程图，与上一模块互相验证，形成良性的循环。

4)装配记录信息存储。装配记录信息存储用于存储全生产过程中的作业人员正常安装的整个过程记录，形式采用文字、图片、声音、视频等方式来录入，为后续智能辅助装配的实时指导提供重要的参考数据。

5)装配可视化。由于随着航空生产设备功能越来越强大，设备结构越来越复杂，这就要求技术人员要掌握设备的每个细节、认识设备结构中的每个零部件。但即使记忆能力超强，也不能保证持续规范操作。对于技术人员来说，解决“学时不能用，用时不能学”和“遗忘曲线”的困境就显得至关重要。在AR装配辅助系统中，使用语音、文字、三维视频演示等功能并辅助AR技术来提示和指导一线工人完成对产品的装配工作。

6)装配人机交互。主要解决装配人员在装配过程中，与装配信息集成辅助子系统之间交互操作。采用自然手势交互方式。自然手势交互可以说是人机交互之间最方便，也是当前应用最广泛的交互技术之一。尤其是手势识别的出现，以及相关自然交互与大数据技术的逐渐成熟，给自然交互带来全新的契机。新一代自然交互的出现，并不是交互技术上取得了多大的突破，而关键是将交互与智能终端以及云端后台进行了恰到好处的整合，让人类的交互借助于数据化的方式与程序世界实现交流，并达到控制、理解用户意图的目的。前端使用自然交互技术，后台则集成了网页搜索、知识计算、资料库、推荐等各种技术，弥补了过去交互技术单纯依赖用户命令的局限性。

7)装配智能检测。智能检测模块是把正确的设备装配过程输入到系统中后，利用智能检测设备的监控功能采集的图像、视觉算法识别与软件系统中存储的设备正确装配数字信息进行对比，这样在操作人员发生错误操作时给予实时提醒。将操作人员的操作过程通过视频监控的视角采集图像功能采集、记录和存储下来，方便出错时随时回溯、查看、比对和总结，以作为提升自身技术能力的基础数据。同时，管理和评审人员还能够自由选择装配操作人员监控视频了解其真实动手装配过程，结合数据分析和自身经验了解其操作过程是否存在问题，以便给出操作人员具体到某个操作细节的改进建议。

8)装配智能纠错。装配纠正模块是系统在识别到操作错误现象时输出显示正确的操作方式，给予操作人员正确的操作提示和正确操作流程演示。一方面提示如何回溯到上一个装配节点；另一方面指导装配人员如何进行下一步正确装配。

9)装配进度监控。为实时把握装配车间产品的装配情况，采用AR技术对于装配过程进行管理和控制，主要包括两部分内容。①装配进度监控：监控工序的基本信息，并根据进程推送详细的工序内容到AR眼镜，直至工序完成。②检验过程监控，监控装配检验全过程，直至检验完成。

4 结语

利用5G的低时延、大带宽和高并发的特点，实现装配生产的数据无线高速传输，实现车间的万物互联，通过搭建装配车间的平台层、网络层和现场层三层架构，综合运用MES管理系统和AR辅助装配技术，构建生产车间的智慧装配系统，为生产制造类企业提供5G智能制造整体解决方案。