（机械制造及其自动化专业论文）基于rfid和电子看板的装配生产监控系统的研究.pdf

摘要 信息技术的高速发展、市场竞争的日益激烈和产品需求的多样化给企业的生产管理带 来了机遇和挑战，企业信息化管理势在必行。然而，很多企业的信息化建设却见效寥寥。这 其中，有很大的一个原因就是企业信息化缺乏企业生产的基础数据。而这些数据恰恰就是企 业信息化管理准确性和时效性的重要保障。 装配过程是整个生产活动中最复杂、涉及面晟广的过程，装配工作执行的好坏对产品 的最终质量有着重要的影响，决定了产品是否能满足市场的要求。而在拉动式的生产系统中， 装配又是整个生产的“起点竹 装配生产的进度决定着整个订单交付的进度。装配生产监控的 研究及其信息集成系统的建立，对制造企业提高自身的信息化管理水平和应对多样的市场变 化起着重要的作用 本文结合装配生产的特点，对装配生产监控系统进行了需求分析，提出了装配生产过 程的实时状态模型，并在应用r f i d 技术对装配生产进行实时数据采集的基础上，实现了基 于电子看板的实时生产状态数据可视化为装配生产系统甚至整个企业的运作提供准确、及 时的生产状态基础数据，为企业的经营和管理提供支持。 第一章分析当前离散制造业面临的挑战和存在问题，以及对装配生产进行实时监控的 必要性和意义，并在总结生产过程监控相关领域研究现状的基础上，提出本论文研究的内容 和论文的结构。 第二章结合装配生产系统的特点，分析了装配生产监控系统的功能需求和数据需求，及 其实时数据的采集，建立了装配生产过程的实时状态模型，并提出装配生产监控系统的总体 方案。 第三章研究基于r f i d 技术的装配生产实时状态数据的采集和处理技术，并讨论基于电 子看板的数据可视化方法。 第四章设计并实现装配生产监控的原型系统 最后，对本文的研究工作进行总结，并提出对本课题研究的展望。 关键词，装配生产，生产监控，r f i d ，实时数据采集，电子看板 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n c r e a s i n g l yi n t e n s i v em a r k e tc o m p e t i t i o n a n dd i v e r s i f i c a t i o nt ot h en e e d so fp r o d u c tb r i n go - p p o t t u n i t i e sa n dc h a l l e n g e st op r o d u c t i o n m a n a g e m e n ti nt h ee n t e r p r i s e e n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti sb e c o m i n ge s s e n t i a li n b u s i n e s s e s h o w e v e r , i n f o r m a t i o ne o m m m i o m i nm a n y t e q ) r i 辩sh a v el i t t l ep r o g r e s s o n eo f t h em a i n 聪a 晕吣i st h el a c ko f t h eb a s i cd a t ao f p r o d u c t i o n , w l a i e hi st h ep r e c i s i o ns a f e g u a r dt ot h e a e e t t r a c ya n dp r e s c r i p t i o no f t l e t l t e r o r i i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t 1 k a s s e m b l yp r o c e s si st h em o s tw i d e l ys p r e a da n dc o m p l e xp r o d u c t i o n ，w l a i e l ah a s e l a o r m o l l si m p a c to np r o d u c tq u a l i t y , w h i l eq u a l i t yd e t e r m i n e sw h e t h e rt h ep r o d u c t sc mm e e tt h e m a r k e td e m a n d t h ea s s e m b l yp r o c e s si st h e ”s t a r t i n gp o i n t o f t h ee n t i r ep r o d u c t i o ni np u l l - t y p e p r o d u c t i o ns y s t e m , w h i l et h es y s t e md e t c l t l 3 j n e sm ep r o g r e s s e so f t h ed e l i v e r i n go r d e r s t h es t u d y o fa s m b l yp r o d u c t i o nm o n i t o r i n ga n dt h ee s t a b l i s h m e n to fi t si n f o r a l a t i o n - i n t e g r a t e ds y s t e n b h a si m p o r t a n te f f e c t0 1 1i m p r o v i n go fi n f o r m a t i z a l i o nm a n a g e m e n ts k i l la n dc o p i n gw i t hd i v c r m a r k e tc h a n g i n g a m i n ga tt h ee h a t a e t e r i z a t i o no fa s s e m b l yl ，r o d u e t i o n , w e m a l y s ef i l er e q u i r e m e n t so f f i m c t i o na n dd a t ao ft h ea s s e m b l yp r o d u c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m , 柚da l s op r o p o s et h em o d e lo f r e a l - t i m ec o n d i t i o no fi t a st op r o v i d ea e e t t m t ca n dt i m e l yp r o d u c t i o nc o n d i t i o nb a s i cd a t a , w e a l s oa p p l yr f i dt e c h n o l o g yt oa s s e m b l yp r o d l | c t i o nf o rr e a l - t i m ed a t ae o l l e e l i o n , a sw e l la s v i s u a l i z et h er e a l - t i m ec o n d i t i o no f t l a es y s t e mb yu s i n ge l e c t r o n i ck a n b - mi ng e n e r a l i tp r o v i d e s t h e d e c i s i o n s u p p o r t f o r a s s e m b l y p r o d u c t i o ns y s t e m a n d e v f o r t h e w h o l e e n t e r p r i s e b e g u nw i t ht h ea n a l y s i so ft h ee l m l l e n g e sa n dr e m a i n i n gp r o b l e m st ot h ec u l t e n td i s c r e t e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , a n dt h en e c e s s i t ya n ds i g n i f k ：a n e eo ft i m e l ym o n i t o r i n gf o ra s s e m b l y p r o d u c l i o nw a st l a ed i s c u s s i o no ft h en e c i t ya n ds i g n i f i c , a et ot h ea s s e m b l yp r o d u c t i o n , c h a p t e r lf i g u r e d o u t t h e c o n l 斟l t a n d t h es l l m e t t n o f t h e c o n 躐b a s e d 0 1 1s u m m a r i z i n g o f r e l a t i v e a l r c a $ o f t h ep r o d u c t i o np r o c e s sm o n i t o r i n g a m i n ga tt h ec h a r a c t e r i z a t i o no fa s s e m b l yp r o d u c t i o n , c h a p t e r2a n 咖e st h ef u n c t i o nn n d d a t ar e q u i r e m e n t so fa s s e m b l yp r o d u c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m , a , 5w e l la st h er e q u i r e m e n to f r e a l - l i m ed a t ac o l l e c t i o n b yp r o p o s 吣m em o d e lo ft h er e a l - t i m ec o n d i t i o n , ma l s of i g u r eo u t g e r a l $ c h c l n eo f t h ea s s e m b l yp r o d u c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m c h a p t e r3p r o p o s e dt h em e t h o do f r e a l - t i m ed a t ac o l l e c t i o nb a s e d r f i dt e e l m o l o g ya n d r e a l - t i m ec o n d i t i o nv i s u a l i z a t i o nb a s c d0 1 1e l e e m m i ek a n b a ni na s s e m b l yp r o d u c t i o n c h a p t e r 4 d e s i g n e d a s s e m b l y p r o d u c t i o n m o n i t o r i n g p r o t o t y p es y s t e m , a n d i m p l e m e n t e d i t i nt h ee n d , s u m - u pa n dp r o s p e c to f t h em e a r c hi nt h et a s ka l es t a t e d k e yw o r c b za s s e m b l yp r o d u c t i o n ，p r o d u c t i o nm o n i t o r i n g , r f i d ，r e a l - t i m ed a t ac o l l e c t i o n , 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 张俊豸跨後二- 签字日期：2 0 0 7 年9 月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名； 张俊；j 9 ；使导师签名：唐任仲1 彳m i 签字日期：2 0 0 7 年9 月1 1 日签字日期：2 0 0 7 年9 月l l 目 学位论文作者毕业后去向： 广东深圳 工作单位：中国科学院深圳先进技术研究院电话：8 6 7 5 5 2 6 8 0 3 5 8 8 通讯地址：深圳蛇口南海大道1 0 1 9 号南山医疗器械产业园3 a 邮编：5 1 8 0 6 7 1 1 研究背景 1 1 1 制造业面临的新挑战 第1 章绪论 信息技术快速发展，市场竞争日益激烈，我国制造业既面临着巨大市场潜力的机遇， 同时也面临着竞争带来的严竣挑战。制造企业面临的挑战主要来自于三个方面i l l ： 首先，社会需求的快速变化。由于现代社会变化的加快，人们对产品的需求也随着迅 速变化单一化的产品已经不能满足消费者的需求。人们在追求产品功能多样化的同时。也 要求产品的个性化。产品制造从大批量制造走向多品种少批量和大批量定制的时代，产品更 新快，生命周期变短，质量要求和服务要求也越来越高。 其次，行业竞争的日益激烈。随着生产力的提高，社会分工必然越来越精细，带来的 也必然是越来越明显的行业竞争。而社会需求的快速变化也带来了市场格局的变化，各个企 业为了争夺瞬息万变的市场份额必然展开激烈的竞争。只有那些能够迅速获取消费者需求并 快速反应的企业才能在竞争中取得一席之地 2 1 。而信息技术的发展和应用，为企业提供了很 好的工具和机会。 最后，企业自身管理要求越来越严格。工欲善其事，必先利其器”企业要想在瞬息 万变的市场竞争中取胜。就必须先增强企业自身的竞争力。企业内部管理的好坏决定着这个 企业的命运。信息技术的快速进步不仅使得信息技术本身和信息技术应用的模式发生了巨大 的变化，信息资源的战略地位不仅在企业组织中得到巩固和拓展，而且也上升到了企业生存 环境的高度，并从根本改变了管理者对时间和空间的认识唧。这种转变使“信息就是金钱” 代替。时间就是金钱”成为了企业新的价值观。在从识别消费者需求到满足消费者需求的这 一过程中，信息的准确，及时，有效和全面是整个过程实现的前提 1 1 2 离散制造业信息化的现状和问题 离散制造指制造过程基本上是把原材料加工成离散的毛坯，再逐一加工成零件，然后 进行部件装配和整机装配的制造方式，是相对了连续制造而言的 我国制造业在世界制造业中有着举足轻重的地位，然而制造大国的背后却并非制造强 国，技术远远落后于日美等国。即使是组装业，也只是建立在廉价的劳动力优势上。 在信息化方面，虽然我国离散制造企业信息化建设初见成效，企业信息化工程纷纷立 项，m r p i i 、e r p 等管理软件也得到了比较广泛的应用，但仍存在以下主要问题【3 l ： 1 由于信息化手段不完善，计划部门难以满足多变市场的要求。 产品结构、材料及工时定额、工艺文件等数据量庞大，流转时问太长。 销售、计划，设计、生产之问因信息不畅，造成脱节，常常拖期交货。 采购供应管理粗放，不能有效控制库存。 生产进度失控，不能及时把握产品缺件情况，造成装配和成套拖期。 统计和核算粗糙，成本核算不够细，造成产品成本不准确。 总结以上存在的问题，我们不难发现，问题的根源在于信息化的上层建设和生产过程 的下层建设没有很好地联系起来。据调查表明 4 1 ：我国企业信息化中基础数据完善程度的均 值仅仅为2 3 8 。只有4 1 的企业明确回答其基础数据完善程度，而有5 4 的企业认为基 础数据完善程度一般甚至不完善，说明企业的基础数据工作需要加强。由于缺乏准确的、高 时效性的、有效的生产过程数据，信息化管理犹如无源之水被柬之高阁。 事实上，由于我国离散制造企业，尤其是中小制造企业自动化程度普遍不高，车间现 场生产过程大多是以手工或半自动化作业为主，这就给生产过程的数据采集带来了很大的困 难，造成信息系统和生产实际严重脱节，最终导致很多信息化项目建成后见效甚微。这一直 以来也是我国制造业信息化建设的一个重要的盲区。 所以，结合我国离散制造企业的现状，对生产过程实行有效，实时的监控，实现生产过 程数据的自动化采集和管理，并为企业信息化管理提供扎实的基础数据，将是离散企业信息 化建设又一新的重点课题。 1 2 相关领域的研究现状 1 2 1 生产过程监控的研究现状 根据制造过程的特点，制造业可分为离散性制造，连续型( 流程型) 制造和混合型制 造三种类型。 由于连续型制造业生产过程的特点，对连续型制造业的生产过程监控研究比较多，也 有了一定的理论基础和应用案例。文献【5 】结合远程监控与诊断技术在现代制造业中的重要 作用，分析了远程监控与诊断技术实现的三种模式，提出并分析了运用远程监控与诊断技术 进行在线监测与诊断的七个质量评价指标，提出了一种远程监控与诊断系统模型，并在大型 化工生产中得到应用。文献【6 】分析了现代工业生产对远程实时监控系统的要求和监控系统 所必须具备的主要功能，提出了设计具有高可靠性的远程实时监控系统的若干准则，并据此 研究了一种以p l c 为基础的具有高可靠性的实时远程监控系统总体框架模型，最后给出了 该模型在化工生产过程中的应用实例。文献m 分析了基于i n t c r n c t 技术的远程监控系统的软 2 件体系结构，对远程监控系统开发中所涉及的多用户同时操作、a c t i v e x 控件开发与发布、 现场远程监控代理软件设计等进行了讨论。文献【8 】根据企业现场实际情况，设计并实现一 种应用于选矿厂的基于c s 结构的工业生产过程实时监视与信息管理系统的。文献【9 1 讨 论了研究了基于c c d 视觉的钢铁成型过程监控，并采用模糊p i d 的控制策略对焊接熔池进 行控制，改善成型质量。文献【1 0 l 对数据挖掘技术在过程监控中的应用进行了探讨。文献 1 1 】 以石油炼制企业为背景，提出了基于m u l t i a g e n ! 生产过程监控与管理系统的框架结构开 发了一个生产过程监控与管理系统。 在离散制造业方面，也有一定的研究和应用。文献【1 2 1 介绍了一个实用化的单件小批生 产条件下车问作业计划与调度监控集成系统，实现了车间物流实时仿真及调度监控，最大限 度地减少材料和劳动的消耗，提高设备的利用率，从而降低产品的制造成本。文献0 3 结合 中德政府合作项目面向上海大众汽车有限公司的具体应用，提出了一种新型的制造企业工业 现场远程监控系统实现思想，同时介绍了系统实现的关键技术。文献【1 4 】结合我国制造企业 的实际情况，建立了生产管理系统的层级模块化结构，并详细阐述了各层模块的主要功能， 提出了系统集成化方法，实现生产计划的实时调度以及生产过程的实时控制。文献 1 5 1 介绍 了一种触摸屏监控的p l c 网络系统。 1 2 2r f i d 的基本原理和应用现状 r f i d 是无线射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yl d e m i f i c a t i o n ) 的英文缩写，它是2 0 世纪9 0 年代兴起的一种自动识别技术 r f i d 是一种利用无线电的信息识别技术，其基本原理( 如图1 1 ) 是利用射频信号和 空间耦合( 电磁耦合或电磁传播) 传输特性，实现对识别物体的自动识别嗍。一个典型的 r f i d 系统由射频电子标签( t a g ，又称射频卡) ，读写器或者阅读器( r e a d e r ) 和应用系统 组成在r f i d 的实际应用中，电子标签附着在被识别的物体上( 表面或者内部) ，当带有 电子标签的被识别物体通过读头的可识读区域，读头自动以无接触的方式将电子标签中的约 定识别信息取出，从而实现自动识别物品或者自动收集物品标识信息的功能。 按照能量供给方式的不同，r f i d 标签分为有源，无源和半有源三种；按照工作频率的 不同，r f i d 标签分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 和微波频段( m w ) 的标签。 3 型囊 计算机 图1 - 1 r f i d 的工作原理 r f i d 技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中飞机的敌我目标识别。但是由于技术 和成本原因，一直没有得到广泛应用。近年来，随着大规模集成电路、网络通信、信息安全 等技术的发展，r f i d 技术进入商业化应用阶段。由于具有高速移动物体识别、多目标识别 和非接触识别等特点，r f i d 技术显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是2 l 世纪的最 有发展前途的信息技术之_ l r t 在生产监控系统中，应用r f i d 进行生产过程数据的采集可以实现无人化操作。同时标 签具有体积小，容量大、寿命长可重复使用等特点，并可支持快速读写，高速移动识别、 多目标识别、定位及长期跟踪管理，使生产数据易于管理。另外，标签不怕油污、灰尘、高 温等恶劣环境，在工况相对比较恶劣的生产环境中也可以达到很好的识别效果 r f i d 技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。 可实现供应链管理、生产管理，以及客户服务管理的产品全生命周期管理的无缝结合，从而 大幅提高管理与运作效率，降低成本。 在国外，r f i d 技术已经在零售业、运输与配送、安全与认证等领域有比较成功的应用 案例。如沃尔玛的零售商场和配送中心系统、宝马的整车装配线系统和美国能源部西北太平 洋实验室为原子能工厂开发的利用r f i d 进行人员识别管理的工厂监控系统。在2 0 0 6 年足 球世界杯进行期间，德国安全部门采用无线电频率鉴别技术( r f i d ) 将具有鉴别信息的r f i d 芯片嵌入6 4 场比赛超过3 5 0 万张的门票中，保证了比赛期间的安全1 1 9 l 。 在国内，r f i d 技术也应用于铁路车号识别、身份证和票证管理、动物标识、特种设备 与危险品管理、公共交通以及生产过程管理等多个领域。文献【2 0 】介绍了r f i d 在卷烟行业 生产经营决策管理系统中的应用，系统的实施使主管部门能够更加快速、清晰、透明地了解 到全国各个烟厂的生产情况。文献 2 1 1 研究了一个基于r f i d 的加工生产线物料监控系统。 文献 2 2 】通过应用r f i d 对煤矿坑道内远距离移动目标进行非接触式信息采集处理，实现对 矬 矧卜q 下井人员的考勤，以及井下的人，车、物在不同状态下的自动识别，实现对煤矿井下的目标 监测、跟踪等自动化和信息化管理，并为煤矿安全生产管理提供科学的透明化管理手段。文 献【2 3 1 研究了r f i d 在轮胎工业中的应用，该系统应用b o l 条码和r f i d 在线管理系统对现 场和库房进行管理，为企业实施计算机数字化管理提供了数据基础。 1 2 3 电子看板的发展与应用现状 看板管理是一种生产管理的方法。它是利用卡片作为传递作业指示的控制工具，将生 产过程中传统的“推动式”生产制变为。拉动式”生产制，以看板作为取料指令、运输指令、 生产指令等进行现场生产控制。作为一种可视化管理的工具，看板管理反映了通过系统的物 流控制，使企业中各生产工序、车间之间按照卡片作业指示，协调一致地进行连续生产；同 时，也促使企业的产、供，销各部门密切配合，有效和合理地组织生产物流，实现整个生产 过程的准时化、同步化和零库存目标 随着多媒体技术和数字车间技术的发展，传统的看板管理手段已经显露出了一些弱点： 第一。传统的看板管理采用卡片式管理。卡片的发放录入需要大量的工作，传递过程中，作 业人员有时也必须中断手中的工作来对卡片进行登记录入，这给工作效率造成了一定的影 响。第二，由于看板的传递是跟随着生产物料或生产工具进行的，所以不可避免的会受到油 污或者折叠的破坏。第三。采用卡片作为介质进行作业指令的传递，所能携带的信息量较小， 随着生产产品的多样化和客户定制化的加强，将不能很好地满足生产管理的需要。第四，纸 质看板导致很难进行生产数据的实时采集和信息化管理，车闻生产状态信息反馈周期较长， 无法满足瞬息万变的市场。 电子看板管理的出发点是借助以电子计算机技术为主的信息技术，来实现和扩展看板 管理的功能。由于采用了计算机技术，电子看板管理下的生产过程可以实现控制自动化，这 个过程贯穿于生产系统从产品计划到产品下线的始终，全程跟踪在制品的每一个生产加工工 艺过程，建立完整的产品生产过程档案，并将在制品在生产线上的加工信息实时动态地反馈 到生产管理部门，为生产调度管理提供充分可用的实时信息，生产管理人员在这些信息的基 础上，实施生产过程的监督与控制，将生产指令及时动态地下达到生产线，为生产线上的工 人组织生产提供依据。 电子看板是利用人机交互界面( 如显示终端，指示灯等) 通过计算机多媒体的方式将 信息表现出来的，其生成和传递都是通过电信号或电磁场信号的传递来完成的。从看板管理 的角度看，人机界面并不就是电子看板，它只是电子看板的的信息载体，电子看板的主体应 当是人机界面所显示的信息和这些信息所产生的管理功能。这种信息在电子看板中已经与其 载体实现了分离。这就如某一时刻，无线广播可以在任何一个收音机播放，而磁带却只能在 某个播放机播放一样，电子看板大大扩展了其作用的范围。除了实现传统看板管理的生产指 令、防止过量生产和搬运、目视化管理和持续改善的功能外，电子看板管理还扩展了以下几 5 个功能： 1 实现生产现场的实时管理。 所有的电子看板的生成、传递和锁定都可以在计算机上进行管理，生产和管理之间的 联系加强了，管理人员可以“运筹帷幄”，实时动态地跟踪生产过程中自动线上在制品的加 工情况，并根据掌握的第一手资料迅速对生产作出反应。生产线上的工人可以将生产过程中 的在制品加工信息传送到生产管理部门，并根据生产管理部门下达的生产指令组织或者调整 生产，这样就使生产和控制的关系变得更加紧密，和谐和统一，达到了增强生产管理时效性 的目的。尤其是在生产计划发生变化或生产发生异常情况时，管理人员可以快速作出反应和 决策，而这些应急措施可以零时间地传递到各个作业工位，减轻损失，提高生产系统的应急 能力。 2 多媒体和计算机技术大大丰富了看板的信息。 电子看板很好解决了看板信息量小的问题。看板采用各种类型的显示设备。不仅可以 显示传统的生产指令，还可以显示带有丰富信息量的图片或视频，如装配图，装配过程示范 视频等，为作业人员提供完善的操作指导，提高生产效率和生产质量。同时，生产过程数据 经过可视化处理，可以以图表的形式现实在电子看板上，更加直观易懂。 3 实现生产现场的无纸化管理。 在电子看板的整个生命周期中，看板由计算机自动生成、传递，减少了人工录入的时 间损耗，也避免了因纸质看板受外界破坏所带来的影响，很好地实现了生产的无纸化管理。 根据美国l n f o t r e n d s c a p v e n t u r e s 的调查显示，数字电子看板市场从2 0 0 3 年5 5 亿美 元的市场规模快速发展，估计至2 0 0 9 年将达到2 0 亿美元的庞大商机，增长幅度高达3 6 4 ， 除了应用在人潮汹涌的公共场所，如车站、卖场、连锁便利商店等，更将迸一步延伸至医院 诊所的候诊健康讯息联播系统，银行，美容院等需要消费者“等待”的场所。 在国外，电子看板技术已经在很多企业的生产过程中得到应用。c h a c e eg r 提出了一 种基于w i p 控制的电子看板技术 2 4 1 。泰国的易三仓大学( a s s u m p t i o n u n i v ) 研究了电子j i t 系统在集成电路工业中的应用 2 5 1 。宝马汽车为提高售后服务质量开发了的汽车维修协助系 统，应用该系统维修工程师可通过戴在头上的智能交互头盔，只需要向系统描述汽车故障部 位和故障特征，系统就可以显示相应的维修方法和步骤。 在国内，对电子看板也开展了很多的研究。四川大学的王玫等在文献 2 6 】中提出了电子 看板的概念有实现方法。文献【”】研究设计了一种面向生产过程中零部件供应管理的电子看 板系统；文献【2 8 】运用面向对象的建模方法，建立了电子看板组态的数据模型，进而构造了 可以准确反映生产过程信息的电子看板工具。文献 2 9 1 通过研究电子看板组态的信息模型， 提出面向对象的建立电子看板组态信息模型的新方法，并在此基础上建立有效的、简洁的电 子看板。文献【3 0 】研究设计了一种适合现代协作分包生产模式，面向生产过程中零部件实时 6 供应管理的电子看板系统；文献 3 1 1 介绍了应用于某汽车公司冲压厂的电子看板物流系统， 该系统通过现场总线技术、0 a d 系统与l e d 技术相结合，并科学的应用精益生产中准时化 生产原理，建立拉动式生产看板系统，实现生产控制信息与物流信息的实时传递与监控，保 证了生产及时、高效，杜绝过量生产。 同时，电子看板在国内一些企业也得到了应用和实践。三一重工在2 0 0 6 年采用电子看 扳和立体化仓库管理推进了三一生产的j r r 管理吲。金蝶软件结合天纳克陵川生产现场管理 模式，把看板的概念导入k 3 系统中。为天纳克陵川公司建立起电子看板系统，大大提高了 看板更新，查询速度p i 。一汽解放自主开发了解放j 6 新基地的生产组织控制系统，该系统 具有电子看板，生产状态显示，大总成上线匹配确认，自动化设备集成、车辆档案及整车下 线跟踪等主要功能，而且新生产线还采用了多种先进的产品质量控制手段，计算机可自动生 成检测数据档案，大大提高了检测的精度，保证了产品质量聊l 。 1 3 研究目的、意义和内容 1 3 1 研究目的和意义 装配过程是整个生产活动中最复杂，涉及面最广的过程，装配工作执行的好坏对产品 的最终质量有着巨大的影响，决定了产品是否能满足市场对于技术，质量和服务的要求而 在拉动式的生产系统中，装配又是整个生产的“起点 装配生产的进度决定着整个订单交付 的进度。 本文将主要以国家自然科学基金项目( n o 5 0 6 7 5 2 0 1 ) “中小离散制造企业车间生产系 统远程精益驾驶舱研究”和浙江大学机械工程综合课程训练中心模拟装配生产实验室装配生 产监控系统的研发为依托，针对装配生产的特点，分析装配生产监控系统的需求，并提出对 装配生产状态进行实时监控的技术方法，从而为装配生产系统乃至整个企业的运作提供准 确、及时的生产状态数据。提高装配生产系统的效率。降低生产的成本，同时也为企业经营 提供了决策的支持。 1 3 2 研究的内容和论文框架 本论文研究的主要内容有以下几方面： 针对装配生产系统的特点，分析装配生产监控系统的需求。 应用r f i d 技术对装配生产的实时数据进行采集，以及实时数据的处理。 应用电子看板实现装配生产实时状态的可视化。 在浙江大学机械工程综合训练实验室原有设备的基础上进行系统集成，开发装配 7 生产监控原型系统。 论文的结构如图1 - 2 所示。 第一章分析当前离散制造业面临的挑战和存在问题以及对装配生产进行实时监控的 必要性和意义，并在总结生产过程监控相关领域研究现状的基础上，提出本论文研究的内容 和论文的结构 第二章结合装配生产系统的特点，分析了装配生产监控系统的功能需求和数据需求，及 其实时数据的采集，建立了装配生产过程的实时状态模型，并提出装配生产监控系统的总体 方案。 第三章研究基于r f i d 技术的装配生产实时状态数据的采集和处理技术，并讨论基于电 子看板的数据可视化方法。 第四章设计并实现装配生产监控的原型系统。 最后，对本文的研究工作进行总结，并提出对本课题研究的展望。 1 4 本章小结 i i第一章绪论 l jl 第二章装配生产监控系统的需求分析 u 第三章装配生产实时监控的关键技术 l 上 第四章系统的设计与实现 l 上 第五章结论与展望 图1 - 2 论文结构 本章分析了当前离散制造业面l 临的挑战和存在问题，及对装配生产过程进行实时监控 的必要性和意义，并在总结生产过程监控相关领域研究现状的基础上，提出了本论文的研究 内容和论文结构。 8 - 第2 章装配生产监控系统的需求分析 2 1 装配生产监控系统的功能需求 2 1 1 装配生产系统的基本功能和特点 装配是指在机械制造过程的后期按照各种设计要求与技术规范，将产品各个分散的 零部件组装成最终成品的生产过程。任何机器都是由零件、组件和部件组合而成。装配包括 对产品的调整，检验、试验、油漆和包装等工作。 装配生产的主要目标是按照生产计划将零部件装配生产产品并交付。然而，对于一个 企业来说，装配生产系统并非孤立的，而与其他部门有着紧密的联系。除了完成生产计划的 生产工作外，为了保证企业的敏捷性和持续改善装配生产系统还必须向企业的相关部门提 供可靠、实时的生产数据。这些数据包括质量报表、生产报表，库存报表及相应的实时数据， 同时，还应该能够为企业提供生产改善的建议，如图2 - l 所示。 图2 - 1 装配生产系统的功能 装配生产具有以下两个显著的特点： 第一，装配生产以零件或零部件为装配生产的原材料。装配生产的产品所需零部件或 配件都由供应商或企业零件生产车间提供，装配过程一般按照“组件装配部件装配总装配” 的流程进行。也有的完全按照工艺过程自动流水线装配成一个标准部件产品出厂 第二，装配生产过程以装配工序为主线来组织装配。根据产品的特点，装配生产一般 有集中装配和分散装配两种组织方式，如图2 - 2 所示。集中装配以产品的中心部件( 如汽车 的车身) 为基础，将零部件逐一装配上去，直至最后完成整机的装配。而分散装配将产品有 机分割成若干个部件，每个部件单独进行装配，最后再汇集到一起进行总装。不管是采用集 中装配还是分散装配，装配的顺序必须严格按照装配工艺所设计好的路线来进行的。而在生 产空间组织上，也是按照装配工艺的路线来安捧装配工位和设备的，以使物料的传输距离最 小。 ( ) 集中装配 匠习h 亘丑固 叫亘丑吐到 分教装配 图2 - 2 装配生产的组织方式 按照生产批量的大小，装配生产方式可分为嘲： 单件生产：产品按订单设计，并按客户需求生产，产品很复杂。产品生产周期一般都 很长。有时一个合同按部件多次交货。如重型机械、造船等。生产组织按工艺划分，设备是 通用的。生产管理中除应用多品种小批量生产的整套方法外，还需进行项目管理和关键资源 捧序。 多品种小批量生产：产品是标准的或选配的。其生产特点为品种多批量小，隔一定的 时期重复生产同一种产品。生产方式采用离散型加工、装配，生产控制有一定难度，生产过 程经常出现瓶颈资源和等缺料缺件现象，以靠调度来缓解生产。为不使生产中断，常通过加 大库存量来调节生产。 大批量生产：大批量生产按流水生产线装配产品，其产品是标准或少数选配。通过标 准化、大批量生产来降低生产成本、提高生产效率其生产节拍与工艺装备都是固定的。这 种大批量生产特点是产品制造生产周期短，上市快。 大规模定制：大规模定制将结合了多品种小批量生产和大批量生产的优势，不仅满足 了不同客户个性需求，同时也提高了生产率，降低生产成本。生产组织仍是流水线，但产品 配置是多种多样。在生产计划控制方面它需要结合m r p j i t 、配置控制等综合应用，是多 品种小批量生产和大批量生产的混合制造模式。 装配生产的现状和发展趋势： 机械化、自动化水平提高，人与自动化设备的配合越来越密切。 目前，我国装配生产的机械化与自动化水平仍然较低，装配工作的机械化、自动化水 1 0 平低。随着数控技术和虚拟装配技术的发展。为了提高生产效率和降低人的工作强度，自动 化设备将越来越多地应用于装配生产中，而人也需要与自动化设备进行更多的配合 大批量定制的生产方式逐渐成为主流。 随着竞争日益激烈，相对稳定的传统市场正在逐步成为动态多变的市场，产品更新换 代加快、产品技术含量提高和多品种小批量的生产所占比例增多，产品的成功需要价格的降 低和交货期的缩短。大批量定制由于结合了大批量生产的低成本和多品种小批量生产的灵活 性两方面的优点。将逐渐成为装配生产的主要方式。 2 1 2 装配生产监控系统的基本要求 监控就是监测和控制。生产监控就是通过各种数据采集和处理手段对生产中的人物流 进行连续的监测，从而达到对生产进行有效控制的目的。所以，生产监控系统即是为实现对 生产过程进行监控的硬件，软件和人的有机整体。 如图2 - 3 所示，装配生产监控系统包括兰个层次： 固2 - 3 装配生产监控系统的基本要求 1 监控的目标 对于一个企业来说，生产过程是一个价值升值的过程，对其进行监控的目标归结到底 就是为了提高整个生产系统的可控性，对生产系统进行持续的改善，达到对生产的最优化控 制，从而给企业带来最大的利润。装配生产监控的基本目标就是通过对装配生产系统的生产 状态进行实时的数据采集，并进行数据的可视化处理，以反映装配生产的实时状态，进而实 现对装配生产系统的生产进行优化控制。所以装配生产监控系统必须具备两个基本功能：第 一，能够对装配生产状态进行实时采集；第二，能够以图表或其他可视化方式表现装配生产 系统的实时生产状态。 1 1 2 监控的对象 监控的对象是指生产中与监控目标相关的生产系统中的客观实体。这些实体包括生产 系统中的生产设施、人、生产物料( 原材料和辅助材料) 等。这些实体在生产过程中各白发 挥自己的作用，从而实现价值的升值。对于装配生产监控系统来说，最重要的监控对象是装 配生产中物科流的状态变化。 3 监控的技术手段和方法 监控的技术手段和方法是对监控对象进行监控并实现监控目标的过程。信息是客观实 体间交流的媒介，通过各种技术手段和方法，对生产系统中的监控对象的状态进行信息的提 取和处理，最后反馈回相应的监控对象，实现了对生产过程的回路反馈控制。 监控的技术手段和方法可以分为四个阶段： 第一阶段是数据采集，系统通过各种数据采集设备或人工方式对生产过程相关的数据 进行识别和采集第二阶段是数据处理，对采集上来的数据进行分析和处理。第三阶段是数 据存储，利用数据库对数据处理过程中的中问数据和最终数据进行存储。第四阶段是数据的 可视化，将装配生产监控系统中的数据转化成为可以对生产进行控制的信息。 装配生产中的实时数据经过监控系统的采集、处理、存储和可视化，最终产生生产控 制指令返回生产系统，指导生产过程的进行和改善，这构成了一个循环控制回路。 装配生产监控的意义可以归结为以下几点： 通过对各工序生产工时的监控，发现瓶颈工序，实现生产平衡，并提高生产节拍。 通过对车间在制品和零件库存进行实时监控，实行车间库存控制，降低库存量， 并为相关部门提供车问实时库存数据。 对产品质量进行监控，并提供质量监测数据和产品生产追溯数据，实施全面质量 控制。 对车间生产能力进行测算和统计，为计划部门和销售部门提供决策支援。 对生产现场进行监控，实施看板管理，实现拉动式生产管理。 通过对生产系统的全面监控，进行持续改善。 2 2 装配生产监控系统的数据需求 2 2 i 装配生产监控系统的数据分类 数据是构成装配生产信息流的基本元素。根据数据的功能及其所表达的信息，我们可 以把装配生产监控系统中的数据分为六大类： 1 2 生产基础数据，是装配生产顺利进行的必不可少的指导性数据，这些数据规定产 品的装配过程和装配生产的必需信息。 生产状态数据，描述装配生产过程中相关的工位、设备和生产物料所处的状态。 生产能力数据，描述了装配生产系统的生产能力和生产效率。 生产库存数据，描述装配生产系统内零部件、在制品、产品的数董等。 生产质量数据，描述装配质量达标和缺陷情况。 其他数据，装配生产系统本身不产生但对生产顺利进行有影响的数据或资料。 其中，生产状态数据、生产能力数据、生产库存数据和生产质量数据都是在装配生产 过程中直接产生的。各种数据类型的典型数据如表2 - 1 所示。 表2 - 1 装配生产过程的典型数据 数据类型 典型数据 生产基础数据装配工艺数据，产品b o m 数据、物料数据 生产状态数据设备运行状态，工位生产状态，在制品状态、物流状态 生产能力数据 产能、历史产量、实时产量、生产节拍，备工序工时，设备利用率 生产库存数据产品历史库存、产品实时库存、在制品数量，零件库存 生产质量数据质量检查记录、产品生产追溯记录 其他数据装配工艺文件，质量标准文件、产品物料信息文件、人事数据等 2 2 2 装配生产监控的基础数据需求 资源是企业进行生产经营所必须的物质因素。对于装配生产系统，人力资源、设备资 源，物料资源和文件资源是必不可少的，如图2 _ 4 所示。人是生产管理的主要对象。也是 影响生产的主要因素。设备资源为生产提供了条件，而物料资源为生产提供基础。同时，文 件资源作为装配生产系统的无形资源，是装配生产运作的依据。装配工艺文件决定了产品生 产的过程，质量标准文件是对装配生产过程的要求，生产管理制度提高了装配生产的效率。 而产品信息和生产物料文件是生产调度和库存管理的重要数据。 图2 - 4 装配生产系统的资源视图 装配生产的基础数据包括了装配工艺数据，产品b o m 数据、物料数据、作业