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计划与实现自动化工厂
  2021-12-28      147

——摘自Happy Holden《工程师必备的24种基本技巧》第17

我们在《在PCB制造中的自动化与高级程序》(这是一本免费的I-007电子书)中讨论了未来工厂的制造技术、应用层次和自动化(机械化与系统化)的基础知识。在每一位工程师的职业生涯中,有时候会要求他们考虑自动化制造、新工艺、新设备和资本性支出等问题。现在检视目标设定、工艺基准和自动化策略将决定走向自动化的路径。对你工厂的性能和改进分析将使你的工厂具有更强的竞争力,而且可以采用不同的方式实现。下面提到的这些机会总是存在的:

•减少浪费、提高成品率和质量

•降低成本和提高生产率

•拓展客户和市场

•技术改进

•客户需求

•开发新产品的机会

•数据与系统的数字化

自动化要从基础开始

你会遇到各种阻碍你获得更高利润和更好业绩的阻力,而这正是推动自动化改进最主要的机遇。这种机遇对每家制造商来说都不一样,但基本都会表现在质量、生产率、库存管理、劳动效率、交货时间、循环周期、销售、客户支持和技术能力等方面。

图1是一家自动化工厂规划的六个阶段。该图中的大多数元素将是你当前的设备和所有新的自动化群。图中的箭头具有重要意义,因为它们指出信息流是怎样流转的,这是工厂信息系统非常重要的新组成部分。

                                             

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图1:首先要做的是制定建立智能工厂的策略,智能工厂要建成什么样子,怎样建。(图片来源:惠普计算机博物馆)

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表1:详细说明自动化工厂建立策略的六个阶段。

表1提供了关于建立自动化工厂策略更详细的要求。不论分配给这项任务的资源是多少,完成这项任务需要的时间大致相同。要做的事情就简单明了,但交付物是项目取得成功的关键。

建立工艺标准

为了分析自动化生产的制造工艺,首先,你必须非常详尽地确定当前的制造工艺的基准。举个例子,我选择制造多层电路板的布线工艺。如图2所示,为了得到下一个自动化规划步骤中需要知道的细节,你要尽可能使用完整的基准分析。因此,信息流很重要!

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图2:制造工艺基准做法的详细内容。这个例子是制造多层电路板的多层布线工艺。

确定在自动化工厂中使用计算机的计划

早在20世纪70年代,只要计算机的成本达到合理水平,制造中就会使用它。图3a和图3b是制造工程师学会(SME)的计算机与自动化系统协会(CASA)组在20世纪80年代定义的计算机应用。

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图3:a)SME的CASA定义的CIM环;b)CIM策略的五个领域。(资料来源:SME的CASA )

实现自动化的计划过程

实现自动化计划的过程可以简化为四个步骤,如图4所示;自动化计划可以像惠普(HP)的多层电路板布线工艺的自动化一样简单(图2),或者像表1中所示的六个阶段一样复杂。无论采用哪种方法,全面的计划将使项目进行得更顺利,确保自动化成功实现。

系统化与机械化

系统化与机械化这两个自动化要素是由一个工艺步骤中机器的总时间(传送系统信息与使用机械工作的时间)和这个步骤中使用人力的时间决定的。这两个轴是:1、系统化(信息)水平(1、2、3、4、5、6);2、机械化(使用机器工作)等级(A、B、C、D、E、F)。

网络通讯与材料处理

在我的关于自动化的书中是这样介绍这些要素的:“自动化方法包括每个工作中心的自动化计划,以及各个工作中心之间的物料流与信息流的计划”。自动化方法要涵盖各个工作单元和各个工作中心之间的物料处理和网络通讯。这个重要的第三个轴是:

•物料处理程度(a, b, c, d, e, f)

•网络交流程度(I、II、III、IV、V、VI)

这些轴如图4所示。

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图4:定义自动化矩阵的轴。

工作表:时间与产量

现在,你已经确定你在PCB制造市场竞争中所处的地位和你的核心竞争力,并确立了你想巩固的竞争地位,那就到你要制定行动计划的时候了。如果自动化、新技术是在这些领域的竞争策略之一,那么是时候对那些受竞争策略影响的制造工作单元的工艺进行详细的工作单元分析了。这会涉及到整个组织结构,如图5所示。

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图5:实现自动化项目的计划有助于确保项目完全成功。

这种方法将包含这个制造过程中全部工作时间与信息交换时间,包括设置的时间和记录信息以及来自工作订单指示的时间。表2说明当前的制造工艺的情况分析。

表2:标准化的系统/机械工作时间表image.png

表3:未来的系统化/机械工作时间表

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工艺工作中心分析(PWA)是针对多层电路板布线工艺的,如图5所示。在目前的多层电路板的布线工艺中,人工设置收集所有布线工艺材料信息的时间是15分钟。首先要花五分钟时间阅读来自工作订单的指令。堆叠多层电路板里的内层并使用工具钻孔,机器工作时间要25分钟,人工时间也要25分钟。在生产日志中记录要花掉20分钟。

自动化方案计划要做的事情并不是从布线到层压。目前采用的是手动传送带,而且后续的计划也都要求保留这种传送方式。传送材料需要20分钟,都使用手动传送带完成。布线和层压之间没有网络信息,自动化方案将保留这种传送方式。

建议新自动化方案(表3)要有一个光学层对准系统,不必利用孔来对准;它把每一层熔接(感应熔化)在一起,形成堆叠。设置的信息、零件编号-WO ID、公差和日志都通过材料托盘上的条形码读取器产生。图6说明这两种不同的工艺步骤的要点。

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图6:工作中心需求定义。

在你所指定要做出改进的每一个工作中心都要不断地重复这些步骤。自动化的作用可能只是为新设备简单地增加装载机和堆叠机,以提高质量、生产率或技术。如图7所示,为了把一系列工艺步骤“连接”起来,实现自动化可能要分为几个阶段,为网络化处理方法增加像智能传送机和传感器这样的增量设备,以控制布线工艺和层压工艺。SMT007

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7:自动化计划中的工作站系列。

作者简介:Happy Holden自1970年起,先后在惠普、NanYa/Westwood、Merix、富士康和Gentex等公司从事印刷电路技术工作。他是《PCB制造中的自动化与高级程序在和工程师的24个基本技能》一书的作者。目前他在I-Connect007担任特约技术编辑。

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