高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

王兵維，余 粟

（上海工程技術(shù)大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，上海 201620）

0 引言

隨著我國高速公路的發(fā)展，越來越多的車輛選擇高速公路作為快速通行方式，因此高速公路車流量日益增加，這就意味著高速公路復(fù)合通行卡的用量也越來越多。而傳統(tǒng)的高速公路復(fù)合通行卡的生產(chǎn)線仍然處于生產(chǎn)分散、效率不高，并沒有形成集成化的生產(chǎn)規(guī)模。工藝分散并且設(shè)備落后，需要大量的人工輔助，才能夠完成復(fù)合通行卡的生產(chǎn)。以一條日產(chǎn)6000張復(fù)合通行卡的單條生產(chǎn)線而言，用人數(shù)量就有十幾個。隨著自動化生產(chǎn)線在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模迅速擴(kuò)大，并且自動化水平也不斷提高，各行各業(yè)的生產(chǎn)都進(jìn)入了自動化領(lǐng)域[1]。因此，研究如何有效的生產(chǎn)高速公路復(fù)合通行卡，進(jìn)行高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)成為了研究的主題之一。針對這些問題，為提高復(fù)合通行卡生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，根據(jù)高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線方案的設(shè)計(jì)。同時結(jié)合上海某公司的射頻卡自動化生產(chǎn)線布局為研究對象，高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線的特征，對現(xiàn)有的高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線及生產(chǎn)流程做了調(diào)研和考察，設(shè)計(jì)了高速公路復(fù)合通行卡的自動化生產(chǎn)線方案，將工藝流程中分散的工序合并用自動化集成度高的設(shè)備相來代替，進(jìn)一步提高了機(jī)電一體化水平和集成化程度，提高了生產(chǎn)效率[2,3]。

1 高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)要考慮的因素

整體設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程：復(fù)合通行卡制作之前的工序，復(fù)合通行卡中心處理單元和復(fù)合通行卡成品后續(xù)工作三大部分設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線流程

要考慮的重要設(shè)計(jì)因素有以下四方面：

1）結(jié)構(gòu)簡單，安全性高并且符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)人性化要求：生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)布局簡單，能夠運(yùn)用仿真軟件模擬所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的改進(jìn)，安全性高并且環(huán)境符合節(jié)能和人性化標(biāo)準(zhǔn)等要求。

2）投資少，節(jié)約能源：在充分滿足生產(chǎn)線基本功能的前提下，用最少的設(shè)備投資來達(dá)到企業(yè)最好的滿意度，同時節(jié)約能源，降低消耗，是企業(yè)效益最大化。

3）適應(yīng)性強(qiáng)：滿足現(xiàn)在技術(shù)條件下的生產(chǎn)，復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線滿足兼容有源433MHz復(fù)合通行卡和有源2.5GHz復(fù)合通行卡的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展?jié)M足企業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行更新?lián)Q代或品種組成發(fā)生變化時，由生產(chǎn)一種產(chǎn)品迅速轉(zhuǎn)到生產(chǎn)另一種產(chǎn)品的應(yīng)變能力。

4）工序的設(shè)計(jì)：工序的先后次序既要滿足自動化生產(chǎn)線制造工藝的次序，也要從降低生產(chǎn)線設(shè)備制造難度及成本、簡化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)制造的角度進(jìn)行分析優(yōu)化。分配給每臺設(shè)備的工序內(nèi)容要合理，不能使某一臺設(shè)備的功能過于復(fù)雜，這樣既可能使該設(shè)備的節(jié)拍時間過長，還可能使其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，降低設(shè)備的可靠性及可維護(hù)性，一旦出現(xiàn)故障將導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停機(jī)。在各臺設(shè)備中需要盡可能使它們各自的節(jié)拍時間均衡，只有這樣才能充分發(fā)揮整體生產(chǎn)線的效益，避免部分設(shè)備的空閑浪費(fèi)時間。除了上面要考慮的一些重要方面之外，保證設(shè)備自動化程度高，維修方便，節(jié)省廠房空間，模塊化集成度，滿足多種復(fù)合通行卡的生產(chǎn)等條件也要考慮在內(nèi)[4,5]。

2 高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線改進(jìn)設(shè)計(jì)工藝流程

將整個復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線整體看作是若干個子系統(tǒng)，包括復(fù)合通行卡自動供料系統(tǒng)，程序下載系統(tǒng)，電池焊接系統(tǒng)，COB焊接系統(tǒng)，上下蓋組裝系統(tǒng)，超聲波壓合系統(tǒng)，打碼與檢測系統(tǒng)，包裝子系統(tǒng)等系統(tǒng)構(gòu)成。

高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線改進(jìn)設(shè)計(jì)工藝流程如圖2所示，首先在PCB板上進(jìn)行錫膏印刷，元件貼裝，之后的檢查，回流烘干和AOI檢查，接下來就是程序系統(tǒng)（并聯(lián)式操作，16連拼板同時下載（TIC1110），單片下載時間0.8秒）的下載，放置PCB電池到治具中進(jìn)行電池的焊接，再將13.56MHz線圈固定到下蓋中同時焊接線圈，同時放上上蓋進(jìn)行上下蓋組合、13.56MHz功能檢測和超聲波壓合工作，隨后進(jìn)行整理和檢驗(yàn)。以上操作完成之后，進(jìn)行關(guān)鍵的步驟，把復(fù)合通行卡放在自動功能檢測及激光打碼設(shè)備上進(jìn)行復(fù)合讀寫，激光打碼和檢測工序。這幾項(xiàng)工作集成在一臺設(shè)備上進(jìn)行，有效的提高了卡的生產(chǎn)效率。其中當(dāng)檢測工序中發(fā)現(xiàn)有不良品的時候，設(shè)備進(jìn)行報(bào)警并進(jìn)行卡的取回返修，最后進(jìn)行卡的包裝和出售工作[6,7]。

由高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線流程圖可知，總體方案改進(jìn)設(shè)計(jì)是整個生產(chǎn)線設(shè)計(jì)制造流程中最重要的環(huán)節(jié)，而把原有五道工序集成化設(shè)計(jì)布局，對生產(chǎn)線的節(jié)拍時間、運(yùn)行可靠性、設(shè)備復(fù)雜程度、成本造價等起著決定性的作用，因而也決定了整條生產(chǎn)線的成功與否[8]。

3 高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

3.1 生產(chǎn)線改進(jìn)設(shè)計(jì)方案確定

針對現(xiàn)有的生產(chǎn)線過長，生產(chǎn)線設(shè)備自動化程度低，生產(chǎn)效率低的問題，本著提高企業(yè)效益，降低生產(chǎn)線人工數(shù)量和生產(chǎn)成本為目的。通過分析復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線中的操作工序，工藝流程，設(shè)備放置和布局等情況。結(jié)合自動化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的原則，現(xiàn)有資源限制等要求，根據(jù)實(shí)際情況，把原來產(chǎn)線中復(fù)合卡的送卡，復(fù)合讀寫功能，打碼功能，檢測功能和收卡功能集成到一塊，增加了多功能一體化的自動功能檢測及激光打碼設(shè)備，此設(shè)備集成了送卡、復(fù)合讀寫識別、打碼、檢測和收卡五個功能為一體。同時，集成化的設(shè)備具有根據(jù)任務(wù)情況實(shí)現(xiàn)4秒到2秒不同頻率的生產(chǎn)功能，由以上分析得到復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案[9,10]。

圖2 高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)工藝流程圖

方案確定如圖3所示。圖中將整個復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線分成前加工階段，中間加工階段和后處理階段，每一個階段都需要多個工序進(jìn)行才能夠完成。其中，前加工階段分為PCB供料，程序燒錄，ATE測試和NG取料幾部分，中間加工階段分為電池供料，電池焊接，AOI檢查，NG取料，線圈穿線以及上、下蓋的工藝流程步驟，形成一個完整的復(fù)合通行卡，在進(jìn)行復(fù)合通行卡的送卡、復(fù)合讀寫識別、打碼、檢測和收卡，最后進(jìn)行產(chǎn)品收料。各個階段內(nèi)部之間進(jìn)行串聯(lián)，三個階段之間進(jìn)行柔性的連接。激光打碼這道工序集成到一塊，節(jié)約了廠房的空間，減少了人數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。

3.2 生產(chǎn)線中重點(diǎn)設(shè)備系統(tǒng)

高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線改造設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)設(shè)備由下面十種構(gòu)成：

1）PCB自動上料機(jī)：結(jié)實(shí)和穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，操作方便的輕觸式LED控制界面。上下氣動夾能夠確保料想的位置準(zhǔn)確，有效的設(shè)計(jì)能夠保證PCB不被推壞。

2）多功能程序下載機(jī)：自主研發(fā)，并聯(lián)式操作；16連拼板同時下載（TI-C1110，單片下載時間0.8秒；電壓/電流測試；13.56MHz UID讀取，COB指定扇區(qū)讀寫測試；不良品自動標(biāo)識，生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動記錄；運(yùn)行程序防拷貝加密處理。

3）自動化電池焊接機(jī)：車間生產(chǎn)線在電池焊錫工藝采用全自動化焊接設(shè)備，360度分度盤及三軸機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，焊錫品質(zhì)（一致性）、速度（2萬套/每臺/每天）得到充分保證。

4）在線焊錫AOI檢查系統(tǒng)：采用高像素彩色工業(yè)CCD，配合彩色色調(diào)來描述相撞，根據(jù)這一原理，及時焊錫在外觀上以近變白，但采用彩色高亮度方式依然可以穩(wěn)定有效的檢查焊錫形狀以及飽滿度。配合3層LED圓形照明裝置、靠這些可得知檢查部位的光反射特征和焊錫部位的大小變化，有效檢查焊錫短路等現(xiàn)象，提高了檢查可靠性和檢查誤判率。

5）上下蓋組裝系統(tǒng)：將組裝好的下蓋在13.56MHz讀卡器上讀取13.56MHz讀卡器檢測13.56MHz功能，讀卡器“嘀”聲標(biāo)識線圈焊接正常，目檢上蓋并在超聲波壓合前配裝 。13.56MHz信號檢測及配置上蓋（1人+1套讀卡器）：為降低因超聲波壓合后造成過多材料報(bào)廢，生產(chǎn)線在13.56MHz線圈焊接完成后，配置信號檢測，不良品返回重新返修，檢測后的良品在本站配置好上蓋。

6）線圈放置和點(diǎn)膠機(jī)一體化系統(tǒng)：配合工業(yè)CCD精確測量線圈位置并實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人自動取放料，避免因?yàn)闅鈩訆A具的誤差而導(dǎo)致放料位置不當(dāng)，點(diǎn)膠系統(tǒng)與線圈取放一體化設(shè)計(jì)，集成度高。

7）超聲波熔接機(jī)：在線自動化集成超聲波熔接機(jī)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)高效取放料作業(yè)流程，旋轉(zhuǎn)手臂可以兩片料同取同放，使得作業(yè)效率進(jìn)一步提升。

8）自動收料系統(tǒng)：成品自動倉庫，作業(yè)員可以在不停機(jī)的狀態(tài)下更換料倉。多料倉設(shè)計(jì)，延長料倉更換周期。

圖3 高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線方案改進(jìn)設(shè)計(jì)

表1 多功能程序下載機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

9）功能檢測與激光打碼：此設(shè)備為整個復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線的核心站點(diǎn)，多功能一體化的自動功能檢測及激光打碼設(shè)備起到生產(chǎn)過程中FQC的作用。自動功能檢測有：13.56MHz功能測試、433MHz出入口檢測、電池電量等，可對不良品分類打碼并自動剔除，通過檢測卡的ID號是否OK或者NG，其中不良代碼可歸類分為1～4大類，以上這些數(shù)據(jù)都通過通信系統(tǒng)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。高速公路復(fù)合通行卡讀寫器如圖4所示，在線激光打碼系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 高速公路復(fù)合讀寫器

高速光纖激光鐳射機(jī)，精度與速度并存，集成在線打碼，省去人工趕料時間，為生產(chǎn)效率做貢獻(xiàn)。

10）高速公路通行卡產(chǎn)品成品包裝：內(nèi)包裝珍珠棉盒，1個內(nèi)包裝珍珠棉盒裝125張；外包裝紙箱，1個外包裝紙箱裝4層珍珠棉內(nèi)盒=500張，頂層增加珍珠棉蓋板；棧板貨運(yùn)托盤，1個棧板承載27個外包裝紙箱=13500張。

圖5 在線激光打碼系統(tǒng)

3.3 高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線改進(jìn)設(shè)計(jì)之后的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)調(diào)研企業(yè)生產(chǎn)線之后的統(tǒng)計(jì)，使用自動化生產(chǎn)線可使勞動力費(fèi)用節(jié)省50%，生產(chǎn)能力提高了12.5%，廢品率也明顯降低。表3是考察某公司在進(jìn)行復(fù)合通行自動化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)之前和之后進(jìn)行生產(chǎn)的數(shù)據(jù)對比，可知設(shè)計(jì)之后的復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線進(jìn)行不僅可以提升效率而且增加了企業(yè)效益。

雙頻卡生產(chǎn)基地配置半自動化組裝線3條，每日峰

表2 高速公路復(fù)合讀寫器應(yīng)用要求

表3 進(jìn)行自動化改造前后的對比

【】【】值產(chǎn)能60000張，單班人力需配置到45人。增設(shè)雙頻卡全自動化組裝線2條，保留半自動化組裝線2條，每日峰值產(chǎn)能提高到90000張，單班人力配置降低到40人。 自動化生產(chǎn)線工藝流程的設(shè)計(jì)完全兼容有源433MHz復(fù)合通行卡及有源 2.45GHz復(fù)合通行卡的生產(chǎn)。從以上的數(shù)據(jù)可以看到，高速公路復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線改進(jìn)設(shè)計(jì)之后效率得到了很大的提升。

改進(jìn)設(shè)計(jì)之后的有源雙頻卡自動化生產(chǎn)線，基于有源RFID復(fù)合通行卡的產(chǎn)品特性，產(chǎn)線的自動化設(shè)備配合產(chǎn)品在生產(chǎn)中的專用私有交互指令，使得復(fù)合卡在組合加工工藝中不會間斷、并能夠與各個檢驗(yàn)環(huán)節(jié)形成閉環(huán)互動，完全解決了433MHz、2.4GHz、5.8GHz等國內(nèi)有源雙頻卡等產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化生產(chǎn)[11]。

4 結(jié)束語

通過對復(fù)合通行卡自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)的方案的改進(jìn)，集成化結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)，使原來生產(chǎn)中分散的設(shè)備集成到一起，提高企業(yè)了生產(chǎn)效率，減輕工人的數(shù)量，降低了生產(chǎn)成本，是產(chǎn)品在市場中具有競爭優(yōu)勢。雖然集成化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)不同頻率的生產(chǎn)模式切換，即根據(jù)任務(wù)的要求提高動作的快慢。但是這種頻率的切換最快是2秒鐘送卡一次，能否設(shè)計(jì)更快的送卡頻率，這個問題值得后續(xù)研究。同時設(shè)計(jì)中方案的實(shí)施要與實(shí)際生產(chǎn)中企業(yè)的管理方式相結(jié)合，并且不斷的改進(jìn)生產(chǎn)工藝和控制通信系統(tǒng)，才會使生產(chǎn)線系統(tǒng)更穩(wěn)定和更好的應(yīng)用價值。

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