UGS的NPI和MES解决方案提升电路板和完整产品的装配

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RAFI成立于1909年，总部位于德国南部。该公司是一家国际电子制造企业，在法国、英国、匈牙利和意大利都有子公司。最初，RAFI生产机电组件包括按钮、控制组件、信号灯、开关等等。现在，该公司是全球领先的标准及订制工业键盘、控制面板以及控制系统的供应商，主要客户有KUKA、博世、西门子等。在生产数据录入系统的专门技术基础上，RAFI已经进入了电子电路板和完整电子装配的合同设计和制造领域。 现在，RAFI提供的服务范围广泛，包括电路设计、PCB布局、元器件采购、电路板装配和测试、硬件软件开发、包装、交付以及售后支持等等。RAFI进入合同设计和制造领域之后，面临很多新旧挑战。本文描述了这些挑战以及RAFI针对这些挑战所实施的“制造过程管理”(MPM)解决方案。 背景介绍 RAFI进入合同设计和制造业务后所遇到的主要挑战是:从外部CAD系统恢复PCB设计和布局数据，并用这些数据来驱动所有制造流程，并对这些流程进行持续监控，以便在早期发现并纠正问题，以及可追溯性。 首先，即便RAFI有能力提供电路板设计和布局服务时，提供订单的OEM客户常常已经完成了电路板设计和布局工作。这就要求有一个标准的方式，以便从不同的CAD系统中快速恢复电路板制造所需的设计和布局数据。 其次，必须能够用这些数据来为每个生产流程生成相关文档，以及机器和CAD信息，以便实现最快的周转速度。 第三，必须用闭环反馈来持续监控原型制作和批量生产的每个流程，以达到最高质量水平，使产出最大化。 第四，在电路板、流程和元器件层次，都要有可追溯性。比如，电路板的可追溯性可以加快识别瓶颈的速度;流程的可追溯性可以加快识别制造过程中故障原因的速度;而元器件的可追溯性不仅可以改善装发货前的质量控制，而且在发货后发现元器件缺陷 时，又可以限制产品招回的范围。 每个流程的车间文件 可以以不同的方式在承包商和OEM制造商之间分配设计、布局、制造、包装、装运和售后服务活动。比如，OEM制造商可以负责设计、布局和装运，或者把这些任 务中的一个或多个委托给承包商。不管如何分配这些任务，承包商和OEM制造商的工程师都会访问相同、完整、一致并且最新的设计、布局和制造数据，以便解决设计的可制造性和可测试性问题，制定最佳的装配和测试策略(在给定时间和成本限制，以及质量要求下)，并且可以把执行该策略所需的工序制作成文件。同样，负责执行一个或多个工序的工程师和技术人员需要访问相关的数据，包括车间文件。负责定义制造策略的承包商和OEM制造商工程师在不同的地方工作;另外，承包商可以在不同的地方执行不同的流程。比如，RAFI的负责定义一个电路板(或装配)制造策略的交叉功能方法小组位于公司总部，SMT装配和测试流程在总部执行;但是，如果在RAFI的匈牙利工厂进行通孔和人工插件，从成本上来讲往往会更划算。由于两地间距离很远，恢复制造所需的所有设计和布局数据以及后续生成制造数据，都必须准确并且尽量快速。制造数据包括每个工序的标准化车间文件以及装配、检验和测试系统的图谱和输入清单。速度要求是严格的，以确定义协同制造策略的时间不会影响产品的制造时间和上市时间的目标。 闭环反馈实现最佳产出 另外一个主要挑战(也可能是最大挑战)，就是保证制造流程产出达到可能的最高点。RAFI有一个客户是领先的ISDN和Bluetooth网络控制器和接口插件供应商。该客户有一项绝对要求，即在周转速度要尽量快的同时，实现尽可能的高质量和全面的可追溯性。高质量可以确保把返修率降到最低程度。为实现这一目标，其难点就在于必须监控整个制造流程中每个工序的性能并且加以闭环反馈控制。必须持续纠正、改进并增强所有制造流程，以实现零缺陷的理想目标。一旦发现了缺陷，必须能够迅速暂停生产，以便快速纠正上游流程或者流程，以实现零修理和零报废的理想目标。 元器件、电路板和流程的可追溯性 我们现在回到可追溯性这个问题上来。可追溯性可以分为三个层次:电路板和批次层次，元器件层次和流程层次。电路板和批次层次的可追溯性包括知道:个别电路板及一批电路板在哪里制造流程中的位置?这些电路板是哪些装配的组成部分?这些电路板将运往何地?什么时候装运?元器件层次的可追溯性包括知道:供应商;一个元器件或一批元器件在工厂内的当前位置;每个元器件安装在哪个电路板上?料轴上剩下的元器件数量，等等。流程层次的可追溯性包括知道:每个电路板和元器件经过了哪些流程?执行某个流程的过程中涉及到哪些资源? 标准要求和自定义 用一个标准流程来恢复设计和布局数据，把这些数据用于定义装配和测试策略并生成车间文件和机器程序，用闭环反馈对流程进行监控，以及可追溯性 - 这些都是所有合同制造商所共同面临的挑战。另外，同等严峻的挑战是与客户有关的。比如，RAFI的客户制造很多种与互联网连接的高性能ISDN和Bluetooth网络电路板。与互联网连接的每个电路板都要求有一个唯一的媒体访问控制号(MAC)，以避免地址冲突。该客户把特定范围内的MAC号分配给不同的产品。另外，每个电路板的保修卡上面都印有一个序列号和产品ID。 有了中央数据管理系统之后，RAFI能够为一定产品范围内的每个产品和每个电路板分配一个客户专用的序列号。可以对一个电路板进行编程并贴上客户专用序列号。 制造流程管理 2001年10月，RAFI开展了一项正式研究，以寻求满足上述挑战的最佳方法。当时，RAF已经有一些自有和第三方工具。要对这些工具进行演进、扩展和集成，以满足要求并覆盖所有现有及预期的制造流程，可能需要一项很大的软件开发和维护项目，而且还很难预料该项目的结果。因此，RAFI决定采用第三方解决方案-来自Tecnomatix提供的“制造流程管理”软件。2002年1月，RAFI决定启动该项目，并于2002年8月在Berg/Ravensburg的扩建厂房安装运行了该软件。之所以选择Tecnomatix MPM解决方案，其原因有几个。第一，PCB Assembly & Test的 NPI 应用程序以及 eM-Execution Systems 应用程序所包括标准的现成模块，这些模块能够满足RAFI目前的大部分要求以及RAFI预期的很多要求。第二，该软件能够与保留下来的现有工具(比如供料器管理软件)集成在一起。第三，“Tecnomatix全球专业服务”(GPS)能够对该软件进行自定义，以满足客户的具体要求，比如前文已经描述过的网络电路板制造商的要求。 新产品导入(NPI) 通过PCB Assembly & Test 软件，RAFI不仅实现了从不同数据源恢复设计和布局数据的目标，而且还实现了把这些数据用于定义一个电路板的制造策略以及生成车间文件和机器程序的目的。该软件能够自动从多种外部PCB CAD系统和MRP系统以及RAFI自己的CAD和MRP系统中恢复设计、布局和BOM数据，对这些数据进行标准化处理并以统一形式表现，不管来源系统如何。PCB布局以图形形式显示，就像在一个CAD系统上显示一样;同时还显示保存在零件编号和形状库里面的多页电路示意图(从CAD系统恢复的，为EDIF格式)以及BOM信息。然后，这些数据被用于为每个制造流程(包括SMT装配、THT装配、人工装配、检验和电路内测试)生成车间文件，并且为装配、测试和检验机器生成菜谱和输入清单。该软件支持RAFI现有的所有机器(包括DEK丝网印刷机、Siplace贴装系统、Teradyne及其它供应商提供的测试器)，自动为测试夹具选择针的位置，并且生成制造测试夹具所需的数据。该软件还可以为RAFI正在为生产线添置的一个新的自动检验系统生成菜谱。另外，可以快速、轻易地更新该软件的工厂定义，以满足不断变化的生产线配置需求。这一点很重要，因为RAFI正在不断重新配置生产线，以实现对客户做出的要求非常严格的交货承诺。 工厂执行系统(FES) 通过eM-Execution Systems软件，RAFI不仅实现了以闭环反馈方式对流程进行持续流程监控的目的，而且还实现了电路板和批次层次以及流程层次的可追溯性。该软件用于定义制造一个给定电路板所需的流程(包括丝网印刷、粘贴、SMT顶部、SMT底部、THT、炉子、人工检验以及自动检验)并且通过选定的流程来定义一个路径。 在制品(WIP)跟踪增强了路径，用条形码扫描仪来跟踪电路板的每一个流程，如果某一项作业没有按照定义好的路径进行，便会发出警告。WIP报告提供关于每个电路板在路径中的位置方面的信息，帮助识别瓶颈。该软件能够自动实时采集装配、测试以及检验设备的车间质量数据，比如，测试设备生成的缺现，人工检查、返工和修理工作站生成的数据，等等。它可以根据预定义的规则分析数据。当某个流程被中断，某个特定缺陷重复发生的次数超过了预先定义的次数，或者某个流程超出了极限时，它会自动触发报警，警告相关人员。报警会持续，直到问题被解决为止。Drill-Down功能可以帮助确定缺陷的根本原因，帮助选择适当的纠正措施，并且记录这些根本原因和纠正措施，以便在未来出现类似问题时提供指导。该软件不仅管理个别电路板的WIP和质量数据，而且还根据每个装配的层次化关系为装配管理定义数据。自最初安装该软件以来，RAFI还增加现成的维修工作站，以图形方式显示PCB布局及电路示意图数据以及产品、电路板和元器件的历史数据。RAFI目前用修理工作站来加快人工检验的速度。 自定义的功能 在安装Tecnomatix解决方案之前，RAFI使用几个不同的数据库。要进行大量人工工作才能确保这些数据库的一致性，但是很容易出错。有了新解决方案之后，RAFI使用一个数据库，从而充分保障了数据的一致性。另外，Tecnomatix服务团队还提供了自定义软件，满足了RAFI的各项特定要求，并且该软件与MES全面集成。 对于下列七个生产工序，新的解决方案只使用一个数据库: ● 在电路板上印刷序列号 ● 为每个电路板印刷标签，包括序列号 ● 为每个电路板印刷保修卡 ● 把电路板与标签和保修证书一起放在盒子里面 ● 把电路板连同标签和证书一起转移到盒子制造工序，插入其塑料模中 ● 把所有东西转移到包装工序，把电路板和保修卡一起放在最终包装里面装运 ● 把标签放在包装外部进行标识 在这七个工序中，很容易出错。比如，在从一个工序转到另一个工序的过程中，标签和保修证可能与电路板分开。新的解决方案杜绝了这些潜在错误。在MES数据库里面，每个系列的电路板都被分配给一个特定的客户，而每个客户都分配了一个特定范围的序列号。该软件用一个扫描仪来从电路板上现有的数据矩阵代码读取电路板的序列号，并把该电路板序列号与下一个自由序列号联系起来，把序列号保存在数据库里面，然后编写测试器的程序，把该序列号烧制到电路板的EEPROM上。下一个电路板被放在塑胶模里面(该塑胶模的序列号也被扫描并记录在数据库里面)。最后，当电路板在包装工序时，该软件会用一个扫描仪来再次扫描电路板的序列号，然后在两个相邻的印刷机上自动印刷保修卡和外标签。该系统支持“媒体接入代码”(MAC)和 Bluetooth ID’s。 元器件的可追溯性 元器件的追溯性将在第二个步骤实现。MES数据库包括制造流程中使用的每批次元器件的数据。当从一个喂料器上拾取一个给定批次的元器件，将其贴装在电路板上时，该信息就会被保存在RAFI的喂料器管理软件里面，然后将从喂料器管理数据库里面自动恢复该信息并通过一个由Tecnomatix Unicam的GPS团队编写的自定义接口将其记录在MES数据库里面。这样就可以追溯贴装在每个电路板上的每个元器件，识别该元器件属于哪个批次，知道该元器件是哪个供应商提供的。 结论 RAFI进入合同设计和制造领域之后面临的问题中，很多都已经通过UGS的Tecnomatix 制造流程管理(MPM)软件得到了解决。 由于该软件安装的时间相对较近，所以RAFI还没有获得安装之前和安装之后的精确数据。不过，有一点是绝对清楚的，即用于 NPI 的 PCB Assembly & Test 软件已经缩短了新产品的周转时间，它为 RAFI 提供了一个标准的流程，任何一个电路板都可以重复使用该流程。eM-Execution软件可以帮助RAFI控制并执行制造流程，识别并消除瓶颈，收到关于超出极限或者重复出现故障的流程的早期警告并解决这些问题，并且深究导致缺陷的根本原因，更快地制定纠正措施。在今后，RAFI应该扩大该软件的应用，把元器件追溯性纳入其中。增加元器件层次的可追溯性带来的优势十分明显。如果在制造流程中(或者更坏的情形，在现场)发现一个有缺陷的元器件，就很容易识别该元器件属于哪个批次以及贴装了该批次元器件的所有电路板。另外，也很容易识别使用了同一提供商提供的相同元器件的所有电路板。如果该缺陷是在制造流程中检测到的，则在装运前可以检查使用了同一批元器件的所有电路板。另外，也可查询关于元器件总故障率的统计数据。如果在现场发现了一个故障并且判断该故障存在于一个批次的元器件，则只需召回有限的产品。元器件的可追溯性意味着可以精确识别需要召回的电路板，从而大幅降低退货成本。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (7/5/2007)