基于案例推理的汽車總裝工藝設(shè)計(jì)

□ 常建娥 □ 張?jiān)婌o □ 莫易敏 □ 張 峰 □ 秦春清

1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 武漢 430070

2.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州 545000

1 研究背景

汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，客戶個(gè)性化、多樣化的要求日益顯現(xiàn)。為了贏得市場(chǎng)，各汽車企業(yè)加快了新車型的研發(fā)速度，以推出不同系列的汽車來(lái)響應(yīng)市場(chǎng)需求［1］。隨著車型更新?lián)Q代速度加快，生命周期縮短，工藝設(shè)計(jì)速度也隨之加快?？梢?jiàn)，如何有效、快速地設(shè)計(jì)汽車工藝對(duì)企業(yè)至關(guān)重要。筆者以汽車總裝工藝為主要研究對(duì)象，采用基于案例推理的方法，實(shí)現(xiàn)總裝工藝快速、準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了多方面探索，并取得了一定成果。孟秀麗［2］提出了基于案例的裝配過(guò)程設(shè)計(jì)，這一方法以裝配過(guò)程的輸入信息與優(yōu)化配置為主要研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程的快速設(shè)計(jì)。Chen等［3］將基于案例推理的方法運(yùn)用到汽車車身設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，能自動(dòng)生成最佳連接類型和裝配順序，實(shí)現(xiàn)最小組裝變化。吳銳［4］以裝配模型、子裝配體的識(shí)別與劃分為基礎(chǔ)，利用基于案例推理的方法實(shí)現(xiàn)裝配工藝的快速規(guī)劃。陳靜等［5］以已有工藝和典型工藝為案例，構(gòu)建多層次零件信息模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)相似工藝案例的遞進(jìn)檢索，從而建立人機(jī)交互的基于案例推理的工藝決策模型。

目前，基于案例推理的方法在裝配工藝方面的應(yīng)用以機(jī)加工為主，機(jī)械化、自動(dòng)化程度較高，工藝相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)裝配工藝的設(shè)計(jì)，以工藝本身為出發(fā)點(diǎn)，利用基于案例推理的方法實(shí)現(xiàn)裝配工藝設(shè)計(jì)。汽車總裝以手工裝配為主，輔以自動(dòng)化設(shè)備，裝配過(guò)程繁雜。總裝時(shí)，以白車身為裝配基體，將各功能零部件裝配于白車身，以安裝緊固作業(yè)為主。為此，筆者以功能零部件為出發(fā)點(diǎn)，分析影響緊固作業(yè)的功能零部件主要特征，建立符合汽車總裝特點(diǎn)的案例推理模型，實(shí)現(xiàn)裝配工藝的快速設(shè)計(jì)。

2 基于案例推理的方法概述

基于案例推理的方法由Ronger Schank于1982年提出，之后Kolodener等開(kāi)發(fā)了第一個(gè)基于案例推理的應(yīng)用系統(tǒng)CYRUS［6-7］，其核心思想是在求解新問(wèn)題時(shí)，借助以往類似問(wèn)題的成功經(jīng)驗(yàn)與案例，修正問(wèn)題的解決方案，最終達(dá)到解決當(dāng)前問(wèn)題的目的［8］。

基于案例推理的過(guò)程為：首先輸入目標(biāo)案例的相關(guān)信息，然后在案例庫(kù)中檢索與目標(biāo)案例相似的案例，接著對(duì)相似案例的解決方案進(jìn)行適當(dāng)重用與修正，得到目標(biāo)案例的解決方案，最后對(duì)目標(biāo)案例的解決方案驗(yàn)證后存入案例庫(kù)形成新案例?；诎咐评淼难h(huán)流程如圖1所示。

▲圖1 基于案例推理的循環(huán)流程

案例的表示是案例檢索和修正的基礎(chǔ)，決定了案例存儲(chǔ)的方式，內(nèi)容直接影響方法的效率和準(zhǔn)確性。案例內(nèi)容主要由問(wèn)題描述和解決方案兩部分組成，案例表示的關(guān)鍵在于問(wèn)題描述中主要特征的選取。

案例的檢索是基于案例推理的方法基本問(wèn)題之一，檢索的效率、準(zhǔn)確性直接影響方法的質(zhì)量和運(yùn)行效率，主要目的是選取與目標(biāo)案例最相似的源案例，關(guān)鍵技術(shù)在于匹配算法的選擇。常見(jiàn)的檢索方法有最鄰近法、歸納索引法、知識(shí)庫(kù)導(dǎo)引法。

通過(guò)案例匹配算法檢索出相似源案例后，判斷目標(biāo)案例與源案例的異同點(diǎn)。如果目標(biāo)案例與檢索出的源案例完全匹配，則直接重用源案例；否則，需對(duì)檢索出的源案例作適當(dāng)修正。常用的實(shí)例修正方法有人工修正法、基于知識(shí)的修正法、案例組合法。

目標(biāo)案例修正后，采用人工評(píng)價(jià)方法對(duì)新案例進(jìn)行評(píng)價(jià)。若認(rèn)為新案例有價(jià)值，則將新案例存入案例庫(kù)，以備將來(lái)使用；否則，舍棄該案例，以免造成案例庫(kù)過(guò)大，不利于檢索。

3 基于汽車總裝特征的案例推理模型

近幾年，汽車行業(yè)高速發(fā)展，車型更新?lián)Q代日益加快，企業(yè)加快了新車型的開(kāi)發(fā)速度。隨著汽車平臺(tái)技術(shù)、模塊化技術(shù)的發(fā)展，新車型的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)主要是在已有車型的基礎(chǔ)上進(jìn)行變型設(shè)計(jì)。雖然不同車型在結(jié)構(gòu)、外形、配置上存在一定差異，但相似功能零部件的裝配工藝具有相似性，且裝配工藝具有可再用性，因此可將基于案例推理的方法應(yīng)用于汽車總裝工藝設(shè)計(jì)。

汽車總裝以經(jīng)沖壓、焊接及涂裝工藝后的白車身為裝配基體，采用流水線作業(yè)，根據(jù)車身不同部位的裝配要求，依次經(jīng)過(guò)內(nèi)飾線、底盤(pán)線、終線、檢測(cè)線，將各零部件、組件、總成等裝配到車身上，形成整車。作業(yè)方式以零部件安裝、緊固為主，輔之以聯(lián)結(jié)、壓裝和加注冷卻液與制動(dòng)液等，最后進(jìn)行整車質(zhì)量檢測(cè)［9～10］。

汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及零部件數(shù)量多，主要分為功能零部件和非功能零部件，汽車總裝工藝設(shè)計(jì)主要就是各功能零部件裝配工藝的設(shè)計(jì)。在實(shí)際生產(chǎn)中，非功能零部件的裝配工藝依附于功能零部件，因此，以功能零部件為對(duì)象，以緊固作業(yè)方式為主要研究點(diǎn)，確定裝配案例的表示方式。

3.1 主要特征的選取

主要特征關(guān)系的檢索效率和準(zhǔn)確性，是案例檢索匹配的主要依據(jù)。通過(guò)咨詢工藝人員，并結(jié)合汽車裝配的特點(diǎn)，選取如下主要特征。

（1）零部件規(guī)格。規(guī)格是零部件物理特征的主要體現(xiàn)，決定了零部件所占的裝配空間。不同規(guī)格的相同零部件，在緊固點(diǎn)、所需緊固件工藝方面存在一定差異，因此零部件規(guī)格是影響裝配工藝的主要因素之一。

（2）理論質(zhì)量。功能零部件的質(zhì)量決定了操作人員的作業(yè)負(fù)荷，以及拿取、裝配零部件的作業(yè)方式。相似功能的零部件，尺寸、材料不同，導(dǎo)致質(zhì)量不同，從而影響操作人員的作業(yè)負(fù)荷與作業(yè)方式。

（3）緊固點(diǎn)關(guān)鍵產(chǎn)品特性。汽車裝配以緊固為主，緊固約占裝配工作量的30%。緊固點(diǎn)的關(guān)鍵產(chǎn)品特性關(guān)系到功能零部件的性能和安全，進(jìn)而影響汽車整車的功能和安全，以及顧客滿意度。安全性能等級(jí)分為PS1（失效直接導(dǎo)致安全問(wèn)題）、PS2（失效間接導(dǎo)致安全問(wèn)題），功能性能等級(jí)分為PF1（失效后車功能喪失，無(wú)法使用）、PF2（失效后車功能喪失，但仍可使用）。等級(jí)不同，裝配過(guò)程對(duì)工藝的控制也不相同。

（4）緊固件尺寸。功能零部件設(shè)計(jì)完成后，對(duì)應(yīng)緊固件的尺寸也隨之確定。緊固件尺寸將影響力矩大小，從而影響緊固工具的選擇。

（5）力矩范圍。功能零部件所需力矩范圍關(guān)系到所需緊固件和緊固工具，以及裝配作業(yè)時(shí)間。而汽車總裝采用固定節(jié)拍流水線生產(chǎn)方式，作業(yè)時(shí)間會(huì)影響裝配線的平衡。

3.2 裝配案例的表示

裝配案例的表示主要是確定案例中存儲(chǔ)的內(nèi)容，并尋找一種正確的結(jié)構(gòu)描述案例內(nèi)容。為使裝配案例的表示形式更加清晰，采用圖2所示層次結(jié)構(gòu)裝配案例表示方式，并存儲(chǔ)于裝配案例庫(kù)。

第一層為索引層，也稱為問(wèn)題域，用于描述影響功能零部件裝配的主要特征。檢索過(guò)程中對(duì)已有功能零部件的特征與待解決功能零部件的相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行匹配，獲得相似度。

第二層為答案層，也稱為解域，為功能零部件的詳細(xì)裝配工藝。利用工業(yè)工程的思想，從人、機(jī)、料、法、環(huán)5個(gè)方面設(shè)計(jì)裝配工藝。

汽車裝配以手工裝配為主，對(duì)操作人員要求較高，因此需對(duì)人員合理安排，使操作人員負(fù)荷均衡。

裝配作業(yè)方式以緊固為主，需確定緊固工具設(shè)備的信息，方便后期工藝變更時(shí)更換工具設(shè)備，以及對(duì)工具設(shè)備的管理。

與功能零部件裝配相關(guān)的物料主要是緊固件，其相關(guān)信息包括輔助工具設(shè)備的選擇，以及緊固件物料配送方式與周期等。

裝配環(huán)境確定功能件所處的裝配工段、工位號(hào)。當(dāng)設(shè)計(jì)相似功能件的裝配工藝時(shí)，可判斷該功能件所處的裝配環(huán)境，便于工藝文件的檢索。同時(shí)，明確功能零部件線旁物料的存儲(chǔ)方式，用于指導(dǎo)物料配送的方式、周期，以及線旁設(shè)施布局。

工藝文件詳細(xì)記錄功能零部件的具體操作工序及作業(yè)時(shí)間，用于現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)操作人員，并以工位號(hào)命名工藝文件。當(dāng)工藝變更時(shí)，更改工藝文件的相關(guān)項(xiàng)即可。

3.3 裝配案例的檢索

裝配案例的檢索，主要是目標(biāo)案例與源案例的匹配分析，檢索匹配的目的是衡量目標(biāo)案例與源案例的相似度。筆者采用分步檢索法，先以功能零部件名稱為關(guān)鍵詞，初步檢索相似案例；再通過(guò)匹配算法確定最相似案例，指導(dǎo)裝配案例的重用、修正。根據(jù)前文論述可知，主要特征除關(guān)鍵產(chǎn)品特性為定性特征外，均為定量特征，因此，以相似性度量法和最鄰近檢索法為基礎(chǔ)，提出功能零部件的案例匹配算法，并針對(duì)不同特征值屬性，選取相應(yīng)的計(jì)算機(jī)制。

▲圖2 裝配案例的表示方法

（1） 令 U=｛u1，u2，...，un｝， 表示功能零部件所具有的一組主要特征。根據(jù)前文論述，u1為零部件規(guī)格，u2為理論質(zhì)量，u3為緊固點(diǎn)關(guān)鍵產(chǎn)品特性，u4為緊固件尺寸、u5為力矩范圍。

（2） 設(shè) wi=w（ui），表示 ui對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

筆者采用德?tīng)柗品ê蛯哟畏治龇ù_定特征項(xiàng)權(quán)重。先采用德?tīng)柗品ㄓ啥鄠€(gè)工藝人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)打分，確定各特征項(xiàng)間的相對(duì)重要度，再由層次分析法確定各特征項(xiàng)的權(quán)重，見(jiàn)表1。

表1 特征項(xiàng)權(quán)重

（3） 令 X=｛x1，x2，x3，x4，x5｝， 表示待求解功能零部件對(duì)應(yīng)的特征值。令 Y=｛y1，y2，y3，y4，y5｝，表示已有功能零部件對(duì)應(yīng)的特征值。 令相似度 S=｛S1（x1，y1），S2（x2，y2），S3（x3，y3），S4（x4，y4），S5（x5，y5）｝。

①特征為單一數(shù)值時(shí)，其相似度為：

②特征為非單一數(shù)值時(shí)，將特征值轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)對(duì)，用數(shù)據(jù)對(duì)之間的距離衡量相似度：

式中：（a1，a2，...，an） 為特征值 xi對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)，ai≥0；（b1，b2，...，bn） 為特征值 yi對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)，bi≤1；n 取決于特征值的表達(dá)方式，特征值為區(qū)間二維數(shù)據(jù)對(duì)，n=2，特征值為長(zhǎng)、寬、高三維數(shù)據(jù)對(duì)，n=3。

③對(duì)于定性特征，當(dāng)目標(biāo)案例與源案例所處的性能及等級(jí)完全相同時(shí)，Si=1（如都為PS1）；當(dāng)目標(biāo)案例與源案例所處的性能相同，但等級(jí)不同時(shí)，Si=0.75（如為PS1與PS2）；當(dāng)目標(biāo)案例與源案例所處的性能不同時(shí)，Si=0.5（如為 PS1與 PF1）。

（4）計(jì)算綜合相似度S：

（5）設(shè)匹配閾值為T(mén)，根據(jù)工藝要求取T=0.9。 當(dāng) S≥T（S≥0、T≤1）時(shí)，則取得相似案例。

基于以上論述，得到基于案例推理的汽車總裝工藝設(shè)計(jì)流程，如圖3所示。

3.4 裝配案例的修正與存儲(chǔ)

新車型的開(kāi)發(fā)是在已有車型上進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，考慮到汽車結(jié)構(gòu)、裝配過(guò)程的復(fù)雜性，以及實(shí)際裝配過(guò)程中的約束，要進(jìn)行人工修正裝配工藝，由工藝人員根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)知識(shí)對(duì)檢索出的案例進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和修正。

對(duì)新車型功能零部件的裝配工藝進(jìn)行驗(yàn)證、評(píng)價(jià)后，采用前文所述的裝配案例表示方法存入裝配工藝案例庫(kù)中，實(shí)時(shí)更新、檢查裝配工藝案例庫(kù)，從而指導(dǎo)未來(lái)裝配工藝的設(shè)計(jì)。

▲圖3 基于案例推理的汽車總裝工藝設(shè)計(jì)流程

4 案例分析

某企業(yè)CN113車型是基于CN112車型開(kāi)發(fā)的變型產(chǎn)品，因而CN113車型功能零部件的裝配工藝與CN112相似。以功能零部件下彎梁總成為例，分析基于案例推理的方法在汽車總裝工藝中的應(yīng)用。

以“下彎梁總成”為關(guān)鍵詞，在案例庫(kù)中初步檢索出相似的功能零部件。

將CN113車型下彎梁總成的主要特征參數(shù)輸入裝配案例庫(kù)中，通過(guò)匹配分析，得到CN113與CN112車型該功能零部件的匹配情況，見(jiàn)表2。

依據(jù)前文論述的匹配算法，計(jì)算兩者的相似度。

由表2可知，CN113與 CN112在零部件規(guī)格、緊固件尺寸兩個(gè)特征上表現(xiàn)出良好的一致性，即S1=S4=1。理論質(zhì)量特征為單一數(shù)值，利用式（2）計(jì)算其相似度：

對(duì)于緊固點(diǎn)關(guān)鍵產(chǎn)品特性特征，根據(jù)前文論述，S2=0.75。

力矩范圍特征為區(qū)間二維數(shù)據(jù)對(duì)，采用式（3）計(jì)算其相似度：

則綜合相似度S為：

S＞0.9，可見(jiàn)CN112車型的下彎梁總成為CN113的相似案例，但兩者理論質(zhì)量、緊固點(diǎn)關(guān)鍵產(chǎn)品特性和力矩范圍存在一定差異，因此CN113車型下彎梁總成的裝配工藝需在CN112基礎(chǔ)上做適當(dāng)修正。

CN113下彎梁總成的理論質(zhì)量雖與CN112存在一定差異，但差異在可控范圍內(nèi)，在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)裝配作業(yè)不會(huì)造成影響，而緊固點(diǎn)關(guān)鍵產(chǎn)品特性、力矩范圍均與緊固件相關(guān)。根據(jù)工藝人員經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，將下彎梁總成的緊固件由零件號(hào)為5497311的M8×20螺栓，替換為零件號(hào)為9053017的M8×20螺栓，即可滿足上述兩個(gè)特征。結(jié)合裝配實(shí)例的表示及CN112車型下彎梁總成裝配工藝，得到CN113車型下彎梁總成的裝配工藝，如圖4所示。

▲圖4 CN113車型下彎梁總成裝配工藝

表2 下彎梁總成主要特征匹配情況

CN113車型下彎梁總成的裝配工藝相比CN112車型只做了細(xì)微調(diào)整，經(jīng)工藝人員評(píng)價(jià)，不將該案例作為新案例存入案例庫(kù)，避免案例庫(kù)過(guò)大，不利于檢索。

5 結(jié)束語(yǔ)

在論述基于案例推理一般方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合汽車總裝特征，建立基于汽車總裝特征的案例推理模型，并以具體功能零部件為例，驗(yàn)證了方法的有效性。規(guī)劃設(shè)計(jì)新車型功能零部件裝配工藝時(shí)，通過(guò)匹配分析功能零部件自身特征，調(diào)用、修正案例庫(kù)中類似功能零部件工藝，快速設(shè)計(jì)新車型功能零部件工藝，提高了裝配工藝設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，避免了工藝的重復(fù)設(shè)計(jì)，降低了裝配工藝設(shè)計(jì)的難度，減輕了工藝人員的工作負(fù)擔(dān)，并使已有裝配工藝知識(shí)得到充分利用。

［1］李軍均.基于實(shí)例的汽車整車開(kāi)發(fā)技術(shù)及其應(yīng)用研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2010.

［2］孟秀麗.基于實(shí)例的計(jì)算機(jī)輔助裝配過(guò)程設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)， 2010， 16（11）：2355-2362.

［3］CHEN G L，ZHOU J Q，CAI W，et al.A Framework for an Automotive Body Assembly ProcessDesign System ［J］.Computer-Aided Design， 2006， 38（5）：531-539.

［4］吳銳.面向工藝重用的裝配關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

［5］陳靜，楊桂華，劉輝.基于實(shí)例推理CAPP的工藝決策模型研究［J］.機(jī)床與液壓， 2010， 38（7）：109-112.

［6］KOLODNER J L.Improving Human Decision Making through Case-based Decision Aiding［J］.AI Magazine， 1991，12（2）：52-68.

［7］HINRICHS T R， KOLODNER J L.The Roles of Adaptation in Case-based Design［C］.National Conference on Artificial Intelligence，1991.

［8］晁代章.基于實(shí)例的計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用［D］.重慶：重慶大學(xué)，2007.

［9］王雷頂.面向汽車總裝生產(chǎn)線的仿真研究與應(yīng)用［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2016.

［10］曹振新，朱云龍，李富明.混流轎車總裝配線的動(dòng)態(tài)規(guī)劃與仿真優(yōu)化研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12（4）：526-532.