汽車制造車身車間智能化研究

楊官山

摘 要：文章從智能制造整體能力成熟度等級評價(jià)出發(fā)，探討了整車制造車身車間智能制造評級的方法以及針對某個(gè)車身車間的評級結(jié)果，得出整車制造車身車間智能化升級的關(guān)鍵是焊接設(shè)備監(jiān)控以及焊接質(zhì)量控制智能化。文章推薦采用邊緣計(jì)算框架作為車身車間的智能焊接系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃，搭建了某個(gè)車身車間智能焊接系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)框架，并詳細(xì)說明了智能焊接系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖。關(guān)鍵詞：車身;智能制造;焊接系統(tǒng);邊緣計(jì)算中圖分類號：U466 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-196-03

Abstract：?This paper introduces a method to evaluate the intelligence level of Body shop and the evaluation result of one Body Shop following the intelligence overall capability maturity model. This paper indicate that the key to improve intelli?-gence is to enable the welding system intelligent. This paper recommend to adopt Edge Calculation Frame as a standard frame in Body Shop and build a Net Frame of intelligent welding system in one Body Shop and explain the detail data flow process of this intelligent welding system.Keywords： Body In White; Intelligent Manufacturing; Welding; Edge CalculationCLC NO.：?U466 Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-196-03

前言

《中國制造2025》，是我國實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動綱領(lǐng)。要求緊密圍繞重點(diǎn)制造領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展新一代信息技術(shù)與制造裝備融合的集成創(chuàng)新和工程應(yīng)用。要求依托優(yōu)勢企業(yè)，緊扣關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制、供應(yīng)鏈優(yōu)化，建設(shè)重點(diǎn)領(lǐng)域智能工廠/數(shù)字化車間。要求在基礎(chǔ)條件好、需求迫切的重點(diǎn)地區(qū)、行業(yè)和企業(yè)中，分類實(shí)施流程制造、離散制造、智能裝備和產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)新模式、智能化管理、智能化服務(wù)等試點(diǎn)示范及應(yīng)用推廣。建立智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系和信息安全保障系統(tǒng)，搭建智能制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺。

按規(guī)劃到2020年，制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域智能化水平顯著提升，試點(diǎn)示范項(xiàng)目運(yùn)營成本降低30%，產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短30%，不良品率降低30%。到2025年，制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域全面實(shí)現(xiàn)智能化，試點(diǎn)示范項(xiàng)目運(yùn)營成本降低50%，產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短50%，不良品率降低50%。

在轎車整車制造行業(yè)，四大工藝車間中的車身車間的生產(chǎn)線自動化程度比較高，設(shè)備比較先進(jìn)，具有良好的制造智能化升級條件。

1?車身車間智能化成熟度指標(biāo)探討

智能制造能力成熟度模型，遵循了《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2015版）》中對智能制造系統(tǒng)架構(gòu)的定義。整體成熟度模型，從制造、智能2個(gè)維度統(tǒng)籌考慮，進(jìn)一步分解形成設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)、資源要素、互聯(lián)互通、系統(tǒng)集成、信息融合、新興業(yè)態(tài)10大類核心能力要素，并對每一類核心要素分解為若干域以及五級的成熟度要求。

整體成熟度模型用于衡量企業(yè)智能制造的綜合能力，主要面向大型企業(yè)等，兼顧了制造和智能兩方面。在模型中，將企業(yè)智能制造能力成熟度劃分為5個(gè)等級，數(shù)字越大成熟度等級越高。高成熟度等級代表比較強(qiáng)的智能制造能力，反之亦然。按照此模型提升企業(yè)智能制造水平是由低到高逐步遞進(jìn)的，不能放棄比較低的等級直接越級提升到比較高的等級，每個(gè)等級向下兼容下一個(gè)等級。如圖1示。

1.1 車身車間智能化升級前的能級評價(jià)

某車身車間智能制造成熟度的能級評價(jià)指標(biāo)如表1所示。從表1可以看出，隨著等級的提升，要實(shí)現(xiàn)的類的數(shù)量是增加的。同時(shí)，考量到整體成熟度模型用來衡量綜合能力的，對于單個(gè)車身車間，選擇制造維生產(chǎn)類中的生產(chǎn)作業(yè)域、質(zhì)量控制域，智能維資源要素中的設(shè)備域，用來評價(jià)車身車間的智能能級，其它域通常由公司統(tǒng)籌負(fù)責(zé)。

從表1中的標(biāo)色部分看出，生產(chǎn)作業(yè)、質(zhì)量控制、設(shè)備智能級別為2級-規(guī)范級。表2是針對質(zhì)量控制域的評分表，綜合評分為2.5分，沒有超過2.8分，只能算2級。

評分原則如圖2所示。針對每一級能力成熟度要求設(shè)置不同的問題，對“問題”的滿足程度來進(jìn)行評判，設(shè)置0（無）、0.5（部分）、0.8（大部分）、1（全部）共四檔打分原則。若任一問題的得分為0，視為該等級不通過;每級所有問題得分加權(quán)平均，就是該等級得分。

1.2?車身車間智能化升級的關(guān)鍵因素

車身車間的主要加工內(nèi)容有焊接、涂膠等。表3是某個(gè)車身車間的主要加工內(nèi)容。從表中可以看出，焊接占比達(dá)到60%以上，焊接+涂膠占比達(dá)95%以上（涂膠設(shè)備都配有在線視覺監(jiān)控系統(tǒng)，能根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行涂膠質(zhì)量控制，已達(dá)到智能4級）;根據(jù)評價(jià)規(guī)則，只要焊接的質(zhì)量控制、設(shè)備能級提升上去，質(zhì)量控制、設(shè)備對應(yīng)域的智能制造能級就能提升，從而整個(gè)車身車間的智能制造能級就能提升。

從以上分析可以看出，車身車間智能制造能級提升的關(guān)鍵路徑：提升焊接設(shè)備監(jiān)控以及焊接質(zhì)量控制的能級。

2 車身車間智能提升的架構(gòu)規(guī)劃

2018年邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）聯(lián)合發(fā)布的《邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0》如圖3所示。此架構(gòu)加強(qiáng)了物理世界與數(shù)字世界的協(xié)作、跨產(chǎn)業(yè)的生態(tài)合作、減少系統(tǒng)異構(gòu)型、簡化跨平臺移植，有效支撐系統(tǒng)的全生命周期活動。參考此架構(gòu)，車身車間智能焊接系統(tǒng)邊緣計(jì)算架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4所示的智能焊接系統(tǒng)描述了焊接系統(tǒng)涉及到的不同單元之間需要協(xié)同的活動，這些活動描述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、部署、操作和發(fā)展各個(gè)階段的關(guān)鍵性操作。車身車間的其它智能工藝設(shè)備系統(tǒng)，也適合這種邊緣計(jì)算架構(gòu)。

3 車身車間智能焊接系統(tǒng)的搭建

基于邊緣計(jì)算架構(gòu)，搭建了如圖5所示的智能焊接系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。焊接系統(tǒng)智能化，除了焊接設(shè)備的輸入輸出數(shù)字化、焊接過程的電流、電壓、壓力也需要采集并數(shù)字化。智能化前的焊接過程變量，只有當(dāng)前焊點(diǎn)數(shù)據(jù)，需要增加數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集存儲，形成大數(shù)據(jù)。邊緣層的工業(yè)電腦，進(jìn)行當(dāng)前焊接數(shù)據(jù)的分析處理判斷，輸出焊接質(zhì)量報(bào)警等信號，通過PLC控制生產(chǎn)線的運(yùn)作，提示人工干預(yù)或者報(bào)警停線。大數(shù)據(jù)服務(wù)器用來存儲邊緣計(jì)算的原始數(shù)據(jù)以及輸出數(shù)據(jù)，通過離線編程、數(shù)據(jù)挖掘，可以優(yōu)化更新焊接預(yù)設(shè)參數(shù)，優(yōu)化邊緣計(jì)算的判斷規(guī)則（算法），形成知識庫。

圖6為智能焊接系統(tǒng)的工作原理圖。其工作流程如下：

（1）PLC將工位、車號信息傳遞給機(jī)器人控制器;

（2）機(jī)器人控制器將車號連同焊槍號傳遞給焊接控制器;

（3）焊接控制器控制伺服焊槍完成一個(gè)焊點(diǎn)任務(wù)，焊接過程大約持續(xù)500毫秒;

（4）焊接過程中，數(shù)據(jù)采集器每毫秒采集焊槍的電壓電流信息;

（5）單個(gè)焊點(diǎn)焊接任務(wù)完成后，數(shù)據(jù)采集器將所采集的實(shí)時(shí)信息，連同車號、焊槍號、焊點(diǎn)號，焊接電壓、電流、焊槍預(yù)設(shè)參數(shù)（焊槍壓力、焊接電壓、焊接電流等）傳遞給生產(chǎn)現(xiàn)場工控電腦;同時(shí)，焊點(diǎn)號關(guān)聯(lián)到板材組合以及材料信息;

（6）同時(shí)，焊接機(jī)器人控制器將焊槍、焊槍電極帽修磨狀態(tài)信息（非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)）傳遞給生產(chǎn)現(xiàn)場工控電腦;

（7）工控電腦對焊接過程信息、設(shè)備狀態(tài)信息，進(jìn)行智能分析處理，輸出質(zhì)量判定信息（車號、焊槍號、焊點(diǎn)號、質(zhì)量缺陷）給生產(chǎn)線顯示終端;提供預(yù)設(shè)參數(shù)優(yōu)化建議;自動生成機(jī)器人以及焊接返工程序、指揮機(jī)器人以及焊接控制器，完成缺陷焊點(diǎn)的返工焊接;

（8）工業(yè)電腦將所有輸入輸出信息，上傳大數(shù)據(jù)服務(wù)器，進(jìn)行存儲;服務(wù)器通過大數(shù)據(jù)的挖掘形成某種特定板材組合的焊點(diǎn)的預(yù)設(shè)參數(shù)專家知識庫;形成最佳焊接過程參數(shù)曲線;形成各種焊接質(zhì)量問題判斷準(zhǔn)則以及最佳算法。這些優(yōu)化的參數(shù)、算法又返回到系統(tǒng)，達(dá)到智能焊接系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)、自我完善、自我糾正的人工智能階段。

4 結(jié)論

本文從智能制造整體能力成熟度等級評價(jià)出發(fā)，得出整車制造車身車間智能化升級的關(guān)鍵是焊接設(shè)備監(jiān)控以及焊接質(zhì)量控制智能化。對于車身車間的智能焊接系統(tǒng)規(guī)劃，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控并保證焊接質(zhì)量，推薦采用邊緣計(jì)算框架。本文根據(jù)邊緣計(jì)算框架，搭建了智能焊接系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)框架，并詳細(xì)說明了智能焊接系統(tǒng)的工作原理圖。

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