FCS 系統(tǒng)結(jié)合工業(yè)機器人在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用

劉韓影，胡展國，楊貴林，于興林，葉水根

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江寧波 315336）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的增長，人們的生活水平得到了質(zhì)的提高，汽車的使用量在逐年增長。伴隨汽車產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代以及社會對汽車的需求量的增長，傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代社會發(fā)展及客戶個性化定制的需求。由于我國的汽車生產(chǎn)起步發(fā)展比較晚，導致汽車制造技術(shù)與發(fā)達國家相比還存在著一定的差距，機器人在汽車制造中的應(yīng)用技術(shù)還未達到發(fā)達國家汽車制造高智能化及數(shù)字化的水平。因此，本項目引入的FCS（Fieldbus Control System，工廠控制系統(tǒng)）是以RFID 為信息載體，貫穿整個焊、涂、總裝生產(chǎn)流程，包含車體追蹤、路由控制、機器人作業(yè)、線體工藝參數(shù)多車型適配、過點信息反饋等功能，是實現(xiàn)透明化工廠、柔性制造的關(guān)鍵。

1 概況及發(fā)展

目前我國的汽車生產(chǎn)基地大多數(shù)沿用行業(yè)流行的“煙囪式”AVI 架構(gòu)（AVI 系統(tǒng)全稱Automatic Vehicle IdenTIficaTIon System，即車體自動識別跟蹤系統(tǒng)），業(yè)務(wù)邏輯和機理算法離散的分布在MES、MI 網(wǎng)關(guān)、IT PLC、工位PLC中（圖1）。該架構(gòu)主要有如下痛點：①采集現(xiàn)場機器設(shè)備的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸物理層級太多，導致數(shù)據(jù)、控制指令響應(yīng)時延高且穩(wěn)定性不足，影響生產(chǎn)節(jié)拍；②不能脫離MES 實現(xiàn)自動離線生產(chǎn)；③各個層級關(guān)聯(lián)耦合，業(yè)務(wù)變更牽一發(fā)而動全身，不能滿足靈活多變的業(yè)務(wù)需求，運維成本很高。

圖1 AVI 系統(tǒng)架構(gòu)

機器人被廣泛應(yīng)用在各個行業(yè)以及領(lǐng)域，通常按照用途進行分類，例如工業(yè)機器人，一般應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，它是由多關(guān)節(jié)機械手以及其他的機器裝置通過自身的控制能力憑借自身動力完成工業(yè)生產(chǎn)中的各項工作。機器人是人工智能技術(shù)的結(jié)晶，通過傳感器、視覺以及示教動作等修正自己的動作，現(xiàn)在這種機器人被廣泛應(yīng)用于汽車制造的過程中，通過取代人力可以有效降低人員開支及生產(chǎn)成本，這在一定程度上也提高了汽車制造生產(chǎn)效率。

2 FCS 系統(tǒng)結(jié)合工業(yè)機器人在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用價值

工業(yè)機器人可以工作在極其惡劣的環(huán)境中去完成人類無法完成的工作，如連續(xù)高溫、長時間低溫、有毒等惡劣的環(huán)境；而在汽車制造領(lǐng)域其發(fā)揮著重要的作用，并且還扮演著不同的角色，在汽車制造生產(chǎn)的流水線上，在各個制造生產(chǎn)工序中扮演搬運工、操作工、焊接工等角色，能夠高效完成焊接、涂膠、噴涂等多項任務(wù)，機器人的應(yīng)用能夠保證汽車制造生產(chǎn)的精確性，提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量。

從部署架構(gòu)來看，F(xiàn)CS 是介于MES 和線體PLC、機器人控制器之間亦即IT、OT 之間的系統(tǒng)，屬于邊緣計算的范疇，因此希望將其目前零散的業(yè)務(wù)邏輯在分布式的FCS 系統(tǒng)上實現(xiàn)（圖2）。邊緣網(wǎng)關(guān)上部署有基于OPC UA 統(tǒng)一架構(gòu)的FCS 系統(tǒng)，可以快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信息建模，并提供低代碼、可視化的邊緣計算快速開發(fā)工具。

圖2 FCS 系統(tǒng)架構(gòu)

這種基于OPC UA 網(wǎng)關(guān)的新型FCS 系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

（1）將數(shù)據(jù)傳輸層級降低到一層，IT 和OT 只需要和邊緣網(wǎng)關(guān)對接，實時性和穩(wěn)定性極大增強。

（2）剝離MES 控制邏輯，下放到邊緣網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)異步獲取MES 工單等資源，可以完成MES 離線情況下的自適應(yīng)、自決策。

（3）降低了和IT、OT 系統(tǒng)的耦合關(guān)系，業(yè)務(wù)邏輯主要集中在邊緣網(wǎng)關(guān)中，而且基于語義信息模型及低代碼開發(fā)工具，可以實現(xiàn)高效的開發(fā)和運維。

（4）可以采集PLC、機器人、焊機等所有工廠設(shè)備數(shù)據(jù)，可節(jié)約ITPLC、MI、IMI 軟硬件硬件成本數(shù)百萬元。

3 工業(yè)機器人在汽車制造領(lǐng)域中的作用

3.1 裝配機器人

裝配機器人在汽車制造中被用于汽車儀表、發(fā)動機、電池裝配的過程，這種機器人的作用主要是對汽車進行零部件的裝配，能夠保證零部件裝配精度和裝配效率。裝配機器人身上有多種傳感器，例如觸覺、視覺、聲音傳感器等，通過各種傳感器的協(xié)同工作相互配合，使機器人能夠精準無誤地完成汽車零部件裝配任務(wù)。裝配機器人在汽車制造中的應(yīng)用有效的解決了人工裝配精度低、速度慢的問題，在一定程度上降低了人力工作難度。

3.2 噴涂作業(yè)機器人

噴漆作業(yè)機器人在汽車制造中通常被應(yīng)用于車體外部的噴漆和涂膠，動作非常靈活敏捷。在對車體外部進行噴漆作業(yè)前的準備階段，工作人員需要給噴涂機作業(yè)機械灌輸噴涂程序，設(shè)定相關(guān)的噴涂參數(shù)等，噴漆作業(yè)機器人可以按照車體噴涂要求自動選擇符合要求的噴涂工具，自動按照相關(guān)的標準和要求，準確、快速的進行噴漆作業(yè)。

3.3 焊接機器人

眾所周知，人工焊接作業(yè)會對人體健康造成一定的影響，并且對于汽車焊接有著較高的要求，每輛汽車車體上都有3000～4000 個焊接點，焊接工作量大、難度高，還具有一定的危險性。焊接機器人在汽車制造中的應(yīng)用不僅可以提高焊接的質(zhì)量和速度，而且還可以保證焊接點的精準性。根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)調(diào)查，汽車上60%的焊接點是由焊接機器人獨立完成，由于焊接機器人體積較小，能夠及時有效地處理高溫火花。焊接機器人也被廣泛應(yīng)用在熔化極焊接和非熔化極焊接方面，能夠?qū)崿F(xiàn)自動送絲融化電極保護焊接作業(yè)。

3.4 搬運機器人

搬運機器人在汽車制造中主要被應(yīng)用于汽車零件的搬運，在汽車生產(chǎn)中被應(yīng)用于裝貨、卸貨等。搬運機器人的手抓非常靈活，工作人員可以通過在搬運機器人法蘭盤安裝手抓，實現(xiàn)搬運機器人到汽車零件所在的位置準確的抓取汽車零件，并且將汽車零件放在指定的地點。搬運機器人在工作的過程中對零件產(chǎn)生的破壞較小，并且能夠快速、穩(wěn)定、準確的完成相關(guān)的工作任務(wù)。工作人員可以通過針對不同零件給搬運機器人安裝不同類型的抓手，從而實現(xiàn)不同零件的搬運和組裝。

3.5 檢測機器人

檢測機器人在汽車制造中主要被應(yīng)用于汽車零件尺寸的檢測、自動分類，這有效的降低了工作量和工作強度，減少了人力物力的投入，在一定程度上加快了汽車生產(chǎn)效率，最重要的是能夠保證汽車的生產(chǎn)質(zhì)量。汽車產(chǎn)品需要經(jīng)過嚴格的質(zhì)量檢測，待質(zhì)量和性能達標后還可以流入市場。檢測機器人可以通過視覺傳感器以及測量控制面板得到汽車相關(guān)的圖像信息，將這些信息與標準模型信息相對比，檢測汽車產(chǎn)品與汽車模型尺寸、規(guī)格是否完全相同并進行誤差計算。根據(jù)檢測機器人的誤差計算可以對汽車生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，不斷提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量。

4 工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢

隨著科學技術(shù)的大力發(fā)展，人工智能技術(shù)在不斷的優(yōu)化和完善，工業(yè)機器人越來越受歡迎，并被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域各個行業(yè)，并且有著廣闊的發(fā)展空間和良好的發(fā)展前景。工業(yè)機器人可以在危險、惡劣的環(huán)境中高效率完成人無法完成的工作，還可以取代人力，在現(xiàn)階段勞動力成本在逐漸提升，通過使用工業(yè)機器人可以降低人員的開支，降低生產(chǎn)成本。隨著社會的發(fā)展和進步，對工業(yè)機器人的需求量逐年增加，尤其是在汽車制造行業(yè)。未來工業(yè)機器人將朝著智能化、數(shù)字化、仿生化的方向發(fā)展，取代人工作業(yè)，推動各個行業(yè)的發(fā)展。

5 總結(jié)

隨著時代的變遷社會的進步，汽車生產(chǎn)形勢發(fā)生了巨大的變化，裝配機器人、噴漆作業(yè)機器人、焊接機器人、搬運機器人以及檢測機器人等在汽車制造中的應(yīng)用，大大提高了汽車產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量以及安全性，降低了汽車產(chǎn)品生產(chǎn)成本以及勞動人員的投入；因此基于OPC UA 的數(shù)據(jù)及機理模型的FCS系統(tǒng)，具備機理模型建模（算法），訂單處理機理、上線過點處理機理、MES 在線與離線處理機理；可以向汽車生產(chǎn)基地及其他行業(yè)推廣、復用，成為標準、規(guī)則的制定者和引領(lǐng)者，可以加快汽車行業(yè)的發(fā)展步伐。