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出發，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車身車間的評級結果，得出整車制造車身車間智能化升級的關鍵是焊接設備監控以及焊接質量控制智能化。文章推薦采用邊緣計算框架作為車身車間的智能焊接系統標準規劃，搭建了某個車身車間智能焊接系統的網絡框架，并詳細說明了智能焊接系統的數據流程圖。關鍵詞：車身;智能制造;焊接系統;邊緣計算中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：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》，是我國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領。要求緊密圍繞重點制造領域關鍵環節，開展新一代信息技術與制造裝備融合的集成創新和工程應用。要求依托優勢企業，緊扣關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、生產過程智能優化控制、供應鏈優化，建設重點領域智能工廠/數字化車間。要求在基礎條件好、需求迫切的重點地區、行業和企業中，分類實施流程制造、離散制造、智能裝備和產品、新業態新模式、智能化管理、智能化服務等試點示范及應用推廣。建立智能制造標準體系和信息安全保障系統，搭建智能制造網絡系統平臺。

按規劃到2020年，制造業重點領域智能化水平顯著提升，試點示范項目運營成本降低30%，產品生產周期縮短30%，不良品率降低30%。到2025年，制造業重點領域全面實現智能化，試點示范項目運營成本降低50%，產品生產周期縮短50%，不良品率降低50%。

在轎車整車制造行業，四大工藝車間中的車身車間的生產線自動化程度比較高，設備比較先進，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探討

智能制造能力成熟度模型，遵循了《國家智能制造標準體系建設指南（2015版）》中對智能制造系統架構的定義。整體成熟度模型，從制造、智能2個維度統籌考慮，進一步分解形成設計、生產、物流、銷售、服務、資源要素、互聯互通、系統集成、信息融合、新興業態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智能制造的綜合能力，主要面向大型企業等，兼顧了制造和智能兩方面。在模型中，將企業智能制造能力成熟度劃分為5個等級，數字越大成熟度等級越高。高成熟度等級代表比較強的智能制造能力，反之亦然。按照此模型提升企業智能制造水平是由低到高逐步遞進的，不能放棄比較低的等級直接越級提升到比較高的等級，每個等級向下兼容下一個等級。如圖1示。

1.1 車身車間智能化升級前的能級評價

某車身車間智能制造成熟度的能級評價指標如表1所示。從表1可以看出，隨著等級的提升，要實現的類的數量是增加的。同時，考量到整體成熟度模型用來衡量綜合能力的，對于單個車身車間，選擇制造維生產類中的生產作業域、質量控制域，智能維資源要素中的設備域，用來評價車身車間的智能能級，其它域通常由公司統籌負責。

從表1中的標色部分看出，生產作業、質量控制、設備智能級別為2級-規范級。表2是針對質量控制域的評分表，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置不同的問題，對“問題”的滿足程度來進行評判，設置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平均，就是該等級得分。

1.2?車身車間智能化升級的關鍵因素

車身車間的主要加工內容有焊接、涂膠等。表3是某個車身車間的主要加工內容。從表中可以看出，焊接占比達到60%以上，焊接+涂膠占比達95%以上（涂膠設備都配有在線視覺監控系統，能根據預設參數進行涂膠質量控制，已達到智能4級）;根據評價規則，只要焊接的質量控制、設備能級提升上去，質量控制、設備對應域的智能制造能級就能提升，從而整個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鍵路徑：提升焊接設備監控以及焊接質量控制的能級。

2 車身車間智能提升的架構規劃

2018年邊緣計算產業聯盟（ECC）與工業互聯網產業聯盟（AII）聯合發布的《邊緣計算參考架構3.0》如圖3所示。此架構加強了物理世界與數字世界的協作、跨產業的生態合作、減少系統異構型、簡化跨平臺移植，有效支撐系統的全生命周期活動。參考此架構，車身車間智能焊接系統邊緣計算架構圖如圖4所示。

圖4所示的智能焊接系統描述了焊接系統涉及到的不同單元之間需要協同的活動，這些活動描述了系統的設計、實現、部署、操作和發展各個階段的關鍵性操作。車身車間的其它智能工藝設備系統，也適合這種邊緣計算架構。

3 車身車間智能焊接系統的搭建

基于邊緣計算架構，搭建了如圖5所示的智能焊接系統網絡架構。焊接系統智能化，除了焊接設備的輸入輸出數字化、焊接過程的電流、電壓、壓力也需要采集并數字化。智能化前的焊接過程變量，只有當前焊點數據，需要增加數據采集器進行采集存儲，形成大數據。邊緣層的工業電腦，進行當前焊接數據的分析處理判斷，輸出焊接質量報警等信號，通過PLC控制生產線的運作，提示人工干預或者報警停線。大數據服務器用來存儲邊緣計算的原始數據以及輸出數據，通過離線編程、數據挖掘，可以優化更新焊接預設參數，優化邊緣計算的判斷規則（算法），形成知識庫。

圖6為智能焊接系統的工作原理圖。其工作流程如下：

（1）PLC將工位、車號信息傳遞給機器人控制器;

（2）機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焊點任務，焊接過程大約持續500毫秒;

（4）焊接過程中，數據采集器每毫秒采集焊槍的電壓電流信息;

（5）單個焊點焊接任務完成后，數據采集器將所采集的實時信息，連同車號、焊槍號、焊點號，焊接電壓、電流、焊槍預設參數（焊槍壓力、焊接電壓、焊接電流等）傳遞給生產現場工控電腦;同時，焊點號關聯到板材組合以及材料信息;

（6）同時，焊接機器人控制器將焊槍、焊槍電極帽修磨狀態信息（非實時數據）傳遞給生產現場工控電腦;

（7）工控電腦對焊接過程信息、設備狀態信息，進行智能分析處理，輸出質量判定信息（車號、焊槍號、焊點號、質量缺陷）給生產線顯示終端;提供預設參數優化建議;自動生成機器人以及焊接返工程序、指揮機器人以及焊接控制器，完成缺陷焊點的返工焊接;

（8）工業電腦將所有輸入輸出信息，上傳大數據服務器，進行存儲;服務器通過大數據的挖掘形成某種特定板材組合的焊點的預設參數專家知識庫;形成最佳焊接過程參數曲線;形成各種焊接質量問題判斷準則以及最佳算法。這些優化的參數、算法又返回到系統，達到智能焊接系統的自我學習、自我完善、自我糾正的人工智能階段。

4 結論

本文從智能制造整體能力成熟度等級評價出發，得出整車制造車身車間智能化升級的關鍵是焊接設備監控以及焊接質量控制智能化。對于車身車間的智能焊接系統規劃，為了實時監控并保證焊接質量，推薦采用邊緣計算框架。本文根據邊緣計算框架，搭建了智能焊接系統的網絡框架，并詳細說明了智能焊接系統的工作原理圖。

參考文獻

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