FCS 系統結合工業機器人在汽車制造領域的應用

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

隨著國民經濟的增長，人們的生活水平得到了質的提高，汽車的使用量在逐年增長。伴隨汽車產品的不斷更新換代以及社會對汽車的需求量的增長，傳統的汽車生產模式已經無法滿足現代社會發展及客戶個性化定制的需求。由于我國的汽車生產起步發展比較晚，導致汽車制造技術與發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用技術還未達到發達國家汽車制造高智能化及數字化的水平。因此，本項目引入的FCS（Fieldbus Control System，工廠控制系統）是以RFID 為信息載體，貫穿整個焊、涂、總裝生產流程，包含車體追蹤、路由控制、機器人作業、線體工藝參數多車型適配、過點信息反饋等功能，是實現透明化工廠、柔性制造的關鍵。

1 概況及發展

目前我國的汽車生產基地大多數沿用行業流行的“煙囪式”AVI 架構（AVI 系統全稱Automatic Vehicle IdenTIficaTIon System，即車體自動識別跟蹤系統），業務邏輯和機理算法離散的分布在MES、MI 網關、IT PLC、工位PLC中（圖1）。該架構主要有如下痛點：①采集現場機器設備的數據通過網絡傳輸物理層級太多，導致數據、控制指令響應時延高且穩定性不足，影響生產節拍；②不能脫離MES 實現自動離線生產；③各個層級關聯耦合，業務變更牽一發而動全身，不能滿足靈活多變的業務需求，運維成本很高。

圖1 AVI 系統架構

機器人被廣泛應用在各個行業以及領域，通常按照用途進行分類，例如工業機器人，一般應用于工業生產過程中，它是由多關節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生產中的各項工作。機器人是人工智能技術的結晶，通過傳感器、視覺以及示教動作等修正自己的動作，現在這種機器人被廣泛應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成本，這在一定程度上也提高了汽車制造生產效率。

2 FCS 系統結合工業機器人在汽車制造領域的應用價值

工業機器人可以工作在極其惡劣的環境中去完成人類無法完成的工作，如連續高溫、長時間低溫、有毒等惡劣的環境；而在汽車制造領域其發揮著重要的作用，并且還扮演著不同的角色，在汽車制造生產的流水線上，在各個制造生產工序中扮演搬運工、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，機器人的應用能夠保證汽車制造生產的精確性，提高汽車產品的質量。

從部署架構來看，FCS 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，屬于邊緣計算的范疇，因此希望將其目前零散的業務邏輯在分布式的FCS 系統上實現（圖2）。邊緣網關上部署有基于OPC UA 統一架構的FCS 系統，可以快速實現數據采集、信息建模，并提供低代碼、可視化的邊緣計算快速開發工具。

圖2 FCS 系統架構

這種基于OPC UA 網關的新型FCS 系統有如下優點：

（1）將數據傳輸層級降低到一層，IT 和OT 只需要和邊緣網關對接，實時性和穩定性極大增強。

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

（3）降低了和IT、OT 系統的耦合關系，業務邏輯主要集中在邊緣網關中，而且基于語義信息模型及低代碼開發工具，可以實現高效的開發和運維。

（4）可以采集PLC、機器人、焊機等所有工廠設備數據，可節約ITPLC、MI、IMI 軟硬件硬件成本數百萬元。

3 工業機器人在汽車制造領域中的作用

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。裝配機器人在汽車制造中的應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 噴涂作業機器人

噴漆作業機器人在汽車制造中通常被應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前的準備階段，工作人員需要給噴涂機作業機械灌輸噴涂程序，設定相關的噴涂參數等，噴漆作業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，自動按照相關的標準和要求，準確、快速的進行噴漆作業。

3.3 焊接機器人

眾所周知，人工焊接作業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用不僅可以提高焊接的質量和速度，而且還可以保證焊接點的精準性。根據相關的數據調查，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用在熔化極焊接和非熔化極焊接方面，能夠實現自動送絲融化電極保護焊接作業。

3.4 搬運機器人

搬運機器人在汽車制造中主要被應用于汽車零件的搬運，在汽車生產中被應用于裝貨、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生的破壞較小，并且能夠快速、穩定、準確的完成相關的工作任務。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效率，最重要的是能夠保證汽車的生產質量。汽車產品需要經過嚴格的質量檢測，待質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，檢測汽車產品與汽車模型尺寸、規格是否完全相同并進行誤差計算。根據檢測機器人的誤差計算可以對汽車生產工藝進行優化，不斷提高汽車產品的質量。

4 工業機器人的發展趨勢

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

5 總結

隨著時代的變遷社會的進步，汽車生產形勢發生了巨大的變化，裝配機器人、噴漆作業機器人、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用，大大提高了汽車產品的生產效率、生產質量以及安全性，降低了汽車產品生產成本以及勞動人員的投入；因此基于OPC UA 的數據及機理模型的FCS系統，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；可以向汽車生產基地及其他行業推廣、復用，成為標準、規則的制定者和引領者，可以加快汽車行業的發展步伐。