數字化柔性裝配生產線的建設方法與實踐

吳 昉，李 楨，張禮立

(1.華域智能裝備科技有限公司，上海 201109；2.上海市海外經濟技術促進會，上海 200080)

0 引言

面向未來制造業的高質量發展，中國提出《中國制造2025》，為制造行業升級發展提供了新機遇。黨的十九大報告中指出加快建設制造強國，加快發展先進制造業。《中國制造 2025》的提出確定了中國建設制造強國的總體戰略，明確了要以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，實現制造業由大變強的歷史跨越[1]。

工業互聯網平臺是智能制造的關鍵基礎設施和落地抓手[2]，是基于工業互聯網技術特點，面向制造業數字化、網絡化、智能化需求,支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業云平臺[3]。Jasmin Guth等聚焦物聯網平臺，構建包括傳感器和執行器、工業設備、網關、物聯網集成中間件及應用等通用架構[4]。我國工業互聯網產業聯盟提出了工業互聯網平臺體系架構[5]。目前，我國工業互聯網平臺的應用與發達國家相比仍然存在總體發展水平較低、行業間和企業間基礎差異較大、大規模推廣難度大、缺乏工業互聯網平臺應用水平評估體系和實施指南等一系列問題[6]。工業互聯網平臺的應用以大型企業為主，特別是在化工、石油、冶金等流程型行業應用廣泛。中小企業發展基礎較弱，自動化、智能化改造成本高，付費意愿不強， 融合應用普及率相對較低[7]。

汽車企業因車型不同，生產組織方式、工藝技術路線、管理流程等存在較大差異，難以用一種通用性的方案解決所有企業的問題。因此，汽車行業智能化轉型沒有統一的實施路徑，在智能制造重點領域和路徑選擇方面呈現多樣化的發展趨勢[8]。

汽車零部件裝配生產線的數字化賦能往往伴隨著柔性化設計和生產線建設同步展開。架構統一的工業互聯網軟件平臺成為生產線升級的關鍵。因此，本文結合“面向2035的智能制造技術清單”[9]中列示的關鍵技術，即數據采集、處理和分析技術，以及分布式智能控制技術，分析轎車底盤數字化柔性裝配生產線的建設方法，探討建設中的關鍵點。該研究為汽車零部件企業實施智能制造升級提供參考。

1 數字化柔性裝配生產線建設方法

1.1 一般建設流程

基于多年汽車零部件數字化裝配生產線領域的實踐，本文總結的數字化柔性裝配產線的一般建設流程如下所示。

(1)需求研究。

在需求研究階段，必須與需求方充分溝通，通過資料分析、專業訪談、實地考察、專題研討等方法，捕捉并明確客戶需求，關注對應的功能特征、工藝要點、質量控制要求、專業設備特征、物料補給、數字系統擴展等要求。

(2)規劃方案。

在規劃方案階段，根據需求研究的結論形成生產線的初步方案。在此方案的基礎上，與需求方的產品、工藝、質量、設備、物流、信息等條線作進一步溝通，以確認方案細節，從而明確需求的實現路徑和方法。這一階段要注意，對創新型應用應當進行仿真模擬，并設計試驗和驗證過程(試驗和驗證方法應得到需求方認可)，對需求方已有的生產線設備和信息系統狀態進行測試和確認。

(3)詳細設計。

詳細設計分為機械、電氣和數字化架構三個部分。

①機械設計。

機械設計包括三維建模、標準件選型、專機選型、機器人選型、仿真模擬等，輸出機械零件圖、標準件清單和集成裝配圖。

②電氣設計。

電氣設計包括電氣架構和線路布局、傳感器選型、邏輯框架程序、與周邊設備的接口等，輸出電氣原理圖、接線圖和控制程序。

③數字化架構設計。

數字化架構設計是在工業互聯網軟件平臺下配置功能和接口協議，針對需求方的個性化要求定制功能模塊，輸出軟件包、網絡拓撲圖和硬件清單。

(4)制造和試驗驗證。

在制造和試驗驗證階段，應根據設計階段的輸出，采購所需的標準設備，制造非標設備。對于標準設備，應做好質量檢測和存儲管理。對于非標設備，必須驗證新結構、新材料、新方法、新技術的有效性和可靠性。通過與需求方共同設計的試驗，把握技術偏差，通過對相關參數的調整設定，不斷優化直至達到技術要求。

(5)裝配調試。

裝調團隊對標準設備、非標設備、生產線零部件進行組裝，構成完整的生產線主體。電氣團隊完成電氣程序的配置、編寫和調試，使用產品工程樣件逐一驗證各工作臺是否能達到技術規格表的要求，使工藝貫通并達到一定的作業節拍。

(6)數字化布署。

數字化布署包括硬件布署和功能布署。

①硬件布署。

硬件布署根據詳細設計進行。硬件布署范圍包括服務器、網絡、電源、顯示終端等在內的硬件設備。硬件布署一般與電氣安裝調試同步進行。

②軟件布署。

軟件布署根據詳細設計，打通設備與數字化軟件平臺的通道，進行數據應用、數據存儲、數據上傳到上級系統等布署。

(7)生產驗證。

通過多個小批量生產作業，可以發現生產線中的問題，并加以分析和消除。期間，可能會涉及小級別的工程更改。在小批量驗證達到要求后，提升生產線作業節拍，直至達到設計節拍和性能的狀態。

(8)經驗總結。

在經驗總結階段，首先對以上七個步驟的實際開展情況進行總結；然后與原計劃對比，梳理問題和解決方案，開展研討和總結。這將為后續項目提供經驗輸入。

1.2 數字化布署

在數字化柔性裝配產線一般建設流程中，數字化布署是裝配產線數字化的關鍵。數字化布署實現數據互聯，通過采集、分析制造過程中的物理量，就可以更深刻地認識其不確定性，并有可能發現看似無關的某些物理量之間存在的某種關聯[10]。數字化布署的核心是構建統一的工業互聯網軟件平臺。國外工業互聯網平臺成本高，而國內工業互聯網平臺在行業和企業間差異較大。因此，本文立足汽車零部件制造裝配領域，自主研發了適合汽車零部件裝配產線的工業互聯網軟件華域數字化解決方案(Huayu digital solution,HDS)數字化系統。HDS基于架構統一理念，使用C#語言在 .net core平臺下進行開發，實現信息建模、數據采集、過程控制、數據分析和應用這四方面的功能。

①信息建模。

信息建模是將生產線涉及的信息源，如車間、產線、工站、工位、工步、終端設備、物料、工藝流程、人員等信息進行抽象，將所建立信息模型的排列與優化描述出生產線模型，再結合實時采集的數據構成完整的數字化產線。

②數據采集。

數據采集是通過數模轉換、總線讀取、圖像采集等方法獲取物理世界的信息。例如通過可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)的S7協議、數模轉換模塊、控制器局域網(controller area network，CAN)總線、串口通信、傳輸控制協議/互聯網協議(transmission control protocol/Internet protocol，TCP/IP)等，將多元異構數據融合到預定的數據模型內。

③過程控制。

過程控制是對采集的數據進行判斷，并借助電氣自動化的方式實現作業的全流程管控，如讀取進站零件的加工狀態、控制將要執行的工步順序以及判斷加工完成的工藝質量等。

④數據分析和應用。

數據分析和應用包含關鍵設備數據整理和分析、生產作業情況呈現、專屬應用報表。具體包括作業動態完成情況、設備綜合效率 (overall equipment effectiveness，OEE)、質量控制點、在線庫存狀態等。生產線上產生的數據大部分在生產線層面被應用和消化，如故障處理、追溯數據存檔、精益效率提升等。對工廠級及以上級別的數據處理任務，一般上傳到上級系統中進行分析，以更大的算力與生產線以外的數據進行協同分析，挖掘更高的數據價值。

HDS數字化系統的創新性在于針對生產設備數據異構的特點，開發出異構生產設備數據采集技術，實現對采集的數據點集中統一規劃管理和信息集中配置下發。各數據點的配置信息獨立可配。該平臺通過權限設置，可實現數據分級管理。此外，該平臺采用數字孿生技術，通過生產數據實時驅動，完成了基于增強現實技術的汽車零部件車間可視化，實現了對車間生產的可視化管理。

2 轎車底盤裝配生產線項目實踐

轎車底盤裝配生產線一般分為前懸生產線、副車架生產線和后橋生產線。本文以某高端品牌全球后驅運動轎車后橋數字化柔性裝配生產線建設為實例，說明柔性化數字生產線建設中需要關注的關鍵點。

為滿足多品種共線生產以實現柔性制造，以及數字化布署提升運營效率的要求，通過先期柔性化規劃和數字化植入，在設計階段就兼顧生產線可靠性與經濟性，以平衡有限的資源配置。

2.1 數據采集、處理和分析技術

轎車底盤裝配生產線項目中應用了自主研發的HDS。其具有三層架構，分別為硬件執行層、數據采控層、軟件應用層。

①硬件執行層。

硬件執行層是生產線的執行部分，包括機器人、傳感器、視覺、擰緊槍等工藝和生產要求，通過PLC或單片機控制實現功能。通過Profibus、ProfiNet或EtherNet/IP等基于工業總線的標準通信協議和底層設備實現數據交互，與上層數據服務層進行數據交互。

②數據采控層。

數據采集及控制是整個程序架構中承上啟下的環節。數據采控層應支持不同硬件的通信協議，同時接收應用層下達的使用意圖，并將其轉換為執行指令，最終實現完整的控制流程。

③軟件應用層。

軟件應用層將數據通過生產管理算法、質量管理算法、物料管理算法等專業算法，實現產線生產狀態實時監控、產品質量實時控制、物料信息實時更新、設備狀態實時監控等功能，從而挖掘數據價值，完成生產過程中設備、產品、工藝、物料等方面的實時動態監控管理。功能模塊包括生產管理、質量管理、物流管理、設備管理等。在數據定義上，對工廠、車間、產線、工位、工步、工人、物料等進行了數據抽象，形成模塊化程序，方便布署和優化迭代。

2.2 柔性生產線與分布式智能控制技術

2.2.1 隨行夾具

隨行夾具是實現生產線柔性的關鍵。底盤裝配柔性隨行夾具的設計方法有：共用定位點、支撐點；定位點、支撐點快速切換；雙面夾具，夾具板可翻轉，每個面可為一種或兼容多種產品。

隨行夾具實施方式如下。

①單板多產品：單套隨行夾具兼容多種產品。

②多板+夾具庫：單套隨行夾具無法兼容多種產品時，采用建立夾具庫的解決方法。

轎車底盤裝配生產線項目中，隨行夾具設計采用了共用定位點、支撐點和定位點、支撐點快速切換相結合的方法，實現了單板多產品，兼容A2平臺、E2平臺上十多個后橋總成產品。夾具上安裝射頻識別(radio frequency identification，RFID)電子標簽，由各工作站讀取器自動讀取以識別產品型號，執行對應的裝配程序，并將結果反饋至電子標簽，在產品下線時錄入數字系統。

2.2.2 工作站

①擰緊工作站。

擰緊工作站的功能是擰緊螺栓螺母，包括輸送、裝夾、預緊固和緊固過程。設備包含氣缸、伺服電機、工裝夾具、螺栓螺母輸送設備、伺服擰緊設備以及機械手臂，通過工裝和設備精度來保證定位，必要時也會輔以視覺系統。擰緊工作站的柔性生產通過識別不同的產品，切換相應的工裝和程序。機器人按指令取用不同的伺服擰緊設備，以實現自動擰緊。轎車底盤裝配生產線項目設計有：差速器擰緊站；轉向節輪轂、制動鉗螺栓擰緊站；差速器、傳動軸與后橋擰緊站；緊穩定桿擰緊站；上控制臂、調節連桿、下拖拽臂擰緊站。

②壓裝工作站。

壓裝工作站的功能是將襯套、軸承等零件外部按要求施加一定壓力壓入另一個零件中。該工作站通過液壓缸、氣缸、伺服電缸產生壓力壓裝零件，包括壓機、自動送料系統、壓裝工裝及電氣控制系統等。柔性生產通過壓裝工裝兼容、襯套自動上料、多臺壓機組合、多工位分布技術實現。轎車底盤裝配生產線項目設計了后橋襯套壓裝工作站、連桿襯套壓裝工作站、上控制臂襯套壓裝工作站和下拖拽臂襯套壓機。

③翻轉和搬運工作站。

翻轉和搬運工作站的功能是翻轉、搬運產品，包括機器人、視覺系統、末端工裝及電氣控制系統等。柔性生產通過末端工裝兼容或快速切換、視覺定位或軌跡設定等技術實現。轎車底盤裝配生產線項目中，后橋總成自動下料工作站，通過機器人末端工裝兼容、視覺定位和軌跡設定技術實現總成自動下線、裝箱。

④測試工作站。

測試工作站的功能是在線測試裝配零件或裝配總成參數是否合格。通過傳感器將機械運動過程轉變為電信號，檢測電信號的數值、波動幅度和頻率等參數，從而判斷參數是否合格。測試工作站主要包括跳動檢測、制動防抱死系統(antrilock break system,ABS)檢測、四輪調整檢測。柔性生產通過工裝兼容、多工位分布技術實現。自動站電氣和軟件程序隨產品切換，通過讀取隨行夾具上電子標簽、條碼方式實現。轎車底盤裝配生產線項目通過設計產品工裝兼容、多工位分布、讀取隨行夾具上電子標簽、條碼方式，實現了產線柔性ABS檢測和柔性四輪調整檢測。轎車底盤裝配生產線項目中使用的專業檢測設備為德國AUE公司的四輪調整設備。通過與廠商的合作，開發了基于ProfiNet總線通信協議的接口協議，實現了設備相關參數的交互、采集，打通了數字化布署的環節。

⑤分布式智能控制。

轎車底盤裝配生產線項目采用分布式智能控制。主線配置了主線PLC用于控制整線運行。各柔性工作站配置獨立PLC，與主線PLC為主站和從站關系。各工作站根據工藝要求獨立設置工藝運行參數，接收并反饋相關信號給主線PLC。HDS數字化系統通過工業總線協議對擰緊、壓裝、測試的關鍵數據進行采集、分析、存儲和上傳上級系統，實現生產過程工藝管控、質量追溯、設備監控、后臺分析等功能。與此同時，HDS數字化系統按照需求定制要求，對夾具進出站、擰緊狀態、機器人運動等進行關聯監控和分析，并為功能擴展預留了開口。

2.2.3 數字化生產線實現的功能

近年來，已有百余條轎車底盤裝配生產線和專機上布署了HDS數字化系統，實現了柔性生產。所生產的產品供貨大眾、奧迪、別克、雪佛蘭、凱迪拉克、寶馬、榮威、名爵等十余個品牌的百余款車型。HDS數字化系統實現了以下功能。

①裝配工藝數字化。

裝配工藝數字化是把生產工藝數據進行數字化，由HDS數字化系統通過網絡直接下發到各個制造執行單元、部件，各單元部件的數據也通過網絡上傳到HDS數字化系統，實現工藝的數字化。

②生產過程智能化。

生產過程智能化是采集生產過程中的資源數據，經過數據過濾清洗提煉出精確數據，并結合庫存狀態、環境變化和作業人員狀態數據對生產線進行分析，支持對關鍵質量控制點的質量控制閾值的在線優化；同時，利用生產過程產生的數據，分類傳入上層系統，結合異源數據分析整個裝配流程，支持改進裝配工藝和設備性能，以實現生產智能化。

③人機協作生產。

人機協作生產是采用自動系統將工件從料框搬運到夾具，隨線體運輸至工站。人工實現異型件的擺放和自動化實現成本較高的作業。機器人完成重復性高、節奏快、勞動強度大的擰緊作業，通過實時反饋的角度及擰緊扭矩值判斷裝配質量，降低工人的勞動強度，提高產量和效率。

④自適應的柔性化生產。

生產線可根據預設指令或者動態標簽觸發相關動作，匹配工藝和生產計劃，并自動換型，以兼容多種產品，實現高度柔性和自適應的裝配。

3 結論

本文在中國制造業智能轉型升級的背景下，研究了數字化柔性裝配線建設的一般過程及核心問題，總結數字化柔性裝配線建設的方法，設計開發了HDS數字化系統。HDS數字化系統應用于轎車底盤裝配生產線中，實現了柔性化生產線的升級。該研究為汽車零部件企業實施智能制造升級提供參考。

通過實踐，有三個問題值得繼續探索，分別是面向需求的全過程創新、資源整合中的管理與技術貫通，以及技術創新與風險承受的平衡。

首先是面向需求的全過程創新。大部分的項目在項目初期，當疊加項目進度、交流成本等因素時，將減緩項目過程中的創新實踐。實際上，大量的創新伴隨著實踐展開，如遇到“卡脖子”器件的替代方案等。

其次是資源整合中的管理與技術貫通。項目涉及多個單位協作，管理貫通需要考慮不同協作方的協作文化和工作習慣，技術貫通則需要對不同專業技術語言進行理解。同時，商務中的博弈使得管理與技術的貫通更為復雜。健全的供應鏈體系能夠解決一部分問題，但還遠遠不夠。

最后是技術創新與風險承受的平衡。技術創新得到的新生事物，往往因為缺少時間檢驗而受到質疑。創新使得供需雙方獲得的收益難以衡量，而風險則是由需求方承擔。如：使用了新器件、新設備的生產線遇到了先前未知的問題。此外，技術創新與風險承受的平衡問題還涉及需求方成本、產品創新競爭力等諸多方面。