智能制造在汽車總裝專業的應用

馬庭松

摘 要：汽車總裝智能制造系統由各個功能模塊組成，負責車身位置的實時追蹤、裝配力矩控制管理、加注控制管理、零部件裝配防錯、生產線設備的管理和技術檢測，以及不合格車輛返工管理。通過生產過程數據統計分析，形成建議或決策指令，給予生產技術支持，促進生產過程管理能力提升，降低不合格品的流出。

關鍵詞：智能制造；車身定位；RFID；工藝指令；數據驅動；智能決策

隨著互聯網技術的迅猛發展，越來越多的產品需要按照客戶多樣化的需求來組織生產銷售。以汽車為例，不同的客戶會有不同的使用需求，比如同一種車型要求裝配不同的儀表板，不同的電氣功能，多彩的內飾件等。這些個性化的需求組合在一起，相對于過去幾種配置的汽車產品，會產生海量的配置差異。

對于汽車制造廠而言，生產這些定制化的產品，生產線的物料組織以及工藝設計會非常復雜。如何保證正確的零部件送到裝配工位，并通過設備正確地裝配到車身上，是個行業內的難題。通過電氣自動化來實現這種復雜的裝配要求，自動化控制系統復雜，實現的難度大。而且需求越復雜，自動化實現的成本也會越高。

本文重點介紹汽車行業總裝專業一種智能制造設計方案，以提升生產線設備智能化水平，滿足定制化產品生產的需要，同時提高生產線的防錯能力，促進生產效率和質量的提升。

智能制造的意義

智能制造打破了傳統制造業的模式，是一種全新的技術革命，通過萬物互聯，實現從產品設計到生產制造的高度協同。實施智能制造的意義如下。

1）從傳統大批量標準化的生產方式，升級為大批量定制化生產方式，促進生產方式的改變。

2）準確的數據，以正確的路徑及時傳遞給正確的人和設備，實現最優的資源效率優化，同時促進過程響應敏捷性的提高。

3）從傳統制造業的經驗決策模式，升級為數據+算法的智能決策模式。

智能制造的功能模塊

智能制造在汽車總裝專業的應用，主要包括車身定位、工藝指令、力矩控制、加注控制、關鍵件防錯、輔助裝配、設備管理及返工管理等功能模塊，如圖1所示。

1.車身定位模塊

車身定位對于智能制造系統，是非常關鍵的一個功能模塊，也是智能制造系統能否正常運轉的基礎。通常車身定位通過RFID實現，RFID標簽與車身一一對應。RFID標簽安裝通常有兩種形式，一種裝在車身的載具上，另一種是直接安裝在車身上，對于后一種，在車身裝配完成下線后，需將RFID標簽統一回收，送至總裝生產線的起始點，循環使用。RFID標簽芯片可支持反復擦寫，擦寫的內容根據實際工藝需求來定，比較常見的有寫入車身VIN碼信息、整車物料代碼信息等。

總裝生產線起始點以及各工段入口都裝有讀寫頭，可實時讀取RFID標簽信息。車身通過機運線從涂裝輸送到總裝生產線的10點，RFID讀寫器讀到標簽信號，將該車輛的VIN碼與標簽進行綁定，實現標簽與VIN一一對應。車身定位模塊通過各工段的讀寫頭讀取車身進出工段的信息，同時監控總裝機運線的線速和實際運行狀態，實現車身流轉的精確定位。

因智能制造系統的其他功能模塊都需用到準確的車身信息，才能保證智能制造系統正確高效的運轉，故車身定位模塊在設計時需考慮防錯機制，減少網絡延遲、機運線異常等造成車身定位信息的數據異常。

2.工藝指令模塊

在未開發智能制造系統之前，涉及零部件裝配過程的力矩、加注、零部件信息等一般設置在設備控制器中。以力矩為例，工藝指令為擰緊機的JOB號，設置在擰緊服務器或者各擰緊機的控制器中，通過操作人員掃描車身的隨車卡，掃描獲取的VIN碼和整車物料代碼信息上傳擰緊服務器或者控制器，服務器或控制器調用對應的JOB號執行擰緊作業，擰緊結果存儲在擰緊機控制器中并上傳擰緊服務器。

在開發智能制造系統后，所有擰緊、加注工藝指令參數、零部件代碼與整車物料號一一關聯，關聯的對應關系存儲在工藝指令模塊的數據庫中，由各設備系統調用執行。對應關系的首次錄入由工藝人員完成，后續新車型上線生產前，仍由工藝人員提前錄入對應關系。

整車物料號與工藝參數指令之間的對應關系，是智能制造系統能否正常運行的基礎。每次新對應關系的錄入，可以根據各公司的實際運營情況，增加錄入審核流程。再結合新產品首臺車的生產驗證工作確認錄入對應關系的準確性。

3.力矩控制模塊

如圖2所示，生產線擰緊機連接在智造系統的網絡中，智造系統的力矩控制模塊與每臺擰緊機通信并進行相應管理，發送JOB號，獲取擰緊的過程數據和結果數據。

智能制造系統工藝指令模塊設定整車物料號、JOB號對應關系，擰緊機控制器中設定JOB號和擰緊點數、各擰緊點的擰緊步驟以及對應的轉速和力矩目標等關系。

車身到達某一擰緊工位，車身定位系統將該車輛的VIN碼交互MES，并獲取整車代碼給工藝指令模塊，自動調取該工位擰緊機執行的JOB號給力矩控制模塊，力矩控制模塊將JOB號發送給指定的擰緊機執行自動擰緊，擰緊結果上傳給力矩控制模塊。擰緊結果合格，發OK信號給機運線PLC放行，否則通知機運線PLC運行停止。

4.加注控制模塊

加注控制模塊與產線所有加注設備建立通信，包括變速器油、制動液、防凍液及風窗清洗液等各種液體加注設備，同力矩控制模塊，車身到達加注工位，車身定位系統將該工位的VIN交互獲取整車代碼給工藝指令模塊，自動調用加注的JOB號給加注控制模塊，加注控制模塊將JOB號下發該工位的加注設備執行，加注結果上傳加注控制模塊，合格發送OK信號給機運線PLC放行，否則通知機運線PLC運行停止。

5.關鍵件防錯模塊

關鍵件防錯兩種模式：第一種在工位實現，零部件裝配前掃描零件號，零件號上傳至智造系統關鍵件防錯模塊，通過車身定位系統獲取的VIN，在系統中對比對應的零件號信息，如零部件信息比對不正確，機運線停止運行，并給出錯誤提示；第二種在工段末端的檢驗工位實現，車身到達檢驗工位，員工集中掃描該工段裝配的零部件編號，相關零件號信息上傳關鍵件防錯模塊進行比對，如比對結果異常，機運線停止運行，并給出錯誤提示。

6.輔助裝配模塊

每個工位配置顯示屏及刷卡裝置，每班工作前，員工在工位刷卡，卡號信息上傳輔助裝配模塊，系統自動對比數據庫中信息，識別是否具備本崗位操作權限，如不具備資格，系統給出報警提示，如該工位有設備，設備鎖定，禁止操作。

輔助裝配模塊數據庫中記錄每位員工的裝配技能信息和歷史裝配出錯情況，比如員工張三在裝配A車型制動管時，管路走向裝配錯誤，系統記錄這一信息。張三當班時，如A車型到達張三的工位，工位顯示屏顯示及正確的管路走向圖片，提示張三關注裝配要點。

分車型統計每個班次生產質量問題、AUDIT信息及售后問題等信息，上述問題如果是制造過程造成的，車間工藝人員落實到具體的裝配工位，并在系統中維護裝配要點和核查要點，當該車型到達該裝配工位時，系統推送具體裝配要點，通過工位顯示屏提示。對應的車型到達工段末端的檢驗點，系統推送針對性的核查要點，通過工位顯示屏提示。

7.設備管理模塊

設備管理模塊除了傳統的設備可動率、設備故障管理、維修數據統計分析等功能，還可通過安裝傳感器，監控電動機運行電流、溫度以及設備振動情況，對于超出正常運行范圍報警，通知保全人員及時檢查處理，減少故障的發生。并根據設備易損件的歷史消耗記錄，在部件損壞前提前提醒保全人員更換，做到預測性維護。如圖3所示。

8.返工管理模塊

對于車輛線下返工，設置單獨的返工站點，系統的返工管理模塊進行相關管理工作。需返工的車輛到達返工站點，只有具備返工授權的人才可以登錄系統并進行相關的返工操作，同時只有具備返工確認授權的人員檢查返工質量，并在系統中完成返工質量確認操作。否則，返工車輛無法完成MES系統的最終交付。

車輛的返工信息包括更換零部件的信息、裝配力矩等信息，與VIN對應，可以實現后期追溯。

智能制造的數據驅動

車身定位模塊是制造系統運行的重要基礎，工藝指令模塊是系統的執行指令，力矩、加注、關鍵件防錯、輔助裝配、設備管理及返工管理模塊是系統具體的執行，執行會產生大量的過程數據和結果數據，這些數據不僅僅是用于后期的追溯，更重要的是如何利用好這些數據提高生產管理水平，這里就要提到智能制造系統的一個重要組成部分——數據驅動。

數據驅動是將生產工藝人員分析這些數據的邏輯規則，通過編程語言編譯成軟件算法，智能制造系統通過這些軟件算法對收集的數據進行統計分析，自動生成有針對性的建議和決策。比如每個班次生產各車型的螺栓擰緊情況，有無力矩異常的擰緊點，異常點是否已由相關資質的人處理，處理的結果有無按工藝規定要求進行確認，這些力矩異常點是不是集中同一個車型，是不是同一個擰緊工位，再對比之前生產的擰緊數據，判斷是否是批量問題，根據擰緊曲線初步判斷是否是標準件異常還是擰緊機異常等，再給出檢查建議，系統通知相應的人員，檢查標準件和擰緊機的擰緊精度是否異常。對于質量檢查出來的裝配問題，根據裝配輔助模塊的作業人員信息以及實際作業時間，初步分析是否與個人操作方法有關，如果是，提示班組長對該操作人員進行針對性的作業培訓。如果通過數據分析是共性問題，提示工藝人員分析是否與裝配工藝有關，如是則優化裝配工藝。

結語

本文重點描述了汽車總裝智能制造的場景設計（物料系統本文未做描述），實現了智能制造系統從MES獲取生產信息，驅動并管理生產線設備運行，同時采集過程中的設備加工數據及結果數據，通過一定的軟件算法，代替人工自動分析這些數據背后隱含的意義，最終生成決策指令或建議，通知相應的人員去處理，解放了人的部分腦力勞動，提高了問題處理的響應速度，促進生產效率的提升，減少不合格品的流出。

隨著智能制造技術的發展，智能制造不僅僅是生產制造過程的智能化，最終發展為從客戶需求開始，涵蓋從根據需求定制的產品設計到工藝開發設計，以及零部件采購、生產制造、銷售及售后服務等全過程的智能化。

為了實現這些場景的智能化，傳感器、自動化設計能力、信息化網絡技術及軟件算法等都需要進一步升級發展，最終實現無人工廠。