□ 常建娥 □ 張詩靜 □ 莫易敏 □ 張 峰 □ 秦春清

1.武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院 武漢 430070

2.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州 545000

1 研究背景

汽車市場的競爭日趨激烈，客戶個性化、多樣化的要求日益顯現(xiàn)。為了贏得市場，各汽車企業(yè)加快了新車型的研發(fā)速度，以推出不同系列的汽車來響應(yīng)市場需求［1］。隨著車型更新?lián)Q代速度加快，生命周期縮短，工藝設(shè)計速度也隨之加快?？梢?，如何有效、快速地設(shè)計汽車工藝對企業(yè)至關(guān)重要。筆者以汽車總裝工藝為主要研究對象，采用基于案例推理的方法，實現(xiàn)總裝工藝快速、準確設(shè)計。

國內(nèi)外學(xué)者已對裝配工藝設(shè)計進行了多方面探索，并取得了一定成果。孟秀麗［2］提出了基于案例的裝配過程設(shè)計，這一方法以裝配過程的輸入信息與優(yōu)化配置為主要研究對象，實現(xiàn)裝配過程的快速設(shè)計。Chen等［3］將基于案例推理的方法運用到汽車車身設(shè)計系統(tǒng)中，能自動生成最佳連接類型和裝配順序，實現(xiàn)最小組裝變化。吳銳［4］以裝配模型、子裝配體的識別與劃分為基礎(chǔ)，利用基于案例推理的方法實現(xiàn)裝配工藝的快速規(guī)劃。陳靜等［5］以已有工藝和典型工藝為案例，構(gòu)建多層次零件信息模型，通過計算機實現(xiàn)對相似工藝案例的遞進檢索，從而建立人機交互的基于案例推理的工藝決策模型。

目前，基于案例推理的方法在裝配工藝方面的應(yīng)用以機加工為主，機械化、自動化程度較高，工藝相對穩(wěn)定。對裝配工藝的設(shè)計，以工藝本身為出發(fā)點，利用基于案例推理的方法實現(xiàn)裝配工藝設(shè)計。汽車總裝以手工裝配為主，輔以自動化設(shè)備，裝配過程繁雜?？傃b時，以白車身為裝配基體，將各功能零部件裝配于白車身，以安裝緊固作業(yè)為主。為此，筆者以功能零部件為出發(fā)點，分析影響緊固作業(yè)的功能零部件主要特征，建立符合汽車總裝特點的案例推理模型，實現(xiàn)裝配工藝的快速設(shè)計。

2 基于案例推理的方法概述

基于案例推理的方法由Ronger Schank于1982年提出，之后Kolodener等開發(fā)了第一個基于案例推理的應(yīng)用系統(tǒng)CYRUS［6-7］，其核心思想是在求解新問題時，借助以往類似問題的成功經(jīng)驗與案例，修正問題的解決方案，最終達到解決當前問題的目的［8］。

基于案例推理的過程為：首先輸入目標案例的相關(guān)信息，然后在案例庫中檢索與目標案例相似的案例，接著對相似案例的解決方案進行適當重用與修正，得到目標案例的解決方案，最后對目標案例的解決方案驗證后存入案例庫形成新案例?；诎咐评淼难h(huán)流程如圖1所示。

▲圖1 基于案例推理的循環(huán)流程

案例的表示是案例檢索和修正的基礎(chǔ)，決定了案例存儲的方式，內(nèi)容直接影響方法的效率和準確性。案例內(nèi)容主要由問題描述和解決方案兩部分組成，案例表示的關(guān)鍵在于問題描述中主要特征的選取。

案例的檢索是基于案例推理的方法基本問題之一，檢索的效率、準確性直接影響方法的質(zhì)量和運行效率，主要目的是選取與目標案例最相似的源案例，關(guān)鍵技術(shù)在于匹配算法的選擇。常見的檢索方法有最鄰近法、歸納索引法、知識庫導(dǎo)引法。

通過案例匹配算法檢索出相似源案例后，判斷目標案例與源案例的異同點。如果目標案例與檢索出的源案例完全匹配，則直接重用源案例；否則，需對檢索出的源案例作適當修正。常用的實例修正方法有人工修正法、基于知識的修正法、案例組合法。

目標案例修正后，采用人工評價方法對新案例進行評價。若認為新案例有價值，則將新案例存入案例庫，以備將來使用；否則，舍棄該案例，以免造成案例庫過大，不利于檢索。

3 基于汽車總裝特征的案例推理模型

近幾年，汽車行業(yè)高速發(fā)展，車型更新?lián)Q代日益加快，企業(yè)加快了新車型的開發(fā)速度。隨著汽車平臺技術(shù)、模塊化技術(shù)的發(fā)展，新車型的開發(fā)、設(shè)計主要是在已有車型的基礎(chǔ)上進行變型設(shè)計。雖然不同車型在結(jié)構(gòu)、外形、配置上存在一定差異，但相似功能零部件的裝配工藝具有相似性，且裝配工藝具有可再用性，因此可將基于案例推理的方法應(yīng)用于汽車總裝工藝設(shè)計。

汽車總裝以經(jīng)沖壓、焊接及涂裝工藝后的白車身為裝配基體，采用流水線作業(yè)，根據(jù)車身不同部位的裝配要求，依次經(jīng)過內(nèi)飾線、底盤線、終線、檢測線，將各零部件、組件、總成等裝配到車身上，形成整車。作業(yè)方式以零部件安裝、緊固為主，輔之以聯(lián)結(jié)、壓裝和加注冷卻液與制動液等，最后進行整車質(zhì)量檢測［9～10］。

汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及零部件數(shù)量多，主要分為功能零部件和非功能零部件，汽車總裝工藝設(shè)計主要就是各功能零部件裝配工藝的設(shè)計。在實際生產(chǎn)中，非功能零部件的裝配工藝依附于功能零部件，因此，以功能零部件為對象，以緊固作業(yè)方式為主要研究點，確定裝配案例的表示方式。

3.1 主要特征的選取

主要特征關(guān)系的檢索效率和準確性，是案例檢索匹配的主要依據(jù)。通過咨詢工藝人員，并結(jié)合汽車裝配的特點，選取如下主要特征。

（1）零部件規(guī)格。規(guī)格是零部件物理特征的主要體現(xiàn)，決定了零部件所占的裝配空間。不同規(guī)格的相同零部件，在緊固點、所需緊固件工藝方面存在一定差異，因此零部件規(guī)格是影響裝配工藝的主要因素之一。

（2）理論質(zhì)量。功能零部件的質(zhì)量決定了操作人員的作業(yè)負荷，以及拿取、裝配零部件的作業(yè)方式。相似功能的零部件，尺寸、材料不同，導(dǎo)致質(zhì)量不同，從而影響操作人員的作業(yè)負荷與作業(yè)方式。

（3）緊固點關(guān)鍵產(chǎn)品特性。汽車裝配以緊固為主，緊固約占裝配工作量的30%。緊固點的關(guān)鍵產(chǎn)品特性關(guān)系到功能零部件的性能和安全，進而影響汽車整車的功能和安全，以及顧客滿意度。安全性能等級分為PS1（失效直接導(dǎo)致安全問題）、PS2（失效間接導(dǎo)致安全問題），功能性能等級分為PF1（失效后車功能喪失，無法使用）、PF2（失效后車功能喪失，但仍可使用）。等級不同，裝配過程對工藝的控制也不相同。

（4）緊固件尺寸。功能零部件設(shè)計完成后，對應(yīng)緊固件的尺寸也隨之確定。緊固件尺寸將影響力矩大小，從而影響緊固工具的選擇。

（5）力矩范圍。功能零部件所需力矩范圍關(guān)系到所需緊固件和緊固工具，以及裝配作業(yè)時間。而汽車總裝采用固定節(jié)拍流水線生產(chǎn)方式，作業(yè)時間會影響裝配線的平衡。

3.2 裝配案例的表示

裝配案例的表示主要是確定案例中存儲的內(nèi)容，并尋找一種正確的結(jié)構(gòu)描述案例內(nèi)容。為使裝配案例的表示形式更加清晰，采用圖2所示層次結(jié)構(gòu)裝配案例表示方式，并存儲于裝配案例庫。

第一層為索引層，也稱為問題域，用于描述影響功能零部件裝配的主要特征。檢索過程中對已有功能零部件的特征與待解決功能零部件的相應(yīng)區(qū)域進行匹配，獲得相似度。

第二層為答案層，也稱為解域，為功能零部件的詳細裝配工藝。利用工業(yè)工程的思想，從人、機、料、法、環(huán)5個方面設(shè)計裝配工藝。

汽車裝配以手工裝配為主，對操作人員要求較高，因此需對人員合理安排，使操作人員負荷均衡。

裝配作業(yè)方式以緊固為主，需確定緊固工具設(shè)備的信息，方便后期工藝變更時更換工具設(shè)備，以及對工具設(shè)備的管理。

與功能零部件裝配相關(guān)的物料主要是緊固件，其相關(guān)信息包括輔助工具設(shè)備的選擇，以及緊固件物料配送方式與周期等。

裝配環(huán)境確定功能件所處的裝配工段、工位號。當設(shè)計相似功能件的裝配工藝時，可判斷該功能件所處的裝配環(huán)境，便于工藝文件的檢索。同時，明確功能零部件線旁物料的存儲方式，用于指導(dǎo)物料配送的方式、周期，以及線旁設(shè)施布局。

工藝文件詳細記錄功能零部件的具體操作工序及作業(yè)時間，用于現(xiàn)場指導(dǎo)操作人員，并以工位號命名工藝文件。當工藝變更時，更改工藝文件的相關(guān)項即可。

3.3 裝配案例的檢索

裝配案例的檢索，主要是目標案例與源案例的匹配分析，檢索匹配的目的是衡量目標案例與源案例的相似度。筆者采用分步檢索法，先以功能零部件名稱為關(guān)鍵詞，初步檢索相似案例；再通過匹配算法確定最相似案例，指導(dǎo)裝配案例的重用、修正。根據(jù)前文論述可知，主要特征除關(guān)鍵產(chǎn)品特性為定性特征外，均為定量特征，因此，以相似性度量法和最鄰近檢索法為基礎(chǔ)，提出功能零部件的案例匹配算法，并針對不同特征值屬性，選取相應(yīng)的計算機制。

▲圖2 裝配案例的表示方法

（1） 令 U=｛u1，u2，...，un｝， 表示功能零部件所具有的一組主要特征。根據(jù)前文論述，u1為零部件規(guī)格，u2為理論質(zhì)量，u3為緊固點關(guān)鍵產(chǎn)品特性，u4為緊固件尺寸、u5為力矩范圍。

（2） 設(shè) wi=w（ui），表示 ui對應(yīng)的權(quán)重。

筆者采用德爾菲法和層次分析法確定特征項權(quán)重。先采用德爾菲法由多個工藝人員根據(jù)經(jīng)驗打分，確定各特征項間的相對重要度，再由層次分析法確定各特征項的權(quán)重，見表1。

表1 特征項權(quán)重

（3） 令 X=｛x1，x2，x3，x4，x5｝， 表示待求解功能零部件對應(yīng)的特征值。令 Y=｛y1，y2，y3，y4，y5｝，表示已有功能零部件對應(yīng)的特征值。 令相似度 S=｛S1（x1，y1），S2（x2，y2），S3（x3，y3），S4（x4，y4），S5（x5，y5）｝。

①特征為單一數(shù)值時，其相似度為：

②特征為非單一數(shù)值時，將特征值轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)對，用數(shù)據(jù)對之間的距離衡量相似度：

式中：（a1，a2，...，an） 為特征值 xi對應(yīng)的數(shù)據(jù)對，ai≥0；（b1，b2，...，bn） 為特征值 yi對應(yīng)的數(shù)據(jù)對，bi≤1；n 取決于特征值的表達方式，特征值為區(qū)間二維數(shù)據(jù)對，n=2，特征值為長、寬、高三維數(shù)據(jù)對，n=3。

③對于定性特征，當目標案例與源案例所處的性能及等級完全相同時，Si=1（如都為PS1）；當目標案例與源案例所處的性能相同，但等級不同時，Si=0.75（如為PS1與PS2）；當目標案例與源案例所處的性能不同時，Si=0.5（如為 PS1與 PF1）。

（4）計算綜合相似度S：

（5）設(shè)匹配閾值為T，根據(jù)工藝要求取T=0.9。 當 S≥T（S≥0、T≤1）時，則取得相似案例。

基于以上論述，得到基于案例推理的汽車總裝工藝設(shè)計流程，如圖3所示。

3.4 裝配案例的修正與存儲

新車型的開發(fā)是在已有車型上進行變型設(shè)計，考慮到汽車結(jié)構(gòu)、裝配過程的復(fù)雜性，以及實際裝配過程中的約束，要進行人工修正裝配工藝，由工藝人員根據(jù)以往經(jīng)驗知識對檢索出的案例進行適當調(diào)整和修正。

對新車型功能零部件的裝配工藝進行驗證、評價后，采用前文所述的裝配案例表示方法存入裝配工藝案例庫中，實時更新、檢查裝配工藝案例庫，從而指導(dǎo)未來裝配工藝的設(shè)計。

▲圖3 基于案例推理的汽車總裝工藝設(shè)計流程

4 案例分析

某企業(yè)CN113車型是基于CN112車型開發(fā)的變型產(chǎn)品，因而CN113車型功能零部件的裝配工藝與CN112相似。以功能零部件下彎梁總成為例，分析基于案例推理的方法在汽車總裝工藝中的應(yīng)用。

以“下彎梁總成”為關(guān)鍵詞，在案例庫中初步檢索出相似的功能零部件。

將CN113車型下彎梁總成的主要特征參數(shù)輸入裝配案例庫中，通過匹配分析，得到CN113與CN112車型該功能零部件的匹配情況，見表2。

依據(jù)前文論述的匹配算法，計算兩者的相似度。

由表2可知，CN113與 CN112在零部件規(guī)格、緊固件尺寸兩個特征上表現(xiàn)出良好的一致性，即S1=S4=1。理論質(zhì)量特征為單一數(shù)值，利用式（2）計算其相似度：

對于緊固點關(guān)鍵產(chǎn)品特性特征，根據(jù)前文論述，S2=0.75。

力矩范圍特征為區(qū)間二維數(shù)據(jù)對，采用式（3）計算其相似度：

則綜合相似度S為：

S＞0.9，可見CN112車型的下彎梁總成為CN113的相似案例，但兩者理論質(zhì)量、緊固點關(guān)鍵產(chǎn)品特性和力矩范圍存在一定差異，因此CN113車型下彎梁總成的裝配工藝需在CN112基礎(chǔ)上做適當修正。

CN113下彎梁總成的理論質(zhì)量雖與CN112存在一定差異，但差異在可控范圍內(nèi)，在實際生產(chǎn)中對裝配作業(yè)不會造成影響，而緊固點關(guān)鍵產(chǎn)品特性、力矩范圍均與緊固件相關(guān)。根據(jù)工藝人員經(jīng)驗知識，將下彎梁總成的緊固件由零件號為5497311的M8×20螺栓，替換為零件號為9053017的M8×20螺栓，即可滿足上述兩個特征。結(jié)合裝配實例的表示及CN112車型下彎梁總成裝配工藝，得到CN113車型下彎梁總成的裝配工藝，如圖4所示。

▲圖4 CN113車型下彎梁總成裝配工藝

表2 下彎梁總成主要特征匹配情況

CN113車型下彎梁總成的裝配工藝相比CN112車型只做了細微調(diào)整，經(jīng)工藝人員評價，不將該案例作為新案例存入案例庫，避免案例庫過大，不利于檢索。

5 結(jié)束語

在論述基于案例推理一般方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合汽車總裝特征，建立基于汽車總裝特征的案例推理模型，并以具體功能零部件為例，驗證了方法的有效性。規(guī)劃設(shè)計新車型功能零部件裝配工藝時，通過匹配分析功能零部件自身特征，調(diào)用、修正案例庫中類似功能零部件工藝，快速設(shè)計新車型功能零部件工藝，提高了裝配工藝設(shè)計的效率和質(zhì)量，避免了工藝的重復(fù)設(shè)計，降低了裝配工藝設(shè)計的難度，減輕了工藝人員的工作負擔，并使已有裝配工藝知識得到充分利用。

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