劉韓影，胡展國(guó)，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(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，人們的生活水平得到了質(zhì)的提高，汽車的使用量在逐年增長(zhǎng)。伴隨汽車產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代以及社會(huì)對(duì)汽車的需求量的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)模式已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展及客戶個(gè)性化定制的需求。由于我國(guó)的汽車生產(chǎn)起步發(fā)展比較晚，導(dǎo)致汽車制造技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在著一定的差距，機(jī)器人在汽車制造中的應(yīng)用技術(shù)還未達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家汽車制造高智能化及數(shù)字化的水平。因此，本項(xiàng)目引入的FCS（Fieldbus Control System，工廠控制系統(tǒng)）是以RFID 為信息載體，貫穿整個(gè)焊、涂、總裝生產(chǎn)流程，包含車體追蹤、路由控制、機(jī)器人作業(yè)、線體工藝參數(shù)多車型適配、過(guò)點(diǎn)信息反饋等功能，是實(shí)現(xiàn)透明化工廠、柔性制造的關(guān)鍵。

1 概況及發(fā)展

目前我國(guó)的汽車生產(chǎn)基地大多數(shù)沿用行業(yè)流行的“煙囪式”AVI 架構(gòu)（AVI 系統(tǒng)全稱Automatic Vehicle IdenTIficaTIon System，即車體自動(dòng)識(shí)別跟蹤系統(tǒng)），業(yè)務(wù)邏輯和機(jī)理算法離散的分布在MES、MI 網(wǎng)關(guān)、IT PLC、工位PLC中（圖1）。該架構(gòu)主要有如下痛點(diǎn)：①采集現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器設(shè)備的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸物理層級(jí)太多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)、控制指令響應(yīng)時(shí)延高且穩(wěn)定性不足，影響生產(chǎn)節(jié)拍；②不能脫離MES 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)離線生產(chǎn)；③各個(gè)層級(jí)關(guān)聯(lián)耦合，業(yè)務(wù)變更牽一發(fā)而動(dòng)全身，不能滿足靈活多變的業(yè)務(wù)需求，運(yùn)維成本很高。

圖1 AVI 系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)器人被廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)以及領(lǐng)域，通常按照用途進(jìn)行分類，例如工業(yè)機(jī)器人，一般應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，它是由多關(guān)節(jié)機(jī)械手以及其他的機(jī)器裝置通過(guò)自身的控制能力憑借自身動(dòng)力完成工業(yè)生產(chǎn)中的各項(xiàng)工作。機(jī)器人是人工智能技術(shù)的結(jié)晶，通過(guò)傳感器、視覺(jué)以及示教動(dòng)作等修正自己的動(dòng)作，現(xiàn)在這種機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于汽車制造的過(guò)程中，通過(guò)取代人力可以有效降低人員開(kāi)支及生產(chǎn)成本，這在一定程度上也提高了汽車制造生產(chǎn)效率。

2 FCS 系統(tǒng)結(jié)合工業(yè)機(jī)器人在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值

工業(yè)機(jī)器人可以工作在極其惡劣的環(huán)境中去完成人類無(wú)法完成的工作，如連續(xù)高溫、長(zhǎng)時(shí)間低溫、有毒等惡劣的環(huán)境；而在汽車制造領(lǐng)域其發(fā)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(chǎn)的流水線上，在各個(gè)制造生產(chǎn)工序中扮演搬運(yùn)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(xiàng)任務(wù)，機(jī)器人的應(yīng)用能夠保證汽車制造生產(chǎn)的精確性，提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量。

從部署架構(gòu)來(lái)看，F(xiàn)CS 是介于MES 和線體PLC、機(jī)器人控制器之間亦即IT、OT 之間的系統(tǒng)，屬于邊緣計(jì)算的范疇，因此希望將其目前零散的業(yè)務(wù)邏輯在分布式的FCS 系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)（圖2）。邊緣網(wǎng)關(guān)上部署有基于OPC UA 統(tǒng)一架構(gòu)的FCS 系統(tǒng)，可以快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信息建模，并提供低代碼、可視化的邊緣計(jì)算快速開(kāi)發(fā)工具。

圖2 FCS 系統(tǒng)架構(gòu)

這種基于OPC UA 網(wǎng)關(guān)的新型FCS 系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）將數(shù)據(jù)傳輸層級(jí)降低到一層，IT 和OT 只需要和邊緣網(wǎng)關(guān)對(duì)接，實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性極大增強(qiáng)。

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

（3）降低了和IT、OT 系統(tǒng)的耦合關(guān)系，業(yè)務(wù)邏輯主要集中在邊緣網(wǎng)關(guān)中，而且基于語(yǔ)義信息模型及低代碼開(kāi)發(fā)工具，可以實(shí)現(xiàn)高效的開(kāi)發(fā)和運(yùn)維。

（4）可以采集PLC、機(jī)器人、焊機(jī)等所有工廠設(shè)備數(shù)據(jù)，可節(jié)約ITPLC、MI、IMI 軟硬件硬件成本數(shù)百萬(wàn)元。

3 工業(yè)機(jī)器人在汽車制造領(lǐng)域中的作用

3.1 裝配機(jī)器人

裝配機(jī)器人在汽車制造中被用于汽車儀表、發(fā)動(dòng)機(jī)、電池裝配的過(guò)程，這種機(jī)器人的作用主要是對(duì)汽車進(jìn)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(jī)器人身上有多種傳感器，例如觸覺(jué)、視覺(jué)、聲音傳感器等，通過(guò)各種傳感器的協(xié)同工作相互配合，使機(jī)器人能夠精準(zhǔn)無(wú)誤地完成汽車零部件裝配任務(wù)。裝配機(jī)器人在汽車制造中的應(yīng)用有效的解決了人工裝配精度低、速度慢的問(wèn)題，在一定程度上降低了人力工作難度。

3.2 噴涂作業(yè)機(jī)器人

噴漆作業(yè)機(jī)器人在汽車制造中通常被應(yīng)用于車體外部的噴漆和涂膠，動(dòng)作非常靈活敏捷。在對(duì)車體外部進(jìn)行噴漆作業(yè)前的準(zhǔn)備階段，工作人員需要給噴涂機(jī)作業(yè)機(jī)械灌輸噴涂程序，設(shè)定相關(guān)的噴涂參數(shù)等，噴漆作業(yè)機(jī)器人可以按照車體噴涂要求自動(dòng)選擇符合要求的噴涂工具，自動(dòng)按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，準(zhǔn)確、快速的進(jìn)行噴漆作業(yè)。

3.3 焊接機(jī)器人

眾所周知，人工焊接作業(yè)會(huì)對(duì)人體健康造成一定的影響，并且對(duì)于汽車焊接有著較高的要求，每輛汽車車體上都有3000～4000 個(gè)焊接點(diǎn)，焊接工作量大、難度高，還具有一定的危險(xiǎn)性。焊接機(jī)器人在汽車制造中的應(yīng)用不僅可以提高焊接的質(zhì)量和速度，而且還可以保證焊接點(diǎn)的精準(zhǔn)性。根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)調(diào)查，汽車上60%的焊接點(diǎn)是由焊接機(jī)器人獨(dú)立完成，由于焊接機(jī)器人體積較小，能夠及時(shí)有效地處理高溫火花。焊接機(jī)器人也被廣泛應(yīng)用在熔化極焊接和非熔化極焊接方面，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)送絲融化電極保護(hù)焊接作業(yè)。

3.4 搬運(yùn)機(jī)器人

搬運(yùn)機(jī)器人在汽車制造中主要被應(yīng)用于汽車零件的搬運(yùn)，在汽車生產(chǎn)中被應(yīng)用于裝貨、卸貨等。搬運(yùn)機(jī)器人的手抓非常靈活，工作人員可以通過(guò)在搬運(yùn)機(jī)器人法蘭盤安裝手抓，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人到汽車零件所在的位置準(zhǔn)確的抓取汽車零件，并且將汽車零件放在指定的地點(diǎn)。搬運(yùn)機(jī)器人在工作的過(guò)程中對(duì)零件產(chǎn)生的破壞較小，并且能夠快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的完成相關(guān)的工作任務(wù)。工作人員可以通過(guò)針對(duì)不同零件給搬運(yùn)機(jī)器人安裝不同類型的抓手，從而實(shí)現(xiàn)不同零件的搬運(yùn)和組裝。

3.5 檢測(cè)機(jī)器人

檢測(cè)機(jī)器人在汽車制造中主要被應(yīng)用于汽車零件尺寸的檢測(cè)、自動(dòng)分類，這有效的降低了工作量和工作強(qiáng)度，減少了人力物力的投入，在一定程度上加快了汽車生產(chǎn)效率，最重要的是能夠保證汽車的生產(chǎn)質(zhì)量。汽車產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)，待質(zhì)量和性能達(dá)標(biāo)后還可以流入市場(chǎng)。檢測(cè)機(jī)器人可以通過(guò)視覺(jué)傳感器以及測(cè)量控制面板得到汽車相關(guān)的圖像信息，將這些信息與標(biāo)準(zhǔn)模型信息相對(duì)比，檢測(cè)汽車產(chǎn)品與汽車模型尺寸、規(guī)格是否完全相同并進(jìn)行誤差計(jì)算。根據(jù)檢測(cè)機(jī)器人的誤差計(jì)算可以對(duì)汽車生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，不斷提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量。

4 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，人工智能技術(shù)在不斷的優(yōu)化和完善，工業(yè)機(jī)器人越來(lái)越受歡迎，并被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域各個(gè)行業(yè)，并且有著廣闊的發(fā)展空間和良好的發(fā)展前景。工業(yè)機(jī)器人可以在危險(xiǎn)、惡劣的環(huán)境中高效率完成人無(wú)法完成的工作，還可以取代人力，在現(xiàn)階段勞動(dòng)力成本在逐漸提升，通過(guò)使用工業(yè)機(jī)器人可以降低人員的開(kāi)支，降低生產(chǎn)成本。隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求量逐年增加，尤其是在汽車制造行業(yè)。未來(lái)工業(yè)機(jī)器人將朝著智能化、數(shù)字化、仿生化的方向發(fā)展，取代人工作業(yè)，推動(dòng)各個(gè)行業(yè)的發(fā)展。

5 總結(jié)

隨著時(shí)代的變遷社會(huì)的進(jìn)步，汽車生產(chǎn)形勢(shì)發(fā)生了巨大的變化，裝配機(jī)器人、噴漆作業(yè)機(jī)器人、焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人以及檢測(cè)機(jī)器人等在汽車制造中的應(yīng)用，大大提高了汽車產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量以及安全性，降低了汽車產(chǎn)品生產(chǎn)成本以及勞動(dòng)人員的投入；因此基于OPC UA 的數(shù)據(jù)及機(jī)理模型的FCS系統(tǒng)，具備機(jī)理模型建模（算法），訂單處理機(jī)理、上線過(guò)點(diǎn)處理機(jī)理、MES 在線與離線處理機(jī)理；可以向汽車生產(chǎn)基地及其他行業(yè)推廣、復(fù)用，成為標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則的制定者和引領(lǐng)者，可以加快汽車行業(yè)的發(fā)展步伐。