何福林

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

數(shù)字化技術(shù)在汽車制造行業(yè)起著越來越重要的作用，從產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)到產(chǎn)品制造的所有環(huán)節(jié)，數(shù)字化技術(shù)能夠提供高效的評估方案，有效縮短產(chǎn)品開發(fā)制造周期[1]。本文主要闡述數(shù)字化技術(shù)在商用車駕駛室焊裝線規(guī)劃及建設(shè)、焊裝線運(yùn)行管理方面的解決方案。

1 焊裝線體數(shù)字化解決方案

在作線體布局方案時(shí)，首先通過CATIA等三維設(shè)計(jì)軟件，對廠房結(jié)構(gòu)、產(chǎn)線布置、設(shè)備布局、車間倉儲(chǔ)物流、工藝輔房及公用動(dòng)力管網(wǎng)等進(jìn)行建模，利用PDPS等仿真軟件對產(chǎn)線運(yùn)行仿真驗(yàn)證，模擬實(shí)際的生產(chǎn)狀況，驗(yàn)證產(chǎn)線的產(chǎn)能，以實(shí)現(xiàn)最少的設(shè)備投資來滿足規(guī)劃產(chǎn)能要求。同時(shí)通過產(chǎn)線運(yùn)行及工廠物流進(jìn)行仿真，評估物流調(diào)度策略、物流路徑、庫存需求等，實(shí)現(xiàn)物流的精益規(guī)劃。

產(chǎn)品開發(fā)初期需對產(chǎn)品進(jìn)行可焊性分析，檢查產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在焊接過程的焊槍干涉情況，對零件插入順序、定位和夾緊位置的變化以及焊接的不同順序進(jìn)行模擬檢查，及時(shí)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，為線體規(guī)劃方案提供產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)要件要求[2，3]。

在完成了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)模后，對駕駛室焊裝線體做方案。

1.1 主線的多車型柔性化解決方案

線體方案設(shè)計(jì)考慮多車型共線，通過三維建模及仿真驗(yàn)證，確定多車型共線生產(chǎn)的方案，主線多車型共線方案主要考慮工序定位方案：滑臺(tái)切換、電缸切換、風(fēng)車切換、NC切換等；考慮輸送方案：滾床滑橇輸送、往復(fù)桿輸送、AGV帶橇輸送等；以及考慮總拼方案：多工位總拼、柔性滑臺(tái)式、轉(zhuǎn)轂式總拼、機(jī)器人帶抓具總拼等。焊裝主線盡可能柔性化，降低新產(chǎn)品導(dǎo)入的改造難度，避免因新產(chǎn)品導(dǎo)入影響量產(chǎn)車型生產(chǎn)。通過對三維方案仿真分析，選擇成本最優(yōu)、柔性化的焊裝主線方案。在實(shí)施階段根據(jù)新車型導(dǎo)入時(shí)間分期投入工裝，同時(shí)根據(jù)新車型的具體結(jié)構(gòu)，開展新車型的線體方案通過性仿真驗(yàn)證。

以某公司商用車焊裝主線為例（圖1），焊裝線采用滾床滑橇輸送實(shí)現(xiàn)高節(jié)拍輸送及環(huán)形回橇，采用小滑臺(tái)切換工序定位及雙面夾具滑臺(tái)總拼滿足車型規(guī)劃的需求；同時(shí)線體采用滑橇帶載碼體進(jìn)行數(shù)字化車型信息隨車輸送以便下工位讀取。線體上件工位采用MES系統(tǒng)下發(fā)車型信息，形成MES車型計(jì)劃與滑橇載碼體車型數(shù)字化比對，避免裝錯(cuò)件等質(zhì)量問題。

圖1 焊裝主線方案仿真

1.2 分總成焊接標(biāo)準(zhǔn)工作站解決方案

（1）對于小總成焊接工作站方案，主要有以下種：

①固定式夾具切換工作站，適用于生產(chǎn)節(jié)拍要求不高的總成焊接，同時(shí)夾具輕便適合人工切換；

②轉(zhuǎn)臺(tái)式/轉(zhuǎn)轂式夾具切換工作站，用于生產(chǎn)節(jié)拍要求較高的總成焊接。以某公司的左右車門總成焊接線為例（圖2），結(jié)合車門內(nèi)板總成需要2序上件作業(yè)再與車門外板包邊、補(bǔ)焊的工藝路線，并利用壓機(jī)包邊設(shè)備進(jìn)行車門包邊，線體方案考慮采用轉(zhuǎn)臺(tái)切換車型夾具實(shí)現(xiàn)4平臺(tái)柔性共線，左/右車門內(nèi)板總成工位共用機(jī)器人焊接成型焊點(diǎn)以提高機(jī)器人使用效率。同時(shí)線體通過PLC傳遞工位間車型信息，利用傳感器、視覺系統(tǒng)等識(shí)別零件狀態(tài)。

圖2 左右車門線方案仿真

（2）大總成焊接工作站，主要有4種：轉(zhuǎn)臺(tái)式/轉(zhuǎn)轂式夾具切換方案、柔性滑臺(tái)式夾具切換方案、立體庫夾具切換方案及A模塊+B模塊拼接組合方案。

大總成焊接工作站方案主要根據(jù)共線車型數(shù)量、場地大小、投資成本等選擇最適合的方案。以某公司的商用車側(cè)圍總成焊接工作站為例（圖3），駕駛室側(cè)圍總成尺寸大，裝件數(shù)量多，且需要2序裝件作業(yè)，考慮采用搭積木式立體工藝布局，實(shí)現(xiàn)占地面積最小化，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了成本最優(yōu)，具體布局形式如下：

圖3 側(cè)圍總成線立體工藝布局

第1層為地面層，采用回轉(zhuǎn)式柔性滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)多車型定位夾具的柔性切換，同時(shí)回轉(zhuǎn)式柔性滑臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)下一生產(chǎn)序列的車型夾具提前切換至上件工位開始生產(chǎn)，大大縮短車型切換時(shí)間。

第2層布置機(jī)器人焊接，采用下探式機(jī)器人進(jìn)行焊接，同時(shí)利用大臂展機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人繼續(xù)在空中層進(jìn)行補(bǔ)焊作業(yè)，完成焊接作業(yè)搬運(yùn)至第一層OP20工序夾具繼續(xù)進(jìn)行裝件作業(yè)，同時(shí)利用PLC系統(tǒng)將車型傳遞至OP20工序。

第3層為第2層錯(cuò)位層，可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)焊作業(yè)、緩存及轉(zhuǎn)序至焊接主線進(jìn)行總拼。

經(jīng)核算，側(cè)圍總成焊接采用搭積木式立體工藝布局，相比全地面層布置方案，機(jī)器人少了3臺(tái)、線體復(fù)雜度降低、運(yùn)維成本減少，占地面積下降45%，投資總額下降10%。

2 產(chǎn)線虛擬聯(lián)調(diào)

在線體設(shè)計(jì)階段，對產(chǎn)線數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬調(diào)試，以驗(yàn)證并優(yōu)化線體方案、優(yōu)化機(jī)器人軌跡及線體節(jié)拍、完善PLC程序，減少現(xiàn)場示教周期及工裝設(shè)備安裝時(shí)的錯(cuò)誤和返工。具體如下：

（1）工位/產(chǎn)線仿真

通過創(chuàng)建工藝仿真環(huán)境，創(chuàng)建機(jī)器人作業(yè)任務(wù)，檢查機(jī)器人焊接過程的干涉性，檢查機(jī)器人運(yùn)行的節(jié)拍，確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的最佳路徑等。

（2）離線編程

主要包含2個(gè)部分：機(jī)器人離線程序及PLC離線程序。機(jī)器人軌跡離線編程在工藝仿真過程同步開展，在確認(rèn)機(jī)器人最優(yōu)路徑后編程機(jī)器人離線程序。PLC程序編寫主要根據(jù)設(shè)備集成接線原理設(shè)計(jì)信號(hào)表及電氣圖紙，同時(shí)結(jié)合工藝流程的電控原理圖，編寫工裝設(shè)備正常運(yùn)行的PLC邏輯程序。

（3）VC調(diào)試

首先，在PS仿真軟件中完成工藝仿真及機(jī)器人離線編程基礎(chǔ)上，完善機(jī)器人邏輯塊配置并創(chuàng)建工裝設(shè)備及工件的傳感器，完成創(chuàng)建VC環(huán)境，同時(shí)建立PS軟件與Simba Box模塊的通訊；其次，集成PLC硬件系統(tǒng)，將完成編程的PLC程序載入，同時(shí)利用以太網(wǎng)模塊建立與Simba Box模塊的通訊；最后，利用電氣調(diào)試PLC電腦對PLC進(jìn)行調(diào)試，控制仿真電腦VC環(huán)境中設(shè)備運(yùn)行實(shí)現(xiàn)單工位調(diào)試、多工位線體聯(lián)調(diào)等。

以某公司車門線建設(shè)項(xiàng)目為例，采用虛擬聯(lián)調(diào)技術(shù)，利用PLC控制仿真環(huán)境工裝設(shè)備運(yùn)行，對PLC程序進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，對機(jī)器人軌跡進(jìn)行干涉性及節(jié)拍驗(yàn)證（圖4）。

圖4 車門線PLC系統(tǒng)控制仿真環(huán)境虛擬調(diào)試

經(jīng)過驗(yàn)證和完善的PLC電控程序，線體投產(chǎn)后設(shè)備故障率減少30%以上，機(jī)器人生產(chǎn)節(jié)拍達(dá)成時(shí)間減少30%以上，可以縮短30%以上的生產(chǎn)線生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，實(shí)現(xiàn)線體快速交付投產(chǎn)，縮短新產(chǎn)品投放市場周期。

3 線體的中控系統(tǒng)同步建設(shè)

3.1 中控系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵步驟

以本公司商用車焊裝車間中控系統(tǒng)為例（圖5）：

圖5 中控系統(tǒng)架構(gòu)

（1）根據(jù)PLC分部及數(shù)量搭建可靠的環(huán)形工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，利用ProfiNet協(xié)議接口連接各個(gè)PLC；

（2）分類規(guī)劃PLC的DB（數(shù)據(jù)塊）區(qū)域，把設(shè)備動(dòng)作數(shù)據(jù)及生產(chǎn)參數(shù)存儲(chǔ)；

（3）搭建OPC通訊服務(wù)器，可對DB塊進(jìn)行毫秒級(jí)別的數(shù)據(jù)交換；

（4）根據(jù)車間工藝布置圖開發(fā)PMC界面，以直觀的圖形界面展示設(shè)備運(yùn)行狀況及生產(chǎn)進(jìn)度，數(shù)據(jù)來源于通訊服務(wù)器采集到的數(shù)據(jù)。

（5）安裝工位攝像頭、廣播系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示屏，組成多媒體中控室。

3.2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

通過采集產(chǎn)線數(shù)據(jù)（物流信息、生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備狀態(tài)、庫存數(shù)據(jù)），并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、決策，提升企業(yè)生產(chǎn)過程的應(yīng)變能力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)把握及敏捷制造，符合智能工廠要求，其作用體現(xiàn)在以下4點(diǎn)：

（1）工位車型信息追蹤

通過采集生產(chǎn)線自動(dòng)化PLC系統(tǒng)的駕駛室數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對所有工位、工作站的車型代碼狀態(tài)追蹤查詢功能。

（2）生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

利用中控顯示屏顯示生產(chǎn)線各個(gè)工位運(yùn)行的車型狀態(tài)、實(shí)時(shí)節(jié)拍、報(bào)警信息、求援信息、質(zhì)量信息、物料需求信息等便于管理者實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)，同時(shí)可進(jìn)行生產(chǎn)指令的更改發(fā)布，提高生產(chǎn)管理效率。

（3）設(shè)備底層數(shù)據(jù)狀態(tài)采集

通過對設(shè)備的底層數(shù)據(jù)如啟停信號(hào)、報(bào)警信息、工藝參數(shù)及震動(dòng)、溫度等狀態(tài)數(shù)值進(jìn)行采集、記錄、分析來實(shí)現(xiàn)對設(shè)備監(jiān)控管理，以評估設(shè)備健康狀態(tài)、壽命等。通過采集設(shè)備的溫度、噪聲、電流、震動(dòng)頻率等數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，輸出設(shè)備診斷結(jié)果，并針對性進(jìn)行設(shè)備預(yù)防性維護(hù)。

（4）能源管理

對焊接用電、公共動(dòng)力（包括空壓機(jī)、水泵、空調(diào)照明）用電等進(jìn)行用電監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，輸出最優(yōu)用電方案。

4 建立MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控

4.1 MES系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵步驟

建立完中控系統(tǒng)后，使計(jì)劃執(zhí)行跟蹤獲得驅(qū)動(dòng)能力，以此基礎(chǔ)建立MES系統(tǒng)：

（1）MES系統(tǒng)對接中控系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)接口，生產(chǎn)參數(shù)包含工位的生產(chǎn)序列、計(jì)劃序列、車身唯一編號(hào)、車型種類；

（2）利用獲得的生產(chǎn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)ERP生產(chǎn)計(jì)劃安排生產(chǎn)規(guī)則下發(fā)；

（3）利用獲得的生產(chǎn)參數(shù)映射工藝數(shù)據(jù)（車型的差異化信息、機(jī)器人控制代碼、零件代碼、零件圖片），與計(jì)劃數(shù)據(jù)同步下發(fā)；

（4）結(jié)合下游涂裝車間的排產(chǎn)計(jì)劃，計(jì)算出成品庫（WBS）移行機(jī)的出入庫順序。

4.2 MES系統(tǒng)主要功能

駕駛室焊裝MES系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)駕駛室制造過程的大數(shù)據(jù)監(jiān)控管理。通過物聯(lián)網(wǎng)與MES服務(wù)器連接，采集各類數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)以下可視化監(jiān)控（圖6）：

圖6 車間生產(chǎn)信息監(jiān)控畫面

（1）生產(chǎn)計(jì)劃管理

焊裝線上件工位，AVI系統(tǒng)控制RFID讀寫，設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃將駕駛室ID（駕駛室唯一碼）寫入RFID；其它實(shí)績采集點(diǎn)，RFID讀寫器讀RFID獲取車輛ID以及過點(diǎn)時(shí)間信息。MES系統(tǒng)接收過點(diǎn)信息，匹配指示點(diǎn)配置的實(shí)績觸發(fā)信息判斷是否需要觸發(fā)物料配送指示以及生產(chǎn)指示，若需要?jiǎng)t產(chǎn)生物料指示單、生產(chǎn)指示單并下發(fā)至相應(yīng)看板進(jìn)行顯示。

（2）生產(chǎn)指示下達(dá)

物流信息、工藝信息、質(zhì)量防錯(cuò)信息推送?，F(xiàn)場工位增加電子看板，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的物流信息推送，工位實(shí)時(shí)生產(chǎn)車型工藝信息及質(zhì)量防錯(cuò)信息的推送。

（3）線邊物料管理

線邊庫管理包括線邊庫存盤點(diǎn)和物料拉動(dòng)兩部分，線邊庫存盤點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對線邊庫信息進(jìn)行維護(hù)管理，并支持庫存盤點(diǎn)及庫存調(diào)整功能。線邊拉動(dòng)實(shí)現(xiàn)庫房與線邊庫物料的拉動(dòng)（圖7），其中，部分物料在配送提前工位觸發(fā)物料配送指示，部分物料在其線邊庫存低于其安全庫存值時(shí)，觸發(fā)產(chǎn)生物料配送指示，庫房人員通過庫房看板上物料配送指示進(jìn)行物料配送及線邊掃碼入庫。

圖7 線邊庫管理與生產(chǎn)計(jì)劃聯(lián)動(dòng)

同時(shí)，在重點(diǎn)工位配置扣減工位物料，系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)過的車型及其BOM（帶工位信息），自動(dòng)扣減線邊庫存。

（4）成品庫存管理

WBS區(qū)域位于焊裝和涂裝之間，作為兩個(gè)車間之間的緩沖，實(shí)現(xiàn)涂裝生產(chǎn)緩存，也具備車身調(diào)序功能，該模塊可以減少焊裝停線對涂裝生產(chǎn)的影響。WBS區(qū)域設(shè)計(jì)為全自動(dòng)化，充分考慮了各種異常情況下進(jìn)行報(bào)警，系統(tǒng)支持干預(yù)、手動(dòng)進(jìn)行調(diào)度指揮。

系統(tǒng)按生產(chǎn)計(jì)劃智能排序，具體如圖8所示。

（5）制造效率分析

生產(chǎn)效率統(tǒng)計(jì)。通過統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量、節(jié)拍、工時(shí)等數(shù)據(jù)計(jì)算生產(chǎn)效率OEE，突出異常工位，進(jìn)而提醒管理者進(jìn)行專項(xiàng)整改，具備報(bào)表、平衡墻等圖表的生成展示與導(dǎo)出功能。

（6）質(zhì)量管理

通過采集焊接過程參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化監(jiān)控及存儲(chǔ)分析，對生產(chǎn)過程質(zhì)量問題的收集管理，實(shí)現(xiàn)對質(zhì)量問題的溯源及追蹤，形成有效的過程質(zhì)量管理。

利用在線精度測量、尺寸測量、拍照掃描等功能提供與生產(chǎn)MES計(jì)劃相匹配的駕駛室質(zhì)量數(shù)據(jù)，并傳輸至大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析管理、質(zhì)量預(yù)測。

5 當(dāng)前焊點(diǎn)質(zhì)量監(jiān)控的挑戰(zhàn)

駕駛室焊裝在快節(jié)拍生產(chǎn)的情況下，焊點(diǎn)質(zhì)量管控對管理者是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。焊點(diǎn)質(zhì)量常因板件、設(shè)備參數(shù)、電極表面狀態(tài)等因素導(dǎo)致焊點(diǎn)熔核過小、虛焊、針眼等質(zhì)量問題。由于焊點(diǎn)的板間熔化不可見，焊點(diǎn)質(zhì)量管控方式一直以來都是汽車廠家重點(diǎn)研究對象。

目前對焊點(diǎn)質(zhì)量管控常見的方法有：（1）工位焊點(diǎn)鑿檢：即非破壞鑿檢，一般抽樣10%駕駛室焊點(diǎn)、5%產(chǎn)量的車身進(jìn)行鑿點(diǎn)檢查。（2）無損探傷檢測：即超聲波無損探傷，一般每天檢測1臺(tái)駕駛室，抽樣30%焊點(diǎn)；（3）整車拆解檢測：全駕駛室破壞性拆解，每生產(chǎn)1萬臺(tái)駕駛室抽樣全破1臺(tái)車身。

圖8 WBS庫區(qū)排序監(jiān)控

現(xiàn)有抽樣焊點(diǎn)質(zhì)量檢驗(yàn)方法效率低、成本高，不能達(dá)到100%檢測，且焊接參數(shù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)沒有實(shí)時(shí)的互通，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題后再去追溯，缺乏時(shí)效性。

通過數(shù)據(jù)采集軟件在線監(jiān)測每一個(gè)焊點(diǎn)的焊接過程參數(shù)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并基于異常數(shù)據(jù)進(jìn)行針對性檢測，可減少破壞性檢測，降低產(chǎn)線檢測率；將海量復(fù)雜的焊點(diǎn)參數(shù)數(shù)字化、透明化，對全部焊點(diǎn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，異常結(jié)果反饋回焊接工藝控制中心，可實(shí)現(xiàn)對焊點(diǎn)異常的快速處理；對焊點(diǎn)管控即時(shí)化，即采取信息化防錯(cuò)、焊點(diǎn)計(jì)數(shù)器、電極自動(dòng)修磨器、伺服焊鉗等，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)或避免不良焊點(diǎn)、漏焊的產(chǎn)生和流出。

6 結(jié)語

通過項(xiàng)目方案建模、工藝仿真、虛擬調(diào)試等數(shù)字化技術(shù)對駕駛室焊裝線體進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)及建設(shè)，可以切實(shí)減少焊裝線體建設(shè)過程的錯(cuò)誤及返工，縮短建設(shè)周期及投產(chǎn)時(shí)間。利用MES系統(tǒng)、中控系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)等數(shù)字化技術(shù)對焊裝線運(yùn)行進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的敏捷智造及可視化監(jiān)控，縮短產(chǎn)品交貨期，減少產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。通過以上數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用，項(xiàng)目建設(shè)速度提升30%以上，規(guī)避了項(xiàng)目建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)80%以上，生產(chǎn)效率提升25%以上，規(guī)避了90%的質(zhì)量問題點(diǎn)流出。