韓星 李高

（上汽通用汽車有限公司，上海 201208）

1 前言

試制車間主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的電控?zé)o線扭矩系統(tǒng)是通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳感器和軟件編程實(shí)現(xiàn)裝配擰緊、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集儲(chǔ)存和管理等一系列功能的一整套電腦、電動(dòng)工具、應(yīng)用軟件和網(wǎng)絡(luò)的集成，其主要由3 部分組成：服務(wù)器、工作臺(tái)（含控制器，電動(dòng)工具和軟件）、培訓(xùn)和標(biāo)定車（含工具管理軟件）。

通過(guò)系統(tǒng)控制擰緊裝配，由傳感器式擰緊工具自動(dòng)采集過(guò)程曲線和擰緊結(jié)果，通過(guò)系統(tǒng)的自動(dòng)配對(duì)、計(jì)數(shù)和邏輯校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)激活合適的工具和擰緊程序，自動(dòng)判斷擰緊完成和未達(dá)標(biāo)狀態(tài)。每個(gè)裝配操作的人員、零件信息、擰緊結(jié)果等都互相關(guān)聯(lián)，形成完整的追溯鏈，顯著改善擰緊的質(zhì)量控制和過(guò)程追溯。其中關(guān)鍵難點(diǎn)是如何高效的實(shí)現(xiàn)單車單零件的程序準(zhǔn)確調(diào)取，也是本系統(tǒng)向智能化系統(tǒng)推進(jìn)的重要步驟，本文以此為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行闡述。

2 無(wú)線扭矩系統(tǒng)簡(jiǎn)要概述

如圖1 所示，改進(jìn)前扭矩?cái)Q緊及質(zhì)量管控主要依靠人工。員工根據(jù)零件的扭矩信息進(jìn)行擰緊工具的參數(shù)設(shè)置，人工擰緊后進(jìn)行手工記錄，需要耗費(fèi)大量的人力分層審核，確保零質(zhì)量問(wèn)題。隨著項(xiàng)目和車型的增加對(duì)人員能力提出更高的要求，同時(shí)伴隨著國(guó)家智能制造策略的推進(jìn)，扭矩?cái)Q緊需要向數(shù)字化智能化方向推進(jìn)。

圖1 電控扭矩系統(tǒng)背景及改進(jìn)方向

改進(jìn)后扭矩?cái)Q緊及質(zhì)量管控減少了人工干預(yù)，向自動(dòng)化智能化推進(jìn)。標(biāo)準(zhǔn)的工作臺(tái)可以接收數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)，控制器接收到數(shù)據(jù)后匹配對(duì)應(yīng)的擰緊程序，激活相應(yīng)的擰緊工具，擰緊后數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并通過(guò)工作臺(tái)回傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)下發(fā)到擰緊結(jié)果記錄上傳全過(guò)程的自動(dòng)化。后臺(tái)的程序庫(kù)和零件扭矩參數(shù)關(guān)系的建立需要人工進(jìn)行分解整合，需要有高效準(zhǔn)確的解決方案，屬于扭矩系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理研究范疇。

3 扭矩系統(tǒng)預(yù)處理具體要求

結(jié)合圖2 可以看出，扭矩系統(tǒng)預(yù)處理解決“項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)物料清單（BOM）”到“工具能調(diào)用到擰緊程序”的研究范圍，需要具體解決以下3 個(gè)問(wèn)題：

圖2 預(yù)處理數(shù)據(jù)流

a.BOM 系統(tǒng)傳遞過(guò)來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)BOM 如何打散到單車BOM。標(biāo)準(zhǔn)BOM 是到配置級(jí)別的BOM，扭矩系統(tǒng)需要輸入的是單車BOM，需要建立兩者的轉(zhuǎn)換橋梁。

b.單車BOM 的零件的扭矩樣式有多種，如普通型D100+/-15NM S85-115NM，D1.2+/-0.2NM S1NMMIN FDSNS，帶角度型INSTALL D100NM+45TO60DEG(YIELD)|TORQ:CONTROLLER TORQUE AT FINAL ANGLE:110-220NM|TORQ:AUDIT:S110-220NM，規(guī)則可以統(tǒng)一為以D 開(kāi)頭的都是動(dòng)態(tài)扭矩，以S 開(kāi)頭的都是靜態(tài)扭矩，DEG 代表角度等。工程通過(guò)單一字符串發(fā)布扭矩信息，需要將其控制參數(shù)識(shí)別出來(lái)并轉(zhuǎn)化為工具能夠識(shí)別的格式，扭矩發(fā)布形式多樣且存在多扭矩狀態(tài)，常規(guī)函數(shù)算法無(wú)法自動(dòng)精確識(shí)別和提取到需要的數(shù)據(jù)。

c.如果給每一個(gè)需要緊固的零件定制一個(gè)擰緊程序，以每一個(gè)程序編寫(xiě)需要5 min、每個(gè)項(xiàng)目300 個(gè)擰緊點(diǎn)來(lái)計(jì)算，需要投入3 天左右的人時(shí)，需要提升效率。

4 數(shù)據(jù)預(yù)處理的實(shí)現(xiàn)方法

4.1 VBA 編程實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)BOM 到單車BOM 的數(shù)據(jù)拆解

定義目標(biāo)為應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)化控制要求需要實(shí)現(xiàn)一車一BOM；BOM 維護(hù)的數(shù)據(jù)量隨車輛數(shù)累加，萬(wàn)行以上的BOM 數(shù)據(jù)維護(hù)非常困難，解決方案如下。

創(chuàng)建三維BOM 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一車一BOM 的管理，BOM維護(hù)的數(shù)據(jù)量控制在百行以內(nèi)。單車BOM利用軟件從三維結(jié)構(gòu)BOM 自動(dòng)生成并與三維結(jié)構(gòu)BOM 數(shù)據(jù)同步。如圖3所示，三維空間中XY平面表達(dá)了項(xiàng)目“車型配置-零件信息”的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以理解為項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)BOM，三維空間中的XZ平面表達(dá)了“車型配置-項(xiàng)目車號(hào)”的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要項(xiàng)目前期輸入信息，最后需要得到的輸出為YZ平面信息，“項(xiàng)目車號(hào)-零件信息”的關(guān)系即為單車BOM。通過(guò)VBA（Visual Basic 的一種宏語(yǔ)言）自開(kāi)法的軟件設(shè)計(jì)一鍵實(shí)現(xiàn)單車BOM 自動(dòng)生成，只需要維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)BOM 和項(xiàng)目車號(hào)配置表，改變了原本直接進(jìn)行單車BOM的維護(hù)方法，每次只需要維護(hù)變化點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖3 構(gòu)建的三維BOM

4.2 Python編程實(shí)現(xiàn)零件扭矩參數(shù)的自動(dòng)生成

定義目標(biāo)為根據(jù)BOM 扭矩信息字符串自動(dòng)提取扭矩參數(shù)，參數(shù)包含扭矩標(biāo)準(zhǔn)值、扭矩公差、靜態(tài)扭矩上下限、貼合扭矩、角度上下限等。擰緊工具的擰緊程序自動(dòng)匹配是通過(guò)BOM 中各零件的扭矩參數(shù)和程序庫(kù)程序的對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行匹配，由于BOM 中的扭矩信息是字符串?dāng)?shù)據(jù)且格式多樣，工具控制需要的數(shù)據(jù)需人工二次加工，具體解決方案如下。

解決方案：分析扭矩字符串的規(guī)律，利用Python 自主編程進(jìn)行扭矩參數(shù)智能識(shí)別和自動(dòng)轉(zhuǎn)化，程序邏輯如圖4 所示，讀取BOM 表完整信息，判讀扭矩列類單個(gè)單元格中的動(dòng)態(tài)扭矩的個(gè)數(shù)，如有多個(gè)動(dòng)態(tài)扭矩，將對(duì)應(yīng)的零件信息復(fù)制拆解為多行的單一扭矩信息，根據(jù)扭矩表達(dá)式的類型定義不同的正則表達(dá)式提取扭矩參數(shù)并填寫(xiě)到對(duì)應(yīng)的單元格中，完成遍歷后保存信息，即完成參數(shù)的自動(dòng)提取功能。Python 編程程序便于維護(hù)，是一種近幾年流行起來(lái)的跨平臺(tái)的、面向?qū)ο蟮?、通用的、開(kāi)放的編程語(yǔ)言[1]。

圖4 扭矩拆解邏輯

4.3 VBA編程實(shí)現(xiàn)工具擰緊程序庫(kù)維護(hù)與匹配

定義目標(biāo)為零件根據(jù)扭矩參數(shù)自動(dòng)匹配擰緊程序。每個(gè)擰緊零件的擰緊都需要工具有對(duì)應(yīng)正確的程序，如果對(duì)每一個(gè)零件定制編程，對(duì)單個(gè)項(xiàng)目而言需要進(jìn)行大量重復(fù)的編程調(diào)參工作。實(shí)際對(duì)每個(gè)擰緊程序進(jìn)行分析，有大量參數(shù)雷同，重復(fù)會(huì)導(dǎo)致工事的浪費(fèi)，解決方案如下。

建立擰緊程序中心化管理策略，基于扭矩參數(shù)唯一性創(chuàng)建擰緊程序庫(kù)，擰緊程序庫(kù)供所有項(xiàng)目和車輛共用，由軟件自動(dòng)進(jìn)行零件扭矩參數(shù)和擰緊程序配對(duì)引用。如圖5 所示，原始方式是每個(gè)項(xiàng)目根據(jù)零件的扭矩參數(shù)編制對(duì)應(yīng)的擰緊程序，通過(guò)采用中心化的管理方式，對(duì)于項(xiàng)目只需要將新的扭矩參數(shù)對(duì)應(yīng)擰緊程序加入到擰緊程序庫(kù)，通過(guò)開(kāi)發(fā)的VBA 程序?qū)π马?xiàng)目的所有需要擰緊的緊固件進(jìn)行擰緊程序匹配。這樣就實(shí)現(xiàn)了僅對(duì)變換點(diǎn)的零件進(jìn)行擰緊程序編程，大幅提升了編程效率。

圖5 新項(xiàng)目擰緊程序匹配

4.4 擰緊程序庫(kù)調(diào)用

上述3 步操作完成之后，結(jié)合系統(tǒng)的擰緊數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)調(diào)用邏輯可以完成單車緊固件的唯一程序的調(diào)用。

如圖6 所示，為BOM 導(dǎo)入之后自動(dòng)生成的扭矩類型、擰緊點(diǎn)數(shù)、貼合扭矩、扭矩下限、扭矩公稱值、扭矩上限、角度下限、角度目標(biāo)值、角度上限的結(jié)構(gòu)化的信息，用于和程序庫(kù)匹配信息基準(zhǔn)。

如圖7 所示為扭矩系統(tǒng)程序庫(kù)部分信息表，以扭矩信息為表主鍵進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的拆解，輸入到扭矩系統(tǒng)中，對(duì)工作臺(tái)的電槍實(shí)現(xiàn)程序綁定。結(jié)合圖6拆解的扭矩角度、扭矩上下限、目標(biāo)扭矩等信息進(jìn)行匹配，在執(zhí)行單車單零件扭矩時(shí)，調(diào)用工作臺(tái)上對(duì)應(yīng)的工具，工具執(zhí)行對(duì)應(yīng)的程序號(hào)。每個(gè)工作臺(tái)上的電槍適用的扭矩范圍不一樣，一個(gè)完整的工作臺(tái)有6 把工具組成，可以柔性覆蓋全車型。如BOM有新增扭矩信息，只需要進(jìn)行程序增加即可滿足新車型新扭矩需求，對(duì)于其中有特殊要求的扭矩，單獨(dú)編制擰緊程序，將程序號(hào)分配給特殊零件即可滿足要求。程序的匹配邏輯和防錯(cuò)可以參考關(guān)于本系統(tǒng)的另外一篇論文[2]。

圖6 部分BOM的扭矩自動(dòng)拆解后的信息表

圖7 扭矩系統(tǒng)程序庫(kù)部分信息表

5 數(shù)據(jù)自動(dòng)處理成果展示

上述方法已經(jīng)應(yīng)用到試制扭矩系統(tǒng)的前期數(shù)據(jù)處理中，程序自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，降低人為操作的失誤風(fēng)險(xiǎn)，另外在數(shù)據(jù)前處理的效率上提升了76%，實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)“項(xiàng)目導(dǎo)入準(zhǔn)備周期從2 周壓縮到3 天以內(nèi)”的目標(biāo)，具體各項(xiàng)收益如圖8 所示。

圖8 新項(xiàng)目收益匯總

6 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線扭矩系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了整車在試制裝配階段的擰緊過(guò)程的擰緊結(jié)果控制和過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控，對(duì)整車的質(zhì)量和安全起到了關(guān)鍵作用，滿足對(duì)安全關(guān)鍵零件和質(zhì)量關(guān)鍵零件最新的全球控制計(jì)劃控制要求。該套扭矩系統(tǒng)從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)到應(yīng)用，已成熟應(yīng)用于試制車間。本文的研究?jī)?nèi)容是進(jìn)一步縮短了項(xiàng)目準(zhǔn)備的時(shí)間，同時(shí)這個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)也是通過(guò)Python 或VBA 編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，利用數(shù)字化的方法推動(dòng)了試制擰緊系統(tǒng)向智能化起到了進(jìn)一步的推動(dòng)作用，符合當(dāng)前國(guó)家智能制造推動(dòng)的方向。