刘韩影，胡展国，杨贵林，于兴林，叶水根

（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江宁波 315336）

0 引言

随着国民经济的增长，人们的生活水平得到了质的提高，汽车的使用量在逐年增长。伴随汽车产品的不断更新换代以及社会对汽车的需求量的增长，传统的汽车生产模式已经无法满足现代社会发展及客户个性化定制的需求。由于我国的汽车生产起步发展比较晚，导致汽车制造技术与发达国家相比还存在着一定的差距，机器人在汽车制造中的应用技术还未达到发达国家汽车制造高智能化及数字化的水平。因此，本项目引入的FCS（Fieldbus Control System，工厂控制系统）是以RFID 为信息载体，贯穿整个焊、涂、总装生产流程，包含车体追踪、路由控制、机器人作业、线体工艺参数多车型适配、过点信息反馈等功能，是实现透明化工厂、柔性制造的关键。

1 概况及发展

目前我国的汽车生产基地大多数沿用行业流行的“烟囱式”AVI 架构（AVI 系统全称Automatic Vehicle IdenTIficaTIon System，即车体自动识别跟踪系统），业务逻辑和机理算法离散的分布在MES、MI 网关、IT PLC、工位PLC中（图1）。该架构主要有如下痛点：①采集现场机器设备的数据通过网络传输物理层级太多，导致数据、控制指令响应时延高且稳定性不足，影响生产节拍；②不能脱离MES 实现自动离线生产；③各个层级关联耦合，业务变更牵一发而动全身，不能满足灵活多变的业务需求，运维成本很高。

图1 AVI 系统架构

机器人被广泛应用在各个行业以及领域，通常按照用途进行分类，例如工业机器人，一般应用于工业生产过程中，它是由多关节机械手以及其他的机器装置通过自身的控制能力凭借自身动力完成工业生产中的各项工作。机器人是人工智能技术的结晶，通过传感器、视觉以及示教动作等修正自己的动作，现在这种机器人被广泛应用于汽车制造的过程中，通过取代人力可以有效降低人员开支及生产成本，这在一定程度上也提高了汽车制造生产效率。

2 FCS 系统结合工业机器人在汽车制造领域的应用价值

工业机器人可以工作在极其恶劣的环境中去完成人类无法完成的工作，如连续高温、长时间低温、有毒等恶劣的环境；而在汽车制造领域其发挥着重要的作用，并且还扮演着不同的角色，在汽车制造生产的流水线上，在各个制造生产工序中扮演搬运工、操作工、焊接工等角色，能够高效完成焊接、涂胶、喷涂等多项任务，机器人的应用能够保证汽车制造生产的精确性，提高汽车产品的质量。

从部署架构来看，FCS 是介于MES 和线体PLC、机器人控制器之间亦即IT、OT 之间的系统，属于边缘计算的范畴，因此希望将其目前零散的业务逻辑在分布式的FCS 系统上实现（图2）。边缘网关上部署有基于OPC UA 统一架构的FCS 系统，可以快速实现数据采集、信息建模，并提供低代码、可视化的边缘计算快速开发工具。

图2 FCS 系统架构

这种基于OPC UA 网关的新型FCS 系统有如下优点：

（1）将数据传输层级降低到一层，IT 和OT 只需要和边缘网关对接，实时性和稳定性极大增强。

（2）剥离MES 控制逻辑，下放到边缘网关，网关异步获取MES 工单等资源，可以完成MES 离线情况下的自适应、自决策。

（3）降低了和IT、OT 系统的耦合关系，业务逻辑主要集中在边缘网关中，而且基于语义信息模型及低代码开发工具，可以实现高效的开发和运维。

（4）可以采集PLC、机器人、焊机等所有工厂设备数据，可节约ITPLC、MI、IMI 软硬件硬件成本数百万元。

3 工业机器人在汽车制造领域中的作用

3.1 装配机器人

装配机器人在汽车制造中被用于汽车仪表、发动机、电池装配的过程，这种机器人的作用主要是对汽车进行零部件的装配，能够保证零部件装配精度和装配效率。装配机器人身上有多种传感器，例如触觉、视觉、声音传感器等，通过各种传感器的协同工作相互配合，使机器人能够精准无误地完成汽车零部件装配任务。装配机器人在汽车制造中的应用有效的解决了人工装配精度低、速度慢的问题，在一定程度上降低了人力工作难度。

3.2 喷涂作业机器人

喷漆作业机器人在汽车制造中通常被应用于车体外部的喷漆和涂胶，动作非常灵活敏捷。在对车体外部进行喷漆作业前的准备阶段，工作人员需要给喷涂机作业机械灌输喷涂程序，设定相关的喷涂参数等，喷漆作业机器人可以按照车体喷涂要求自动选择符合要求的喷涂工具，自动按照相关的标准和要求，准确、快速的进行喷漆作业。

3.3 焊接机器人

众所周知，人工焊接作业会对人体健康造成一定的影响，并且对于汽车焊接有着较高的要求，每辆汽车车体上都有3000～4000 个焊接点，焊接工作量大、难度高，还具有一定的危险性。焊接机器人在汽车制造中的应用不仅可以提高焊接的质量和速度，而且还可以保证焊接点的精准性。根据相关的数据调查，汽车上60%的焊接点是由焊接机器人独立完成，由于焊接机器人体积较小，能够及时有效地处理高温火花。焊接机器人也被广泛应用在熔化极焊接和非熔化极焊接方面，能够实现自动送丝融化电极保护焊接作业。

3.4 搬运机器人

搬运机器人在汽车制造中主要被应用于汽车零件的搬运，在汽车生产中被应用于装货、卸货等。搬运机器人的手抓非常灵活，工作人员可以通过在搬运机器人法兰盘安装手抓，实现搬运机器人到汽车零件所在的位置准确的抓取汽车零件，并且将汽车零件放在指定的地点。搬运机器人在工作的过程中对零件产生的破坏较小，并且能够快速、稳定、准确的完成相关的工作任务。工作人员可以通过针对不同零件给搬运机器人安装不同类型的抓手，从而实现不同零件的搬运和组装。

3.5 检测机器人

检测机器人在汽车制造中主要被应用于汽车零件尺寸的检测、自动分类，这有效的降低了工作量和工作强度，减少了人力物力的投入，在一定程度上加快了汽车生产效率，最重要的是能够保证汽车的生产质量。汽车产品需要经过严格的质量检测，待质量和性能达标后还可以流入市场。检测机器人可以通过视觉传感器以及测量控制面板得到汽车相关的图像信息，将这些信息与标准模型信息相对比，检测汽车产品与汽车模型尺寸、规格是否完全相同并进行误差计算。根据检测机器人的误差计算可以对汽车生产工艺进行优化，不断提高汽车产品的质量。

4 工业机器人的发展趋势

随着科学技术的大力发展，人工智能技术在不断的优化和完善，工业机器人越来越受欢迎，并被广泛应用到各个领域各个行业，并且有着广阔的发展空间和良好的发展前景。工业机器人可以在危险、恶劣的环境中高效率完成人无法完成的工作，还可以取代人力，在现阶段劳动力成本在逐渐提升，通过使用工业机器人可以降低人员的开支，降低生产成本。随着社会的发展和进步，对工业机器人的需求量逐年增加，尤其是在汽车制造行业。未来工业机器人将朝着智能化、数字化、仿生化的方向发展，取代人工作业，推动各个行业的发展。

5 总结

随着时代的变迁社会的进步，汽车生产形势发生了巨大的变化，装配机器人、喷漆作业机器人、焊接机器人、搬运机器人以及检测机器人等在汽车制造中的应用，大大提高了汽车产品的生产效率、生产质量以及安全性，降低了汽车产品生产成本以及劳动人员的投入；因此基于OPC UA 的数据及机理模型的FCS系统，具备机理模型建模（算法），订单处理机理、上线过点处理机理、MES 在线与离线处理机理；可以向汽车生产基地及其他行业推广、复用，成为标准、规则的制定者和引领者，可以加快汽车行业的发展步伐。