吴 昉，李 桢，张礼立

(1.华域智能装备科技有限公司，上海 201109；2.上海市海外经济技术促进会，上海 200080)

0 引言

面向未来制造业的高质量发展，中国提出《中国制造2025》，为制造行业升级发展提供了新机遇。党的十九大报告中指出加快建设制造强国，加快发展先进制造业。《中国制造 2025》的提出确定了中国建设制造强国的总体战略，明确了要以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，实现制造业由大变强的历史跨越[1]。

工业互联网平台是智能制造的关键基础设施和落地抓手[2]，是基于工业互联网技术特点，面向制造业数字化、网络化、智能化需求,支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的工业云平台[3]。Jasmin Guth等聚焦物联网平台，构建包括传感器和执行器、工业设备、网关、物联网集成中间件及应用等通用架构[4]。我国工业互联网产业联盟提出了工业互联网平台体系架构[5]。目前，我国工业互联网平台的应用与发达国家相比仍然存在总体发展水平较低、行业间和企业间基础差异较大、大规模推广难度大、缺乏工业互联网平台应用水平评估体系和实施指南等一系列问题[6]。工业互联网平台的应用以大型企业为主，特别是在化工、石油、冶金等流程型行业应用广泛。中小企业发展基础较弱，自动化、智能化改造成本高，付费意愿不强， 融合应用普及率相对较低[7]。

汽车企业因车型不同，生产组织方式、工艺技术路线、管理流程等存在较大差异，难以用一种通用性的方案解决所有企业的问题。因此，汽车行业智能化转型没有统一的实施路径，在智能制造重点领域和路径选择方面呈现多样化的发展趋势[8]。

汽车零部件装配生产线的数字化赋能往往伴随着柔性化设计和生产线建设同步展开。架构统一的工业互联网软件平台成为生产线升级的关键。因此，本文结合“面向2035的智能制造技术清单”[9]中列示的关键技术，即数据采集、处理和分析技术，以及分布式智能控制技术，分析轿车底盘数字化柔性装配生产线的建设方法，探讨建设中的关键点。该研究为汽车零部件企业实施智能制造升级提供参考。

1 数字化柔性装配生产线建设方法

1.1 一般建设流程

基于多年汽车零部件数字化装配生产线领域的实践，本文总结的数字化柔性装配产线的一般建设流程如下所示。

(1)需求研究。

在需求研究阶段，必须与需求方充分沟通，通过资料分析、专业访谈、实地考察、专题研讨等方法，捕捉并明确客户需求，关注对应的功能特征、工艺要点、质量控制要求、专业设备特征、物料补给、数字系统扩展等要求。

(2)规划方案。

在规划方案阶段，根据需求研究的结论形成生产线的初步方案。在此方案的基础上，与需求方的产品、工艺、质量、设备、物流、信息等条线作进一步沟通，以确认方案细节，从而明确需求的实现路径和方法。这一阶段要注意，对创新型应用应当进行仿真模拟，并设计试验和验证过程(试验和验证方法应得到需求方认可)，对需求方已有的生产线设备和信息系统状态进行测试和确认。

(3)详细设计。

详细设计分为机械、电气和数字化架构三个部分。

①机械设计。

机械设计包括三维建模、标准件选型、专机选型、机器人选型、仿真模拟等，输出机械零件图、标准件清单和集成装配图。

②电气设计。

电气设计包括电气架构和线路布局、传感器选型、逻辑框架程序、与周边设备的接口等，输出电气原理图、接线图和控制程序。

③数字化架构设计。

数字化架构设计是在工业互联网软件平台下配置功能和接口协议，针对需求方的个性化要求定制功能模块，输出软件包、网络拓扑图和硬件清单。

(4)制造和试验验证。

在制造和试验验证阶段，应根据设计阶段的输出，采购所需的标准设备，制造非标设备。对于标准设备，应做好质量检测和存储管理。对于非标设备，必须验证新结构、新材料、新方法、新技术的有效性和可靠性。通过与需求方共同设计的试验，把握技术偏差，通过对相关参数的调整设定，不断优化直至达到技术要求。

(5)装配调试。

装调团队对标准设备、非标设备、生产线零部件进行组装，构成完整的生产线主体。电气团队完成电气程序的配置、编写和调试，使用产品工程样件逐一验证各工作台是否能达到技术规格表的要求，使工艺贯通并达到一定的作业节拍。

(6)数字化布署。

数字化布署包括硬件布署和功能布署。

①硬件布署。

硬件布署根据详细设计进行。硬件布署范围包括服务器、网络、电源、显示终端等在内的硬件设备。硬件布署一般与电气安装调试同步进行。

②软件布署。

软件布署根据详细设计，打通设备与数字化软件平台的通道，进行数据应用、数据存储、数据上传到上级系统等布署。

(7)生产验证。

通过多个小批量生产作业，可以发现生产线中的问题，并加以分析和消除。期间，可能会涉及小级别的工程更改。在小批量验证达到要求后，提升生产线作业节拍，直至达到设计节拍和性能的状态。

(8)经验总结。

在经验总结阶段，首先对以上七个步骤的实际开展情况进行总结；然后与原计划对比，梳理问题和解决方案，开展研讨和总结。这将为后续项目提供经验输入。

1.2 数字化布署

在数字化柔性装配产线一般建设流程中，数字化布署是装配产线数字化的关键。数字化布署实现数据互联，通过采集、分析制造过程中的物理量，就可以更深刻地认识其不确定性，并有可能发现看似无关的某些物理量之间存在的某种关联[10]。数字化布署的核心是构建统一的工业互联网软件平台。国外工业互联网平台成本高，而国内工业互联网平台在行业和企业间差异较大。因此，本文立足汽车零部件制造装配领域，自主研发了适合汽车零部件装配产线的工业互联网软件华域数字化解决方案(Huayu digital solution,HDS)数字化系统。HDS基于架构统一理念，使用C#语言在 .net core平台下进行开发，实现信息建模、数据采集、过程控制、数据分析和应用这四方面的功能。

①信息建模。

信息建模是将生产线涉及的信息源，如车间、产线、工站、工位、工步、终端设备、物料、工艺流程、人员等信息进行抽象，将所建立信息模型的排列与优化描述出生产线模型，再结合实时采集的数据构成完整的数字化产线。

②数据采集。

数据采集是通过数模转换、总线读取、图像采集等方法获取物理世界的信息。例如通过可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)的S7协议、数模转换模块、控制器局域网(controller area network，CAN)总线、串口通信、传输控制协议/互联网协议(transmission control protocol/Internet protocol，TCP/IP)等，将多元异构数据融合到预定的数据模型内。

③过程控制。

过程控制是对采集的数据进行判断，并借助电气自动化的方式实现作业的全流程管控，如读取进站零件的加工状态、控制将要执行的工步顺序以及判断加工完成的工艺质量等。

④数据分析和应用。

数据分析和应用包含关键设备数据整理和分析、生产作业情况呈现、专属应用报表。具体包括作业动态完成情况、设备综合效率 (overall equipment effectiveness，OEE)、质量控制点、在线库存状态等。生产线上产生的数据大部分在生产线层面被应用和消化，如故障处理、追溯数据存档、精益效率提升等。对工厂级及以上级别的数据处理任务，一般上传到上级系统中进行分析，以更大的算力与生产线以外的数据进行协同分析，挖掘更高的数据价值。

HDS数字化系统的创新性在于针对生产设备数据异构的特点，开发出异构生产设备数据采集技术，实现对采集的数据点集中统一规划管理和信息集中配置下发。各数据点的配置信息独立可配。该平台通过权限设置，可实现数据分级管理。此外，该平台采用数字孪生技术，通过生产数据实时驱动，完成了基于增强现实技术的汽车零部件车间可视化，实现了对车间生产的可视化管理。

2 轿车底盘装配生产线项目实践

轿车底盘装配生产线一般分为前悬生产线、副车架生产线和后桥生产线。本文以某高端品牌全球后驱运动轿车后桥数字化柔性装配生产线建设为实例，说明柔性化数字生产线建设中需要关注的关键点。

为满足多品种共线生产以实现柔性制造，以及数字化布署提升运营效率的要求，通过先期柔性化规划和数字化植入，在设计阶段就兼顾生产线可靠性与经济性，以平衡有限的资源配置。

2.1 数据采集、处理和分析技术

轿车底盘装配生产线项目中应用了自主研发的HDS。其具有三层架构，分别为硬件执行层、数据采控层、软件应用层。

①硬件执行层。

硬件执行层是生产线的执行部分，包括机器人、传感器、视觉、拧紧枪等工艺和生产要求，通过PLC或单片机控制实现功能。通过Profibus、ProfiNet或EtherNet/IP等基于工业总线的标准通信协议和底层设备实现数据交互，与上层数据服务层进行数据交互。

②数据采控层。

数据采集及控制是整个程序架构中承上启下的环节。数据采控层应支持不同硬件的通信协议，同时接收应用层下达的使用意图，并将其转换为执行指令，最终实现完整的控制流程。

③软件应用层。

软件应用层将数据通过生产管理算法、质量管理算法、物料管理算法等专业算法，实现产线生产状态实时监控、产品质量实时控制、物料信息实时更新、设备状态实时监控等功能，从而挖掘数据价值，完成生产过程中设备、产品、工艺、物料等方面的实时动态监控管理。功能模块包括生产管理、质量管理、物流管理、设备管理等。在数据定义上，对工厂、车间、产线、工位、工步、工人、物料等进行了数据抽象，形成模块化程序，方便布署和优化迭代。

2.2 柔性生产线与分布式智能控制技术

2.2.1 随行夹具

随行夹具是实现生产线柔性的关键。底盘装配柔性随行夹具的设计方法有：共用定位点、支撑点；定位点、支撑点快速切换；双面夹具，夹具板可翻转，每个面可为一种或兼容多种产品。

随行夹具实施方式如下。

①单板多产品：单套随行夹具兼容多种产品。

②多板+夹具库：单套随行夹具无法兼容多种产品时，采用建立夹具库的解决方法。

轿车底盘装配生产线项目中，随行夹具设计采用了共用定位点、支撑点和定位点、支撑点快速切换相结合的方法，实现了单板多产品，兼容A2平台、E2平台上十多个后桥总成产品。夹具上安装射频识别(radio frequency identification，RFID)电子标签，由各工作站读取器自动读取以识别产品型号，执行对应的装配程序，并将结果反馈至电子标签，在产品下线时录入数字系统。

2.2.2 工作站

①拧紧工作站。

拧紧工作站的功能是拧紧螺栓螺母，包括输送、装夹、预紧固和紧固过程。设备包含气缸、伺服电机、工装夹具、螺栓螺母输送设备、伺服拧紧设备以及机械手臂，通过工装和设备精度来保证定位，必要时也会辅以视觉系统。拧紧工作站的柔性生产通过识别不同的产品，切换相应的工装和程序。机器人按指令取用不同的伺服拧紧设备，以实现自动拧紧。轿车底盘装配生产线项目设计有：差速器拧紧站；转向节轮毂、制动钳螺栓拧紧站；差速器、传动轴与后桥拧紧站；紧稳定杆拧紧站；上控制臂、调节连杆、下拖拽臂拧紧站。

②压装工作站。

压装工作站的功能是将衬套、轴承等零件外部按要求施加一定压力压入另一个零件中。该工作站通过液压缸、气缸、伺服电缸产生压力压装零件，包括压机、自动送料系统、压装工装及电气控制系统等。柔性生产通过压装工装兼容、衬套自动上料、多台压机组合、多工位分布技术实现。轿车底盘装配生产线项目设计了后桥衬套压装工作站、连杆衬套压装工作站、上控制臂衬套压装工作站和下拖拽臂衬套压机。

③翻转和搬运工作站。

翻转和搬运工作站的功能是翻转、搬运产品，包括机器人、视觉系统、末端工装及电气控制系统等。柔性生产通过末端工装兼容或快速切换、视觉定位或轨迹设定等技术实现。轿车底盘装配生产线项目中，后桥总成自动下料工作站，通过机器人末端工装兼容、视觉定位和轨迹设定技术实现总成自动下线、装箱。

④测试工作站。

测试工作站的功能是在线测试装配零件或装配总成参数是否合格。通过传感器将机械运动过程转变为电信号，检测电信号的数值、波动幅度和频率等参数，从而判断参数是否合格。测试工作站主要包括跳动检测、制动防抱死系统(antrilock break system,ABS)检测、四轮调整检测。柔性生产通过工装兼容、多工位分布技术实现。自动站电气和软件程序随产品切换，通过读取随行夹具上电子标签、条码方式实现。轿车底盘装配生产线项目通过设计产品工装兼容、多工位分布、读取随行夹具上电子标签、条码方式，实现了产线柔性ABS检测和柔性四轮调整检测。轿车底盘装配生产线项目中使用的专业检测设备为德国AUE公司的四轮调整设备。通过与厂商的合作，开发了基于ProfiNet总线通信协议的接口协议，实现了设备相关参数的交互、采集，打通了数字化布署的环节。

⑤分布式智能控制。

轿车底盘装配生产线项目采用分布式智能控制。主线配置了主线PLC用于控制整线运行。各柔性工作站配置独立PLC，与主线PLC为主站和从站关系。各工作站根据工艺要求独立设置工艺运行参数，接收并反馈相关信号给主线PLC。HDS数字化系统通过工业总线协议对拧紧、压装、测试的关键数据进行采集、分析、存储和上传上级系统，实现生产过程工艺管控、质量追溯、设备监控、后台分析等功能。与此同时，HDS数字化系统按照需求定制要求，对夹具进出站、拧紧状态、机器人运动等进行关联监控和分析，并为功能扩展预留了开口。

2.2.3 数字化生产线实现的功能

近年来，已有百余条轿车底盘装配生产线和专机上布署了HDS数字化系统，实现了柔性生产。所生产的产品供货大众、奥迪、别克、雪佛兰、凯迪拉克、宝马、荣威、名爵等十余个品牌的百余款车型。HDS数字化系统实现了以下功能。

①装配工艺数字化。

装配工艺数字化是把生产工艺数据进行数字化，由HDS数字化系统通过网络直接下发到各个制造执行单元、部件，各单元部件的数据也通过网络上传到HDS数字化系统，实现工艺的数字化。

②生产过程智能化。

生产过程智能化是采集生产过程中的资源数据，经过数据过滤清洗提炼出精确数据，并结合库存状态、环境变化和作业人员状态数据对生产线进行分析，支持对关键质量控制点的质量控制阈值的在线优化；同时，利用生产过程产生的数据，分类传入上层系统，结合异源数据分析整个装配流程，支持改进装配工艺和设备性能，以实现生产智能化。

③人机协作生产。

人机协作生产是采用自动系统将工件从料框搬运到夹具，随线体运输至工站。人工实现异型件的摆放和自动化实现成本较高的作业。机器人完成重复性高、节奏快、劳动强度大的拧紧作业，通过实时反馈的角度及拧紧扭矩值判断装配质量，降低工人的劳动强度，提高产量和效率。

④自适应的柔性化生产。

生产线可根据预设指令或者动态标签触发相关动作，匹配工艺和生产计划，并自动换型，以兼容多种产品，实现高度柔性和自适应的装配。

3 结论

本文在中国制造业智能转型升级的背景下，研究了数字化柔性装配线建设的一般过程及核心问题，总结数字化柔性装配线建设的方法，设计开发了HDS数字化系统。HDS数字化系统应用于轿车底盘装配生产线中，实现了柔性化生产线的升级。该研究为汽车零部件企业实施智能制造升级提供参考。

通过实践，有三个问题值得继续探索，分别是面向需求的全过程创新、资源整合中的管理与技术贯通，以及技术创新与风险承受的平衡。

首先是面向需求的全过程创新。大部分的项目在项目初期，当叠加项目进度、交流成本等因素时，将减缓项目过程中的创新实践。实际上，大量的创新伴随着实践展开，如遇到“卡脖子”器件的替代方案等。

其次是资源整合中的管理与技术贯通。项目涉及多个单位协作，管理贯通需要考虑不同协作方的协作文化和工作习惯，技术贯通则需要对不同专业技术语言进行理解。同时，商务中的博弈使得管理与技术的贯通更为复杂。健全的供应链体系能够解决一部分问题，但还远远不够。

最后是技术创新与风险承受的平衡。技术创新得到的新生事物，往往因为缺少时间检验而受到质疑。创新使得供需双方获得的收益难以衡量，而风险则是由需求方承担。如：使用了新器件、新设备的生产线遇到了先前未知的问题。此外，技术创新与风险承受的平衡问题还涉及需求方成本、产品创新竞争力等诸多方面。