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21世紀(jì)初，中國政府提出了自動化和信息化兩化融合的智能化發(fā)展理念，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能制造的概念逐漸清晰。2015年5月發(fā)布的《中國制造2025》行動綱領(lǐng)，其中心主題是通過智能的數(shù)據(jù)整合管理實現(xiàn)全生命周期的綠色制造，發(fā)展可持續(xù)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)，要實現(xiàn)這一目標(biāo)，其基礎(chǔ)是信息技術(shù)的企業(yè)管理(IT)、車間管理(OT)和物聯(lián)網(wǎng)(CT)3T融合(見圖1)。

圖1  物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造了3T融合的發(fā)展理念

       中國制造業(yè)目前總體發(fā)展水平不均衡，其中汽車行業(yè)因為這幾年的井噴式發(fā)展，新建工廠在環(huán)保上實現(xiàn)跨越發(fā)展的情況下，高端沖焊生產(chǎn)線已經(jīng)于幾年前實現(xiàn)了高度的自動化和數(shù)據(jù)化，具備了發(fā)展智能化的初步基礎(chǔ)。涂裝作為復(fù)雜的散裝化學(xué)品施工車間，在自動化和數(shù)據(jù)化上存在很大的技術(shù)發(fā)展瓶頸，因為涉及節(jié)能環(huán)保、職業(yè)衛(wèi)生、安全以及企業(yè)成本管理的巨大需求，涂裝車間智能制造發(fā)展需求尤為迫切。隨著近兩年涂裝自動化作業(yè)比例逐步提高，以及生產(chǎn)、能源和環(huán)保數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，涂裝智能制造的課題也開始被推向前臺。

涂裝自動化作業(yè)技術(shù)的智能化發(fā)展

       相比于其他專業(yè)，在涂裝車間采用自動噴涂，除了可以提升效率、穩(wěn)定質(zhì)量外，更有消除污染工位作業(yè)、提高涂料利用率和實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的價值?，F(xiàn)有汽車涂裝生產(chǎn)線底部密封絕大多數(shù)都通過改造實現(xiàn)自動化，粗細(xì)密封和油漆內(nèi)噴也成為主流新建線的標(biāo)配。采用車底密封機(jī)器人，可以使送排風(fēng)量降低80%。在普遍已經(jīng)實現(xiàn)機(jī)器人外噴的基礎(chǔ)上采用機(jī)器人內(nèi)噴涂料，在節(jié)約涂料、減少風(fēng)量和減少污染的同時可實現(xiàn)80%以上的循環(huán)風(fēng)應(yīng)用，既穩(wěn)定施工參數(shù)又使得噴漆室排風(fēng)量大幅減少，使得新建涂裝生產(chǎn)線得以實現(xiàn)所有噴漆(包含水性漆)廢氣的全部凈化處理，該成套方案比人工噴涂解決策略的整體能耗和排放降低了60%以上。機(jī)器人內(nèi)表面涂膠和噴涂如圖2所示。

圖2  機(jī)器人內(nèi)表面涂膠（左）和噴漆（右）

       目前新建的涂裝生產(chǎn)線，在上述PVC和噴涂作業(yè)采用機(jī)器人作業(yè)的基礎(chǔ)上，也在不斷優(yōu)化機(jī)器人的作業(yè)方式、延伸機(jī)器人的應(yīng)用范圍，如在不開門的情況下實現(xiàn)折邊膠機(jī)器人作業(yè)，采用機(jī)器人噴涂LASD提高環(huán)保和輕量化水平，在油漆噴涂上采用STOP-GO的方式提升涂膜質(zhì)量的一致性，消除所有在線人員補(bǔ)漆檢查工位。標(biāo)桿水平的涂裝線除了作業(yè)上大批量應(yīng)用機(jī)器人外，在白車身焊縫質(zhì)量的檢查、車身吹凈和擦凈、自動水洗、卸遮蔽等輔助工作也逐步采用機(jī)器人代替工人進(jìn)行操作(見圖3)。這樣高水準(zhǔn)的60JPH規(guī)?；垦b車間，機(jī)器人數(shù)目往往達(dá)到百臺以上，系統(tǒng)復(fù)雜程度也大幅度提升。在單獨(dú)局部區(qū)域的機(jī)器人管理上，離線仿型和簡化仿型技術(shù)都在不斷完善，但尚沒有形成統(tǒng)一的智能系統(tǒng)?，F(xiàn)有的系統(tǒng)，因為生產(chǎn)需求復(fù)雜、各機(jī)器人區(qū)域功能各異，在產(chǎn)品導(dǎo)入時會形成巨大的調(diào)試災(zāi)難，迫切需要發(fā)展自動作業(yè)程序生成和優(yōu)化的智能技術(shù)。

圖3  自動擦凈機(jī)器人（左）和自動卸遮蔽機(jī)器人（右）

其他涂裝設(shè)備的智能化發(fā)展

       除了機(jī)器人大批量應(yīng)用外，因為提升質(zhì)量、降低能耗和強(qiáng)化管理等方面的需求，涂裝車間其他設(shè)備系統(tǒng)也在逐步向精細(xì)控制的智能化方向發(fā)展，本文在此舉例說明。

       原來的電泳整流系統(tǒng)多分是2～3段控制，而車身內(nèi)外腔的復(fù)雜情況和陽極的分片控制之間存在很大的矛盾，經(jīng)常帶來膜厚一致性差的難題。目前新建的一些工廠，采用多段整流單獨(dú)控制陽極(IGBT)(見圖4)，實現(xiàn)質(zhì)量目標(biāo)的設(shè)定。某工廠采用IGBT系統(tǒng)后在內(nèi)腔電泳效果更好的基礎(chǔ)上，同比實現(xiàn)能源節(jié)約30%及材料節(jié)約10%的效果。

       輸調(diào)漆系統(tǒng)，以往存在一個顏色生產(chǎn)時，其余顏色系統(tǒng)都按照生產(chǎn)狀態(tài)要求循環(huán)的情況，既浪費(fèi)能源又不利于油漆壽命。隨著電動泵技術(shù)的發(fā)展，輸調(diào)漆系統(tǒng)的管理更加智能化(見圖5)，可以根據(jù)噴涂的需要確定系統(tǒng)的運(yùn)行程度，設(shè)置符合生產(chǎn)要求的啟動模式和維持運(yùn)行的待機(jī)模式，對涂料質(zhì)量、設(shè)備壽命和能源降耗等均有好處。

圖5  輸調(diào)漆電動泵智能管理系統(tǒng)

       車身物流方面，近年來也發(fā)展了各種識別系統(tǒng)，在工廠設(shè)計中也力求集中儲存，但仍然存在調(diào)度難題。目前也有的汽車工廠，將立體庫(見圖6)從白車身、油漆車身儲存為主逐步發(fā)展到涂裝車間儲存區(qū)，未來解決了出入庫的瓶頸難題后，可進(jìn)一步用立體庫統(tǒng)一所有的儲存、排空和編組區(qū)域，使得車身存取更加智能化。

圖6  電泳車身立體庫存儲

設(shè)備自動診斷技術(shù)的智能化發(fā)展

       隨著現(xiàn)代化涂裝車間大量精密自動化設(shè)備的應(yīng)用，以及涂裝設(shè)備工作環(huán)境的特殊情況，涂裝車間日常設(shè)備管理面臨的挑戰(zhàn)越來越大，自動診斷、管理設(shè)備狀態(tài)的智能技術(shù)(見圖7)受到空前的重視，目前杜爾等公司都開發(fā)了此類系統(tǒng)，正在進(jìn)行可靠性的調(diào)試研究，有望在近兩年應(yīng)用于國內(nèi)的新建高端涂裝車間中。

圖7  設(shè)備狀態(tài)的自動診斷和智能管理

數(shù)據(jù)采集發(fā)展的迫切需求

       對于涂裝車間智能化來說，多種數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效采集才是未來智能化發(fā)展的瓶頸。相比于以前的手工作業(yè)參數(shù)統(tǒng)計的難題，自動化系統(tǒng)在末端都集成了越來越的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以基于現(xiàn)在的分散智能系統(tǒng)對參數(shù)進(jìn)行管理，未來可以持續(xù)發(fā)展更上層的集成智能參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)。機(jī)器人參數(shù)采集和控制如圖8所示。

圖8  機(jī)器人參數(shù)采集和控制

       隨著外觀更加數(shù)據(jù)化、準(zhǔn)確化評判的需求及跨國汽車集團(tuán)顏色開發(fā)系統(tǒng)的建立，顏色開發(fā)、零部件匹配、外觀理論完善和日常管理等方面，已經(jīng)成功形成了數(shù)據(jù)化的采集、傳輸和評價系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)的參數(shù)采集和自動控制、顏色數(shù)字化采集管理系統(tǒng)如圖9和圖10所示。

圖9  空調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)采集和自動控制

圖10  顏色數(shù)字化采集管理系統(tǒng)

       在日常質(zhì)量管理方面，已有的涂裝制造車間采用了自動化的濕膜在線檢測和干膜離線抽樣的外觀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，消除了人為外觀評價的數(shù)據(jù)采集量小、誤差大和評價滯后等諸多問題。機(jī)器人自動檢測外觀如圖11所示。

圖11  機(jī)器人自動檢測外觀

       節(jié)能環(huán)保是目前汽車涂裝行業(yè)被重視的熱點，可以說目前汽車涂裝行業(yè)技術(shù)開發(fā)的目標(biāo)，就是如何在達(dá)到不斷提高的環(huán)保要求前提下盡量保持原有質(zhì)量水準(zhǔn)，但能源和環(huán)保數(shù)據(jù)的采集管理是現(xiàn)階段的難點。已有廠家開發(fā)了給排水的職能管理系統(tǒng)(見圖12)，正在逐步推廣完善。在廢氣有組織排放檢測和在線檢測逐步完善的同時，無組織排放的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也開始進(jìn)入系統(tǒng)研究，無組織排放數(shù)據(jù)采集中出現(xiàn)了一臺監(jiān)測儀器多個點分別收集檢測的新數(shù)據(jù)采集技術(shù)(見圖13)。

圖12  用于前處理和污水管理的智能給排水管理系統(tǒng)

虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展

       涂裝車間自動化、數(shù)據(jù)化、信息化以及系統(tǒng)集成化技術(shù)應(yīng)用，必然會隨著大環(huán)境陸續(xù)提升，但要真正形成智能制造系統(tǒng)，還需要基于這些基礎(chǔ)完善虛擬制造技術(shù)。國內(nèi)外的工程設(shè)計公司，已經(jīng)在這方面努力提升，在工廠設(shè)計中研究全仿真技術(shù)，力求模擬真實的生產(chǎn)情況。未來按此建設(shè)涂裝車間，在產(chǎn)品設(shè)計時，可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入虛擬車間進(jìn)行虛擬調(diào)試，得出分析結(jié)果和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，這種方式的SE分析結(jié)果可以更好的優(yōu)化產(chǎn)品數(shù)據(jù)，經(jīng)過產(chǎn)品優(yōu)化后形成車間運(yùn)行程序，在產(chǎn)品導(dǎo)入時現(xiàn)場的調(diào)試工作量就會大幅減少，并使數(shù)據(jù)完全可控。

智能化涂裝車間的階段性概念

      《中國制造2025》中寫道：“我國制造業(yè)仍然大而不強(qiáng)，以企業(yè)為主體的制造業(yè)創(chuàng)新體系不完善;資源能源利用效率低，環(huán)境污染問題較為突出;高端裝備制造業(yè)和生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)發(fā)展滯后;信息化水平不高，與工業(yè)化融合深度不夠?！薄吨袊圃?025》制定了到2049年新中國成立100年時進(jìn)入世界制造強(qiáng)國前列、建成全球的技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系的目標(biāo)。要完成這一艱巨的歷史任務(wù)，核心是依靠智能制造。汽車涂裝較高的生產(chǎn)、質(zhì)量和環(huán)保等要求和復(fù)雜的施工條件，決定了其智能制造的研究應(yīng)用更加任重而道遠(yuǎn)。目前新建高端汽車涂裝工廠在自動化方面都達(dá)到了較高基準(zhǔn)，局部智能管理也有所突破，而具有判斷學(xué)習(xí)能力的智能系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、全面采集難度和信息化的通道限制，還無法建立起來。長期來說，希望建設(shè)的汽車涂裝工廠能夠像汽車導(dǎo)航或者AlphaGo一樣，具有根據(jù)邊界條件變化始終自動完善生產(chǎn)模式的能力。近期來說，智能化涂裝工廠的理念可以理解為：按高度仿真實施、在產(chǎn)品導(dǎo)入時可以根據(jù)數(shù)據(jù)輸入自動生成基本作業(yè)程序;以盡可能標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)線生產(chǎn)盡可能多樣的產(chǎn)品;能源、環(huán)保和生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。這些需求會促使汽車涂裝相關(guān)的自動化、信息化和數(shù)據(jù)采集設(shè)備迎來新的發(fā)展挑戰(zhàn)和機(jī)遇。