车体自动识别技术在汽车涂装车间的应用

生产现场232010年第4期汽车工艺与材料AT&MSHOPSOLUTION车体自动识别技术在汽车涂装车间的应用车体自动识别系统（AVI系统）能够有效地提高整车生产企业的自动化水平和生产信息管理水平。针对汽车涂装车间用AVI系统，介绍了系统的组成、结构及其功能。对AVI系统而言，数据采集是关键所在，介绍了目前常用的几种数据采集方案，包括传统条形码方案、RFID方案、基于透空钢板的光电开关方案、条码方案、图象识别方案和无数据采集设备的软件推理方案，并分析了不同方案各自的特点。中国汽车工业工程公司自控工程院张成礼庞洛明随着国内汽车工业的迅猛发展，汽车行业的竞争也日趋激烈，如何在提高生产效率和产品质量的同时降低生产成本，以此来提高竞争力，成为摆在企业面前的一个难题。在汽车焊接车间、涂装车间和总装车间等场所采用AVI系统是提高自动化水平和生产信息管理水平的重要手段，作为连接上层ERP（企业资源计划）系统和现场FCS（总线控制系统）的制造执行系统，AVI系统对提高生产效率和产品质量有非常重要的作用，作为我国汽车新建项目或改造项目的一个“标准配置”，已成为汽车完整生产线中不可缺少的一部分。下面以涂装车间用AVI系统为例，介绍一下有关内容。精度范围接近机械加工误差，所以系统误差受加工过程、外购件品质及安装等因素的影响较大，其误差构成比较复杂，不同性质的误差也应分别处理。（4）在调试中，对每个柔性定位单元的特性单独进行测试、标定，并建立数字档案，以备在日后使用维护过程中参考。（5）对动态因素造成的随机误差，必要时进行分组正交试验，利用数理统计分析，确定显著相关因素，逐一消除干扰。3结束语柔性制造技术是生产模式的一种变革，也是汽车白车身制造过程中的发展趋势，柔性定位单元的应用也将日益增加，其国产化进程也会逐渐加快。只有柔性定位单元才能与标准机器人配合使用，在生产线不停车的情况下，实现多车型的快速自动切换，达到生产线的柔性化，不仅极大提高了生产效率、减小了占地面积，而且降低了工装的投资成本。柔性定位单元属于高精度数字控制装备，从设计、加工、安装到调试过程受多种因素的影响，只有在不同阶段和关键部件采取相应的措施，才能将系统的整体误差控制在范围之内，昀终达到快速切换、精确定位的使用目的。AT&MSHOPSOLUTION生产现场242010年第4期汽车工艺与材料AT&M1AVI系统的功能AVI系统通常具有以下功能。（1）接受来自上层ERP系统的管理信息通过上层ERP系统的数据接口获得订单信息和生产计划等，然后结合涂装车间的生产能力，合理安排生产。（2）实时跟踪车体信息通过实时动态画面，用户能够方便地掌握整个车间的过车情况，了解当前订单的生产状况，快速查找某辆车当前在哪个工艺段，从而帮助相关人员及时了解一些特殊订单车、试验车或者有严重质量缺陷车的具体位置，以方便地进行特殊处理。（3）质量信息的录入和查询设置现场操作站，供质检人员录入车体质量信息，该信息自动存入AVI数据库，从而可以为路由功能提供数据，同时还可以进行车体质量的查询和分析，并生成和打印报表。（4）自动编组和路由功能在车体路由的分道口和存储区，AVI系统可以根据车体信息和质量信息自动计算出当前车体应当选择的道次，然后把计算结果发送给机运系统，大大提高了车间的自动化水平。（5）为其他系统提供信息AVI系统可以通过数据接口为车间内的其他系统、其他车间的系统、上层的ERP系统提供所需的车体生产信息和质量信息，如下线区广播功能可以为总装车间的物料拉动提供依据，减少总装的停线率；为喷涂机器人提供车体信息可以实现自动喷涂，不仅提高了自动化水平，而且避免了人工误操作的可能性。（6）生产数据分析通过统计各种车型各个时段的生产情况，分析生产中的瓶颈工段，为优化配置生产资源提供依据。2AVI系统的结构及其组成AVI系统的典型架构为集中监测、分散控制3层结构（见图1）。系统分为3层：监控层、控制层和设备层。其中，监控层与控制层之间采用工业以太网进行通讯连接，控制层与设备层之间采用现场总线进行通讯连接。2.1监控层监控层位于AVI系统架构的昀上层，该层的主要设备包括AVI服务器、AVI监控机、打印机和UPS等，一般放置在中央监控室内。AVI服务器上安装有关系型数据库（SQLSever等），主要用于数据存储；AVI监控机上安装了组态软件（IFIX、Intouch等），使AVI系统通过车间的以太网同现场PLC控制器相连接，采集数据并以画面或文本方式在AVI监控机的显示器上进行显示，实现车体监视、故障显示、用户管理、参数配置、数据存储、统计分析和报表打印等功能。2.2控制层控制层位于AVI系统架构的中间层，主要指PLC控制柜，是AVI系统的核心，通过现场总线和分布式I/O与AVI数据采集设备、AVI现场操作站等底层设备连接；同时，通过车间以太网与监控层设备连接，实现信息采集功能和控制功能。AVI系统既可单独设置PLC控制柜，也可与车间机运电控系统共用PLC控制柜。单独设置PLC控制柜，由于AVI系统相对独立，因此施工调试时制约因素相对较少，投入使用后的维护相对简单，但需要增加1套PLC控制柜和线缆数量，并且还要增加与机运PLC之间的连锁信号；如果与车间机运电控系统共用PLC控制柜，则AVI系统不设PLC控制柜，AVI系统的现场设备信号分别接入该设备所在工艺段的机运PLC图1AVI系统典型架构生产现场252010年第4期汽车工艺与材料AT&MSHOPSOLUTION控制柜，优、缺点与前一种方案相反。2.3设备层设备层位于AVI系统架构的昀下层，包括AVI数据采集设备、AVI现场操作站。AVI数据采集设备将在第3部分详细介绍。AVI现场操作站用于显示或录入当前工位的车体信息或质量检查信息，其实现方式即可采用控制按钮箱接入现场总线的方式，也可以采用现场计算机接入以太网的方式。AVI系统的数据采集设备和现场操作站一般设置在以下位置。a.上线工位:一般设置在来自焊装车间的车体移到滑橇的初始工位，用于输入车体信息。b.质量检查工位：用于输入质量检查结果（如合格、小修、大修等），以决定车体下一步走向。c.自动擦净机和自动喷涂机处：用于提供车型信息和喷涂颜色信息。d.车体存储编组区入口：根据车型信息和颜色信息对车体进行编组,可以大幅度提高存储区以后工艺段的工作效率，在混线生产时显得尤为重要。e.车体分流处：根据车体信息决定车体走向。f.下线工位：一般设置在涂装与总装的交接工位处，把车体昀终信息输送到总装车间的其他系统。2.4车间以太网监控层、控制层之间采用工业以太网和TCP/IP协议进行通讯连接，可以方便、灵活、高速地传输大量信息。通常AVI系统与PMC(ProductionMonitorControl)系统、Andon系统共用1套工业以太网。2.5现场总线控制层与设备层之间采用现场总线进行通讯，能够保证控制层信息和设备层信息快速、可靠的传输。常用的现场总线有Profibus、DeviceNet和ControlNet等，通常根据PLC控制柜的类型选择合适的现场总线。3AVI数据采集方案汽车涂装工艺流程可以简单归纳为：前处理→电泳→电泳烘干→中涂喷涂→中涂烘干→面漆喷涂→面涂烘干。因此，要求随车体运行的、与数据采集设备配套的数据信息载体能够经受高温和高污染的考验，在AVI数据采集设备选型时对此要给以充分重视。常用的AVI数据采集方案有以下几种。3.1条形码方案条形码技术是在计算机的应用实践中产生和发展起来的一种自动识别技术，是快速、准确、可靠地采集数据的有效手段，是迄今为止应用昀广、昀经济的一种自动识别技术。将条形码技术用于涂装车间AVI系统的具体实施步骤是，首先要在从焊接车间过来的白车身上粘贴代表该车身特征信息（如车型、颜色等）的唯一性编码——条形码，条形码的材质要具备耐腐蚀、耐高温的特性。一般地，在每个数据采集点（即AVI数据采集设备和现场操作站的设置处）同时安装1台条形码自动扫描装置和1台手动扫描枪。当车体到达数据采集点时，条形码自动扫描装置读取贴在车体上的条形码信息，当读写不正确时自动扫描装置提示操作人员使用手动扫描枪读取条形码信息。条形码方案具有配置灵活、成本低廉的特点，但为防止条形码被油漆污染，一般采取喷涂前在条形码上粘贴一层保护膜、喷涂后再揭掉保护膜的方法，增加了人工操作工序。车身上的条形码具有唯一性（相当于车身的“身份证”编码），每台车身有关的信息（如车型、颜色等）都存储在数据库中，因此AVI系统对网络可靠性的依赖程度较大。当出现网络故障时，会影响生产的正常运行。3.2RFID方案（1）RFID简介RFID（RadioFrequencyIdentification）即射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，RFID通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。目前，SHOPSOLUTION生产现场262010年第4期汽车工艺与材料AT&MRFID技术正朝着降低标签成本、提高标签存储容量、提高读写距离、缩短处理时间的方向发展。与条形码相比，RFID技术具有以下一些技术优势。a.不需要光源，甚至可以透过外部材料读取数据；b.使用寿命长，能在恶劣环境下工作；c.能够轻易嵌入或附着在各类不同形状的产品上；d.读取距离更远；e.可以写入及读取数据，写入时间相比打印条形码时间更短；f.标签的内容可以动态改变；g.能够同时处理多个标签；h.标签的数据存取有密码保护，安全性更高；i.可以对RFID标签所附着的物体进行追踪定位。（2）RFID在汽车涂装车间的应用RFID技术是继条形码技术之后广泛应用于涂装车间AVI系统的自动识别技术。RFID数据采集设备包括电子标签（TAG）和读写装置，电子标签是车体信息的载体，安装在每个装载车体的滑橇上；读写装置安装在每个数据采集点。读写装置不仅可以读出电子标签的信息，还可以写入车体信息或质量检查信息。这样，电子标签就成为一个随车体移动的数据库，车体也成为在整个生产流程中随身携带数据库的“智能车体”。采用RFID技术，不需要所有的读/写装置都和主数据库进行通讯，因此读/写装置与主数据库通讯的失败不会导致生产的停止。目前，国内有众多整车生产企业的涂装车间配置了基于RFID技术的AVI系统，采用的RFID产品主要有EMS（ESCORTMEMORYSYSTEMS）公司的产品、SIEMENS公司的MOBY系列和SIMATICRF系列产品、TIURCK公司的Blident系列产品、BaumerIdent公司的OISW产品和OMRON公司的V690系列产品等。目前，RFID方案在实际应用中还存在以下问题。a.由于标签要随车体在烘干炉中烘烤，因此需选用耐高温的标签（这种标签的表面涂有特殊保护层），因此大大增加了标签成本。b.由于标签要随车体进入喷漆室，使用一段时间后，标签表面粘有一层油漆，影响读写效果，因此需要定时清理；长时间使用后，不易清理干净时需要更换标签，增加了工作量和标签成本。3.3红外光电开关方案（1）红外光电开关的类别及原理常用的红外光电开关根据反射/接收形式可分为3种。a.直接反射式直接反射式光电开关（见图2）是一种集发射器和接收器于一体的传感器。当有被检测物体经过时，被检测物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面较光亮或其反光率较高时，直接反射式光电开关是首选的检测模式。b.反射板反射式反射板反射式光电开关（见图3）也是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射板反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。c.对射式对射式光电开关（见图4）包含在结构上相互分离的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。被检测物体不透明时，对射式光电开关是昀可靠的检测模式。（2）红外光电开关在AVI系统的应用可以采用反射板反射式红外光电开关或对射式红图２直接反射式光电开关图3反射板反射