（机械制造及其自动化专业论文）快速可重构汽车焊装制造系统及其关键支持技术研究.pdf

中文摘要目 前 白勺制 造 模 式 在 快 速 口!。应 弋 x 求 rf jy_得 有 些 不 足 ， 此 夕卜还 存 在 着 生 产率与系统柔性间的矛盾。因此，必须探索新的制造模式以解决这些矛盾。在这种情况下， 一 些学者提出了 可重构制造系统r m s ( r e c o n f i g u r a b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m) 这一制造哲理。 汽车制造业是全球性重要支柱产业，在激烈的市场竞争中，必须根据市场需求，尽快地制造出客户满意的个性化汽车，主要表现为车身具有个性化，而底盘则可以变化很小或者不改变。焊装是汽车制造的四大工艺之一，要条件之一焊装生产系统的快速高效建造是汽车制业快速响应市场需求的重因此， 将r ms 这一制造哲理用于指导气 车焊装生产线的设计和制造工作，对增强汽车制造企业竞争力有重要意义。文结合可重构制造系统使能技术，针对汽车焊装生产这一特殊的制造活动，研究在底盘变化较小的情况下，汽车焊装可重构制造系统的关键支持技术p c d i k s . 研究了 汽车焊装生产线重构规划 ( p l a n n i n g ) 技术。产线重构设计的特点; 采用可焊装性系数对不同焊装顺序的汽车焊装生ti,- 述 了 “忧劣进行定量评价，应用基于语义的多专家模糊评价方法并开发了基于we b的评价工具; 讨论了车身焊装结构扩展关系图e r g的建模方法， 利用组件生成规则和图论割集算法实现了车身焊装顺序规划求解;焊装生产线各工位占用的时间取决于零件的复杂程度和焊点数，利用异步度可以定量表示生产线工位平衡程度;建立了多层次的资源信息模型， 并基于面向 对象方法实现了焊装资源信息模型的描述， 最后提出了可重构焊装系统评价指标体系。 丫研究了 汽车焊装夹具 ( c l a m p ) 快速重构设计技术计是汽车焊装生产重构实现的关键，其重点在于定位问于车身制件是薄板冲压件，具有在法向上易变形的特征。 妙 装 夹 具 决 速 重 构 设趣和元部件标准化。由，因此必须采用在第一基准面上的定位点数大于3 的 “ n - 2 - 1 ”定位原理，定位效果不仅取决于定位点的数量，而且取决于定位点的布置形式，有限元分析法是确定定位点数量与位置的最佳解决方案; 面向焊装夹具重构的工程数据库必须包含资源库和算法库;讨论了 焊装 夹 具 元 部件 标 准化和 结构 可重 构化的 设计 方 法以 及 可 重构 焊 装夹 具评 价 目 标 。 、，精 ii a a 簇in at 紧 构 生 产 的 过 程 诊 断( d i a g n o s e ) 技 术。 春 体的 尺 寸 车体焊装关系树层层拓扑的复杂结构映定了 焊装误差产生的多因素性和焊装误差来源的多样性，过程诊断技术保证了系统在运行过程中具有良 好的缺陷和故障诊断能力，从而成为实现重构的关键技术。车体的尺寸精度可以由关键点的尺寸 ( 6 a) 进行表示， 运用相关性分析方法可以重庆大学博士学位论文准确地发现误差源。针对相关性分析和矩阵特征分析等计算工作繁琐的问题，开发了一个软件系统，在工程实践中利用过程诊断技术取得了明显的效果。丫 研究了基于软构件的可重构信息 ( i n f o r m a t i o n )集成技术造系统的可重构要求支撑其运行的信息平台必须具有可重构性。统的实现，实际上是要解决三个方面的问题，即遗留系统的重构重用车焊装制构信息系、新的信息资源的构件化描述和新旧信息资源的集成。从整个制造系统的角度出发，研究了可重构信息集成系统的结构体系，阐述了 c o r b a规范及其核心;研究了基于 c o r b系统开发。俨 ” 象 化 ” ” 并 结 “ 工 程 “ 例 进 行 了 基 于 软 构 件 的 ca -hjca d关于焊装生产知识库( k n o w l e d g e ) 设计技术和焊装计算机仿真( s i m u l a t i o n )技术，本文没有做详细地探讨。关 键 词 : 可 重 构 制 滋 统 ， 、/过程诊断软构件英文摘要abs tract t o d a y s m a n u f a c t u r i n g m o d e s a r e d e f i c i e n c i e s i n r a p i d r e s p o n d t o m a r k e td e m a n d , m o r e o v e r , t h e y a l s o h a v e c o n t r a d i c t i o n b e t w e e n fl e x i b i l i t y a n d p r o d u c t i v i t y .s o , n e w ma n u f a c t u r i n g mo d e m u s t b e s t u d i e d . t h e r e f o r e , s o me s c h o l a r s b r i n gf o r w a r d a n e w m a n u f a c t u r in g m o d e n a m e d r ms ( r e c o n f i g u r a b l e ma n u f a c t u r i n gs y s t e m ) . a u t o m o b i l e i n d u s t ry i s i m p o rt a n t f o r e v e r y c o u n t r y , i n i n t e n s e c o m p e t i t i o n ,i t m u s t p r o d u c e i n d i v i d u a t i o n a u t o m o b i l e w h i c h h a v e i n d i v i d u a t i o n b o d y w o r k a sq u i c k l y a s p o s s i b l e . w e l d i n g i s o n e o f f o u r a u t o m o b i l e m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s , a n dt h e r a p i d c o n s t r u c t f o r w e l d i n g l i n e i s o n e o f p r e d e t e r m i n a t i o n c o n d i t i o n . s o , u s i n gr ms i n w e l d i n g l i n e d e s i g n i s o f i m p o rt a n c e f o r s t r e n g t h e n e n t e r p r i s e c o m p e t i t i o n .t h i s p a p e r a i m e d a t t h e s p e c i a l a c t i v i t y o f c a r w e l d i n g , s t u d i e d t h a t i n t h e i n s t a n c e o fs m a l l c h a n g e o f c h a s s i s , t h e k e y s u p p o rt i n g t e c h n i q u e s f o r r e - c o n f i g u r a b l e c a rw e l d i n g m a n u f a c t u r i n g a b b r e v i a t e d p c d i k s . t h e p l a n n i n g t e c h n i q u e f o r a u t o m o b i l e w e l d i n g l i n e r e c o n f i g u r a t i o n w a ss t u d i e d . t h e c h a r a c t e r o f a u t o m o b i l e w e l d i n g w a s d i s c u s s e d . wi t h o u t t h e s i m u l a t i o nc o n d i t i o n , u s i n g w e l d a b i l i t y c o e ff i c i e n t a n d f u z z y e s t i m a t i o n , d i ff e r e n t w e l d i n gs e q u e n c e s r a t i o n a l i t y w a s q u a n t i fi c a t i o n a l l y e s t i m a t e d , a n d t h e t o o l b a s e d we b w a sd e v e l o p e d . t h e m e t h o d f o r m a d e m o d e l o f a u t o m o b i l e w e l d i n g e x t a n t r e l a t i o n g r a p hw a s d i s c u s s e d . wi t h t h e r u l e o f g r o u p w a r e a n d c u t - s e t a r i t h m e t i c , t h e w e l d i n gs e q u e n c e w a s s o l v e d . t h e t i m e w h i c h a s t a t i o n n e e d w a s d e t e r m i n e d b y t h ec o m p l e x i t y o f p a rt s a n d t h e n u m b e r o f w e l d i n g s p o t s . t h e b a l a n c e d e g r e e o f e a c hs t a t i o n c a n b e e x p r e s s e d w i t h a s y n c h r o n i s m a n d t h e m u l t i - l a y e r r e s o u r c e m o d e l w a sb u i l t b a s e t h e o r i e n t a t e d - o b j e c t m e t h o d a n d t h e e s t i m a t e s y s t e m w a s b r o u g h tf o r wa r d . t h e t e c h n i q u e f o r w e l d i n g c l a m p r a p i d r e c o n f i g u r a b l e d e s i g n w a s s t u d i e d .we l d i n g c l a m p c o n f i g u r a t i o n d e s i g n w a s t h e k e y s t e p f o r t h e w h o l e w e l d i n g l i n er e c o n f i g u r a t i o n a n d i t s k e y s t o n e w a s o r i e n t a t i o n a n d p a rt s s t a n d a r d i z a t i o n . b e c a u s et h e b o d y w o r k p i e c e s a r e s h e e t , t h e y a r e p r o n e t o d e f o r m a t i o n a t t h e d i r e c t i o n o fp e r p e n d i c u l a r i t y . s o t h e o r i e n t a t i o n p o i n t s i n f i r s t d a t u m p l a n e m u s t h a v e m o r e t h a nt h r e e , a n d t h e e ff e c t w a s d e c i d e d n o t o n l y t h e p o i n t s a m o u n t b u t a l s o i t s p l a c e . wi t hf i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s , t h e b e s t p r o j e c t c a n b e f o u n d . t h e d a t a b a s e s y s t e m o fw e l d i n g c l a m p s w h i c h m u s t b e c o m p r i s e d b y r e s o u r c e d a t a b a s e a n d a r i t h m e t i ci i i重庆大学1 4 士学位论文d a t a b a s e . t h e d e s i gn me t h o d s o f p a rt s s t a n d a r d i z a t i o n a n d t h e e s t i m a t i o n t a r g e t f o rw e l d i n g c l a m p a r e d e v e l o p e d . t h e t e c h n i q u e f o r i n - p r o c e s s d i a g n o s e s f a c e d b o d y w o r k w e l d i n g w a s s t u d i e d .t h e d i m e n s i o n p r e c i s i o n o f b o d y w o r k c o u l d e m b o d y t h e q u a l i t y o f w h o l ea u t o m o b i l e . b e c a u s e o f t h e c o m p l e x i t y o f b o d y w o r k s t ruc t u r e , t h e e r r o r o r i g i n w a so f c o m p l e x i t y a n d m u l t i p l i c i t y . s i n c e t h e t e c h n i q u e f o r i n - p r o c e s s d i a g n o s e s c a ng u a r a n t e e t h e w e l d i n g l i n e o n w o r k , i t b e c a m e o n e o f k e y t e c h n i q u e . t h e d i m e n s i o np r e c i s i o n o f b o d y w o r k c a n b e e x p r e s s e d b y t h e k e y p o i n t d i m e n s i o n , a n d w i t h t h eme t h o d o f c o r r e l a t i o n , t h e m a i n f a c t o r w h i c h w a s t h e c a u s e o f e r r o r c a n b e e x a c t l yd i s c o v e r e d . i n v i e w o f t h e c a l c u l a t e wo r k wa s s o c o c k a ma mi e t h a t a s o ft wa r e wa sd e v e l o p e d . i n p r a c t i c e o f p r o j e c t , t h e f i n e b e n e f i t w a s g a i n e d . t h e t e c h n i q u e o f i n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n b a s e d s o ft c o m p o n e n t w a s s t u d i e d .t h e r e c o n f i g u r a t i o n s y s t e m o f a u t o m o b i l e w e l d i n g m u s t h a v e a r e c o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o n fl a t . t h e r e a l i z a t i o n o f i n f o r ma t i o n r e c o n f i g u r a t i o n m u s t s o l v e t h r e eq u e s t i o n s t h a t i s l e g a c y s y s t e m r e u s e a n d n e w s y s t e m m o d u l a r i z a t i o n a n d t h e s ei n f o r m a t i o n i n t e g r a t e . i n v i e w o f w h o l e m a n u f a c t u r i n g s y s t e m , t h e s t ruc t u r e o fi n f o r m a t i o n i n t e g r a t e w a s d e v e l o p e d a n d c r i t e r i o n o f c o r b a a n d i t s c o r e w e r ed i s c u s s e d . a t l a s t , t h i s t e c h n i q u e a p p l i e d i n p r a c t i c e o f d e v e l o p i n g c a - h j c a ds y s t e m. t h e t e c h n i q u e o f w e l d i n g k n o w l e d g e d a t a b a s e a n d s i m u l a t i o n w e r e n o td i s c u s s e d i n t h i s p a p e r .k e y w o r d s : r ms , a u t o m o b i l e , we l d , c l a m p , i n - p r o c e s s d i a g n o s e , s o ft c o m p o n e n ti v1绪 论1绪论， . ，可重构制造系统产生与发展1 . 1 . 1 可重构制造系统提出背景 2 1世纪的制造企业面对的是动态多变的市场环境，用户要求在最短的时间内 获得“ 个性化” 的产品， t , q , c , s , e 是企业生存发展的充分必要条件l u因此，制造企业应该也必须发展多品种、小批量生产技术 ( 或大规模客户化制造) ， 在 “ 更快、更好、更便宜”的竞争立方体中找到自己的最佳位置。也就是说，企业应根据市场的需要，不但能尽快地设计出有特色的产品，而且要尽快地制造出有特色的产品。低生产成本、高质量产品和对市场的快速响应是制造业所追求的主要经济目的。 制造系统与新产品开发、 商务实践构成了 制造业的三个基本要素2 1 。 制造系统中的关键问题是:如何快速设计与建造新产品生产的系统，使企业及时抓住商机?在产品需求变化时，如何调整生产线生产能力以迅速响应市场需求?是否能够将新技术、新装置尽快地用于制造生产?在市场全球化和需求多样化的今 天 ， 目 前 的 制 造 模 式 包 括 大 规 模 生兹产 方 式 、 精 益 生 产 、 f m s , f m c等岛均不能满意地解决上述三个问题。 此外，现有的各类制造系统如刚性自动生产线 ( r l ) 、柔性制造生产线 ( f ml ) 、柔性制造系统 ( f ms ) ,柔性制造单元 ( f mc ) 等，都存在着生 产 率与 系 统 柔性间 的 矛 盾， 如图 图1 . 11 .1 所 示 刚 性 自 动 生 产 线 具 有 高 的f ig l .l生产率和低的柔性， c n c系统则具有柔性制造系统柔性与生产率的矛盾示意图c h a r t f o r c o n fl i c t b e t w e e n f l e x i b i l i t y a n dp r o d u c t i v i t y o f m a n u f a c t u r i n g s y s t e m高的柔性而生产率较低。因此，必须探索新的制造模式以解决这一矛盾。 在这种情况下，上世纪末一些学者提出了可重构制造系统 ( r ms ,r e c o n f i g u r a b le m a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 这一 制 造哲 理， 其关 键支持 技 术是 可 重构生产技术， 追求的目 标是快速响应市场占 有市场3 ,4 1 。 可重构制造系统是指为能适应市场的需求变化，按系统规划的要求，以重排、重复利用、革新组元或子系统的方式，快速调整制造过程、制造功能和制造生产能力的一类新型可变制重庆大学博士学位论文造系统i5 1 。它是基于现有的或可获得的新设备和其它组元的、可动态组态的新一代制造系统，与传统的制造系统规划、根据产品变化，由产品工艺过程变化驱动例子可以说明可重构制造系统的应用前景设计和建造的区别在于:企业可随时、快速进行组态规划和重构。有一个需求减少， 美国通用汽车公司卡迪拉克轿车1 9 9 6 年冬天，市场对豪华型轿车的( c a d i l l a c ) 生产线近一半处于停产状态;而在同一时期，市场对通用汽车公司轻型卡车 ( p i c k - u p t r u c k ) 的需求却意外地增加了2 0 。若投资建一条新的生产线来生产轻型卡车则有较大的风险，因为这样耗资巨大，需要相当的时间，而且对市场的估计信心不足。最好的解决办法是有限度地重新组合、配置现有的轿车生产线来生产轻型卡车，然而，目 前的技术还无法做到这点。另一个办法是提高已有卡车生产线的制造能力，可是现有的生产线设计能力不允许有 2 0 %的增长。结果，通用汽车公司只能眼看着大好的市场机遇白白错过。如果当时通用公司有采用可重构生产技术的轿车生产线，将会赢得这次机会。因此，可重构生产技术将有巨大的经济潜力。表1 . 1 是 几类制造系 统的 特征比 较 5 l表 1 . 1 制造系统的比较t a b l e l l . l c o n t r a s t o f ma n u f a c t u r i n g s y s t e ms特征制 造 系 统 类 型机械化机器机械自动化 流水线柔性制造 系统可重构制造 系统基本制造特征产品生产特征多品种单件小批量生产单 一 或 少 品种大量生产一组零件批量生产多组零件变批量生产制造柔性高无或极低中等按订货变化过程可变性夕 刃无或极小中等大功能可变性中等无无或小大可缩放性中等无中等大成本效益低最高中等较高或高投资回报率低或较高较高或中最高或低中等或高系统特征系统组态能力低可重组性不可重组不可重组可重组机床 ( 器 ) 结构固定式通用固定式专用固定式通用可重构机床部件结构固定式固定式固定式可重构部件加工作业单刀为主多刀作业单刀为主可变可重构制造这一全新的制造模式使制造业面对瞬息万变的市场和稍纵即逝1绪 论的商机，具有适应全球市场竞争的快速响应能力，也就是企业的生产能力可以随市场的需求变化而调节;同时生产制造系统本身也可以随时更新，以适应新的生产工艺要求或满足更高的产品质量要求。1 . 1 .2 可重构制造系统特征 可重构制造系统能在市场竞争激烈、 产品的品种和数量陡变的状况下快速构建制造系统，它的基本特征是可重构 ( 可组态)性，除此之外还包括以下主要特 征 (6 . 模块化: 可重构制造系统中的所有部件必须是模块化的， 如结构件、 动力头、控制器件和软件等。如果有必要，各部件可以分别得到更换以满足新的要求，而不必改动整个生产系统。模块化思想使得整个系统易于维护并降低了成本。 集成性: 可以嵌套新模块与新装置或设备， 并能实现“ 系统大于部分之和”的系统整合。因此，有必要建立起一系列系统集成方法和原则，还要加强对系统布局和生产工艺流程的研究。 可转换性:系统的可重构性要求可以利用己有的生产线来生产不同的产品，同时，在改变生产品种时所需的时间要尽量短。 可诊断性: 可重构制造系统需要经常改变其布局格式， 必须保证对产品质量缺陷和设备故障的可跟踪和可溯源性，以确保产品的质量。产品质量诊断系统必须和整个系统有机的结合，这样可有助于快速找到影响质量的原因，并借助统计分析、信号处理和模式识别等技术来保证高质量产品。1 . 1 .3 可重构制造系统研究现状与趋势 在工业界和政府的推广下，发达国家从 9 0 年代中开展了可重构制造系统的基础与应用研究， 并己 推广应用。 例如: 1 9 9 4 -1 9 9 9 年以 美国m i c h i g a n 大学为中心的r ms 课题获得了n s f与工业界3 0 8 0 万美元的支持， 进行了“ 制造系统重构方式对系统性能的影响” 、“ 产品装配过程的变流理论与建模”等方面的研究， 并以可重构的敏捷制造为课程进行了广泛地企业培训， 同3 0 个以上的企业进行以r ms 为基础的合作。 与此同时， 美国依阿华大学和麻省理工学院的研究人员对这类系统的设计进行了研究。1 9 9 8 年，美国国家研究委员会发表了一份研究报告:2 0 2 0年制造业面临的挑战。在这个报告中，专家们确定了未来 2 0年制造企业面临的六大挑战和必须优先解决的1 0 项关键技术， 可重构企业和可重构制造系统均名列其中，可重构制造系统甚至被列为 1 0大关键技术的第一位。 2 0 0 1 年5 月在m i c h i g a n 大学召开了c i r p 第一届柔性、 可重构制造国际会议，可重构制造己经成为国际学术界和企业关注的重点。重庆大学博士学位论文 在我国， 可重构制造系统也得到了政府和学术界的重视。 重庆大学张根保教授对可重构机床及其关键技术进行了深入的研究。 沈阳自 动化研究所于2 0 0 0 年4 月2日正式成立 “ 可重构制造系统研究室” 。目 前研究的重点围绕在以下4 个方面 9 1 . 可重构的系统理论与技术，即先进的制造理论与制造摸式、可重构制造系统的体系结构、制造系统的分析与建模方法以及先进的人工智能理论与技术等;可重构的现代企业管理理论与技术，即先进的企业管理模式、计划调度方法、 过程重构理论与方法、供应链技术等; 可重构的产品工程理论与技术，即基于重构的计算机辅助设计 ( c a d ) 、计算机辅助工艺规划 ( c a p p ) .计算机辅助制造 ( c a m) 、产品数据管理 ( p d m)等;可重构的信息技术，即可重构的现代软件体系结构，可重构的信息支持平台，先进的编程方法、可重构的组件技术等0 2 0 0 0 年 9 月，在沈阳自 动化研究所召开了 “ 可重构制造系统”研讨会，此次研讨会旨在创建和发展先进的制造理论，解决制造科学领域的关键技术问题，以此加快我国制造业的发展， 提高我国制造科学的研究水平。与会的专家们围绕着可重构制造系统基础理论、可重构产品设计技术、可重构( 机器人) 加工系统、 可重构设备与管理、 信息系统可重构方法与技术等问 题进行了广泛的研讨。 在应用方面， 我国的制造企业于 1 9 9 6 年开始实施制造单元重构应用研究， 如山东某机械厂曾 进行了按订单需求重构部分生产线单元的实践5 1 由 此可见，r ms己 成为国内外先进制造企业压缩产品变换引起的设备系统投资，缩短新产品制造系统设计、建造的周期和斜升时间，增强企业市场变化适应力的有效手段，一个建立在科学基础上可重构制造系统技术将成为支持2 1世纪初制造业发展的重大技术。到目前为止，可重构制造系统的理论研究已取得一定的进展，尤其在制造单元重构上取得了一定的成绩，但整个研究工作还没有形成完整的体系，可重构系统的原型尚未制造出来。随着研究程度的不断深入， 可重构制造系统的发展趋势为i 6 , ) , 在基础研究和应用研究的基础上， 开发实用技术和支持系统工具，改变 个别摸索或经验型为科学化、标准化，并发展支持产品和系统工具; 在先进制造战略指导下， 逐步建立完整的r ms 理论、 设计与规划方法、 测试和评价方法与工具，使之与其它先进制造技术形成融合的技术群; 深入研究系统分解与集成的理论， 与集成制造和c i ms 等技术一起形成 能建立和发挥系统 “ 乘积效果”的科学重构理论技术; 在模块化理论指导下研究开发模块化的装置、机床装备和产品，支持 r ms技术在产品、设备设计与建造和重复利用中的应用; 研究和开发支持r ms的系统集成管理、订货化商务和生产运作管理， 以及 r ms小组组织与管理。一! 堕篓一_ h _ _ _ - _ _ 一一。1 2 汽车焊装生产重构的必要性汽车制造业在很多工业化国家的国民经济中都占有举足轻重的地位，它在带动其它各行各业的发展中，已日益显示出其做为全球性重要支柱产业的作用。在激烈的市场竞争中，汽车制造业必须根据市场需求，尽快地制造出客户满意的个性化汽车，主要体现为要求车身具有个性化，而底盘不是客户关心的重点。汽车车身是一个复杂的壳体结构件，它是由百余种、甚至数百种薄板冲压件经焊接、铆接、机械联接等方法联接而成的。由于车身覆盖件的材料大都是具有良好的焊接性能的低碳钢，所以现代汽车车身制造中焊接是应用最广泛的连接方式，其中电阻点焊又占据了焊接工作量的7 0 以上，有的车身甚至全部采用电阻焊。焊装是汽车制造的四大工艺( 冲压、焊装、涂装与总装) 之一，图1 2 是典型的焊装生产线示意图，可见焊装生产线是由多工位组成的。图1 3 是某汽车公司的轿车车身总成焊装生产线示意图，该焊装线由固定装配1 升降系统2 夹具3 定位支撑系统4 传送系统图1 2 汽车焊装生产线示意图f i 9 1 2c h a r tf o ra u t o m o b i l ew e l d i n gl i n e图1 3 车身总成焊装生产线图f i g l3c h a r tf o rw e l d i n gl i n eo fb o d y w o r k台、悬挂式点焊机及间隙式双轮链式传动机构组成，参数如下：夺共有1 2 个工位，4 个焊装台，一个电弧焊转台及一个翻转电弧焊台；夺配有2 4 台悬挂式点焊机和4 台直流焊机；呤年生产纲领1 0 万辆，全线共18 2 0 人：夺一期投资i 0 1 5 0 4 万元，其中主要包括焊接夹具4 0 0 0 万元，焊接工艺设备2 4 8 0 5 万元，厂房建筑2 1 5 0 万元。焊装工艺对车身质量及生产率具有很大的影响，焊接生产线设计建造周期直接影响产品的上市速度。以美国汽车生产为例，为使新车型达到质量标准，焊装生产线建造、调试和产品试制至少需要1 年左右的时间，成为新车型开发过程中的瓶颈。激烈的市场竞争迫使汽车产品的更新换代越来越快，汽车新产重庆大学博士学位论文品的开发及制造周期越来越短。这样，对汽车制造精度和生产周期起关键性作用的焊装生产线的设计和制造显得尤为重要。焊装生产系统若不能快速高效建造， 则汽车制造业将无法对市场需求做出快速响应。 因此， 将 r ms 这一全新的制造哲理用于指导汽车焊装生产线的设计和制造工作，对汽车制造企业增强竞争力有重要意义。 在底盘变化不大的情况下，汽车焊装生产线重构是可以实现的。首先，组成汽车装焊生产线的几种最重要的硬件设备是: 焊接夹具、 焊机 ( 焊接机器人) 、定位支撑系统和传送装置，如果这些设备采用模块化设计方法，其重构实施是可以实现的;其次，由于面向对象的程序设计方法的出现，支持汽车焊装生产运行的有关软件系统是可以实现可移植、可重用和可重构的;最后，车身质量是汽车质量的重要体现，可以建立一套面向重构的车体质量保证体系，使生产重构后的车体质量得到有效的监控和保证。 根据重构的目的，汽车焊接生产线重构可以分为三种类型:功能重构，调整汽车焊装生产线以适应新的车型和新的生产工艺;产量重构，调整汽车焊装生产线以适应新的产量;技术重构，允许新的焊接技术、焊接设备集成到生产线中，以提高焊接质量。上述三种重构类型并不是孤立的，重构可以同时具有几种目的。为确保制造系统具有可重构性，新的生产线设计从一开始就必须从可重构的角度出发，否则可重构制造系统将变得不切实际而半途天折。1 . 3汽车焊装可重构系统关键支持技术1 .3 . 1 可重构制造系统使能技术 在过去的几年间，有两项使能技术 ( e n a b l e r t e c h n o l o g y ) 使得可重构制造系统实现成为可能，一是开放式信息平台，另一个是模块化机床，其关键因素是模块化的可重构硬件和可重构信息平台7 ,8 1 ( 1 )模块化的可重构硬件 硬件模块化设计目的在于贯彻 “ 零件标准化、部件通用化、产品系列化” ，主要包括内容:模块的划分与分级、模块管理、模块集成;模块之间机械界面的通用化和标准化设计。如何正确划分功能模块是可重构设备的主要研究内容之一。正确合理的模块划分可以简化设备的结构，降低设备的重构频率，提高模块之间的精度匹配，减少重构操作的工作量，美化设备的外观。另外，可重构功能模块的标准化也极其重要，只有实现标准化，才便于组织专业化的大规模生产，实现不同厂家模块的互换。 可重构制造系统要真正得到广泛应用，设计时必须考虑各种界面的标准化，包括:机械、液压、润滑、冷却、电控接头等。模块化设计理论已经出现了几绪 论十年，但在实际中一直没有得到广泛应用。究其原因，主要是机械界面部分研究得很不够， 人们往往将注意力集中在模块的划分、设计和综合方面。 事实上，模块化设计能否得到广泛应用，与机械界面的设计和标准化关系极大。如果不同厂家生产的功能模块不能快速互换，模块化设计就只能局限在某一特定企业的产品上。对于可重构设备，由于重构的频率极高，如果不能实现模块之间的快速高精度互换，可重构设备就没有任何实际意义。界面的标准化研究主要包括以下内容:界面结合的精度、稳定性和可靠性、界面的标准化、模块更换的快速性和方便性。现存标准是基于生产线需要和结构需要的基础上，并不是建立在重构的目的和可重构制造系统的目的之上，因此，它们只能在一些基本的原则和策略下作为界面设计的参考手册。模块之间快速方便的互换决定了必须研究发展统一的机械界面。 c z )基于软构件的可重构信息平台 信息技术是推动和塑造现代制造业的一个最重要的技术驱动因素，在某种意义上， 制造系统即为信息处理系统3 。如果信息平台是僵化的结构， 制造系统的可重构性是不可能实现的。制造系统重构要求软件本身能根据需要进行快速地重组。因此，整个信息平台应当应用软构件的思想支持软件重构，允许应用模块方便地在信息系统内 “ 插入和拔出” 以实现重构。 软构件( s o ft c o m p o n e n t )和基于软构件的软件工程学是软件工程领域新的研究热点。 文献阁 给出了软构件定义:它是一个系统中重要的、基本上是独立的、可替换的部分，在已定义好的软件体系中执行清楚的功能，并提供一系列接口的物理实现;它是明确规定接口和环境附属物所构成组合体的一个单元，它可以被独立调度，并可被第三方所组合。软构件是可重用的软件单元，可以用来构造其它软件，它可以是被封装的原子对象类、功能模块、软件框架、软件系统模型、软件文档，可重用的分析件、设计件等。由此可见，软构件相当于硬件系统中的零件或元器件，可以被灵活的重用，在底层系统的支持下，通过建立相应的联系而成为满足不同需要的应用软件系统，从而彻底改变基于严格逻辑层次关系和相互联系的传统应用软件系统的刚性结构，来适应软件系统的灵活性与柔性方面的要求。 采用软构件思想进行信息平台的设计时应严格按照 c o r b a 规范或者c o m / d c o m标准， 并采用科学的软件系统设计方法和软件系统集成封装方法。在面向对象的程序设计中，软构件类相当于类机制，软构件就是由类生成的类实例对象; 在传统的程序设计中， 软构件相当于过程及其所使用数据的封装体、模块或程序模板、系统分析件和系统设计件，只要符合能重用的原则都可以做成软构件。重庆大学博士学位论文1 3 2 焊装可重构制造关键支持技术现有的汽车焊装生产系统主要分为两大类型焊装系统。固定自动化生产线专门生产一种产品统可生产一系列产品，但生产能力较低，而且设备较昂贵。它们都不能很好地根据市场需求而快速重构。汽车焊装生产系统要具有可重构性，其核心内容同样是模块工艺设备化的可重构硬件和可重构信息平台。此”外，汽车焊装生产线主要由焊接夹具、工艺设备( 悬挂式点焊机、焊接机器手、检即固定自动化生产线和柔性生产效率较高；柔性焊装系夹具5 郇测仪、扣合压力机等) 、移送装置等构成，图1 4 某焊装生产线投资比例示意图图1 4 是长安公司c 1 9 5 焊接车间一条焊f i g i 4 c h a r tf o ri n v e s t m e n to f装生产线投资比例示意图。从图中可以看a u t o m o b i l e w e l d i n g l i n e出，焊接夹具和工艺设备占据了整个焊装生产线的绝大部分投资。由于汽车车身冲压件板厚变化很小，采用的焊接规范变化不是很大，因此不同的焊装生产线使用的工艺设备很大程度上是相同的。但是，不同焊装生产线由于车型的不同或焊接部位的变化，采用的夹具是很难实现整套夹具直接互换。图1 5 可重构汽车焊装生产系统p c d i k 关键支持技术f i g l 5p c d i kk e ys u p p o r tt e c h n i q u eo fa u t o m o b i l er e c o n f i g u r a t i o nw e l d i n gp r o d u c es y s t e m综上所述，汽车焊装生产要实现可重构，工艺设备如焊机等是可以直接重1 绪论新利用的，问题的重点是结合汽车焊装生产本身的特点进行重构规划( p 1 a n n i n g ) 、解决焊接夹具( c l a m p ) 的可重构性、过程诊断( d i a g n o s e ) 、信息平台( i n f o r m a t i o n ) 重构、焊装生产知识库( k n o w l e d g e ) 和计算机仿真( s i m u l a t i o n ) 等方面的研究。因此，汽车焊装生产快速重构关键支持技术可以概括为p c d i k s 技术，如图1 5 所示，其中带+ 号的是本文没有进行研究的技术。( 1 ) 焊装生产线重构规划( p l a n n i n g ) 技术汽车焊装生产线要实现快速重构以响应市场的需求，首先要考虑的问题就是：如何确定新车型的最佳焊装顺序；如何布置新生产线工位；如何确定新生产线的生产节拍，并在各个工位之间取得工作时间的平衡；如何通过重排、重复利用、革新组元方式，最大限度地利用已有的制造资源改造现有的焊接生产线以满足新的焊接生产要求。焊装是汽车制件分块的逆过程，焊装顺序是焊接生产线设计的基础，理论上存在很多焊装顺序的可能，以此类推也存在很多焊装生产线的可能。生成所有可行的焊接结构装配顺序并且选择其中总费用最小的是汽车焊接生产线重构规划设计中至关重要的一个环节，它的好坏直接影响产品质量、制造成本、生产率和经济效益。尽管工作多年的工艺人员在这方面有大量的经验知识，但是由于汽车零件多、复杂程度很高，难免会遗漏一些可行的焊装顺序，此外，经验水平的高低也将导致生成的最佳装配顺序有很大的差异。所以，开发一种系统的、基于一定通用算法和领域知识的装焊顺序生成方法是非常必要的。目前我国焊装顺序规划研究尚未深入开展，因此在设计焊装生产线时缺乏设计依据，虽然拥有先进的单个的焊接设备，却基本上不具备设计和制造汽车先进焊装生产线的能力，只能设计与制造简单的焊装生产线。( 2 ) 焊装夹具( c l a m p ) 快速重构设计技术夹具在汽车焊装线上占有相当大的比例，它的设计制造精度和进度直接影响汽车的制造精度和生产周期。目前汽车焊装夹具主要是专用夹具。专用夹具功能单一，设计过程相对简单，夹具的制造精度、生产率和自动化程度均很高。它的主要缺点是缺乏柔性，只能进行某一特定零件的加工，一旦设计制造完成，其功能和结构就无法更改去适应产品的变化。此外，它的设计制造周期也比较长，制造成本很高。后来引入了简单的组合夹具，它是由预先制造好的、具有各种不同形状和规格尺寸的标准元件和组合件组成的。在冲压件焊装前，根据工件的焊接工艺要求、采用的焊接设备和夹具设计原则，选取夹具元件，确定元件之间的位置关系，组装出汽车焊装生产使用的工装夹具。由于组合夹具应变能力较强、设计和制造周期短、成本低，适应汽车产品更新换代的要求，提高了企业的竞争能力，所以受到了厂家的青睐。组合夹具使用了大量的通用零重庆大学博士学位论文部件，因此它理论上可以实现重构( 通用件重复使用) 以适应焊装对象的变化。但实际上，组合夹具的理论基础并不是建立在可重构基础之上，因此在实践中组合夹具并没有用于重构的i | 的。就目前而言，一套组合夹具一般可以适应2 4个汽车品种的焊装生产。由此可见，传统的夹具设计方式不能满足现代汽车制造系统灵活、快速的要求，必须进行汽车焊装夹具的可重构性研究。焊装夹具快速重构设计是汽车焊装生产重构实现的关键所在。( 3 ) 面向车体焊装重构生产的过程诊断( d i a g n o s e ) 技术汽车制造业为了能快速响应市场变化而进行焊装系统重构以缩短新产品上市周期，这一过程决不能以牺牲汽车质量为代价。汽