韓星 李高

（上汽通用汽車有限公司，上海 201208）

1 前言

試制車間主導開發(fā)的電控無線扭矩系統(tǒng)是通過數(shù)字信號傳感器和軟件編程實現(xiàn)裝配擰緊、過程控制、數(shù)據(jù)采集儲存和管理等一系列功能的一整套電腦、電動工具、應(yīng)用軟件和網(wǎng)絡(luò)的集成，其主要由3 部分組成：服務(wù)器、工作臺（含控制器，電動工具和軟件）、培訓和標定車（含工具管理軟件）。

通過系統(tǒng)控制擰緊裝配，由傳感器式擰緊工具自動采集過程曲線和擰緊結(jié)果，通過系統(tǒng)的自動配對、計數(shù)和邏輯校驗，實現(xiàn)系統(tǒng)自動激活合適的工具和擰緊程序，自動判斷擰緊完成和未達標狀態(tài)。每個裝配操作的人員、零件信息、擰緊結(jié)果等都互相關(guān)聯(lián)，形成完整的追溯鏈，顯著改善擰緊的質(zhì)量控制和過程追溯。其中關(guān)鍵難點是如何高效的實現(xiàn)單車單零件的程序準確調(diào)取，也是本系統(tǒng)向智能化系統(tǒng)推進的重要步驟，本文以此為出發(fā)點進行闡述。

2 無線扭矩系統(tǒng)簡要概述

如圖1 所示，改進前扭矩擰緊及質(zhì)量管控主要依靠人工。員工根據(jù)零件的扭矩信息進行擰緊工具的參數(shù)設(shè)置，人工擰緊后進行手工記錄，需要耗費大量的人力分層審核，確保零質(zhì)量問題。隨著項目和車型的增加對人員能力提出更高的要求，同時伴隨著國家智能制造策略的推進，扭矩擰緊需要向數(shù)字化智能化方向推進。

圖1 電控扭矩系統(tǒng)背景及改進方向

改進后扭矩擰緊及質(zhì)量管控減少了人工干預，向自動化智能化推進。標準的工作臺可以接收數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)，控制器接收到數(shù)據(jù)后匹配對應(yīng)的擰緊程序，激活相應(yīng)的擰緊工具，擰緊后數(shù)據(jù)自動采集并通過工作臺回傳至服務(wù)器，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)下發(fā)到擰緊結(jié)果記錄上傳全過程的自動化。后臺的程序庫和零件扭矩參數(shù)關(guān)系的建立需要人工進行分解整合，需要有高效準確的解決方案，屬于扭矩系統(tǒng)數(shù)據(jù)預處理研究范疇。

3 扭矩系統(tǒng)預處理具體要求

結(jié)合圖2 可以看出，扭矩系統(tǒng)預處理解決“項目標準物料清單（BOM）”到“工具能調(diào)用到擰緊程序”的研究范圍，需要具體解決以下3 個問題：

圖2 預處理數(shù)據(jù)流

a.BOM 系統(tǒng)傳遞過來的標準BOM 如何打散到單車BOM。標準BOM 是到配置級別的BOM，扭矩系統(tǒng)需要輸入的是單車BOM，需要建立兩者的轉(zhuǎn)換橋梁。

b.單車BOM 的零件的扭矩樣式有多種，如普通型D100+/-15NM S85-115NM，D1.2+/-0.2NM S1NMMIN FDSNS，帶角度型INSTALL D100NM+45TO60DEG(YIELD)|TORQ:CONTROLLER TORQUE AT FINAL ANGLE:110-220NM|TORQ:AUDIT:S110-220NM，規(guī)則可以統(tǒng)一為以D 開頭的都是動態(tài)扭矩，以S 開頭的都是靜態(tài)扭矩，DEG 代表角度等。工程通過單一字符串發(fā)布扭矩信息，需要將其控制參數(shù)識別出來并轉(zhuǎn)化為工具能夠識別的格式，扭矩發(fā)布形式多樣且存在多扭矩狀態(tài)，常規(guī)函數(shù)算法無法自動精確識別和提取到需要的數(shù)據(jù)。

c.如果給每一個需要緊固的零件定制一個擰緊程序，以每一個程序編寫需要5 min、每個項目300 個擰緊點來計算，需要投入3 天左右的人時，需要提升效率。

4 數(shù)據(jù)預處理的實現(xiàn)方法

4.1 VBA 編程實現(xiàn)標準BOM 到單車BOM 的數(shù)據(jù)拆解

定義目標為應(yīng)現(xiàn)場精細化控制要求需要實現(xiàn)一車一BOM；BOM 維護的數(shù)據(jù)量隨車輛數(shù)累加，萬行以上的BOM 數(shù)據(jù)維護非常困難，解決方案如下。

創(chuàng)建三維BOM 結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一車一BOM 的管理，BOM維護的數(shù)據(jù)量控制在百行以內(nèi)。單車BOM利用軟件從三維結(jié)構(gòu)BOM 自動生成并與三維結(jié)構(gòu)BOM 數(shù)據(jù)同步。如圖3所示，三維空間中XY平面表達了項目“車型配置-零件信息”的對應(yīng)關(guān)系，可以理解為項目標準BOM，三維空間中的XZ平面表達了“車型配置-項目車號”的對應(yīng)關(guān)系，需要項目前期輸入信息，最后需要得到的輸出為YZ平面信息，“項目車號-零件信息”的關(guān)系即為單車BOM。通過VBA（Visual Basic 的一種宏語言）自開法的軟件設(shè)計一鍵實現(xiàn)單車BOM 自動生成，只需要維護標準BOM 和項目車號配置表，改變了原本直接進行單車BOM的維護方法，每次只需要維護變化點數(shù)據(jù)。

圖3 構(gòu)建的三維BOM

4.2 Python編程實現(xiàn)零件扭矩參數(shù)的自動生成

定義目標為根據(jù)BOM 扭矩信息字符串自動提取扭矩參數(shù)，參數(shù)包含扭矩標準值、扭矩公差、靜態(tài)扭矩上下限、貼合扭矩、角度上下限等。擰緊工具的擰緊程序自動匹配是通過BOM 中各零件的扭矩參數(shù)和程序庫程序的對應(yīng)的參數(shù)進行匹配，由于BOM 中的扭矩信息是字符串數(shù)據(jù)且格式多樣，工具控制需要的數(shù)據(jù)需人工二次加工，具體解決方案如下。

解決方案：分析扭矩字符串的規(guī)律，利用Python 自主編程進行扭矩參數(shù)智能識別和自動轉(zhuǎn)化，程序邏輯如圖4 所示，讀取BOM 表完整信息，判讀扭矩列類單個單元格中的動態(tài)扭矩的個數(shù)，如有多個動態(tài)扭矩，將對應(yīng)的零件信息復制拆解為多行的單一扭矩信息，根據(jù)扭矩表達式的類型定義不同的正則表達式提取扭矩參數(shù)并填寫到對應(yīng)的單元格中，完成遍歷后保存信息，即完成參數(shù)的自動提取功能。Python 編程程序便于維護，是一種近幾年流行起來的跨平臺的、面向?qū)ο蟮?、通用的、開放的編程語言[1]。

圖4 扭矩拆解邏輯

4.3 VBA編程實現(xiàn)工具擰緊程序庫維護與匹配

定義目標為零件根據(jù)扭矩參數(shù)自動匹配擰緊程序。每個擰緊零件的擰緊都需要工具有對應(yīng)正確的程序，如果對每一個零件定制編程，對單個項目而言需要進行大量重復的編程調(diào)參工作。實際對每個擰緊程序進行分析，有大量參數(shù)雷同，重復會導致工事的浪費，解決方案如下。

建立擰緊程序中心化管理策略，基于扭矩參數(shù)唯一性創(chuàng)建擰緊程序庫，擰緊程序庫供所有項目和車輛共用，由軟件自動進行零件扭矩參數(shù)和擰緊程序配對引用。如圖5 所示，原始方式是每個項目根據(jù)零件的扭矩參數(shù)編制對應(yīng)的擰緊程序，通過采用中心化的管理方式，對于項目只需要將新的扭矩參數(shù)對應(yīng)擰緊程序加入到擰緊程序庫，通過開發(fā)的VBA 程序?qū)π马椖康乃行枰獢Q緊的緊固件進行擰緊程序匹配。這樣就實現(xiàn)了僅對變換點的零件進行擰緊程序編程，大幅提升了編程效率。

圖5 新項目擰緊程序匹配

4.4 擰緊程序庫調(diào)用

上述3 步操作完成之后，結(jié)合系統(tǒng)的擰緊數(shù)據(jù)庫，根據(jù)調(diào)用邏輯可以完成單車緊固件的唯一程序的調(diào)用。

如圖6 所示，為BOM 導入之后自動生成的扭矩類型、擰緊點數(shù)、貼合扭矩、扭矩下限、扭矩公稱值、扭矩上限、角度下限、角度目標值、角度上限的結(jié)構(gòu)化的信息，用于和程序庫匹配信息基準。

如圖7 所示為扭矩系統(tǒng)程序庫部分信息表，以扭矩信息為表主鍵進行結(jié)構(gòu)化的拆解，輸入到扭矩系統(tǒng)中，對工作臺的電槍實現(xiàn)程序綁定。結(jié)合圖6拆解的扭矩角度、扭矩上下限、目標扭矩等信息進行匹配，在執(zhí)行單車單零件扭矩時，調(diào)用工作臺上對應(yīng)的工具，工具執(zhí)行對應(yīng)的程序號。每個工作臺上的電槍適用的扭矩范圍不一樣，一個完整的工作臺有6 把工具組成，可以柔性覆蓋全車型。如BOM有新增扭矩信息，只需要進行程序增加即可滿足新車型新扭矩需求，對于其中有特殊要求的扭矩，單獨編制擰緊程序，將程序號分配給特殊零件即可滿足要求。程序的匹配邏輯和防錯可以參考關(guān)于本系統(tǒng)的另外一篇論文[2]。

圖6 部分BOM的扭矩自動拆解后的信息表

圖7 扭矩系統(tǒng)程序庫部分信息表

5 數(shù)據(jù)自動處理成果展示

上述方法已經(jīng)應(yīng)用到試制扭矩系統(tǒng)的前期數(shù)據(jù)處理中，程序自動處理數(shù)據(jù)，降低人為操作的失誤風險，另外在數(shù)據(jù)前處理的效率上提升了76%，實現(xiàn)團隊“項目導入準備周期從2 周壓縮到3 天以內(nèi)”的目標，具體各項收益如圖8 所示。

圖8 新項目收益匯總

6 結(jié)束語

無線扭矩系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了整車在試制裝配階段的擰緊過程的擰緊結(jié)果控制和過程質(zhì)量監(jiān)控，對整車的質(zhì)量和安全起到了關(guān)鍵作用，滿足對安全關(guān)鍵零件和質(zhì)量關(guān)鍵零件最新的全球控制計劃控制要求。該套扭矩系統(tǒng)從設(shè)計開發(fā)到應(yīng)用，已成熟應(yīng)用于試制車間。本文的研究內(nèi)容是進一步縮短了項目準備的時間，同時這個過程的實現(xiàn)也是通過Python 或VBA 編程語言實現(xiàn)，利用數(shù)字化的方法推動了試制擰緊系統(tǒng)向智能化起到了進一步的推動作用，符合當前國家智能制造推動的方向。