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21世紀(jì)初，中國政府提出了自動(dòng)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(dòng)綱領(lǐng)，其中心主題是通過智能的數(shù)據(jù)整合管理實(shí)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(shí)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?yàn)檫@幾年的井噴式發(fā)展，新建工廠在環(huán)保上實(shí)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(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)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(dòng)化和數(shù)據(jù)化上存在很大的技術(shù)發(fā)展瓶頸，因?yàn)樯婕?/span>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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的價(jià)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)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(shí)可實(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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?yàn)樯a(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(shí)會形成巨大的調(diào)試災(zāi)難，迫切需要發(fā)展自動(dòng)作業(yè)程序生成和優(yōu)化的智能技術(shù)。

圖3  自動(dòng)擦凈機(jī)器人（左）和自動(dòng)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?yàn)樘嵘|(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(shí)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(shí)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(gè)顏色生產(chǎn)時(shí)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)的難題，自動(dòng)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(jià)系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)的參數(shù)采集和自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jià)的數(shù)據(jù)采集量小、誤差大和評價(jià)滯后等諸多問題。機(jī)器人自動(dòng)檢測外觀如圖11所示。

圖11  機(jī)器人自動(dòng)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(diǎn)，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(diǎn)。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(shí)，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(gè)點(diǎn)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(dòng)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(jì)公司，已經(jīng)在這方面努力提升，在工廠設(shè)計(jì)中研究全仿真技術(shù)，力求模擬真實(shí)的生產(chǎn)情況。未來按此建設(shè)涂裝車間，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)施、在產(chǎn)品導(dǎo)入時(shí)可以根據(jù)數(shù)據(jù)輸入自動(dòng)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(dòng)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。