螺栓數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在上海大眾汽車的應(yīng)用

李虎（西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司上海第一分公司，上海 200030）

螺栓數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在上海大眾汽車的應(yīng)用

李虎（西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司上海第一分公司，上海 200030）

隨著汽車工業(yè)在我國(guó)的快速發(fā)展及市場(chǎng)的日漸成熟，對(duì)車輛安全性的要求也在不斷提高，車身上裝配的每一個(gè)螺栓的擰緊都要有嚴(yán)格的擰緊力和擰緊角度的要求，以前僅靠扭力扳手?jǐn)Q緊的工藝操作已經(jīng)不能滿足當(dāng)今的螺栓數(shù)據(jù)安全性和追溯性的要求了。文中結(jié)合Bosch高精度擰緊槍和工業(yè)以太網(wǎng)，基于高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)了螺栓數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并應(yīng)用在上海大眾汽車車身車間，實(shí)現(xiàn)了螺栓數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集、質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)追溯。

高精度擰緊槍；PROFINET；螺栓數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

1　引言

過(guò)去，由于車輛構(gòu)造的相對(duì)簡(jiǎn)單，零部件大多采用了車身一體化的生產(chǎn)模式，部件與部件之間的裝配螺栓相對(duì)較少，這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)觀念上對(duì)車輛生產(chǎn)過(guò)程中螺栓擰緊所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)管理重視不夠。而近十年來(lái)，伴隨著汽車制造業(yè)工業(yè)化程度的提高，車輛的構(gòu)造也日益復(fù)雜化，在車輛生產(chǎn)中動(dòng)輒成百上千的擰緊螺栓數(shù)據(jù)面前，僵化的管理觀念已不能再適應(yīng)市場(chǎng)的需要；而隨著自動(dòng)擰緊裝置的普及應(yīng)用，以往的人工數(shù)據(jù)監(jiān)控所固有的管理漏洞也已無(wú)所遁形。傳統(tǒng)的人工預(yù)緊、紙張記錄、抽樣復(fù)核的螺栓數(shù)據(jù)管理方法，大大增加了工作量，提高了數(shù)據(jù)追溯的難度，導(dǎo)致資源利用率和管理效率的低效化，給車輛質(zhì)量管理和最終產(chǎn)品的安全化保障帶來(lái)了很大的困難。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，采用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)高精度擰緊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)并監(jiān)控成為可能，可以將所有單個(gè)獨(dú)立的螺栓擰緊系統(tǒng)連接起來(lái)，通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。本文所討論的是在上海大眾汽車車身車間開發(fā)并已經(jīng)投入使用的基于Bosch高精度擰緊槍和工業(yè)以太網(wǎng)的螺栓數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定和可追溯性。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺栓數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是采集生產(chǎn)過(guò)程中高精度擰緊槍的螺栓擰緊結(jié)果，包括扭矩、角度、合格與否等信息，并結(jié)合FIS（上級(jí)生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)）及現(xiàn)場(chǎng)的車輛信息，識(shí)別出每個(gè)螺栓數(shù)據(jù)，將螺栓擰緊信息保存在歸檔服務(wù)器中，同時(shí)將螺栓結(jié)果實(shí)時(shí)上傳給FIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)螺栓數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定和可追溯性，為日后分析車輛制造數(shù)據(jù)提供依據(jù)。

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

記錄上海大眾某廠車身車間四門兩蓋調(diào)整線生產(chǎn)過(guò)程中每輛車的每個(gè)電動(dòng)擰緊螺栓信息，顯示于質(zhì)量控制工作站上，指導(dǎo)返修操作，并及時(shí)將螺栓數(shù)據(jù)歸檔，便于日后查詢和分析。

同時(shí)，本系統(tǒng)配合掃描槍將車輛信息讀取至系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)車型的自動(dòng)識(shí)別，用于擰緊不同的車型。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和客戶需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩級(jí)架構(gòu)，分別為控制層和數(shù)據(jù)層。控制層由PLC和智能從站ET200S組成，負(fù)責(zé)對(duì)Bosch擰緊槍控制器的擰緊控制，根據(jù)車型信息調(diào)用不同的擰緊程序，使能擰緊槍對(duì)螺栓進(jìn)行擰緊，并指示擰緊結(jié)果；數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)上傳部分組成，數(shù)據(jù)采集部分是將Bosch擰緊槍的擰緊結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并保存在本地服務(wù)器上，數(shù)據(jù)上傳部分是將采集到的螺栓擰緊結(jié)果實(shí)時(shí)上傳給上海大眾的FIS系統(tǒng)，以顯示在相應(yīng)的質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行質(zhì)量控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)從大眾FIS系統(tǒng)獲取制造車輛的相關(guān)信息，包括車型、后蓋信息等，并保存到本地服務(wù)器中，以便車輛進(jìn)入到工位后進(jìn)行查詢和匹配；同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)匹配結(jié)果控制Bosch高精度擰緊槍對(duì)螺栓擰緊，并對(duì)擰緊結(jié)果采集和保存，最后將螺栓擰緊結(jié)果上傳給大眾FIS 系統(tǒng)。工作流程圖如圖2所示。

具體流程如下：

（1) 當(dāng)車輛進(jìn)入擰緊工位時(shí)，工人通過(guò)掃描槍獲取車輛信息，通過(guò)與FIS下發(fā)的信息對(duì)比，獲得車型信息，PLC根據(jù)此信息控制Bosch高精度擰緊槍對(duì)螺栓擰緊；當(dāng)獲取失敗或匹配失敗時(shí)可進(jìn)行手動(dòng)輸入和匹配。

（2) 基于工業(yè)以太網(wǎng)和大眾的XML2.1標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集Bosch高精度擰緊槍的螺栓擰緊結(jié)果，并結(jié)合車輛信息實(shí)時(shí)保存到數(shù)據(jù)服務(wù)器。

（3) 將采集的螺栓擰緊結(jié)果實(shí)時(shí)上傳給FIS系統(tǒng)，通過(guò)質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)對(duì)螺栓質(zhì)量進(jìn)行控制。

圖2 工作流程圖

（4) 當(dāng)有螺栓擰緊不合格時(shí)，車輛需要進(jìn)入到返修工作站進(jìn)行返修，并將返修結(jié)果保存和上傳給大眾FIS系統(tǒng)。

4　系統(tǒng)組成

4.1系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)該系統(tǒng)的兩層架構(gòu)，其硬件組成也分為控制層和數(shù)據(jù)層。

（1）控制層由SIEMENS PLC CPU317F+ET200S+Bosch高精度擰緊槍構(gòu)成，采用PROFINET總線。根據(jù)工藝要求，現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)工位又由一個(gè)掃描槍、一個(gè)MP377觸摸屏（帶E7鑰匙）和一組按鈕指示燈組成。其中掃描槍用來(lái)掃描車身的隨車碼，并將結(jié)果發(fā)送給PLC；MP377作為工位操作指導(dǎo)屏，顯示本工位所有擰緊工序的操作狀態(tài)，并與E7鑰匙開關(guān)聯(lián)動(dòng)作為手動(dòng)操作的入口；按鈕指示燈指示螺栓擰緊結(jié)果，同時(shí)可進(jìn)行螺栓不合格確認(rèn)。

（2）數(shù)據(jù)層的硬件主要由服務(wù)器和工控機(jī)組成，用于運(yùn)行相應(yīng)的軟件程序。其中服務(wù)器用于螺栓數(shù)據(jù)的采集和保存，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQL Server 2008，并接收FIS系統(tǒng)下發(fā)的車型數(shù)據(jù)和保存螺栓擰緊結(jié)果；工程師站用于螺栓擰緊數(shù)據(jù)的查詢和管理；返修PC顯示需要返修的螺栓，并指導(dǎo)工人完成返修。

4.2系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件主要由PLC程序、數(shù)據(jù)采集程序、FIS程序和WinCC程序組成，其中PLC程序和數(shù)據(jù)采集程序需要遵循大眾的XML2.1協(xié)議；FIS程序需要符合FIS數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜MON協(xié)議；WinCC程序作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)和PLC程序數(shù)據(jù)交換的接口，并做一些必要的畫面顯示。

（1）PLC程序主要用于Bosch高精度擰緊槍的邏輯控制，遵循XML2.1協(xié)議。FB300是開發(fā)用于控制Bosch高精度擰緊槍的程序塊，每把擰緊槍都是一個(gè)PLC從站，通訊字節(jié)分別為64字節(jié)的輸入和輸出。FB300程序塊如圖3所示。

圖3 FB300程序塊

（2）數(shù)據(jù)采集程序用于螺栓擰緊結(jié)果的采集，基于XML2.1協(xié)議，以VS C#編程語(yǔ)言為平臺(tái)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)聽擰緊槍控制器網(wǎng)絡(luò)端口，將接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文解析后存儲(chǔ)到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成螺栓結(jié)果的數(shù)據(jù)采集，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序

（3）FIS程序主要功能是接收FIS下發(fā)的車型信息，同時(shí)將螺栓結(jié)果信息上傳給FIS系統(tǒng)。遵循大眾的PMON協(xié)議，通過(guò)VB編程語(yǔ)言編寫FIS程序，具體FIS程序共有四個(gè)通訊通道，分別是數(shù)據(jù)下發(fā)通道，快速請(qǐng)求通道，快速應(yīng)答通道和數(shù)據(jù)上傳通道。

（4）數(shù)據(jù)查詢及分析程序用于螺栓擰緊結(jié)果數(shù)據(jù)的查詢和分析，同時(shí)提供有多種查詢方式，如通過(guò)車輛KNR碼查詢、通過(guò)螺栓編號(hào)查詢、通過(guò)時(shí)間查詢等等，另外還提供螺栓一次合格率分析、小時(shí)生產(chǎn)柱狀圖、3sigam質(zhì)量分析等多種分析方式，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)查詢及分析界面

5　結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)目前已經(jīng)投入使用，并且已經(jīng)取得了預(yù)期的效果，車身四門兩蓋的螺栓數(shù)據(jù)都能夠采集起來(lái)，并且能夠通過(guò)多種查看方式進(jìn)行查詢和分析，做到了數(shù)據(jù)的可后續(xù)處理分析，并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可追溯性。該系統(tǒng)是在上海大眾標(biāo)準(zhǔn)化工廠的一次成功實(shí)踐，隨后上海大眾的其它車身工廠都陸續(xù)上馬了這套系統(tǒng)，從而有效提高了整體汽車工業(yè)的裝配水平。

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Application of Screw Data Management System in Shanghai Volkswagen

With the rapid development of the automobile industry in China and the matured market, it was continuously improved on automobile safety requirements. Every screw of theautomobile body should have strict tightening torque and tightening angle. The way by torque wrench to tighten screw has been unable to meet the requirements of screw data safety and traceability today. In this paper, combined with Bosch EC tightening tools and PROFINET, screw data management system is developed based on Visual Studio language, which realizes stable screw data collection, quality control and good screw data retroactivity.

EC tightening tool; PROFINET; Screw Data Management System

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1003-0492（2016）05-0092-03 中圖分類號(hào)：TP274

李虎（1981-），男，山東淄博人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司，從事汽車電氣自動(dòng)化生產(chǎn)線開發(fā)設(shè)計(jì)工作。