基于案例推理的汽車總裝工藝設計

□ 常建娥 □ 張詩靜 □ 莫易敏 □ 張 峰 □ 秦春清

1.武漢理工大學機電工程學院 武漢 430070

2.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州 545000

1 研究背景

汽車市場的競爭日趨激烈，客戶個性化、多樣化的要求日益顯現。為了贏得市場，各汽車企業加快了新車型的研發速度，以推出不同系列的汽車來響應市場需求［1］。隨著車型更新換代速度加快，生命周期縮短，工藝設計速度也隨之加快。可見，如何有效、快速地設計汽車工藝對企業至關重要。筆者以汽車總裝工藝為主要研究對象，采用基于案例推理的方法，實現總裝工藝快速、準確設計。

國內外學者已對裝配工藝設計進行了多方面探索，并取得了一定成果。孟秀麗［2］提出了基于案例的裝配過程設計，這一方法以裝配過程的輸入信息與優化配置為主要研究對象，實現裝配過程的快速設計。Chen等［3］將基于案例推理的方法運用到汽車車身設計系統中，能自動生成最佳連接類型和裝配順序，實現最小組裝變化。吳銳［4］以裝配模型、子裝配體的識別與劃分為基礎，利用基于案例推理的方法實現裝配工藝的快速規劃。陳靜等［5］以已有工藝和典型工藝為案例，構建多層次零件信息模型，通過計算機實現對相似工藝案例的遞進檢索，從而建立人機交互的基于案例推理的工藝決策模型。

目前，基于案例推理的方法在裝配工藝方面的應用以機加工為主，機械化、自動化程度較高，工藝相對穩定。對裝配工藝的設計，以工藝本身為出發點，利用基于案例推理的方法實現裝配工藝設計。汽車總裝以手工裝配為主，輔以自動化設備，裝配過程繁雜?？傃b時，以白車身為裝配基體，將各功能零部件裝配于白車身，以安裝緊固作業為主。為此，筆者以功能零部件為出發點，分析影響緊固作業的功能零部件主要特征，建立符合汽車總裝特點的案例推理模型，實現裝配工藝的快速設計。

2 基于案例推理的方法概述

基于案例推理的方法由Ronger Schank于1982年提出，之后Kolodener等開發了第一個基于案例推理的應用系統CYRUS［6-7］，其核心思想是在求解新問題時，借助以往類似問題的成功經驗與案例，修正問題的解決方案，最終達到解決當前問題的目的［8］。

基于案例推理的過程為：首先輸入目標案例的相關信息，然后在案例庫中檢索與目標案例相似的案例，接著對相似案例的解決方案進行適當重用與修正，得到目標案例的解決方案，最后對目標案例的解決方案驗證后存入案例庫形成新案例?；诎咐评淼难h流程如圖1所示。

▲圖1 基于案例推理的循環流程

案例的表示是案例檢索和修正的基礎，決定了案例存儲的方式，內容直接影響方法的效率和準確性。案例內容主要由問題描述和解決方案兩部分組成，案例表示的關鍵在于問題描述中主要特征的選取。

案例的檢索是基于案例推理的方法基本問題之一，檢索的效率、準確性直接影響方法的質量和運行效率，主要目的是選取與目標案例最相似的源案例，關鍵技術在于匹配算法的選擇。常見的檢索方法有最鄰近法、歸納索引法、知識庫導引法。

通過案例匹配算法檢索出相似源案例后，判斷目標案例與源案例的異同點。如果目標案例與檢索出的源案例完全匹配，則直接重用源案例；否則，需對檢索出的源案例作適當修正。常用的實例修正方法有人工修正法、基于知識的修正法、案例組合法。

目標案例修正后，采用人工評價方法對新案例進行評價。若認為新案例有價值，則將新案例存入案例庫，以備將來使用；否則，舍棄該案例，以免造成案例庫過大，不利于檢索。

3 基于汽車總裝特征的案例推理模型

近幾年，汽車行業高速發展，車型更新換代日益加快，企業加快了新車型的開發速度。隨著汽車平臺技術、模塊化技術的發展，新車型的開發、設計主要是在已有車型的基礎上進行變型設計。雖然不同車型在結構、外形、配置上存在一定差異，但相似功能零部件的裝配工藝具有相似性，且裝配工藝具有可再用性，因此可將基于案例推理的方法應用于汽車總裝工藝設計。

汽車總裝以經沖壓、焊接及涂裝工藝后的白車身為裝配基體，采用流水線作業，根據車身不同部位的裝配要求，依次經過內飾線、底盤線、終線、檢測線，將各零部件、組件、總成等裝配到車身上，形成整車。作業方式以零部件安裝、緊固為主，輔之以聯結、壓裝和加注冷卻液與制動液等，最后進行整車質量檢測［9～10］。

汽車結構復雜，涉及零部件數量多，主要分為功能零部件和非功能零部件，汽車總裝工藝設計主要就是各功能零部件裝配工藝的設計。在實際生產中，非功能零部件的裝配工藝依附于功能零部件，因此，以功能零部件為對象，以緊固作業方式為主要研究點，確定裝配案例的表示方式。

3.1 主要特征的選取

主要特征關系的檢索效率和準確性，是案例檢索匹配的主要依據。通過咨詢工藝人員，并結合汽車裝配的特點，選取如下主要特征。

（1）零部件規格。規格是零部件物理特征的主要體現，決定了零部件所占的裝配空間。不同規格的相同零部件，在緊固點、所需緊固件工藝方面存在一定差異，因此零部件規格是影響裝配工藝的主要因素之一。

（2）理論質量。功能零部件的質量決定了操作人員的作業負荷，以及拿取、裝配零部件的作業方式。相似功能的零部件，尺寸、材料不同，導致質量不同，從而影響操作人員的作業負荷與作業方式。

（3）緊固點關鍵產品特性。汽車裝配以緊固為主，緊固約占裝配工作量的30%。緊固點的關鍵產品特性關系到功能零部件的性能和安全，進而影響汽車整車的功能和安全，以及顧客滿意度。安全性能等級分為PS1（失效直接導致安全問題）、PS2（失效間接導致安全問題），功能性能等級分為PF1（失效后車功能喪失，無法使用）、PF2（失效后車功能喪失，但仍可使用）。等級不同，裝配過程對工藝的控制也不相同。

（4）緊固件尺寸。功能零部件設計完成后，對應緊固件的尺寸也隨之確定。緊固件尺寸將影響力矩大小，從而影響緊固工具的選擇。

（5）力矩范圍。功能零部件所需力矩范圍關系到所需緊固件和緊固工具，以及裝配作業時間。而汽車總裝采用固定節拍流水線生產方式，作業時間會影響裝配線的平衡。

3.2 裝配案例的表示

裝配案例的表示主要是確定案例中存儲的內容，并尋找一種正確的結構描述案例內容。為使裝配案例的表示形式更加清晰，采用圖2所示層次結構裝配案例表示方式，并存儲于裝配案例庫。

第一層為索引層，也稱為問題域，用于描述影響功能零部件裝配的主要特征。檢索過程中對已有功能零部件的特征與待解決功能零部件的相應區域進行匹配，獲得相似度。

第二層為答案層，也稱為解域，為功能零部件的詳細裝配工藝。利用工業工程的思想，從人、機、料、法、環5個方面設計裝配工藝。

汽車裝配以手工裝配為主，對操作人員要求較高，因此需對人員合理安排，使操作人員負荷均衡。

裝配作業方式以緊固為主，需確定緊固工具設備的信息，方便后期工藝變更時更換工具設備，以及對工具設備的管理。

與功能零部件裝配相關的物料主要是緊固件，其相關信息包括輔助工具設備的選擇，以及緊固件物料配送方式與周期等。

裝配環境確定功能件所處的裝配工段、工位號。當設計相似功能件的裝配工藝時，可判斷該功能件所處的裝配環境，便于工藝文件的檢索。同時，明確功能零部件線旁物料的存儲方式，用于指導物料配送的方式、周期，以及線旁設施布局。

工藝文件詳細記錄功能零部件的具體操作工序及作業時間，用于現場指導操作人員，并以工位號命名工藝文件。當工藝變更時，更改工藝文件的相關項即可。

3.3 裝配案例的檢索

裝配案例的檢索，主要是目標案例與源案例的匹配分析，檢索匹配的目的是衡量目標案例與源案例的相似度。筆者采用分步檢索法，先以功能零部件名稱為關鍵詞，初步檢索相似案例；再通過匹配算法確定最相似案例，指導裝配案例的重用、修正。根據前文論述可知，主要特征除關鍵產品特性為定性特征外，均為定量特征，因此，以相似性度量法和最鄰近檢索法為基礎，提出功能零部件的案例匹配算法，并針對不同特征值屬性，選取相應的計算機制。

▲圖2 裝配案例的表示方法

（1） 令 U=｛u1，u2，...，un｝， 表示功能零部件所具有的一組主要特征。根據前文論述，u1為零部件規格，u2為理論質量，u3為緊固點關鍵產品特性，u4為緊固件尺寸、u5為力矩范圍。

（2） 設 wi=w（ui），表示 ui對應的權重。

筆者采用德爾菲法和層次分析法確定特征項權重。先采用德爾菲法由多個工藝人員根據經驗打分，確定各特征項間的相對重要度，再由層次分析法確定各特征項的權重，見表1。

表1 特征項權重

（3） 令 X=｛x1，x2，x3，x4，x5｝， 表示待求解功能零部件對應的特征值。令 Y=｛y1，y2，y3，y4，y5｝，表示已有功能零部件對應的特征值。 令相似度 S=｛S1（x1，y1），S2（x2，y2），S3（x3，y3），S4（x4，y4），S5（x5，y5）｝。

①特征為單一數值時，其相似度為：

②特征為非單一數值時，將特征值轉化成數據對，用數據對之間的距離衡量相似度：

式中：（a1，a2，...，an） 為特征值 xi對應的數據對，ai≥0；（b1，b2，...，bn） 為特征值 yi對應的數據對，bi≤1；n 取決于特征值的表達方式，特征值為區間二維數據對，n=2，特征值為長、寬、高三維數據對，n=3。

③對于定性特征，當目標案例與源案例所處的性能及等級完全相同時，Si=1（如都為PS1）；當目標案例與源案例所處的性能相同，但等級不同時，Si=0.75（如為PS1與PS2）；當目標案例與源案例所處的性能不同時，Si=0.5（如為 PS1與 PF1）。

（4）計算綜合相似度S：

（5）設匹配閾值為T，根據工藝要求取T=0.9。 當 S≥T（S≥0、T≤1）時，則取得相似案例。

基于以上論述，得到基于案例推理的汽車總裝工藝設計流程，如圖3所示。

3.4 裝配案例的修正與存儲

新車型的開發是在已有車型上進行變型設計，考慮到汽車結構、裝配過程的復雜性，以及實際裝配過程中的約束，要進行人工修正裝配工藝，由工藝人員根據以往經驗知識對檢索出的案例進行適當調整和修正。

對新車型功能零部件的裝配工藝進行驗證、評價后，采用前文所述的裝配案例表示方法存入裝配工藝案例庫中，實時更新、檢查裝配工藝案例庫，從而指導未來裝配工藝的設計。

▲圖3 基于案例推理的汽車總裝工藝設計流程

4 案例分析

某企業CN113車型是基于CN112車型開發的變型產品，因而CN113車型功能零部件的裝配工藝與CN112相似。以功能零部件下彎梁總成為例，分析基于案例推理的方法在汽車總裝工藝中的應用。

以“下彎梁總成”為關鍵詞，在案例庫中初步檢索出相似的功能零部件。

將CN113車型下彎梁總成的主要特征參數輸入裝配案例庫中，通過匹配分析，得到CN113與CN112車型該功能零部件的匹配情況，見表2。

依據前文論述的匹配算法，計算兩者的相似度。

由表2可知，CN113與 CN112在零部件規格、緊固件尺寸兩個特征上表現出良好的一致性，即S1=S4=1。理論質量特征為單一數值，利用式（2）計算其相似度：

對于緊固點關鍵產品特性特征，根據前文論述，S2=0.75。

力矩范圍特征為區間二維數據對，采用式（3）計算其相似度：

則綜合相似度S為：

S＞0.9，可見CN112車型的下彎梁總成為CN113的相似案例，但兩者理論質量、緊固點關鍵產品特性和力矩范圍存在一定差異，因此CN113車型下彎梁總成的裝配工藝需在CN112基礎上做適當修正。

CN113下彎梁總成的理論質量雖與CN112存在一定差異，但差異在可控范圍內，在實際生產中對裝配作業不會造成影響，而緊固點關鍵產品特性、力矩范圍均與緊固件相關。根據工藝人員經驗知識，將下彎梁總成的緊固件由零件號為5497311的M8×20螺栓，替換為零件號為9053017的M8×20螺栓，即可滿足上述兩個特征。結合裝配實例的表示及CN112車型下彎梁總成裝配工藝，得到CN113車型下彎梁總成的裝配工藝，如圖4所示。

▲圖4 CN113車型下彎梁總成裝配工藝

表2 下彎梁總成主要特征匹配情況

CN113車型下彎梁總成的裝配工藝相比CN112車型只做了細微調整，經工藝人員評價，不將該案例作為新案例存入案例庫，避免案例庫過大，不利于檢索。

5 結束語

在論述基于案例推理一般方法的基礎上，結合汽車總裝特征，建立基于汽車總裝特征的案例推理模型，并以具體功能零部件為例，驗證了方法的有效性。規劃設計新車型功能零部件裝配工藝時，通過匹配分析功能零部件自身特征，調用、修正案例庫中類似功能零部件工藝，快速設計新車型功能零部件工藝，提高了裝配工藝設計的效率和質量，避免了工藝的重復設計，降低了裝配工藝設計的難度，減輕了工藝人員的工作負擔，并使已有裝配工藝知識得到充分利用。

［1］李軍均.基于實例的汽車整車開發技術及其應用研究［D］.上海：上海交通大學，2010.

［2］孟秀麗.基于實例的計算機輔助裝配過程設計［J］.計算機集成制造系統， 2010， 16（11）：2355-2362.

［3］CHEN G L，ZHOU J Q，CAI W，et al.A Framework for an Automotive Body Assembly ProcessDesign System ［J］.Computer-Aided Design， 2006， 38（5）：531-539.

［4］吳銳.面向工藝重用的裝配關鍵技術研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2008.

［5］陳靜，楊桂華，劉輝.基于實例推理CAPP的工藝決策模型研究［J］.機床與液壓， 2010， 38（7）：109-112.

［6］KOLODNER J L.Improving Human Decision Making through Case-based Decision Aiding［J］.AI Magazine， 1991，12（2）：52-68.

［7］HINRICHS T R， KOLODNER J L.The Roles of Adaptation in Case-based Design［C］.National Conference on Artificial Intelligence，1991.

［8］晁代章.基于實例的計算機輔助裝配工藝設計研究與應用［D］.重慶：重慶大學，2007.

［9］王雷頂.面向汽車總裝生產線的仿真研究與應用［D］.南京：南京航空航天大學，2016.

［10］曹振新，朱云龍，李富明.混流轎車總裝配線的動態規劃與仿真優化研究［J］.計算機集成制造系統，2006，12（4）：526-532.