基于案例推理的汽车总装工艺设计

□ 常建娥 □ 张诗静 □ 莫易敏 □ 张 峰 □ 秦春清

1.武汉理工大学机电工程学院 武汉 430070

2.上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州 545000

1 研究背景

汽车市场的竞争日趋激烈，客户个性化、多样化的要求日益显现。为了赢得市场，各汽车企业加快了新车型的研发速度，以推出不同系列的汽车来响应市场需求［1］。随着车型更新换代速度加快，生命周期缩短，工艺设计速度也随之加快。可见，如何有效、快速地设计汽车工艺对企业至关重要。笔者以汽车总装工艺为主要研究对象，采用基于案例推理的方法，实现总装工艺快速、准确设计。

国内外学者已对装配工艺设计进行了多方面探索，并取得了一定成果。孟秀丽［2］提出了基于案例的装配过程设计，这一方法以装配过程的输入信息与优化配置为主要研究对象，实现装配过程的快速设计。Chen等［3］将基于案例推理的方法运用到汽车车身设计系统中，能自动生成最佳连接类型和装配顺序，实现最小组装变化。吴锐［4］以装配模型、子装配体的识别与划分为基础，利用基于案例推理的方法实现装配工艺的快速规划。陈静等［5］以已有工艺和典型工艺为案例，构建多层次零件信息模型，通过计算机实现对相似工艺案例的递进检索，从而建立人机交互的基于案例推理的工艺决策模型。

目前，基于案例推理的方法在装配工艺方面的应用以机加工为主，机械化、自动化程度较高，工艺相对稳定。对装配工艺的设计，以工艺本身为出发点，利用基于案例推理的方法实现装配工艺设计。汽车总装以手工装配为主，辅以自动化设备，装配过程繁杂。总装时，以白车身为装配基体，将各功能零部件装配于白车身，以安装紧固作业为主。为此，笔者以功能零部件为出发点，分析影响紧固作业的功能零部件主要特征，建立符合汽车总装特点的案例推理模型，实现装配工艺的快速设计。

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等开发了第一个基于案例推理的应用系统CYRUS［6-7］，其核心思想是在求解新问题时，借助以往类似问题的成功经验与案例，修正问题的解决方案，最终达到解决当前问题的目的［8］。

基于案例推理的过程为：首先输入目标案例的相关信息，然后在案例库中检索与目标案例相似的案例，接着对相似案例的解决方案进行适当重用与修正，得到目标案例的解决方案，最后对目标案例的解决方案验证后存入案例库形成新案例。基于案例推理的循环流程如图1所示。

▲图1 基于案例推理的循环流程

案例的表示是案例检索和修正的基础，决定了案例存储的方式，内容直接影响方法的效率和准确性。案例内容主要由问题描述和解决方案两部分组成，案例表示的关键在于问题描述中主要特征的选取。

案例的检索是基于案例推理的方法基本问题之一，检索的效率、准确性直接影响方法的质量和运行效率，主要目的是选取与目标案例最相似的源案例，关键技术在于匹配算法的选择。常见的检索方法有最邻近法、归纳索引法、知识库导引法。

通过案例匹配算法检索出相似源案例后，判断目标案例与源案例的异同点。如果目标案例与检索出的源案例完全匹配，则直接重用源案例；否则，需对检索出的源案例作适当修正。常用的实例修正方法有人工修正法、基于知识的修正法、案例组合法。

目标案例修正后，采用人工评价方法对新案例进行评价。若认为新案例有价值，则将新案例存入案例库，以备将来使用；否则，舍弃该案例，以免造成案例库过大，不利于检索。

3 基于汽车总装特征的案例推理模型

近几年，汽车行业高速发展，车型更新换代日益加快，企业加快了新车型的开发速度。随着汽车平台技术、模块化技术的发展，新车型的开发、设计主要是在已有车型的基础上进行变型设计。虽然不同车型在结构、外形、配置上存在一定差异，但相似功能零部件的装配工艺具有相似性，且装配工艺具有可再用性，因此可将基于案例推理的方法应用于汽车总装工艺设计。

汽车总装以经冲压、焊接及涂装工艺后的白车身为装配基体，采用流水线作业，根据车身不同部位的装配要求，依次经过内饰线、底盘线、终线、检测线，将各零部件、组件、总成等装配到车身上，形成整车。作业方式以零部件安装、紧固为主，辅之以联结、压装和加注冷却液与制动液等，最后进行整车质量检测［9～10］。

汽车结构复杂，涉及零部件数量多，主要分为功能零部件和非功能零部件，汽车总装工艺设计主要就是各功能零部件装配工艺的设计。在实际生产中，非功能零部件的装配工艺依附于功能零部件，因此，以功能零部件为对象，以紧固作业方式为主要研究点，确定装配案例的表示方式。

3.1 主要特征的选取

主要特征关系的检索效率和准确性，是案例检索匹配的主要依据。通过咨询工艺人员，并结合汽车装配的特点，选取如下主要特征。

（1）零部件规格。规格是零部件物理特征的主要体现，决定了零部件所占的装配空间。不同规格的相同零部件，在紧固点、所需紧固件工艺方面存在一定差异，因此零部件规格是影响装配工艺的主要因素之一。

（2）理论质量。功能零部件的质量决定了操作人员的作业负荷，以及拿取、装配零部件的作业方式。相似功能的零部件，尺寸、材料不同，导致质量不同，从而影响操作人员的作业负荷与作业方式。

（3）紧固点关键产品特性。汽车装配以紧固为主，紧固约占装配工作量的30%。紧固点的关键产品特性关系到功能零部件的性能和安全，进而影响汽车整车的功能和安全，以及顾客满意度。安全性能等级分为PS1（失效直接导致安全问题）、PS2（失效间接导致安全问题），功能性能等级分为PF1（失效后车功能丧失，无法使用）、PF2（失效后车功能丧失，但仍可使用）。等级不同，装配过程对工艺的控制也不相同。

（4）紧固件尺寸。功能零部件设计完成后，对应紧固件的尺寸也随之确定。紧固件尺寸将影响力矩大小，从而影响紧固工具的选择。

（5）力矩范围。功能零部件所需力矩范围关系到所需紧固件和紧固工具，以及装配作业时间。而汽车总装采用固定节拍流水线生产方式，作业时间会影响装配线的平衡。

3.2 装配案例的表示

装配案例的表示主要是确定案例中存储的内容，并寻找一种正确的结构描述案例内容。为使装配案例的表示形式更加清晰，采用图2所示层次结构装配案例表示方式，并存储于装配案例库。

第一层为索引层，也称为问题域，用于描述影响功能零部件装配的主要特征。检索过程中对已有功能零部件的特征与待解决功能零部件的相应区域进行匹配，获得相似度。

第二层为答案层，也称为解域，为功能零部件的详细装配工艺。利用工业工程的思想，从人、机、料、法、环5个方面设计装配工艺。

汽车装配以手工装配为主，对操作人员要求较高，因此需对人员合理安排，使操作人员负荷均衡。

装配作业方式以紧固为主，需确定紧固工具设备的信息，方便后期工艺变更时更换工具设备，以及对工具设备的管理。

与功能零部件装配相关的物料主要是紧固件，其相关信息包括辅助工具设备的选择，以及紧固件物料配送方式与周期等。

装配环境确定功能件所处的装配工段、工位号。当设计相似功能件的装配工艺时，可判断该功能件所处的装配环境，便于工艺文件的检索。同时，明确功能零部件线旁物料的存储方式，用于指导物料配送的方式、周期，以及线旁设施布局。

工艺文件详细记录功能零部件的具体操作工序及作业时间，用于现场指导操作人员，并以工位号命名工艺文件。当工艺变更时，更改工艺文件的相关项即可。

3.3 装配案例的检索

装配案例的检索，主要是目标案例与源案例的匹配分析，检索匹配的目的是衡量目标案例与源案例的相似度。笔者采用分步检索法，先以功能零部件名称为关键词，初步检索相似案例；再通过匹配算法确定最相似案例，指导装配案例的重用、修正。根据前文论述可知，主要特征除关键产品特性为定性特征外，均为定量特征，因此，以相似性度量法和最邻近检索法为基础，提出功能零部件的案例匹配算法，并针对不同特征值属性，选取相应的计算机制。

▲图2 装配案例的表示方法

（1） 令 U=｛u1，u2，...，un｝， 表示功能零部件所具有的一组主要特征。根据前文论述，u1为零部件规格，u2为理论质量，u3为紧固点关键产品特性，u4为紧固件尺寸、u5为力矩范围。

（2） 设 wi=w（ui），表示 ui对应的权重。

笔者采用德尔菲法和层次分析法确定特征项权重。先采用德尔菲法由多个工艺人员根据经验打分，确定各特征项间的相对重要度，再由层次分析法确定各特征项的权重，见表1。

表1 特征项权重

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

①特征为单一数值时，其相似度为：

②特征为非单一数值时，将特征值转化成数据对，用数据对之间的距离衡量相似度：

式中：（a1，a2，...，an） 为特征值 xi对应的数据对，ai≥0；（b1，b2，...，bn） 为特征值 yi对应的数据对，bi≤1；n 取决于特征值的表达方式，特征值为区间二维数据对，n=2，特征值为长、宽、高三维数据对，n=3。

③对于定性特征，当目标案例与源案例所处的性能及等级完全相同时，Si=1（如都为PS1）；当目标案例与源案例所处的性能相同，但等级不同时，Si=0.75（如为PS1与PS2）；当目标案例与源案例所处的性能不同时，Si=0.5（如为 PS1与 PF1）。

（4）计算综合相似度S：

（5）设匹配阈值为T，根据工艺要求取T=0.9。 当 S≥T（S≥0、T≤1）时，则取得相似案例。

基于以上论述，得到基于案例推理的汽车总装工艺设计流程，如图3所示。

3.4 装配案例的修正与存储

新车型的开发是在已有车型上进行变型设计，考虑到汽车结构、装配过程的复杂性，以及实际装配过程中的约束，要进行人工修正装配工艺，由工艺人员根据以往经验知识对检索出的案例进行适当调整和修正。

对新车型功能零部件的装配工艺进行验证、评价后，采用前文所述的装配案例表示方法存入装配工艺案例库中，实时更新、检查装配工艺案例库，从而指导未来装配工艺的设计。

▲图3 基于案例推理的汽车总装工艺设计流程

4 案例分析

某企业CN113车型是基于CN112车型开发的变型产品，因而CN113车型功能零部件的装配工艺与CN112相似。以功能零部件下弯梁总成为例，分析基于案例推理的方法在汽车总装工艺中的应用。

以“下弯梁总成”为关键词，在案例库中初步检索出相似的功能零部件。

将CN113车型下弯梁总成的主要特征参数输入装配案例库中，通过匹配分析，得到CN113与CN112车型该功能零部件的匹配情况，见表2。

依据前文论述的匹配算法，计算两者的相似度。

由表2可知，CN113与 CN112在零部件规格、紧固件尺寸两个特征上表现出良好的一致性，即S1=S4=1。理论质量特征为单一数值，利用式（2）计算其相似度：

对于紧固点关键产品特性特征，根据前文论述，S2=0.75。

力矩范围特征为区间二维数据对，采用式（3）计算其相似度：

则综合相似度S为：

S＞0.9，可见CN112车型的下弯梁总成为CN113的相似案例，但两者理论质量、紧固点关键产品特性和力矩范围存在一定差异，因此CN113车型下弯梁总成的装配工艺需在CN112基础上做适当修正。

CN113下弯梁总成的理论质量虽与CN112存在一定差异，但差异在可控范围内，在实际生产中对装配作业不会造成影响，而紧固点关键产品特性、力矩范围均与紧固件相关。根据工艺人员经验知识，将下弯梁总成的紧固件由零件号为5497311的M8×20螺栓，替换为零件号为9053017的M8×20螺栓，即可满足上述两个特征。结合装配实例的表示及CN112车型下弯梁总成装配工艺，得到CN113车型下弯梁总成的装配工艺，如图4所示。

▲图4 CN113车型下弯梁总成装配工艺

表2 下弯梁总成主要特征匹配情况

CN113车型下弯梁总成的装配工艺相比CN112车型只做了细微调整，经工艺人员评价，不将该案例作为新案例存入案例库，避免案例库过大，不利于检索。

5 结束语

在论述基于案例推理一般方法的基础上，结合汽车总装特征，建立基于汽车总装特征的案例推理模型，并以具体功能零部件为例，验证了方法的有效性。规划设计新车型功能零部件装配工艺时，通过匹配分析功能零部件自身特征，调用、修正案例库中类似功能零部件工艺，快速设计新车型功能零部件工艺，提高了装配工艺设计的效率和质量，避免了工艺的重复设计，降低了装配工艺设计的难度，减轻了工艺人员的工作负担，并使已有装配工艺知识得到充分利用。

［1］李军均.基于实例的汽车整车开发技术及其应用研究［D］.上海：上海交通大学，2010.

［2］孟秀丽.基于实例的计算机辅助装配过程设计［J］.计算机集成制造系统， 2010， 16（11）：2355-2362.

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［4］吴锐.面向工艺重用的装配关键技术研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2008.

［5］陈静，杨桂华，刘辉.基于实例推理CAPP的工艺决策模型研究［J］.机床与液压， 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.

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