關(guān)鍵詞：車身自動(dòng)化生產(chǎn)線；設(shè)計(jì)原則；工藝流程；設(shè)備選型；布局優(yōu)化；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：U468.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著國(guó)內(nèi)人口紅利的消退和市場(chǎng)盈利環(huán)境惡化，車企用工成本和代價(jià)正在不斷提高，少人化或無人化汽車生產(chǎn)線已變成未來發(fā)展的必然趨勢(shì)?；谝陨弦蛩?，同時(shí)也為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們ME工程師必須開拓思路，提前制定好前進(jìn)目標(biāo)，來實(shí)現(xiàn)少人化或無人化汽車生產(chǎn)線的開發(fā)設(shè)計(jì)。另外隨著個(gè)性化定制時(shí)代的到來，常規(guī)的剛性生產(chǎn)線已不能較好地滿足日益增加的車型種類的生產(chǎn)需求，柔性生產(chǎn)成為未來生產(chǎn)線的必須具備的基本功能要求。本文主要闡述一種少人化或無人化汽車生產(chǎn)并行島（線）的開發(fā)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，其主要內(nèi)容是將整個(gè)汽車生產(chǎn)工藝鏈視為一條全流程路徑，各分拼產(chǎn)線則為其中的關(guān)鍵的環(huán)節(jié)服務(wù)。為滿足不同車型的柔性生產(chǎn)，將全流程中各分拼線作為一個(gè)個(gè)并行島來開發(fā)，按照搭積木的造車方式完成最終的串聯(lián)生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)生產(chǎn)流程、高效生產(chǎn)的目的。

某基地車身車間自投產(chǎn)以來，已服務(wù)將近十年。然而，由于產(chǎn)線的自動(dòng)化率較低，使得生產(chǎn)效率受到一定影響。目前，該車間主要生產(chǎn)某平臺(tái)系列車型，其中前車體區(qū)域全部為手工線，每條生產(chǎn)線所需的操作人員為20人。正常排產(chǎn)為滿足生產(chǎn)需同時(shí)開兩條線需40人來滿足主線生產(chǎn)，而在產(chǎn)品需求淡季時(shí)則會(huì)單線降節(jié)拍生產(chǎn)，此時(shí)所需人員12～15人即可。人員波動(dòng)大，車間運(yùn)行存在較多浪費(fèi)。同時(shí)，前車體區(qū)域零件尺寸較大，人工點(diǎn)焊及工位轉(zhuǎn)運(yùn)操作存在不同程度的困難，人機(jī)工程相對(duì)較差。為消除此區(qū)域相關(guān)的員工職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提升產(chǎn)線自動(dòng)化率，公司決定選取此平臺(tái)系列車身前車體線作為公司首批少人化/無人化改造區(qū)域。

通過對(duì)該區(qū)域的改造，將有效降低人力成本，提高生產(chǎn)效率，減少浪費(fèi)，并提升產(chǎn)品質(zhì)量[1]。改造過程中，公司將引入先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備和技術(shù)，如機(jī)器人焊接、自動(dòng)化搬運(yùn)系統(tǒng)等，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，改造后的產(chǎn)線將具備更高的柔性，能夠快速適應(yīng)市場(chǎng)變化和產(chǎn)品升級(jí)。在提高產(chǎn)線自動(dòng)化率的同時(shí)，公司還將注重員工培訓(xùn)和技能提升，確保員工能夠適應(yīng)新的生產(chǎn)環(huán)境和工作要求。通過此次改造，公司將進(jìn)一步鞏固其在汽車制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，并為未來的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

1前車體分拼島產(chǎn)線設(shè)計(jì)目標(biāo)及效果

基于當(dāng)前基地車身生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，結(jié)合未來無人化車間規(guī)劃，因此提出在車身車間建設(shè)一條投資成本低，人員數(shù)量少，柔性生產(chǎn)效率高的自動(dòng)化前車體分拼島。這一舉措旨在應(yīng)對(duì)用工成本高及不同產(chǎn)量下的人員穩(wěn)定性問題。

本次以前車體分拼島產(chǎn)線設(shè)計(jì)為載體，設(shè)計(jì)節(jié)拍凈輸出達(dá)80JPH，足以滿足2條主線的正常生產(chǎn)需求。此次設(shè)計(jì)采用了精益的魚骨式生產(chǎn)線布局，將不同車型的拼臺(tái)分列兩側(cè)，中間布置共用的焊接機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人（圖1）。這些機(jī)器人的平均效率可達(dá)86%，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。通過這一創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)和布局，不僅大幅提高了生產(chǎn)效率，還顯著降低了人力成本，同時(shí)也增強(qiáng)了車間的柔性生產(chǎn)能力，為未來的無人化車間奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2前車體分拼島產(chǎn)線設(shè)計(jì)理念及關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過分析，要使前車體分拼島產(chǎn)線高效運(yùn)行，產(chǎn)線必須具備以下幾個(gè)前提條件。

2.1創(chuàng)新性的“非”字型工藝布局方式

經(jīng)仿真驗(yàn)證，選擇了發(fā)那科400L機(jī)器人作為搬運(yùn)機(jī)器人，并在單工位布置兩臺(tái)210F機(jī)器人作為點(diǎn)焊機(jī)器人（圖2），以實(shí)現(xiàn)工藝運(yùn)行的需求。根據(jù)既定目標(biāo)80JPH–43S（95.0%效率）的設(shè)計(jì)目標(biāo)，正常運(yùn)行速度下，每臺(tái)機(jī)器人預(yù)計(jì)將完成大約12～13個(gè)焊點(diǎn)的任務(wù)。選取焊點(diǎn)最多的在產(chǎn)車型作為設(shè)計(jì)對(duì)象，其前車體總焊點(diǎn)數(shù)達(dá)到103個(gè)焊點(diǎn)，因此我們按照8臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人的布局來滿足設(shè)計(jì)要求。

這樣的布局不僅提高了生產(chǎn)效率，還確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時(shí)也為未來的生產(chǎn)需求留下了擴(kuò)展的空間。通過這種精確的布局和高效的設(shè)計(jì)，我們能夠滿足當(dāng)前生產(chǎn)的需求，同時(shí)也為未來的擴(kuò)展和升級(jí)提供了可能性。

2.2設(shè)備共用化設(shè)計(jì)

我們采用了平臺(tái)化布局，使得左右兩側(cè)車型對(duì)應(yīng)相同工位的轉(zhuǎn)運(yùn)抓手能夠?qū)崿F(xiàn)共用化。以1#搬運(yùn)機(jī)器人為例，該機(jī)器人在完成A1工位到A2工位的搬運(yùn)任務(wù)后，無需切換或僅需極短的切換時(shí)間，即可旋轉(zhuǎn)180度執(zhí)行B1到B2的搬運(yùn)工作，從而完成一個(gè)搬運(yùn)循環(huán)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)搬進(jìn)搬出各12秒的節(jié)拍計(jì)算，搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)行效率可達(dá)55.8%，相較于常規(guī)產(chǎn)線的搬運(yùn)效率提升了26%。此外，4#搬運(yùn)機(jī)器人還增加了空中補(bǔ)焊工藝（圖3），其運(yùn)行效率更是高達(dá)95.0%，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)線運(yùn)行的穩(wěn)定性。這種共用化設(shè)計(jì)不僅提高了設(shè)備的利用率，還減少了設(shè)備投資和維護(hù)成本，為車身車間的高效運(yùn)行提供了有力支持。

2.3總成轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)化

前車體總成零件因其龐大的尺寸，在人工轉(zhuǎn)運(yùn)中存在顯著的人機(jī)工程問題。即便利用成熟的自行小車設(shè)計(jì)，由于兩側(cè)均需轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致需要投入兩套設(shè)備，這顯得不夠精益。為解決這一問題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一臺(tái)大臂展的機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)兩側(cè)的共同搬運(yùn)（圖4）。為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化抓手共用，我們根據(jù)已有的抓手的銷孔/夾持特點(diǎn)形成了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，要求后續(xù)投產(chǎn)車型必須是同平臺(tái)且差異較小。在當(dāng)前的3個(gè)車型中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了后部左右銷孔/大梁夾持位置及前部左右大梁夾持位置完全一樣。對(duì)于后續(xù)車型的導(dǎo)入，當(dāng)前的銷孔及夾持位置必須保持一致[3]。

由于車型開發(fā)通常遵循共用底盤的原則，前車體作為車身部件中架構(gòu)平臺(tái)化最高的部分之一，與量產(chǎn)車型保持相同的銷孔位與夾持點(diǎn)位在當(dāng)前同平臺(tái)車型的開發(fā)設(shè)計(jì)中是比較容易實(shí)現(xiàn)的。這樣的設(shè)計(jì)不僅提高了生產(chǎn)效率和靈活性，還有助于降低成本，同時(shí)確保了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和可靠性[4]。

3前車體分拼島產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法

3.1采用數(shù)字化手段，利用虛實(shí)互聯(lián)原理進(jìn)行3D仿真設(shè)計(jì)

首先以手工焊接工藝為參考版本，采用成熟的roboguide進(jìn)行機(jī)器人/焊鉗的合理選型、工藝設(shè)計(jì)的模擬與驗(yàn)證，包括數(shù)模、焊點(diǎn)、焊鉗、夾具以及機(jī)器人周邊設(shè)備等（圖5）。通過工藝設(shè)計(jì)的分析和驗(yàn)證，調(diào)整了焊接工序內(nèi)容，并合理規(guī)劃?rùn)C(jī)器人布局。最終設(shè)計(jì)結(jié)果表明，手工工藝需采用4工位/12把焊鉗才能完成一個(gè)車型的40JPH的前車體分拼焊接，采用機(jī)器人焊接后僅需4.5工位/8把焊鉗即可完成相同任務(wù)，焊接設(shè)備利用率提升50.0%且柔性生產(chǎn)比手工焊接更高（圖6）。

通過3D環(huán)境的搭建，實(shí)現(xiàn)由虛向?qū)?、虛?shí)結(jié)合完成智能化產(chǎn)線的開發(fā)。通過在仿真環(huán)境中設(shè)計(jì)出機(jī)器人離線程序及電控邏輯，優(yōu)化驗(yàn)證無漏洞后導(dǎo)出到現(xiàn)場(chǎng)直接運(yùn)行即可。得益于現(xiàn)場(chǎng)較高的安裝精度使得現(xiàn)場(chǎng)離線程序準(zhǔn)確率可達(dá)90.0%以上。同時(shí)離線程序的使用使得現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試節(jié)省30.0%以上的仿形時(shí)間。

3.2工裝拼臺(tái)/定位基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

工裝定位按上下拍設(shè)計(jì)，下部固定為標(biāo)準(zhǔn)化地面定位機(jī)構(gòu)，上部為可推拉切換與車型相關(guān)的夾具拼臺(tái)。上下部分通過成熟的銷孔配合技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位。其中采用前部左右各1個(gè)70伸縮銷加后部1個(gè)手工35插銷及氣缸抱緊機(jī)構(gòu)，有效保證地面定位機(jī)構(gòu)與拼臺(tái)的配合精度，即使在日常生產(chǎn)中來回切換時(shí)也不會(huì)發(fā)生較大偏差，保證拼臺(tái)重復(fù)定位精度在±0.1mm以內(nèi)，滿足點(diǎn)焊機(jī)器人焊接對(duì)重復(fù)定位精度的要求（圖7）。

4前車體分拼島產(chǎn)線設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益

本次設(shè)計(jì)采用了數(shù)字化仿真手段，開發(fā)出高效精益的島式結(jié)構(gòu)車身分拼線，采用的“非”字型生產(chǎn)工藝布局保證了中間的焊接及搬運(yùn)設(shè)備兩側(cè)拼臺(tái)的共用，大幅提升了產(chǎn)線效率。同時(shí)，該布局預(yù)留了無人化改造及其他工藝擴(kuò)展的空間，實(shí)現(xiàn)了最大化的柔性制造。采用8套機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)完成原本的12套焊鉗才能滿足的焊接工藝，節(jié)省了33.3%的設(shè)備投資，并實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)平臺(tái)不同車架的柔性共線生產(chǎn)。與其他常規(guī)的全自動(dòng)柔性前車體線相比，減少了8套機(jī)器人系統(tǒng)的投入，提升了單臺(tái)機(jī)器人的平均效率，并大幅降低投資成本。此外，該新型柔性自動(dòng)化前車體分拼島建設(shè)占地約220㎡，是常規(guī)自動(dòng)化前車體線占地的1/3，實(shí)現(xiàn)了更高的節(jié)拍凈輸出比[5]。

本次前車體分拼島產(chǎn)線的成功設(shè)計(jì)，通過自主實(shí)Wa4qKSljEBA3V7CHxEEocw==施、改制利舊設(shè)備等措施相比常規(guī)項(xiàng)目節(jié)約投資成本約2200萬元；同時(shí)優(yōu)化產(chǎn)線操作人員32人，節(jié)省車在其他區(qū)域推廣使用，將公司“低成本，高價(jià)值”的理念貫徹到底，讓每個(gè)用戶用得起高性價(jià)比的國(guó)民好車。

5結(jié)束語

本研究旨在設(shè)計(jì)一種高效、精益、柔性化的車身自動(dòng)化分拼島，實(shí)現(xiàn)車身制造過程的穩(wěn)定、可靠。同時(shí)，該生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)還將考慮未來的擴(kuò)展性和可持續(xù)迭代，以適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)需求和技術(shù)進(jìn)步。此案例作為一種較為新穎的設(shè)計(jì)理念，其成功落地可為汽車制造行業(yè)提供拋磚引玉的參考。

作者簡(jiǎn)介：

梁國(guó)山，碩士，工程師，研究方向?yàn)檐嚿砉に囋O(shè)計(jì)及產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)。

羅璋靖，本科，工程師，研究方向?yàn)檐嚿砉に囋O(shè)計(jì)及產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)。