系統工程在汽車焊接生產線自主開發集成中的應用

潘啟斯，覃家仁，黃燕清

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

系統工程在汽車焊接生產線自主開發集成中的應用

潘啟斯，覃家仁，黃燕清

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

通過寶駿630汽車車身焊接生產主線的開發集成實踐，簡述了系統工程在汽車車身焊接生產線的自主開發集成中的應用，具有實際指導意義及應用參考價值。

汽車車身；焊接生產線；自主開發集成；系統工程

隨著全球汽車行業的快速發展和市場競爭的激烈，制造技術已經成為汽車工業的核心競爭力之一。上汽通用五菱汽車股份有限公司為保持“低成本高價值”這一優勢，在大力推進新產品開發的同時，不斷提升汽車焊接生產線的自主開發集成能力。從單一焊接拼臺到整條焊裝生產線，再到多個產品的柔性共線，不斷嘗試和超越自我，并獲得了成功。

汽車焊接生產線就是一典型的工程系統，怎樣把千頭萬緒的工作最后綜合成一個技術上先進、經濟上合算、研制周期短、能協調運轉的一個系統就是系統工程要解決的問題。

目前國內外的汽車公司基本都是將焊接生產線的開發集成工作外包給供應商完成，而我們公司是自主開發汽車車身的焊接主線，并在第一款乘用車——寶駿630上進行了第一次包括焊接機器人在內的車身焊接線全自主集成，對我們而言，這是又一項充滿挑戰的系統工程。

1 汽車焊接生產線自主開發集成中碰到的難題

乘用車與商用車的又一重要區別是車型多、換型快，在焊接生產線上，通常采用往返穿梭式和蝴蝶旋轉式來進行不同車型的側框切換，而這兩種方式都要長約23個工位、寬約3～4個車身生產線寬度的區域。而我們寶駿630的車身焊接生產線短期規劃只有一條長僅能布下11個焊接工位、寬為一個車身生產線寬度的車身焊接主線區域。

由于需要多車型共線，那么也會引出多種頂蓋的上線的問題。當前汽車行業中常見的同一車型平臺的三廂、兩廂、MPV都是共線的基本車型，這些車型在下車體部分基本沒有較大差異，但頂蓋是每個車型都不一樣，從這個條件看，在同一工位上傳統的自行小車上料方式（見圖1）基本無法滿足多頂蓋上線和精確定位的要求。

圖1 自行小車上料方式

乘用車的車身結構比商用車復雜，特別是在衣帽板與側圍、后輪罩與下車體間的焊點跨度和角度很大，要求焊鉗的喉深大于或等于1m，同時轉動空間受限，若采用人工焊接會非常困難。正是在這種背景下，考慮用機器人焊接代替人工焊接。同時面對多個系統的全新引進和使用，增加了整線控制系統的集成難度。

2 利用系統工程解決難題

面對上述難題，公司的開發策略是：在已有的車身焊接生產線設計開發的基礎上，進一步掌握乘用車焊接生產線整線全系統自主集成開發的核心技術，徹底改變以往柔性化不夠、無機器人焊接、大型控制系統在設計集成上對供應商依賴的被動局面，繼續秉承“低成本、高價值”的公司理念，走出自主創新開發集成SGMW第一條乘用車焊接生產線的發展之路。

我們成立了一個以車身總拼線為核心內容的集成開發小組，負責工藝規劃、主夾具設計、機器人選型、生產線控制系統設計，并對所有子系統之間進行集成分析和方案決定。

2.1 生產線柔性化

工藝規劃最需要解決的問題就是總拼線柔性化，我們的目標是這條總拼線可供6種車型生產。首先是定義BOP和BOE，需要盡量模塊標準化和合理化，以保證柔性化的可行性。經多次論證，將乘用車系列在焊接主線上焊接的車身結構分為下車體、左右側圍、頂蓋、頂蓋橫梁、衣帽板、下安裝板、左右前側板、后端板共12個模塊。然后從車身匹配焊接、減少焊接變形、操作人員合理安排、滿足生產節拍等多個的角度去綜合分配每個工位的焊點和操作時間，最后形成指導設計的LAYOUT（見圖2）和工藝方案。

圖2 LAYOUT示意圖

2.2 NBL總拼定位方式

在工裝方案中，最重要的部分是車身總拼焊接定位工位，也就是車身焊接主夾具的設計。傳統的車身焊接主夾具，通常是將各定位單元安裝在兩側可移動的定位側框基準面上，且左、右對稱地布置于生產線總拼工位的兩側地面上。在工作時，兩側框同時由外向內移動，各定位單元最終進入定位、夾緊狀態。傳統方式占地面積大，安全風險高。

為使以上不利因素得以改善，集成開發小組引進多個外方專家資源，與我們一起進行系統性分析。面對這多個問題，總結起來，主要焦點是主夾具的結構、切換空間和方式、定位精度和可焊性，因為它們既獨立又相互關聯制約，必須找到一個最佳的切合點，保證它們都能得到充分滿足。

圖3 單框架上下升降式車身焊接主夾具

（1）主夾具結構

采用全新的單框架上下升降式車身總拼定位結構技術（見圖3），其創新核心是將兩側框變成一個側框，將所有的定位單元都布置在這一個側框的兩個側面上，再利用車身頂蓋、前風窗和后風窗的空間進入到車身內部，打開定位單元使用其由內向外運動實行定位、夾緊。

（2）主夾具切換空間和方式

利用焊接主夾具可上下升降的特點，將多個車型的主夾具框架放置于空中，充分利用生產車間的上空空間，其主夾具框架的存放數量可達6個以上，同時又不影響整個焊接生產線的地面工藝布置。

（3）易焊性改善

一改傳統兩側主夾具側框地面移動為單一側框空中上下移動，在車身的兩側沒有了定位側框的阻礙，操作者可靈活自如地進行焊接操作，人機工程得到了極大改善，減少了工人的勞動強度及操作難度，從而極大提高焊接品質，降低了安全隱患。

（4）定位夾緊機構

由于需要利用車身頂蓋前風窗和后風窗的空間進入到車身內部，同時要兼顧左右側圍的定位，那么定位單元的結構就必須非常緊湊，要求在位單元在非工作狀態時：主夾具的寬度≤頂蓋寬度-100（單位：mm）。

傳統的簡單夾緊定位單元結構很難滿足空間限制的要求。我們新設計了非對稱的四連桿機構。新設計充分利用左右側圍夾具的對稱性，采用了多桿機構聯動和一個雙向推動氣缸的方式進行定位、夾緊，使得原本需用6個氣缸完成的動作，最終僅用一個推動氣缸、2個夾緊氣缸就完成了2個定位單元打開→定位→夾緊的全部動作。節約了3個氣缸的成本，也減少了因多個氣缸分別動作耗費的時間，還減少了整個主夾具體的總重量，緩解了對夾具框架的剛度要求，最終解決了一系列的技術難題，達到了保證品質的同時結構最優化的目標。

2.3 頂蓋拾取柔性化

頂蓋的精確定位對整車的結構剛度和尺寸精度影響很大，要同時兼顧6種車型，重復定位精度要求高。集成開發小組決定選用FANUCR2000IB機器人進行拾取和定位，在國內汽車企業也屬首次使用，其運動速度（2000mm/秒）快，重復定位精度（±0.3mm）高，工作范圍（運動半徑=2.66米）大。特別是采用了DCS（Double Check Safety）控制系統，可以把機器人的運動范圍進行更加精確地限制，減小占地空間，提高了安全性。

2.4 引入焊接機器人

首次在寶駿630車身焊接生產線上采用機器人焊接技術，與其他汽車公司不同的是——不是外包專業供應商集成，而是從方案設計到安裝調試全部由我們的設備工程師完成。

2.5 自主集成開發控制系統

寶駿630車身焊接主線有11個工位，全線采用電機驅動齒輪齒條拉動、氣缸同步拉動提升的輸送方式，3#工位的焊接主夾具上有40個定位單元，主夾具的框架的上下運動和6個主夾具框架間的快速、準確切換，還有1個頂蓋拾取機器人和6個焊接機器人，自行小車、空中輸送系統、伺服自動焊系統等，線上的每一個動作的啟動、結束、先后順序、軌跡、參數等等，都需要可靠的主從控制，才能保證整條生產線的有序進行。

圖4 控制系統架構圖

以往SGMW幾乎都是依賴供應商來進行如此復雜的大型控制系統的設計和制造，因為在設計制造這樣一個大型的控制系統，其難點首先在于確定一個清晰的系統架構。系統架構不清晰將會給后續詳細設計帶來諸多麻煩，從而導致系統接線混亂，系統不穩定甚至崩潰。為此，集成開發小組從認真梳理系統架構的構成要素著手，再逐步把各要素分解成關鍵控制點，依次形成各控制路線關系圖，最后通過選取各種經濟實用的標準元器件，經過標準化和模塊化，實現開發成本低、柔性化程度高、開發周期短、通用性強的控制系統。系統的架構如圖4所示。

3 結束語

寶駿630汽車于2011年8月9日全面正式上市，其車身焊接生產線也同時肩負起了整車的市場化需求運作。通過近幾個月實際生產運行證明，全新的NBL主夾具系統、機器人系統、自動焊系統、可移動夾具系統等多個系統的聯合運行平穩，完全實現生產線自動化，也達到項目訂下的乘用車質量目標。我們利用系統工程實施對焊裝生產線的自主集成，在總拼定位、控制系統集成開發領域積累起大量的核心技術經驗，大大縮短生產線的并行設計和安裝調試時間，節約開發和集成費用（以寶駿630焊裝線項目為例，節約費用約1200萬），獲得了顯著的經濟效益，有極大的推廣價值。SGMW焊裝生產線開發團隊也成為國內汽車公司的自主集成開發的佼佼者。

[1]徐 灝.機械設計手冊：第2版[M].北京：機械工業出版社，2006.

System Engineering in Automobile Welding Production Line Developed in Application Integration

PANQi-si，QIN Jia-ren，HUANGYan-qing
(SAICGMWuling Automobile Co.，Ltd，Liuzhou Guangxi545007，China)

Through the Po Chun 630 car body welding production line integrated development practice,this paper expounds the application of independent development of systems engineering in automotive body welding production line integration,has practicalsignificance and application value.

automobile body；welding line；independentdevelopment and integration；system engineering

U463.6

B

1672-545X（2013）04-0188-03

2013-01-09

潘啟斯（1957—），男，廣西柳州人，高級工程師，大專，研究方向為機械制造。