汽車總裝工藝技術(shù)應(yīng)用趨勢與研究

陳平，蔣佳桉，譚志強(qiáng)，王曉斌，陳琳琳，范家春

（1.廣州汽車集團(tuán)汽車研究院，廣東 廣州 511434；2．東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545006）

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汽車總裝工藝技術(shù)應(yīng)用趨勢與研究

陳平1，蔣佳桉2，譚志強(qiáng)1，王曉斌1，陳琳琳1，范家春1

（1.廣州汽車集團(tuán)汽車研究院，廣東 廣州 511434；2．東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545006）

摘 要：文章介紹了主流汽車總裝工藝的優(yōu)勢技術(shù)及設(shè)備特點(diǎn)。著重分析了總裝工藝技術(shù)向著模塊化、自動(dòng)化、柔性化、智能數(shù)字化的應(yīng)用趨勢和技術(shù)特點(diǎn)，為新車產(chǎn)品開發(fā)及新工廠的建立提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：總裝工藝；模塊化；自動(dòng)化；柔性化； SPS物流；同步工程

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.051

CLC NO.: U468.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-156-05

引言

隨著汽車主機(jī)廠平臺(tái)車型增加及多車型混線生產(chǎn)要求、人力成本攀升和生產(chǎn)交貨期縮短的壓力下，導(dǎo)致汽車總裝廠對于先進(jìn)裝配技術(shù)和自動(dòng)化設(shè)備的敏感性大大提高。各汽車廠都在提升總裝工藝裝備技術(shù)水平，采用更先進(jìn)的裝配設(shè)備提高產(chǎn)品質(zhì)量，以應(yīng)對滿足新興市場及提高產(chǎn)品市場競爭力的要求。汽車總裝工藝作為汽車制造的最重要環(huán)節(jié)，在規(guī)模、質(zhì)量、即時(shí)性、成本、產(chǎn)品先進(jìn)性等方面都影響著市場競爭力。目前汽車總裝工藝技術(shù)發(fā)展向著模塊化、自動(dòng)化、柔性化、人性化、智能數(shù)字化的趨勢發(fā)展。隨著市場的激烈競爭環(huán)境下，這些技術(shù)趨勢正在從企業(yè)競爭的優(yōu)勢技術(shù)，向一種企業(yè)競爭的必備技術(shù)轉(zhuǎn)變。

1、總裝工藝技術(shù)

1.1 模塊化

汽車總裝工藝采用模塊化設(shè)計(jì)可以把不同級別車型的眾多零部件進(jìn)行通用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，同時(shí)又可以靈活的搭載其他的新技術(shù)。制造過程中，采用總裝模塊化可以減少總裝工位線長度和主線裝配工時(shí)，提高裝配效率，擴(kuò)展裝配線的柔性化程度，縮短汽車生產(chǎn)周期。目前的模塊化主要有電子控制系統(tǒng)模塊化和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化兩種方向性的模塊趨勢。

1.1.1 電子控制系統(tǒng)模塊化

隨著車聯(lián)網(wǎng)的科技發(fā)展及信息娛樂需求下，出現(xiàn)以ECU（電子控制單元）集成和標(biāo)準(zhǔn)化趨勢，ECU群的“標(biāo)準(zhǔn)件”功能成為各車型通用的模塊，將各種功能細(xì)分的ECU整合起來，實(shí)現(xiàn)一個(gè)全車范圍內(nèi)的電子控制系統(tǒng)模塊化。比如傳動(dòng)控制、車身控制、安全控制、駕駛輔助控制、動(dòng)態(tài)底盤控制系統(tǒng)和多媒體移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)為單位進(jìn)行模塊化大集成。

1.1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化

通過將產(chǎn)品多功能結(jié)構(gòu)與各種零部件相互關(guān)系的組合，把汽車各子系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與相互零部件組裝集成為大總成模塊。可以顯著縮短產(chǎn)線長度及生產(chǎn)節(jié)拍，優(yōu)化裝配工藝和降低制造成本。目前總裝工藝的模塊化應(yīng)用主要有前端塊化、車門模塊化、底盤模塊化、頂棚集成化、油箱集成化、IP模塊化、前后保模塊化、車輪模塊化等(如圖1所示)。

圖1　總裝工藝模塊化

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化中最具代表性的是底盤動(dòng)力模塊化，融合目前各種先進(jìn)的裝配工藝技術(shù)。以某汽車品牌的的MQB底盤動(dòng)力模塊為例，簡要說明下底盤平臺(tái)高度柔性化和集成化的模塊化趨勢。

（1）采用多種柔性托盤（如圖2所示）組合形成底盤合車工裝（如圖3所示），包含前托盤、中托盤、后托盤。多種柔性化的扳倒式、伸縮式、限位塊式定位銷運(yùn)用可以滿足多種組合動(dòng)力模塊的裝配支撐。非常方便底盤的自動(dòng)化裝配，減少下車體裝配人機(jī)性差的問題。

圖2　多組合柔性化托盤

圖3　底盤合車工裝

（2）底盤模塊化集成程度非常高。如圖4所示，除將常規(guī)的前懸模塊、后懸模塊外，還幾乎將全部下車體附件如排氣管總成、油箱總成、隔熱墊、操縱機(jī)構(gòu)及燃油管路集成在大托盤工裝上。顯著的減少底盤主線工位數(shù)和裝配工時(shí)。

圖4　底盤模塊化

（3）底盤標(biāo)準(zhǔn)件自動(dòng)擰緊技術(shù)應(yīng)用。如圖5所示，將緊固件及擰緊套筒集成在大托盤工裝上，柔性化設(shè)置高精度電動(dòng)擰緊工具，利用信息化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成標(biāo)準(zhǔn)件裝配的力矩控制和質(zhì)量監(jiān)測。是網(wǎng)絡(luò)化裝配制造技術(shù)在汽車裝配生產(chǎn)線上的典型工程應(yīng)用。

圖5　自動(dòng)化擰緊技術(shù)設(shè)備

（4）底盤合車自動(dòng)化。配合AGV自動(dòng)導(dǎo)引小車，利用電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，實(shí)現(xiàn)路徑自動(dòng)跟蹤、轉(zhuǎn)向同步行駛，并且具有障礙物識(shí)別、停車、自動(dòng)調(diào)速和無線通訊等功能，實(shí)現(xiàn)底盤合車無人化、自動(dòng)化裝配（見圖6）。

圖6　AGV自動(dòng)化底盤合車

2.2 自動(dòng)化

受到人力成本攀升及制造節(jié)拍的影響，并且自動(dòng)化設(shè)備使用可以顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量和裝配穩(wěn)定性，汽車總裝廠對于自動(dòng)化的需求趨勢日益明顯。較為典型的采用自動(dòng)化的工序內(nèi)容有：

（1）前/后風(fēng)擋和全景天窗的涂膠工序采用涂膠機(jī)器人設(shè)備，避免了人工打膠的斷膠現(xiàn)象，同時(shí)膠型質(zhì)量更可靠穩(wěn)定（見圖7），配合風(fēng)擋裝配機(jī)器人全自動(dòng)化裝配（見圖8），提高車輛密封性。

圖7　風(fēng)擋涂膠機(jī)器人

圖8　風(fēng)擋裝配機(jī)器人

（2）車輪模塊通過輪胎自動(dòng)分裝線完成分裝，并通過自動(dòng)輸送線運(yùn)輸至裝配工位。如圖9所示，自動(dòng)化分裝系統(tǒng)能根據(jù)車輛配置自動(dòng)識(shí)別不同規(guī)格的輪胎，自動(dòng)完成輪胎裝配和動(dòng)平衡檢測，有效的保證了輪胎分裝的品質(zhì)與生產(chǎn)的穩(wěn)定性。采用機(jī)器人裝配輪胎至車身及車輪螺母自動(dòng)化擰緊技術(shù)（見圖10），滿足可變多軸擰緊及PCD變徑的柔性化裝配需求。提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)也減少人力成本。

圖9　輪胎自動(dòng)化分裝線

圖10　輪胎裝配及擰緊機(jī)器人

（3）各種需助力設(shè)備輔助裝配的模塊化工序。如IP模塊采用自動(dòng)化的機(jī)械手裝配代替人工裝配（如圖11所示），可以保證高精度的定位裝配，對于內(nèi)飾外觀質(zhì)量的尺寸鏈控制，造型效果的感官質(zhì)量有很大的提升；且自動(dòng)化機(jī)械手可以集成擰緊設(shè)備緊固標(biāo)準(zhǔn)件（如圖12所示），大大提高裝配質(zhì)量和節(jié)省人力成本。

圖11　IP自動(dòng)化機(jī)械手

圖12　機(jī)器人集成擰緊設(shè)備

2.3 加注設(shè)備真空化及智能化

制動(dòng)液、冷卻液、動(dòng)力轉(zhuǎn)向液、空調(diào)冷媒等加注設(shè)備向著抽真空加注、自動(dòng)檢測、自動(dòng)定量加注等功能集成設(shè)備趨勢，以及出現(xiàn)油液二合一以上的集成加注設(shè)備的應(yīng)用（如圖13）。

圖13　多合一加注設(shè)備

2.4 力矩控制智能化

力矩?cái)Q緊設(shè)備廣泛采用高精度電動(dòng)擰緊設(shè)備。擰緊技術(shù)也從通常的扭矩法轉(zhuǎn)向扭矩+轉(zhuǎn)角法或屈服強(qiáng)度法應(yīng)用；從控制力矩間接控制擰緊質(zhì)量向著直接控制預(yù)緊力為目的，具備在線動(dòng)態(tài)力矩控制與監(jiān)測（見圖14）；工廠聯(lián)網(wǎng)形成力矩?cái)?shù)據(jù)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)Q緊質(zhì)量、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和追溯、數(shù)據(jù)信息分析處理等(見圖15)，進(jìn)行智能統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC），提高和穩(wěn)定制造過程控制能力（CPK）。利用網(wǎng)絡(luò)化通信模塊與單片機(jī)控制器相結(jié)合，進(jìn)行信息的交互，設(shè)計(jì)成一體式智能網(wǎng)絡(luò)裝配控制模塊，完成力矩裝配的控制。

圖14　高精度伺服電動(dòng)擰緊機(jī)

圖15　力矩智能網(wǎng)絡(luò)控制模塊

2.5 柔性化工裝

總裝整體工序中，部分裝配工序由于裝配空間狹小或零附件復(fù)雜等原因造成裝配人員的非常規(guī)作業(yè)姿勢，裝配人機(jī)性很差。解決方法一方面通過采用自動(dòng)化機(jī)器人代替人工裝配外，另一方面需要在工裝或作業(yè)手法上進(jìn)行柔性化設(shè)計(jì)提高人機(jī)性。具體案例有：

（1）底盤線下車體附件的裝配需要人員在車底下裝配，出現(xiàn)人員下蹲及身體彎曲等不良作業(yè)動(dòng)作。現(xiàn)在解決的方法是對車身吊具設(shè)備進(jìn)行人機(jī)性設(shè)計(jì)，如圖16所示使用高度可調(diào)及車身可旋轉(zhuǎn)的C型鉗吊具，確保人員可以站立式姿勢或較佳的姿勢進(jìn)行正常裝配。

圖16　人機(jī)性車身吊具

（2）內(nèi)飾線如機(jī)艙內(nèi)線束等工序出現(xiàn)人員裝配位置和車身懸掛高度不吻合，出現(xiàn)人員下蹲或身體彎曲的姿勢來完成裝配作業(yè)。通過采用Z向高度柔性可調(diào)的車身托盤，可以保證在不同的工位將車身定位在合理的高度，方便人員站立式裝配（如圖17）。另外如車體內(nèi)裝配人員采用坐式機(jī)械手（見圖18），使員工可以坐著完成作業(yè)，減少蹲著及軀干彎曲造成的身體機(jī)能勞損。

圖17　高度可調(diào)的內(nèi)飾線車身托盤

圖18　坐式輔助機(jī)械手

2.6 SPS物流

汽車總裝廠在多車型混線生產(chǎn)的趨勢下，線旁儲(chǔ)料空間不足及物料種類繁多限制了產(chǎn)線的柔性化和物流效率。有效的解決方式是采用SPS物流形式——隨行配料系統(tǒng)（SPS）。如圖19所示，SPS是指一種單量份向生產(chǎn)線準(zhǔn)時(shí)化配送的物流方式。該物流方式將揀料與裝配分開，使各自作業(yè)更加專業(yè)化和模塊化，有利于消除員工不必要的非增值操作，有效防止總裝裝配線的錯(cuò)、漏裝問題，從而提高裝配質(zhì)量；同時(shí)配合隨車物料投放形式可以減少線邊物料擺放空間約束，且采用AGV小車運(yùn)輸代替人工物流（見圖20），滿足準(zhǔn)時(shí)化的高要求及多車型混線物流配送要求，是一種普遍采用的物流趨勢。

圖19　SPS物流

圖20　AGV運(yùn)輸小車

3、同步工程

汽車總裝工藝技術(shù)開發(fā)過程中，同步工程技術(shù)的作用越來越明顯。產(chǎn)品項(xiàng)目開發(fā)中已經(jīng)減少了樣車試制及驗(yàn)證的數(shù)量和時(shí)間，提高了虛擬仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的比重。更多在要求在產(chǎn)品前期虛擬仿真中發(fā)現(xiàn)制造問題并提前解決，減少工廠技改及產(chǎn)品設(shè)變費(fèi)用。

3.1 裝配仿真分析

汽車總裝的同步工程在新車產(chǎn)品開發(fā)之初，就開始介入對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)裝配性、設(shè)備操作性進(jìn)行虛擬仿真分析（見圖21、22），提前在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)和解決裝配工藝問題。

圖21　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)裝配分析

圖22　IP裝配仿真及投入空間校核

3.2 IE工程

產(chǎn)品數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)至凍結(jié)前后， 利用3D仿真分析軟件中的工時(shí)分析模塊，綜合主機(jī)廠生產(chǎn)線實(shí)際的相關(guān)信息，對裝配工人的操作工時(shí)和作業(yè)強(qiáng)度進(jìn)行分析，優(yōu)化工序流程和作業(yè)內(nèi)容，減小工位勞動(dòng)強(qiáng)度（如圖23所示）。同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)線工時(shí)線平衡分析，提前發(fā)現(xiàn)和解決工時(shí)均衡及瓶頸工位等問題（如圖24所示）。

圖23　人機(jī)性疲勞分析

圖24　工時(shí)線平衡墻

3.3 數(shù)字化工廠

合理、經(jīng)濟(jì)科學(xué)的生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)對于降低汽車生產(chǎn)主線長度、制造能耗，提高產(chǎn)線柔性化有很大幫助。在工廠規(guī)劃之初利用虛擬仿真技術(shù)對工藝流程（見圖25）進(jìn)行設(shè)定和虛擬驗(yàn)證，及進(jìn)行數(shù)字工廠規(guī)劃和仿真（見圖26）。提前發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)隱患問題和減少不必要的工廠技改費(fèi)用。

圖25　生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

圖26　數(shù)字化工廠仿真

4、結(jié)語

汽車裝配的新工藝和新技術(shù)，隨著市場、技術(shù)及政策導(dǎo)向等多方面因素的推動(dòng)而不斷進(jìn)步，縮短生產(chǎn)周期、提高整車質(zhì)量、降低制造成本、提高市場競爭力等方面都是汽車制造商追求的共同目標(biāo)，在經(jīng)歷平臺(tái)化、整車模塊化開發(fā)與設(shè)計(jì)后，現(xiàn)代汽車制造業(yè)出現(xiàn)了如下較為明顯的發(fā)展趨勢。

1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通用化、模塊化技術(shù)簡化了裝配關(guān)系，逐步改變了傳統(tǒng)汽車制造商的裝配策略與工藝設(shè)計(jì)的理念，實(shí)現(xiàn)零部件全球采購和全球供貨。該技術(shù)勢必革新汽車制造業(yè)中的供應(yīng)鏈關(guān)系和零部件配套模式。

2）模塊化、柔性化等制造工藝的普及逐步形成了新的制造形態(tài)，一些高級汽車制造商完成從平臺(tái)化到模塊化生產(chǎn)方式的過渡，甚至達(dá)到了可擴(kuò)展整車平臺(tái)模塊化生產(chǎn)方式高度。具備在數(shù)個(gè)模塊化擴(kuò)展性開發(fā)基礎(chǔ)上，垂直形成“多種汽車平臺(tái)”和“高低端多層級模塊群”，同步設(shè)計(jì)出全系品牌下功能用途以及風(fēng)格不同的高低端多級車型產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)更高效率和規(guī)模的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

3）數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化等優(yōu)勢技術(shù)的應(yīng)用雖然在開發(fā)前期需要較大成本投入，但隨著優(yōu)勢技術(shù)不斷轉(zhuǎn)化為實(shí)際效益，新車型開發(fā)和制造的成本大幅度減少，投資回報(bào)率具有明顯優(yōu)勢，已逐步形成了新的制造形態(tài)。隨著“工業(yè)4.0”的引領(lǐng)，這些優(yōu)勢技術(shù)必將爆炸式地發(fā)展，推進(jìn)汽車制造業(yè)的新一輪技術(shù)革命。

4）隨著科技的發(fā)展、產(chǎn)品思路和技術(shù)層面的進(jìn)化、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)對消費(fèi)結(jié)構(gòu)的影響，汽車制造商的角色正在逐漸轉(zhuǎn)化為移動(dòng)出行和產(chǎn)品服務(wù)的提供商，這必將推動(dòng)整車制造工藝技術(shù)的革新。

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Analyzing Application Trend of General Assembly Process Technology on Car Manufacturing

Chen Ping1, Jiang Jiaan2, Tan Zhiqiang1, Wang Xiaobin1, Chen LinLin1, Fan Jiachun1
( 1.Guangzhou automobile Research Institute, Guangdong Guangzhou 511434; 2.Dongfeng Liuzhou automobile co., ltd., Guangxi Liuzhou 545006 )

Abstract:The paper studies the competitive technology used in General Assembly process and equipment of car manufacturing.It focus on analyzing the trend of applying modulization, automotive technology, flexible production and digitalization that serving as technical reference for new product development and new plant establishment.

Keywords:General Assembly Process; Modulization; Automation; Flexibility; SPS Logistic; SE

作者簡介：陳平，就職于廣州汽車集團(tuán)汽車研究院。

中圖分類號：U468.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-156-05