汽車總裝工藝技術應用及發展趨勢*

陳平 蔣佳桉 譚志強 劉曉峰 陳琳琳 馬可

（1.廣州汽車集團汽車研究院；2.東風柳州汽車有限公司）

在汽車主機廠平臺車型增加、多車型混線生產要求出現、人力成本攀升和生產交貨期縮短的壓力下，汽車總裝廠對于先進裝配技術和自動化設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水平，采用更先進的裝配設備來提高產品質量，以滿足新興市場及提高產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節，在規模、質量、即時性、成本及產品先進性等方面都影響著市場競爭力。目前汽車總裝工藝技術向著模塊化、自動化、柔性化、人性化及智能數字化的趨勢發展。隨著市場的激烈競爭，這些技術正在從企業競爭的優勢技術向必備技術轉變[1]。

1 總裝工藝技術

1.1 模塊化

汽車總裝工藝采用模塊化設計可以對不同級別車型的眾多零部件進行通用標準化生產，同時又可以靈活地搭載其他新技術。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，提高裝配效率，擴展裝配線的柔性化程度，縮短汽車生產周期。目前的模塊化主要有電子控制系統模塊化和產品結構模塊化2種方向性的模塊趨勢。

1.1.1 電子控制系統模塊化

隨著車聯網的科技發展及對信息娛樂需求的增加，出現ECU（電子控制單元）集成和標準化趨勢，ECU群的“標準件”功能成為各車型通用的模塊，將各種功能細分的ECU整合起來，實現全車范圍內的電子控制系統模塊化。比如將傳動控制、車身控制、安全控制、駕駛輔助控制、動態底盤控制和多媒體移動互聯網服務等標準系統進行模塊化大集成。

1.1.2 產品結構模塊化

通過產品多功能結構與各種零部件相互關系的組合，把汽車各子系統產品結構與相互零部件組裝集成為大總成模塊，可以顯著縮短生產線長度、加快生產節拍、優化裝配工藝和降低制造成本。目前總裝工藝的模塊化應用主要有前端模塊化、車門模塊化、底盤模塊化、頂棚集成化、油箱集成化、儀表板（IP）模塊化、前后保險杠模塊化及車輪模塊化等[2]。

產品結構模塊化中最具代表性的是底盤動力模塊化，它融合了目前各種先進的裝配工藝技術。以某MQB底盤動力模塊為例，簡要說明底盤平臺高度柔性化和集成化的模塊化趨勢。

1）采用多種柔性托盤組合形成底盤合車工裝，如圖1所示。多種柔性化的扳倒式、伸縮式及限位塊式定位銷的運用可以滿足多種組合動力模塊的裝配支撐；滿足不同軸距、不同底盤結構車型的合裝。這樣非常方便底盤的自動化裝配，減少下車體裝配人機性差的問題。

2）底盤模塊化集成程度高。除常規的前懸模塊和后懸模塊外，還幾乎將全部下車體附件如排氣管總成、油箱總成、隔熱墊、操縱機構及燃油管路集成在大托盤工裝上，如圖2所示，顯著地減少了底盤主線工位數和裝配工時。

3）底盤標準件自動擰緊技術應用。圖3示出底盤標準件自動擰緊設備，將緊固件及擰緊套筒集成在大托盤工裝上，柔性化設置高精度電動擰緊工具及多關節機器人，利用信息化網絡系統完成標準件裝配的力矩控制和質量監測，是網絡化智能裝配制造技術在汽車裝配生產線上的典型工程應用[3]。

1.2 自動化

受到人力成本攀升、產品流行周期縮短及制造節拍的影響，汽車總裝廠對于自動化的需求趨勢日益明顯。使用自動化設備可以顯著提高產品的質量和裝配穩定性，較為典型的采用自動化的工序內容有：

1）前/后風擋和全景天窗的涂膠工序采用涂膠機器人設備，如圖4所示，避免了人工打膠的斷膠現象，同時膠型質量更可靠穩定，配合風擋裝配機器人全自動化裝配，提高了汽車密封性。

2）車輪模塊通過輪胎自動分裝線完成分裝，并通過自動輸送線運輸至裝配工位。自動化分裝系統能根據汽車配置自動識別不同規格的輪胎，自動完成輪胎裝配和動平衡檢測，有效地保證了輪胎分裝的品質與生產的穩定性。采用機器人裝配輪胎至車身及車輪螺母自動化擰緊技術（如圖5所示），滿足了可變多軸擰緊及螺栓組半徑（PCD）變徑的柔性化裝配需求。提高裝配柔性度的同時也提升了產品質量。

3）各種需助力設備輔助裝配的模塊化工序，如IP模塊采用自動化的機械手裝配代替人工裝配（如圖6所示），可以保證高精度的定位裝配，對于內飾外觀質量的尺寸鏈控制，造型效果的感官質量有很大的提升；且自動化機械手可以集成擰緊設備緊固標準件，大大提高裝配質量和節省人力成本[4]。

1.3 加注設備真空化及智能化

制動液、冷卻液、動力轉向液及空調冷媒等加注設備向著抽真空加注、自動檢測及自動定量加注等功能集成設備趨勢發展，出現了油液二合一以上的集成加注設備的應用，如圖7所示。

1.4 力矩控制智能化

力矩擰緊廣泛采用高精度電動擰緊設備，擰緊技術也從通常的扭矩法轉向“扭矩+轉角法”或“屈服強度法”，從控制力矩間接控制擰緊質量轉向直接控制預緊力，具備在線動態力矩控制與監測功能；工廠聯網形成力矩數據化網絡系統，實時監控擰緊質量、數據儲存和追溯、數據信息分析處理等，進行智能統計過程控制（SPC），穩定和提高制造過程控制能力。利用網絡化通信模塊與單片機控制器相結合，進行信息的交互，設計成一體式智能網絡裝配控制模塊，完成力矩裝配的零出錯控制。

1.5 工裝柔性化

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雜等原因導致裝配人員出現非常規作業姿勢，裝配人機性很差。解決方法：一方面通過采用自動化機器人代替人工裝配，另一方面需要在工裝或作業手法上進行柔性化設計來提高人機性[5]。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，出現人員下蹲及身體彎曲等不良作業動作。現在解決的方法有對車身吊具設備進行人機性設計，如圖8所示，使用高度可調及車身可旋轉的C型鉗吊具，確保人員可以站立式或較佳的姿勢進行正常裝配。

2）內飾線如機艙內線束等工序出現人員裝配位置和車身懸掛高度不吻合，裝配人員需下蹲或以身體彎曲的姿勢來完成裝配作業。通過采用Z向高度柔性可調的車身托盤，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9所示。另外，如車體內裝配人員采用坐式機械手，使員工可以坐著完成作業，減少蹲著及軀干彎曲造成的身體機能勞損。

1.6 隨行配料系統（SPS）物流

汽車總裝廠在多車型混線生產的趨勢下，線旁儲料空間不足及物料種類繁多限制了生產線的柔性化和物流效率。有效的解決方式是采用隨行配料系統（SPS）物流形式。如圖10所示。SPS是指一種單量份向生產線準時化配送的物流方式。該物流方式將揀料與裝配分開，使各自作業更加專業化和模塊化，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漏裝問題，從而提高裝配質量；同時配合隨車物料投放形式可以減少線邊物料擺放空間約束，且采用自動導引小車（AGV）運輸代替人工物流，滿足準時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[6]。

2 同步工程

汽車總裝工藝技術開發過程中，同步工程技術的作用越來越明顯。產品項目開發中已經減少了樣車試制及驗證的數量和時間，提高了虛擬仿真在產品設計過程的比重[7]。產品項目更多要求在產品前期虛擬仿真中發現制造問題，提前解決，減少工廠的技術改造及產品設變費用。

2.1 裝配仿真分析

汽車總裝的同步工程在新車產品開發之初就開始介入，對產品結構裝配性及設備操作性進行虛擬仿真分析，如圖11所示，提前在設計階段發現和解決裝配工藝問題。

2.2 工時分析

產品數據設計至凍結前后，利用3D仿真分析軟件中的工時分析模塊，配置主機廠生產線實際的相關信息，對裝配工人的操作工時和作業強度進行分析，優化工序流程和作業內容，減小工位勞動強度，如圖12所示。同時進行生產線工時線平衡分析，提前發現和解決工時均衡及瓶頸工位等問題。

2.3 工藝流程設計

合理、經濟與科學的生產工藝流程設計對于降低汽車生產主線長度、降低能耗及提高生產線柔性化有很大幫助。在工廠規劃之初利用虛擬仿真技術對工藝流程進行設定和虛擬驗證，以及進行數字工廠規劃和仿真，可提前發現生產隱患問題和減少不必要的工廠技術改造費用[8]。

3 結語

汽車裝配的新工藝和新技術隨著市場、技術及政策導向等多方面因素的推動而不斷進步，縮短生產周期、提高整車質量、降低制造成本及提高市場競爭力等方面都是汽車制造商追求的共同目標，在經歷平臺化、通用化及整車模塊化開發與設計后，現代汽車制造業出現了較為明顯的發展趨勢。

1）產品結構通用化和模塊化技術簡化了裝配關系，逐步改變了傳統汽車制造商的裝配策略與工藝設計的理念，實現零部件全球采購和全球供貨。該技術勢必革新汽車制造業中的供應鏈關系和零部件配套模式。

2）模塊化和柔性化等制造工藝的普及逐步形成了新的制造形態，一些高級汽車制造商完成從平臺化到模塊化生產方式的過渡，甚至達到了可擴展整車平臺模塊化生產方式的高度。具備在數個模塊化擴展性開發基礎上，垂直形成“多種汽車平臺”和“高低端多層級模塊群”，同步設計出全系品牌下功能用途以及性能不同的高低端多級車型產品，實現更高效率和規模的設計和生產[9]。

3）數字化、自動化及智能化等優勢技術的應用雖然在開發前期需要較大成本投入，但隨著優勢技術不斷轉化為實際效益，新車型開發和制造的成本大幅度減少，投資回報率具有明顯優勢，已逐步形成了新的制造形態。隨著“工業4.0”的引領，這些優勢技術必將爆炸式地發展，推進汽車制造業的新一輪“智造”技術革命。

4）隨著科技的發展、產品思路和技術層面的進化以及移動互聯技術對消費結構的影響，汽車制造商的角色正在逐漸轉化為移動出行和產品服務的提供商，這必將推動整車制造工藝技術的革新。