現(xiàn)代汽車制造工藝布局及其柔性化設(shè)計(jì)

沈宏山 張?zhí)m春 謝昊 張龍

1.3.南通貝思特機(jī)械工程有限公司 江蘇省南通市 226682 2.江蘇理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院 江蘇省常州市 213001 4.寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司 浙江省寧波市 315336

1 引言

傳統(tǒng)的汽車制造一直沿用美國福特汽車創(chuàng)始的流水線作業(yè)方式，具有大批量、連續(xù)性、標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)點(diǎn)，使得汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，是典型的“剛性生產(chǎn)”模式。

日益多元化的消費(fèi)需求和發(fā)展變革，誕生了一種以多品種、小批量為特征的汽車“柔性制造”（Flexibility manufacturing）方式，具有多品種共線、制造靈活、生產(chǎn)高效的優(yōu)點(diǎn)，柔性化的制造工藝成為衡量汽車制造工藝水平的重要指標(biāo)。

2 現(xiàn)代汽車制造工藝布局的總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)代汽車制造工廠建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)精髓是制造工藝的布局設(shè)計(jì)。工藝布局設(shè)計(jì)是為生產(chǎn)過程組織服務(wù)的，以生產(chǎn)過程的用時(shí)最少、路徑最短、耗費(fèi)資源最小、效率最高為目標(biāo)，追求最大的產(chǎn)出和經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)代汽車制造工藝布局采用柔性制造的設(shè)計(jì)理念，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析評(píng)估，打破單一車型的“剛性生產(chǎn)”，采用多種車型共線生產(chǎn)的“柔性制造”，權(quán)衡項(xiàng)目的投入產(chǎn)出比，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

制造工藝布局的設(shè)計(jì)是從產(chǎn)品平臺(tái)規(guī)劃到工藝流程、從工位設(shè)計(jì)、裝備選型到整體融合的多專業(yè)交叉，技術(shù)含量高，其優(yōu)劣關(guān)系到項(xiàng)目投資大小、建設(shè)速度快慢和經(jīng)濟(jì)效益高低。

2.1 整體產(chǎn)能節(jié)拍

工藝布局設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)整體產(chǎn)能為目標(biāo)，以年設(shè)計(jì)產(chǎn)量為生產(chǎn)綱領(lǐng)，依據(jù)生產(chǎn)班制和工作小時(shí)確定年時(shí)基數(shù)，計(jì)算生產(chǎn)節(jié)拍：

式中：T—生產(chǎn)節(jié)拍，單位：分鐘（min）/臺(tái)；

t—年時(shí)基數(shù)，一年內(nèi)的累計(jì)工作小時(shí)，單位：小時(shí)（h）；

k—設(shè)備運(yùn)行的滿載率，即設(shè)備的利用率，一般取90%；

M—生產(chǎn)綱領(lǐng)，一年的設(shè)計(jì)產(chǎn)能，單位：臺(tái)/年；

節(jié)拍是工位布局和工藝設(shè)備設(shè)計(jì)選型的主要指標(biāo)，整體設(shè)計(jì)中要考評(píng)每一個(gè)工位設(shè)備均應(yīng)滿足“多品共線”的柔性制造節(jié)拍要求，其生產(chǎn)調(diào)度是混合流水車間（Hybrid FlowShop，HFS）結(jié)構(gòu)，可采用經(jīng)典的多產(chǎn)品有限能力批量計(jì)劃模型（MP-CLSP）進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

2.2 工藝流程與生產(chǎn)布局的設(shè)計(jì)

工藝流程的設(shè)計(jì)要分解并細(xì)化為預(yù)期的具體工序目標(biāo)，依據(jù)共線的多個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍，設(shè)計(jì)工藝流程，選擇最經(jīng)濟(jì)的工藝路線，通過列表或圖解相互間的邏輯關(guān)系和持續(xù)時(shí)間等。其邏輯關(guān)系具體表現(xiàn)為工藝關(guān)系和組織關(guān)系，可采用橫道圖、網(wǎng)絡(luò)圖等來表達(dá)，如圖1所示，⑤→⑥→⑦→⑧→?→?→?→? 是關(guān)鍵工序，其中焊接是特殊工藝。平行移動(dòng)工序的并聯(lián)邏輯關(guān)系在工藝上作為布局可調(diào)整的優(yōu)先工位，對(duì)于順序移動(dòng)工序的串聯(lián)邏輯關(guān)系，說明緊前、緊后工序。

根據(jù)工藝的特點(diǎn)及其在過程中的重要性，界定相應(yīng)的關(guān)鍵工序和特殊工藝，對(duì)實(shí)現(xiàn)這些工序的工位進(jìn)行柔性化設(shè)計(jì)。

2.3 工位設(shè)計(jì)和裝備選型

工位及其裝備是實(shí)現(xiàn)工藝的手段。設(shè)計(jì)選型首先考慮設(shè)備的適用性以滿足產(chǎn)能和品質(zhì)的預(yù)期要求，應(yīng)充分考慮各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和非標(biāo)設(shè)備的性能特征、技術(shù)參數(shù)和使用條件，兼顧設(shè)備特點(diǎn)、動(dòng)力消耗、配套的輔助設(shè)備、防噪聲和減振等相關(guān)指標(biāo)及設(shè)備的價(jià)格，宜選用先進(jìn)、成熟、自動(dòng)化程度較高、具有柔性化的設(shè)備，綜合考慮投資強(qiáng)度，在“需要”與“可能”之間做出理性決策。

工位的產(chǎn)能要與總產(chǎn)能相匹配，可略有富余，對(duì)于產(chǎn)能大、節(jié)拍快的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)選型工位裝備時(shí)，要實(shí)現(xiàn)工位、設(shè)備的柔性化，既需要設(shè)備本身的泛性應(yīng)用，更要保證工裝器具在不同工位間具有可調(diào)變換性，多采用2臺(tái)最多3臺(tái)相同設(shè)備平行作業(yè)來滿足節(jié)拍要求，工位設(shè)備的造價(jià)占總投資的比例較大，其配置的先進(jìn)程度是決定整條線品位（檔次）的主要因素，在滿足產(chǎn)能的同時(shí)要用技術(shù)經(jīng)濟(jì)的方法進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和適宜性。

圖1 全桁架客車四面體合攏工藝網(wǎng)絡(luò)圖

2.4 物流布局和輸送的自動(dòng)化設(shè)計(jì)

物流、人流和安全通道等是汽車制造工藝布局設(shè)計(jì)中非常重要且易被弱化的一個(gè)方面，物流輸送及其自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)汽車柔性化制造的關(guān)鍵，以生產(chǎn)過程中物流路徑的精細(xì)規(guī)劃和設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，充分合理地利用人力、設(shè)備、作業(yè)方法、物料和場地等資源來降低制造的空間成本和時(shí)間成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，可以說，沒有自動(dòng)化的物流輸送就沒有汽車的柔性化制造。

2.5 配套設(shè)施的設(shè)計(jì)

從屬于工位裝備的工位器具和公用工程的配套及輔助設(shè)施的配備均以滿足整體生產(chǎn)線的運(yùn)行生產(chǎn)需要為原則，應(yīng)考慮與預(yù)留設(shè)施、工位冗余和發(fā)展規(guī)劃相銜接，如供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在投資允許的情況下應(yīng)優(yōu)選密集式母排供電方式，符合國家法規(guī)和相關(guān)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范，技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、環(huán)保節(jié)能、安全可靠、易于操作。

工位器具的設(shè)計(jì)選型應(yīng)遵循人體工程學(xué)的要求，以方便工人操作、作業(yè)姿勢舒適、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、安全可靠、防錯(cuò)防呆為目標(biāo)，投入低成本的自動(dòng)化，注重專用型器具的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)上保證質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)快捷又方便人工操作的作業(yè)環(huán)境。

3 工藝布局的柔性化設(shè)計(jì)

3.1 立體分區(qū)、多層布局的空間設(shè)計(jì)

汽車制造的工藝布局是以生產(chǎn)線體的空間分布為主的設(shè)計(jì)，柔性化的現(xiàn)代生產(chǎn)線摒棄傳統(tǒng)的平面化布局，采用“立體分區(qū)、多層布局”的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)并繪制平面布置圖和立體斷面圖，把工位設(shè)備、公用和輔助設(shè)施及工位器具、物流輸送等按工藝流程的邏輯關(guān)系有機(jī)合理地結(jié)合起來，進(jìn)行空間分布，滿足最便捷寬松的作業(yè)空間、最大的空間利用率、最佳工位設(shè)備間的銜接、最短的物流輸送路徑，系統(tǒng)兼顧運(yùn)行管理和人性化的必備區(qū)域分布，如人員辦公和現(xiàn)場培訓(xùn)區(qū)域、備品備件區(qū)域、清掃潔具存放區(qū)、休息和廁所等生活區(qū)域，這些空間區(qū)域的分布要結(jié)合區(qū)域工藝及設(shè)備特點(diǎn)、作業(yè)人員數(shù)量和生產(chǎn)組織管理模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

整體布局的分層、分區(qū)，以產(chǎn)品的制造工藝為基礎(chǔ)，不同層面的布局以功能實(shí)現(xiàn)和物流輸送為主線分為生產(chǎn)作業(yè)層、公用動(dòng)力層、輔助設(shè)施層等；不同區(qū)域的布置以工序及其特點(diǎn)為依據(jù)，進(jìn)行干濕分區(qū)、高常溫分區(qū)、潔凈度分區(qū)、人工作業(yè)和流水作業(yè)分區(qū)、生產(chǎn)作業(yè)區(qū)和生活存儲(chǔ)分區(qū)，提升廠房空間的利用率，同時(shí)兼顧人流、物流、消防、應(yīng)急等功能需要。不同分層間的物流通過升降或轉(zhuǎn)吊等裝置實(shí)現(xiàn)不同高度和區(qū)域的物流輸送。

3.2 “主線加支線”的組線方式

傳統(tǒng)工藝流程的設(shè)計(jì)往往遵循細(xì)長的“Line”設(shè)計(jì)原則，以連續(xù)平行移動(dòng)的方式來串聯(lián)整條生產(chǎn)線。為實(shí)現(xiàn)汽車的柔性化制造，要對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行“增寬減長”，采用順序移動(dòng)生產(chǎn)為主、平行預(yù)生產(chǎn)優(yōu)先的工序排列方法，采用“主線加支線”的組線方式將其分為主線、支線和輔線的不同線體段，把生產(chǎn)線布局成短而粗的“魚刺式”結(jié)構(gòu)，縮短單元節(jié)拍，具有空間緊湊、物流路徑短、生產(chǎn)快捷、調(diào)度靈活的優(yōu)點(diǎn)。

以客車焊接生產(chǎn)線為例，如圖2所示。傳統(tǒng)工藝采用平行移動(dòng)的生產(chǎn)組織模式、以單一線型布局為主，從骨架下料一步一步地分工序制作后由輸送線轉(zhuǎn)運(yùn)到合攏拼焊，這種工藝布局使得主線物流壓力大，一旦產(chǎn)量提升或生產(chǎn)線全速運(yùn)行將極大地影響整線速度，而使用“主線加支線”的布局設(shè)計(jì)，所有骨架分片制作作為支線，組焊、合攏、蒙皮作為主線，則極大地縮短主線的長度，減輕物流壓力，使得生產(chǎn)速度與設(shè)計(jì)的最大綱領(lǐng)相匹配。

采用“主線加支線”的組線方式設(shè)計(jì)生產(chǎn)線體，與生產(chǎn)組織管理架構(gòu)相匹配，具有可擴(kuò)展性和前瞻性，這是柔性化設(shè)計(jì)思想的精髓。

3.3 工序重構(gòu)再造的柔性化設(shè)計(jì)思想

不同車型的生產(chǎn)主要是工藝工序、工位設(shè)備的差別，導(dǎo)致生產(chǎn)線的不兼容，柔性化的設(shè)計(jì)思路是用專業(yè)化工位和“冗余”工位實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工序的重構(gòu)和再造，專業(yè)化工位是指采用相同的工藝方法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)，對(duì)專業(yè)化工位和“冗余”工位通過屏蔽、激活、短路、循環(huán)等工序的重構(gòu)和再造來滿足不同產(chǎn)品共線生產(chǎn)的要求，實(shí)現(xiàn)工藝的柔性化。

“冗余”工位的設(shè)計(jì)需要在主線基礎(chǔ)上充分考慮壓縮空氣和電力等能源消耗、整體空間及維修工時(shí)等各方面的因素，避免后備工位與主線生產(chǎn)脫節(jié)。

4 結(jié)語

隨著發(fā)展，柔性化設(shè)計(jì)的現(xiàn)代汽車制造工藝布局，其工藝流程和工藝裝備具有較好的兼容性和可擴(kuò)展性。在新產(chǎn)品上線生產(chǎn)時(shí)，通過對(duì)已有工藝流程、工藝設(shè)備等的調(diào)整或重新組合，就可以進(jìn)行混流生產(chǎn)，工藝布局的柔性化設(shè)計(jì)必將推動(dòng)現(xiàn)代汽車制造的飛躍發(fā)展。

圖2 客車焊接生產(chǎn)線“主線加支線”的布局設(shè)計(jì)示意圖