白車身柔性焊裝線工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)的應(yīng)用要點(diǎn)分析

池培培

（庫卡柔性系統(tǒng)（上海）有限公司，上海 201616）

關(guān)鍵字：白車身；柔性焊裝線；規(guī)劃設(shè)計(jì)；應(yīng)用要點(diǎn)

引言

焊裝工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)是指在車輛設(shè)計(jì)階段結(jié)合其生產(chǎn)綱領(lǐng)、生產(chǎn)方式、設(shè)備利用率及廠房面積等總體規(guī)劃要求，并考慮車身數(shù)模自身的工藝性，對產(chǎn)品的上件流程、節(jié)拍計(jì)算、焊點(diǎn)分配等問題進(jìn)行規(guī)劃和分析，在保證產(chǎn)品工藝可行性的同時(shí)確定出最優(yōu)的生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)[1]。焊裝工藝對車身焊接質(zhì)量、焊接過程的可操作性起著決定性作用，如果工藝規(guī)劃不合理，將影響到車輛的質(zhì)量，并加大焊接操作難度，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)方案的更改，進(jìn)而影響車型的開發(fā)周期和投資成本。本文研究重點(diǎn)在于焊裝線工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)全流程工作中重要節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)分析中給予關(guān)注，可使規(guī)劃設(shè)計(jì)工作更加順暢并高質(zhì)量完成焊裝線工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)[2]。

1 柔性焊裝線工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

汽車柔性焊裝線工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)是汽車研發(fā)量產(chǎn)階段的重要內(nèi)容，一般包括四個(gè)方面：沖壓、焊裝、涂裝、總裝，焊裝線是生產(chǎn)汽車骨架的環(huán)節(jié)。焊裝工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)從實(shí)施到結(jié)束理論上包括節(jié)拍計(jì)算分析、工藝分配分析、焊點(diǎn)分配分析、安全分析等內(nèi)容，但在具體操作中通常要求細(xì)化且措施可操作性強(qiáng)，一般包括以下九個(gè)方面[3]。

（1）熟知項(xiàng)目工藝標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，確認(rèn)工藝標(biāo)準(zhǔn)的完善性、可操作性等，關(guān)系后期各類工藝分析能否有效進(jìn)行和高質(zhì)量落地；

（2）進(jìn)行產(chǎn)品分析，分析搭接關(guān)系，確認(rèn)上件流程；

（3）依據(jù)項(xiàng)目中焊裝線的產(chǎn)能要求，進(jìn)行節(jié)拍分析，同時(shí)制作節(jié)拍表；

（4）依據(jù)節(jié)拍分析各工位的產(chǎn)能，并進(jìn)行工藝和焊點(diǎn)分配從而定義定位點(diǎn)與補(bǔ)焊點(diǎn)；

（5）依據(jù)項(xiàng)目給出的layout與分析，制作layout布局圖；

（6）依據(jù)項(xiàng)目給出的實(shí)施方案，進(jìn)行安全分析，并確認(rèn)安全分區(qū)與安全設(shè)備應(yīng)用；

（7）根據(jù)使用的設(shè)備特性，對廠房基礎(chǔ)和能源情況進(jìn)行分析；

（8）基于以上規(guī)劃和設(shè)計(jì)分析工作內(nèi)容，制作工藝文件和項(xiàng)目指導(dǎo)書；

（9）工藝實(shí)施中項(xiàng)目情況變更管理，關(guān)注前期規(guī)劃設(shè)計(jì)分析成果文件的系統(tǒng)性。

2 焊裝線工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用要點(diǎn)分析

從焊裝線工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)項(xiàng)目啟動(dòng)到項(xiàng)目實(shí)施落地，主要內(nèi)容大致為九個(gè)方面，每個(gè)方面還包含具體內(nèi)容，整體工作量大且繁雜。工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)分析是實(shí)施之前的指導(dǎo)性工作，形成的工藝文件是實(shí)施的“施工圖”，優(yōu)秀的“施工圖”是可以給項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)帶來降低成本、提升工藝水平的作用，但“施工圖”不完善將會(huì)帶來不可逆損失。以下從多個(gè)方面結(jié)合筆者過往多年多項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析每個(gè)環(huán)節(jié)工作的關(guān)注要點(diǎn)。

2.1 工藝標(biāo)準(zhǔn)

汽車主機(jī)廠一般會(huì)提供焊裝線工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)工藝標(biāo)準(zhǔn)文件，大致分為德系、日系、美系、法系等類別，每種類別標(biāo)準(zhǔn)具體要求存在差異，應(yīng)認(rèn)真了解熟知。例如，立柱形式方面，德系標(biāo)準(zhǔn)要求采用線切割一體成型形式，而日系標(biāo)準(zhǔn)要求采用分體式立板結(jié)構(gòu)；線間緩存的形式方面，德系標(biāo)準(zhǔn)一般采用積放設(shè)備，而日系標(biāo)準(zhǔn)要求穩(wěn)定簡單的設(shè)備，減少設(shè)備的故障率來取消緩存。

2.2 產(chǎn)品分析

產(chǎn)品分析全稱是產(chǎn)品數(shù)模分析，是汽車主機(jī)廠提供的根據(jù)車身件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工序制作的文件，該文件會(huì)在焊裝線項(xiàng)目推進(jìn)過程中不斷變更，故而產(chǎn)品分析工作首先要對產(chǎn)品樹進(jìn)行系統(tǒng)地梳理分析并與前期取得文件對比，此環(huán)節(jié)差錯(cuò)會(huì)引起整個(gè)焊裝線規(guī)劃方案的變更，有甚引起夾具設(shè)計(jì)棄用。

2.3 節(jié)拍分析

節(jié)拍是在單工位生產(chǎn)所需要的工時(shí)，即從一個(gè)動(dòng)作到下一次完全相同的動(dòng)作整個(gè)過程所需的時(shí)間，與產(chǎn)能是兩個(gè)概念，通常可以使用換算公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。節(jié)拍又分為毛節(jié)拍（gross cycle）和凈節(jié)拍（net cycle），用產(chǎn)能和設(shè)備綜合開通率計(jì)算出來的節(jié)拍一般稱毛節(jié)拍；車型切換、修電極帽、更換電極帽、更換弧焊焊絲等因素造成的時(shí)間損失后剩余的節(jié)拍一般稱凈節(jié)拍。汽車主機(jī)廠提供項(xiàng)目數(shù)據(jù)文件后，首先分清產(chǎn)能是總產(chǎn)能還是各線體的分產(chǎn)能，是毛節(jié)拍還是凈節(jié)拍[4]。

若給出總產(chǎn)能，則需關(guān)注各個(gè)分線體的產(chǎn)能，同樣需關(guān)注是否有額外因素帶來的損失，從而最終確定凈節(jié)拍。在各設(shè)備凈節(jié)拍基礎(chǔ)上，對照工時(shí)標(biāo)準(zhǔn)文件分析是否存在標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)與實(shí)際工時(shí)差異，再進(jìn)行工位分析（該部分需關(guān)注即便所有設(shè)備的節(jié)拍都滿足工序節(jié)拍，但不一定整體工位的節(jié)拍就是滿足要求的，需注意工位干涉帶來的節(jié)拍損失），之后制作正式節(jié)拍文件。

節(jié)拍文件是工藝分析的重要的文件，需要做到不遺漏步驟、注意關(guān)聯(lián)關(guān)系、同一設(shè)備在不同工位使用時(shí)間不重疊、邏輯順序正確等要求。同時(shí)，全程關(guān)注汽車主機(jī)廠設(shè)變情況，及時(shí)分析設(shè)變對節(jié)拍的影響并進(jìn)行調(diào)整。

2.4 工藝分配

在上件順序和節(jié)拍文件分析出工位上件與焊接能力后，需定義出產(chǎn)品的定位點(diǎn)、補(bǔ)焊點(diǎn)等。主機(jī)廠一般會(huì)指定每序定位焊接工位的定位點(diǎn)和補(bǔ)焊點(diǎn)，此時(shí)需關(guān)注指定的定位焊工位可能存在定位點(diǎn)的數(shù)量與節(jié)拍分析時(shí)的數(shù)量不一致的情況。若節(jié)拍分析的點(diǎn)數(shù)多于定位焊點(diǎn)，可以讓部分補(bǔ)焊點(diǎn)放在定位焊工位焊接；若節(jié)拍分析的點(diǎn)數(shù)少于定位焊點(diǎn)，則定位焊工位不能完成所有的定位點(diǎn)的焊接。

以圖1中美系車某焊裝線項(xiàng)目為例，由于側(cè)圍外板的焊點(diǎn)較多，而到后續(xù)工位后內(nèi)板會(huì)將焊點(diǎn)遮擋，造成焊點(diǎn)在這個(gè)工位焊接完成后而機(jī)器人的數(shù)量無法再增加且工序又不能拆開，所以工位的節(jié)拍就超出了主機(jī)廠指定的節(jié)拍要求。顯然這個(gè)節(jié)拍工位超時(shí)的可能性非常大，由于節(jié)拍分析實(shí)際上通常以常規(guī)經(jīng)驗(yàn)時(shí)間分析得出的數(shù)值，而精準(zhǔn)的時(shí)間需要使用仿真軟件才能達(dá)到，因此需要在仿真驗(yàn)證后再給出分析階段的精準(zhǔn)時(shí)間。

圖1 美系車某柔性焊裝線項(xiàng)目

在項(xiàng)目數(shù)據(jù)文件中若沒有指定定位焊點(diǎn)，那么需要根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行定義。定義定位焊點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)：（1）參照同車廠類似產(chǎn)品進(jìn)行定義；（2）多零件搭接的交點(diǎn)、端點(diǎn)、易變形點(diǎn)進(jìn)行定義；（3）車件功能上需要的位置。通常定位點(diǎn)是通過汽車研發(fā)階段的軟件進(jìn)行受力分析，確認(rèn)哪些點(diǎn)焊接完成后能夠保證產(chǎn)品的強(qiáng)度，后期再進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)校核。

根據(jù)分配好的定位點(diǎn)和補(bǔ)焊點(diǎn)等信息，制作一版焊點(diǎn)文件，文件制作中需關(guān)注后期的自動(dòng)區(qū)域仿真結(jié)果，因?yàn)槲募镪P(guān)于自動(dòng)部分內(nèi)容未及時(shí)更新，信息不匹配會(huì)引起焊點(diǎn)遺漏的問題出現(xiàn)。

2.5 布局分析

布局圖（layout）是用于展示分析、安裝落位的圖紙。布局圖中需要體現(xiàn)所有實(shí)際用于現(xiàn)場落位的設(shè)備，其制作首要問題還是關(guān)注項(xiàng)目數(shù)據(jù)文件中的布局圖標(biāo)準(zhǔn)，并關(guān)注layout原點(diǎn)、layout中設(shè)備清單與設(shè)備完整性等重要信息。布局圖制作通常有三個(gè)階段，每個(gè)階段應(yīng)用要點(diǎn)各不同且十分重要。

第一階段：（1）設(shè)備可達(dá)性是否滿足。機(jī)器人是否能夠取放所有歸屬它的設(shè)備，機(jī)器人零位朝向是否正確，機(jī)器人是否有限高要求；（2）縮短圍欄外控制柜到設(shè)備的距離。控制涂膠設(shè)備的管線長度、螺柱焊設(shè)備的管線長度、機(jī)器人管線長度、焊接電纜通訊長度等；（3）設(shè)備的維修操作空間是否滿足，相關(guān)設(shè)備周圍是否有人站立維修的空間；（4）高故障率設(shè)備的維修通道。例如螺柱焊、凸焊、弧焊、涂膠槍、固定焊槍等，需要經(jīng)常清理和更換的設(shè)備，是否考慮維修通道；（5）安全區(qū)分析。每個(gè)人工上件口如何考慮安全，哪些需要獨(dú)立的安全分區(qū)，應(yīng)該使用什么安全設(shè)備滿足安全需要；（6）人工操作范圍。料箱擺放在什么位置工人如何在最短的時(shí)間完成上件，工人如何能在節(jié)拍內(nèi)操作兩個(gè)工位，工人如何切換物料等；（7）區(qū)域水電氣落點(diǎn)的選擇。從空中能源點(diǎn)到地面的位置的落點(diǎn)的確認(rèn)，是否靠近廠房柱子，最短的線纜布局要求。

第二階段（3D設(shè)計(jì)階段）：（1）根據(jù)仿真驗(yàn)證的結(jié)果，修改自動(dòng)設(shè)備的位置。如果驗(yàn)證的結(jié)果與方案有沖突，那么需要確認(rèn)節(jié)拍、設(shè)備清單等信息，不可隨意確認(rèn)；（2）根據(jù)自動(dòng)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)整圍欄外的控制器等位置，與項(xiàng)目數(shù)據(jù)文件對比，查看是否有超出主機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)或車輛要求；（3）線纜橋架的布局需要增加，并核對水氣的管線是在橋架下布局還是在外側(cè)布局，均需在layout上體現(xiàn)，確認(rèn)水氣落點(diǎn)的位置，并確認(rèn)每一個(gè)HIP所帶機(jī)器人的水和氣，空中與地面的走管是否有問題；（4）檢查設(shè)備的維護(hù)性，特別注意容易被忽視的設(shè)備的位置。還需確認(rèn)安全門打開的方向及空間、電氣柜的門打開方向及空間、線槽蓋板是否可以打開等設(shè)備的維護(hù)性；（5）安全設(shè)備的檢查。所有的安全是否通過了計(jì)算分析，layout是否按照安全標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的尺寸進(jìn)行擺放，安全設(shè)備使用的尺寸和形式確認(rèn)，安全分區(qū)的定義并與電氣部門進(jìn)行核對；（6）工人數(shù)量的準(zhǔn)確定義。確認(rèn)每個(gè)工人行走的范圍，根據(jù)布局圖，更新節(jié)拍表中信息的正確性，檢查是否可以縮短行走距離，有無可能減少人工。若節(jié)拍不夠，是否需要增加過渡料架等；（7）現(xiàn)場的料箱是否滿足車間的要求。首先確認(rèn)所有零件的料箱尺寸是否正確，再次確認(rèn)線旁料箱是否滿足項(xiàng)目要求，最后確認(rèn)切換車型時(shí)料箱切換是否方便；（8）廠房基礎(chǔ)帶來的影響是否規(guī)避。例如涉深地縫和切割地縫對設(shè)備的影響、消防設(shè)備對設(shè)備的影響、鋼結(jié)構(gòu)和廠房立柱帶來的影響、物流輸送路線對布局的影響、沖壓等特殊設(shè)備帶來的影響、參觀通道等帶來的影響，核對檢查并提出修改建議；（9）工位及設(shè)備的編號填寫完整，在layout上均可以找到。

第三階段（最終版）：（1）要求仿真驗(yàn)證后的設(shè)備尺寸進(jìn)行以5 mm為單位圓整，并根據(jù)仿真給出的投圖進(jìn)行更新；（2）再次核對設(shè)備清單及所有方案變更點(diǎn)，確認(rèn)layout上沒有遺漏任何設(shè)備；（3）設(shè)備按照最終的數(shù)據(jù)進(jìn)行投圖（四個(gè)投圖數(shù)據(jù)相互嵌套：base、車件、地腳板、整套設(shè)備），預(yù)留設(shè)備位置的確認(rèn)；（4）維修路徑及維修空間再次進(jìn)行檢查；（5）安全方案及設(shè)備的最終檢查；（6）工位及設(shè)備的編號最終檢查；（7）layout上各個(gè)圖形是否按照廠商標(biāo)準(zhǔn)的圖層存放，線性、顏色等是否符合要求；（8）layout的存儲(chǔ)格式及大小進(jìn)行核對。

2.6 安全分析

安全分析是對焊裝線項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)中的各類安全問題的考量，通過分析發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)或發(fā)生人為差錯(cuò)的可能性。汽車生產(chǎn)線上的人工安全分析同樣需要關(guān)注通用性安全標(biāo)準(zhǔn)及不同主機(jī)廠的新增安全標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域選擇方面一般重點(diǎn)關(guān)注人工操作區(qū)域和人工維修區(qū)域。在安全分析工作中安全計(jì)算、安全范圍確認(rèn)、安全區(qū)域確認(rèn)相對常規(guī)，這里我們重點(diǎn)關(guān)注安全分區(qū)分析工作。如圖2所示，安全分區(qū)分析應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

圖2 自動(dòng)化柔性生產(chǎn)線的安全區(qū)劃分

（1）每個(gè)安全區(qū)域均需設(shè)置安全門；（2）一個(gè)安全區(qū)域與另一個(gè)安全區(qū)域之間需要有安全設(shè)備進(jìn)行隔離；（3）1個(gè)PLC可以控制幾個(gè)安全區(qū)域，但是1個(gè)安全區(qū)域內(nèi)的設(shè)備不允許幾個(gè)PLC控制；（4）確認(rèn)一個(gè)安全機(jī)器人的數(shù)量。一般一套PLC可以帶16臺(tái)機(jī)器人，那么安全區(qū)的機(jī)器人數(shù)量必須小于PLC的機(jī)器人數(shù)量限制；（5）線體中間的緩存和buffer都需要單獨(dú)的安全分區(qū)；（6）APC一般屬于獨(dú)立的安全區(qū)域，最多可以拆分成3個(gè)安全分區(qū)；（7）UB線和主線工位這種使用傳輸設(shè)備進(jìn)行傳輸?shù)墓の唬话愣际菃喂の粏伟踩珔^(qū)，也有多工位一個(gè)安全區(qū)；（8）取件或放件機(jī)器人歸屬哪個(gè)安全區(qū)是要看這個(gè)機(jī)器人的主要工作在哪個(gè)區(qū)域，如果要更換安全區(qū)，需要將工作的工藝部分都?xì)w入另一個(gè)安全區(qū)。

2.7 能源與廠房基礎(chǔ)分析

對焊裝車間生產(chǎn)過程中需要用到的水、電、氣進(jìn)行分析，一般要求是確定滿足連續(xù)生產(chǎn)的最低耗量，還需根據(jù)項(xiàng)目要求情況預(yù)留提產(chǎn)對增加設(shè)備耗量的空間。能源消耗量分析以項(xiàng)目耗能表為基礎(chǔ)進(jìn)行，在對比實(shí)際能耗和主機(jī)廠HIP需求情況下，明確最少需要的HIP的數(shù)量。

焊裝線上各類設(shè)備對廠房基礎(chǔ)需求很嚴(yán)格，需要根據(jù)設(shè)備特性提出相應(yīng)的廠房要求，從實(shí)務(wù)角度總結(jié)為以下幾點(diǎn)：（1）高精度工位附近是否有震源，如總拼工位附近不能有沖壓設(shè)備，通常會(huì)修改設(shè)備位置或挖隔斷深溝；（2）在線測量工位有特殊處理，一般會(huì)重做地基或制作特殊水泥墩式底座；（3）廠房的衍架結(jié)構(gòu)的承載是否支撐空中輸送，通常會(huì)在地面做支撐立柱或輕量化輸送設(shè)備；（4）廠房伸縮縫上是否有設(shè)備，解決辦法為修改設(shè)備位置或使用壓板式結(jié)構(gòu)；（5）廠 房的門口附近是否有加熱設(shè)備，是否需要做保溫處理，通常做加熱設(shè)備加熱燈或增加保溫房；（6）廠房的地面承載是否滿足設(shè)備的需求，一般會(huì)預(yù)埋鋼板或做大地腳板減少壓強(qiáng)；（7）廠房的消防和立柱是否有特殊保護(hù)要求，是否影響線體，基本采取避讓設(shè)施。

2.8 后期變更管理

完成以上規(guī)劃設(shè)計(jì)分析工作后，會(huì)進(jìn)行工藝文件與項(xiàng)目指導(dǎo)書制作，到該步驟基本標(biāo)志汽車焊裝線工藝相關(guān)工作完成，但系列規(guī)劃、設(shè)計(jì)文件在實(shí)施過程中仍需關(guān)注如提速、增加車型等變更帶來的問題。下面介紹幾種情況易導(dǎo)致方案失敗：（1）在產(chǎn)品增加的時(shí)候只考慮焊點(diǎn)的變化，忽略產(chǎn)品增加對上件節(jié)拍（增加手動(dòng)夾緊等）及焊點(diǎn)數(shù)增加帶來的影響；（2）涂膠長度和位置的增加只考慮節(jié)拍的變化，忽略人機(jī)或機(jī)器人可達(dá)性帶來的影響；（3）產(chǎn)品外形的變化只考慮焊點(diǎn)的變化，忽略工件取放帶來的影響；（4）焊接能力滿足提速要求，忽略定位點(diǎn)比較集中，機(jī)器人相互干涉影響節(jié)拍的問題；（5）忽略在產(chǎn)品變化（提產(chǎn)、增加車型）的情況下，對預(yù)留方案的編制。

3 結(jié)束語

在汽車制造工業(yè)快速發(fā)展中，建設(shè)、改善多車型、高柔性的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線顯得尤為重要，對焊裝線工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)自然是重中之重。該環(huán)節(jié)工作具有涉及面多、工作量大、標(biāo)準(zhǔn)要求高、出險(xiǎn)不可逆等特點(diǎn)，系統(tǒng)地總結(jié)分析應(yīng)用要點(diǎn)將有利推動(dòng)焊裝線項(xiàng)目順利實(shí)施，同時(shí)還可以縮減項(xiàng)目整體建設(shè)/改善時(shí)間、化解因方案疏忽產(chǎn)生不可逆損失、降低項(xiàng)目建設(shè)/改善成本等[5]。