矩陣化生產Cube-Tec新技術

摘要：生產個性化的產品系列是工業4.0的重要組成部分，通過矩陣式生產，可以在工業大量生產的條件下毫無限制地得以實現，自動導向搬運車AGV進一步提升了定制化生產的可靠性和轉變了傳統的物料運輸方式。Cube-Tec技術的引用，可極大地降低項目的投資成本、廠房占地面積，提高設備自動化率，為首都經濟的高精尖產業結構調整貢獻力量。

關鍵詞：柔性化；矩陣式生產；Cube-Tec

項目前提

基于消費者日益增長的消費需求變化，未來汽車行業對汽車生產的多品種、小批量的要求會越來越高。“工業4.0”戰略的出現，為汽車行業更快更好地發展以及更好地適應市場競爭要求提供了更有利的解決方案。北京奔馳某工廠以智能制造工廠為目標，采用MPS先進生產理念，緊跟先進生產力發展方向，實現全球化、智能化發展，計劃發展為全國首屈一指的智能化工廠。

現有生產線根據市場不斷需求變化來生產，產品多、個性強、多樣化，而要滿足這一生產需求，勢必要建立多條流水生產線，由此而帶來不同的生產線經常停工，生產成本過高。比如Z1和Z2生產線夾具工裝、抓手、上件臺及SLT精度料框等都為定制的專用設備，當生產線多車型集成（見圖1）時，占地面積大、浪費生產場地；Z2.2側圍外板和地板合拼工位車型切換時，Framer夾具切換浪費生產節拍；現有線體規劃時，一般為某幾種車型特意設計的線體，但是遇到產品更新換代時，這條生產線就需要進行較大的改造……以上因素都限制了現有生產線個性化產品的生產。

1.柔性化生產概述

傳統的剛性汽車生產方式，因成本高、制造產品單一等不足，早已無法適應當前汽車市場快速發展的潮流。目前主流的生產方式均已采用單一平臺下的多款產品共線生產，以此來降低物流投資、設備投資及基建面積的占用。具體來說，單一平臺下的柔性化生產方式，在規劃設計初期即要求在同一個車間，一條生產線可同時滿足同一平臺下多種車型的生產，各種通用設備和公用工程設施一次投入，永久性使用，因此大大地降低各種浪費，使用效率也被提高。

同時，在每開發一個新車型時，只需要有針對性的增加新車型需要的專業設備模塊，將原有的通用設備進行一定的改造，滿足新車型的需要，調試各種共用化程序即可。這樣不僅降低了多車型生產線的投資成本，也加快了同一平臺產品的迭代速度。

北京奔馳某項目結合未來市場的不確定性，考慮最優化利用產能，將電動車EVA2平臺、MRA后驅車平臺及MFA前驅車平臺產品，通過優化生產工藝及采用新技術的工藝輔助設備等方式，形成多平臺、多款產品的共線生產。在推進新能源及傳統燃油車共線生產的過程中，會涉及產品結構的多樣化導致的零部件種類繁多，產品性能表現的不同而產生的生產工藝差別，以及共平臺生產帶來的焊接工藝及裝配工藝的改變等。柔性化生產就是通過對這些問題的有效解決，以最低投資實現產能的最優利用，從而適應市場的變化。這在北京奔馳的工藝規劃歷史上尚屬首次。

2.“大規模生產”和“大規模定制”對比

社會進步和經濟發展，使得各種消費品從供不應求發展到現在供大于求，如何在實現產品基本功能的前提下，還能滿足客戶需求的個性化，成為我們努力的新方向，由此“定制化”將成為未來的趨勢，同樣汽車制造也將從“大規模生產”發展到“大規模定制”，兩種生產方式的對比如圖2所示。

工藝規劃舉措

通過分析不同平臺車型產品差異，結合現有各平臺工藝規劃體系及工廠實際，在“同一品質，同一標準，同一團隊”運營理念的指引下，在分析和優化生產布局、資源利用率、產能和效率、物流和供需鏈等需求的基礎上，積極探索實現新能源車型EVA2平臺和傳統燃油車型MFA平臺、MRA平臺最大限度柔性化生產模式。

在實施路徑上，某項目基于亦莊工廠的成功實踐，引入汽車智能制造前沿技術，建造智能制造系統與IT系統深度融合的智能工廠，并在物流信息化、生產智能化、管理數字化的基礎上，規劃橫跨三大平臺的最大限度柔性化生產。

1.順義裝焊車間柔性措施

某項目裝焊車間現規劃兩條生產線，第一條為前驅車MFA平臺生產線，規劃產能15JPH；第二條為電動車EVA2平臺和后驅車MRA平臺生產線，規劃產能30JPH。在具體實施路徑上，電動車EVA2平臺和后驅車MRA平臺產品的Z1、Z2、Z3 HOP及裝配線完全共線，機蓋線及完成線則為電動車EVA、后驅車MRA和前驅車MFA三平臺共線（規劃布局圖見圖3）。

其中車門生產線和機蓋生產線均采用車型批量切換柔性化方式，規劃時考慮區分不同車型的共用設備和專用設備，具體為：所有的機器人、PLC等控制設備，連接設備包括壓鉚設備、激光焊設備、涂膠設備等規劃為共用設備，無法通過規劃整合的設備包括定位工裝和抓手，作為車型專用設備，不同車型生產時只需要切換定位工裝和抓手即可實現車型切換。

而Z1和Z2線體需結合EVA2平臺和MRA平臺車型，若按照傳統生產線進行規劃，則需占用大量的工廠面積，不同平臺車型難以切換或無法實現。因此基于遠期及大規模定制規劃的需要，順義項目團隊計劃引進奔馳智能化全柔性矩陣式生產技術（Cube-Tec），將電動車EVA2和后驅車MRA平臺共線的Z1和Z2區域采用了目前世界上最先進的矩陣式生產模式，實現了跨平臺的柔性化生產，該規劃方案也體現了智能制造的理念。

“工業4.0”的生產模式可以大概總結為“智能生產 + 智能工廠”模式。智能化的目的是解決柔性制造和個性化定制生產中的復雜性問題，而自動化的目的主要是提高生產效率，提供對于工人無法勝任的工作的解決方案，并降低成本。基于汽車行業現狀及生產特點，是目前非常適合實行智能化制造并較快實現高度自動化乃至達成“工業4.0”概念的設想。

Cube-Tec矩陣化生產概念是打破原有的汽車車身制造工藝，概念性地提出不再區分四大工藝生產，而是使用能夠滿足未來生產的小批量、多品種的汽車車身模塊化制造，利用便捷的無人駕駛車物流概念，為更好地滿足消費者日益增長的個性化購買需求，提供全方位的工廠解決方案。

2. Cube-Tec矩陣式生產的原則

通過使用奔馳Cube-Tec智能化全柔性矩陣式生產技術，使極具適應能力的生產過程成為現實在整個工藝流程和生產中實現了聯網，如圖4所示。設備可以自己依據生產訂單自動改裝對應的產品類型，無需等待、無需停產。

生產個性化的產品系列是“工業 4.0” 的重要組成部分，通過矩陣式生產，可以在工業大量生產的條件下毫無限制地得以實現。矩陣式生產可將任意數量的類似生產單元歸置在一個網格上。所有的生產單元配備不依賴于產品的裝備和產品特有的基本功能性。

在這些單元內部有一個用于放置零件的轉盤、工具架和能夠執行相應工藝的機器人。通過工藝特有的裝備可以對這些生產單元進行個性化擴展。焊接、粘接、沖壓、釬焊和釘固，幾乎可以整合所有工藝（見圖5）。

3.物流與制造相分離原則

傳統物流零部件輸送主要靠廠內叉車及牽引車，人工分揀到工位，輸送效率受人工影響因素大，適應少品種多批量，但是不適應大規模定制化生產。

在工業4.0時代，為了緩解負載峰值或平衡資源瓶頸，人們需要極具適應能力的解決方案。通過可配置的生產單元、借助自動導向搬運車（AGVs）進行零備件和工具運輸，以及物流和生產的分離，矩陣式生產將成為決定性的競爭因素。獨立行駛的AGVs（見圖6）借助可個性化配置的吊具（LAM）固定和運輸各種不同的零件或工具。在矩陣式生產中，物流過程與制造過程相分離——這是工業4.0的核心要求。在這個理念下，以可變零件物流為特征的裝置隨時都能夠在達到峰值時靈活地轉換到其他單元。

此外，它還可以鏈接額外的其他單元，或者從這個工藝過程中脫離，卻不會造成價值創造鏈中斷。物流與生產過程的邏輯連接通過軟件實現。通過高度靈活的矩陣式生產理念，Cube-Tec技術在工業生產范圍內堅決地貫徹了工業4.0的要求，EVA2裝焊車間物流規劃理念如圖7所示。

4. Cube-Tec矩陣式生產特點

1）通過使用AGVs，以可變零件物流為特征的系統隨時都能夠在達到峰值時靈活地轉換到其他單元。

2）通過動態的改變工藝路線和定制化的工具來適應不斷變化的產品類型。

3）設備的使用生命周期同某一款產品的生命周期脫離，最大化利用生產設備的價值。

4）可以實現大規模定制，工廠生產批次的大小不會影響到其產品的利潤率。

“矩陣式生產”理念使將來在工業尺度上極具適應能力的生產過程成為可能，在整個工藝鏈上實現了聯網。設備可以自己“飛速地”自動改裝為適于其他不同的產品類型，無需等待、無需停產。生產個性化的產品系列是工業4.0的重要組成部分，通過矩陣式生產，可以在工業大量生產的條件下毫無限制地得以實現。

5. Cube-Tec技術應用

Cube-Tec技術為奔馳公司開發的最先進、最前沿的柔性生產制造技術，目前僅在德國工廠應用。北京奔馳順義工廠為首次在德國本土以外推廣使用此項智能技術，符合北京“科技創新中心”的功能定位、響應首都高精尖產業結構構建號召的高端制造產業基地。

創新與收益

通過Cube-Tec技術引進和使用，裝焊EVA2生產線Z1/Z2線體自動化率將達到100%，極大降低了工廠HPV值。通過對德國工廠和順義工廠EVA2生產線的對比，北京奔馳在同樣30JPH節拍和同樣生產線產量規模的前提下，合理規劃布局、分析，節省工廠占地面積21 000m2，極大地降低了土地成本、設備成本、人工成本，將為北京奔馳作為奔馳集團標桿工廠貢獻一份力。

結語

通過Cube-Tec新技術的應用，匠心打造北京奔馳最高裝焊自動化率，縮短產品生產周期，提高設備利用率和員工勞動生產率，改善產品質量，降低HPV，在奔馳集團實現標桿工廠。

通過引進國際先進的生產設備和工藝標準，同時在不同車間及區域應用模塊化生產及智能制造的先進技術，將順義工廠打造為北京奔馳新能源汽車生產基地和傳統能源高端品牌制造產業基地。在集團的大框架下，既加快了產品結構的調整，又增強了集團的全球品牌影響力，同時也將拉動產業升級，促進區域經濟發展，增加周邊就業機會，從而產生良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 姚磊，范青山，杜坤．柔性化焊裝生產線的應用[J]．汽車工藝與材料，2015（02）：9-12．

[2] 孫威春. 汽車車身柔性裝焊生產線探討[J]. 汽車技術，1997（12）：21-24.

[3] 許小雷，田見，譚小松，等.裝焊模塊化生產島的開發應用[J]. 汽車工藝師，2022（7）：10-13.