汽車柔性焊接工作站的設計及應用

蔡陳陽　黃偉雄　陳佳

關鍵詞：汽車焊接；車身拼裝；柔性工作站；MCP 理論

中圖分類號：U468.2+3 文獻標識碼：A

0 引言

汽車白車身柔性工作站的設計，是汽車制造業邁向智能化、高效化生產的重要一環。孫賢初[1] 對空調器進液管組件焊接進行無人化生產線的設計，最終實現精確控制；呂柳熙[2] 通過降低誤差解決了機械結構的間隙和響應實時性問題，最終提高了系統的動態性能；高佳篷[3] 開發了一種機器人智能焊縫跟蹤方法，實現復雜工況下的自動化焊接；王偉剛[4] 根據公司發展戰略的要求，對SDY（ 上汽通用東岳汽車） 工廠汽車焊裝車間制定一系列的可以提高焊裝生產線的生產效率方案，最終實現了車輛智能化生產；陳鑫[5] 利用所設計的焊接算法，實現了穩定準確的焊接方式。為了適應汽車市場的多樣化和個性化需求，白車身拼裝線需要具備更高的柔性化生產能力的工作站。這意味著產線能夠根據不同的車型要求進行快速調整，實現多品種、小批量的生產。

1 汽車白車身焊接工作站的介紹

機器人可以執行重復、單調的焊接任務，且精度和速度都遠高于人工操作。通過引入機器人作業，可以進一步降低人工成本，提高焊接質量和一致性。值得注意的是，雖然自動化技術在焊接領域的應用日益廣泛，但仍有許多分總成生產線保留了人工操作與機器人作業相結合的模式。

1.1 汽車白車身焊接生產線簡介

汽車拼產線主要完成白車身總成方面的集成焊接。工藝過程比較復雜，通常包括物料配送、定位、涂膠、搬運、零件抓取、螺柱焊接和電阻點焊等。白車身總拼線目前的焊接工藝及具體設備如圖1 所示。

1.2 汽車白車身拼焊線現狀

隨著汽車制造業的快速發展，對白車身分拼焊接的生產效率提出了更高的要求。然而，目前部分產線在生產過程中存在生產流程不夠優化、設備自動化程度不高、人工操作過多等問題，導致生產效率低下，難以滿足市場需求。其次是質量控制問題。車身子系統作為汽車的重要組成部分，其質量直接關系到汽車的安全性和舒適性。

然而，在拼焊產線中，由于工藝控制不嚴格、設備精度不足、材料質量不穩定等因素，可能導致白車身整體質量不達標，影響整車的質量。國內主機廠大多數車身車間白車身焊接分拼線，如圖2 所示為某主機廠焊接模式（人機混合焊接）。

2 汽車白車身焊接場地改造

2.1 白車身焊接線投資成本高

白車身產線確實涉及較高的投資成本，這主要源于多個方面的考慮，由于車身車間產線的建設需要考慮到廠房改造、設備布局和安裝調試等費用。由于柔性生產的需求，設備的布局和安裝調試也是一項復雜的工作，需要專業的團隊進行操作。焊接場地由于人機混合，場地工位都比較多，一般需要40 個焊接工位才能完成焊接任務。另外各個子系統單件、如行李支架和螺柱焊銷釘等零件的數量較多，裝件、涂膠、焊接和搬運等往往需要10 ～ 15 個拼臺才能完成全部工序，對于機器人的需求數量也會在20 臺以上。這些無疑都提高了生產成本。

2.2 焊接零件結構眾多，夾具存儲困難

由于車身類別較多，形狀各異，且每個零件都需要滿足特定的功能和性能要求。因此，白車身的柔性制造難度較大，其往往具有復雜的曲面形狀、高精度的尺寸要求以及嚴格的裝配公差。為了滿足這些要求，制造過程中需要使用多種先進的工藝技術和高精度的設備。同時，不同的零件可能需要不同的工藝流程和材料，零件定位的切換，需要開發有不同的定位工裝夾具和抓取裝置，這就導致切換時間長，投資成本高，進一步增加了柔性制造的挑戰。

其次，汽車特殊訂單的生產批量差異大，也影響了柔性制造的實施。一些零件可能只需要生產少量批次，同時生產5 種車型，這種生產批量的差異要求制造系統具備高度的靈活性和可調整性，以便能夠快速適應不同的生產需求。

2.3 車身焊接件結構復雜，焊接工藝布置難度提升

在白車身焊接過程中，焊接設備、輔助設備和工裝的布局應便于操作，減少人員移動和等待時間，提高整體工作效率。在工藝布置中充分考慮安全和環保要求，如設置安全防護設施、配置通風除塵設備等，確保焊接作業的安全和環保性。

3 柔性車身焊接工作站的設計

本研究需要結合企業車間特征，通過采用柔性自動化生產技術、合理配置設備、優化生產線布局以及實現模塊化設計和可編程控制等措施，我們可以設計出一條能夠實現多品種產線柔性生產并具備60JPH 產品輸出能力的焊接產線。這將有助于提高企業的生產效率和市場競爭力，滿足消費者對個性化、多元化產品的需求。

3.1 白車身柔性工作站設計，降低投入成本

焊接機器人線平衡分析是一個重要的環節，它有助于提升生產效率和優化機器人工作流程。線平衡分析主要關注產線上各個工位或工序的作業時間和負荷分配，確保它們盡可能相等或相近，從而消除等待和浪費現象，實現生產效率最大化。MCP（關鍵控制點）理論的應用在平臺化柔性工作站，通過選取MCP，同平臺的車型（甚至不同平臺的車型）采用共同的定位。以實現夾具、抓手的共用（圖3）。這樣既可以降低投入成本，也能減少焊接時間，提高工作效率。

3.2 柔性工作站新設備投入

柔性工作站是一種能夠根據生產需求快速調整和適應不同產品或任務的工作站，它具備高度的靈活性和可配置性，能夠顯著提升生產線的效率和適應性。

在新設備的投入方面，我們需要考慮以下幾個方面。

（1）設備選擇與配置：根據柔性工作站的具體需求和場景，選擇合適的設備進行投入。這些設備可能包括可編程機器人、傳感器、視覺系統等，以實現工作站的自動化和智能化。同時，我們需要確保設備的配置與工作站的整體布局和工藝流程相匹配，以達到最佳的生產效果。

（2）技術集成與調試：新設備的投入不僅僅是簡單的安裝和連接，還需要進行技術集成和調試。這包括設備之間的通信協議、數據交換、控制邏輯等方面的集成，以及設備的調試和優化，確保設備能夠正常工作并達到預期的生產效果。

（3）人員培訓與操作：新設備的投入往往伴隨著新的操作方式和技能要求。因此，我們需要對操作人員進行相應的培訓和指導，使他們能夠熟練掌握新設備的操作和維護技能。同時，我們還需要建立相應的操作規程和安全制度，確保設備的安全運行和人員的安全操作。

（4）效益評估與持續改進：新設備投入后，我們需要對其運行效果進行評估，包括生產效率、產品質量、成本節約等方面的指標。通過評估結果，我們可以了解新設備的實際效益，并根據需要進行相應的調整和改進，以進一步提升工作站的性能和效率。

3.3 白車身柔性焊接線整體布局方案

白車身焊接拼接線需要綜合考慮多個因素，包括產線效率、設備配置、工藝流程、安全性以及未來擴展性，圖4 所示為白車身焊接線柔性焊接工作站的實景圖。白車身柔性焊接線的布局方案，需要考慮以下內容。

3.3.1 產線布局原則

（1）流程優化：確保零件從入庫到焊接完成，再到出庫的整個流程順暢，減少不必要的物料搬運和等待時間。

（2）設備配置：根據焊接工藝和零件特點，選擇合適的焊接設備、夾具和輔助設備，確保焊接質量和效率。

（3）安全性：設置安全隔離區，避免人員與設備的直接接觸，同時配置安全報警和緊急停止裝置，確保產線安全。

3.3.2 產線布局方案

（1）零件入庫區：設置零件暫存區和自動上料裝置，實現零件的自動上料和定位。

（2）焊接區：根據焊接工藝需求，配置相應的焊接設備、夾具和輔助設備。可以考慮采用機器人焊接和柔性焊接工藝，提高焊接質量和效率。

（3）質量檢測區：設置質量檢測設備和人員，對焊接完成的白車身進行質量檢查，確保產品合格。

3.3.3 產線控制與管理

（1）自動化控制：通過PLC 或DCS 等自動化控制系統，實現產線的自動化運行和監控。

（2）數據管理：建立產線數據管理系統，實時記錄和分析產線的生產數據、設備狀態和產品質量等信息，為優化產線布局和工藝提供數據支持，最終確定白車身拼焊裝產線的技術方案。

3.4 白車身柔性工作站的經濟效益

柔性工作站采用先進的自動化和智能化技術，能夠快速地適應不同車型、不同生產批次的生產需求，顯著提高了生產效率。設計出一條能夠實現多品種產線柔性生產并具備60JPH 產品輸出能力的焊接產線，在經濟效益方面帶來了顯著的提升和改變。同時，減少了因換型、調試等造成的生產時間浪費，進一步提升了整體產能。通過自動化和智能化技術的應用，柔性工作站減少了人工操作，降低了勞動力成本。此外，由于減少了人為因素的干擾，也降低了生產過程中的廢品率和返修率，進一步節約了材料和能源成本。

4 結束語

本文通過白車身柔性焊接產線設計，基于MCP 點理論，開發了新的伺服焊鉗、抓手和夾具等裝備，實現了自動化、高效化和精確化的生產目標。通過引入先進的技術和設備，提高了汽車白車身焊接產線的生產效率和質量穩定性。

綜上所述，白車身柔性工作站新設備的投入是一個復雜而重要的過程，需要我們在設備選擇、技術集成、人員培訓和效益評估等方面進行全面考慮和精心安排。只有這樣，我們才能確保新設備能夠充分發揮其優勢，為柔性工作站的運行和發展提供有力支持。

作者簡介：

蔡陳陽，本科，工程師，研究方向為汽車整車開發項目管理。