汽車總裝工藝技術應用趨勢與研究

 引言：

隨著汽車主機廠平臺車型增加及多車型混線生產要求、人力成本攀升和生產交貨期縮短的壓力下，導致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提高產品質量，以應對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(huán)節(jié)，在規(guī)模、質量、即時性、成本、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發(fā)展向著模塊化、自動化、柔性化、人性化、智能數(shù)字化的趨勢發(fā)展。隨著市場的激烈競爭環(huán)境下，這些技術趨勢正在從企業(yè)競爭的優(yōu)勢技術，向一種企業(yè)競爭的必備技術轉變。

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把不同級別車型的眾多零部件進行通用標準化生產，同時又可以靈活的搭載其他的新技術。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(tǒng)模塊化和產品結構模塊化兩種方向性的模塊趨勢。

1.1.1電子控制系統(tǒng)模塊化
隨著車聯(lián)網的科技發(fā)展及信息娛樂需求下，出現(xiàn)以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(xiàn)一個全車范圍內的電子控制系統(tǒng)模塊化。比如傳動控制、車身控制、安全控制、駕駛輔助控制、動態(tài)底盤控制系統(tǒng)和多媒體移動互聯(lián)網服務等標準系統(tǒng)為單位進行模塊化大集成。

1.1.2產品結構模塊化
通過將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(tǒng)產品結構與相互零部件組裝集成為大總成模塊?？梢燥@著縮短產線長度及生產節(jié)拍，優(yōu)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塊化、車門模塊化、底盤模塊化、頂棚集成化、油箱集成化、IP模塊化、前后保模塊化、車輪模塊化等(如圖1所示)。



產品結構模塊化中最具代表性的是底盤動力模塊化，融合目前各種先進的裝配工藝技術。以某汽車品牌的的MQB底盤動力模塊為例，簡要說明下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（如圖2所示）組合形成底盤合車工裝（如圖3所示），包含前托盤、中托盤、后托盤。多種柔性化的扳倒式、伸縮式、限位塊式定位銷運用可以滿足多種組合動力模塊的裝配支撐。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非常高。如圖4所示，除將常規(guī)的前懸模塊、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。顯著的減少底盤主線工位數(shù)和裝配工時。



（3）底盤標準件自動擰緊技術應用。如圖5所示，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，利用信息化網絡系統(tǒng)完成標準件裝配的力矩控制和質量監(jiān)測。是網絡化裝配制造技術在汽車裝配生產線上的典型工程應用。



（4）底盤合車自動化。配合AGV自動導引小車，利用電磁或光學等自動導引裝置，實現(xiàn)路徑自動跟蹤、轉向同步行駛，并且具有障礙物識別、停車、自動調速和無線通訊等功能，實現(xiàn)底盤合車無人化、自動化裝配（見圖6）。



1.2 自動化

受到人力成本攀升及制造節(jié)拍的影響，并且自動化設備使用可以顯著提高產品的質量和裝配穩(wěn)定性，汽車總裝廠對于自動化的需求趨勢日益明顯。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，避免了人工打膠的斷膠現(xiàn)象，同時膠型質量更可靠穩(wěn)定（見圖7），配合風擋裝配機器人全自動化裝配（見圖8），提高車輛密封性。



（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。如圖9所示，自動化分裝系統(tǒng)能根據(jù)車輛配置自動識別不同規(guī)格的輪胎，自動完成輪胎裝配和動平衡檢測，有效的保證了輪胎分裝的品質與生產的穩(wěn)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（見圖10），滿足可變多軸擰緊及PCD變徑的柔性化裝配需求。提高產品質量的同時也減少人力成本。



（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11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（如圖12所示），大大提高裝配質量和節(jié)省人力成本。



1.3 加注設備真空化及智能化
制動液、冷卻液、動力轉向液、空調冷媒等加注設備向著抽真空加注、自動檢測、自動定量加注等功能集成設備趨勢，以及出現(xiàn)油液二合一以上的集成加注設備的應用（如圖13）。



1.4力矩控制智能化
力矩擰緊設備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應用；從控制力矩間接控制擰緊質量向著直接控制預緊力為目的，具備在線動態(tài)力矩控制與監(jiān)測（見圖14）；工廠聯(lián)網形成力矩數(shù)據(jù)化網絡系統(tǒng)，實時監(jiān)控擰緊質量、數(shù)據(jù)儲存和追溯、數(shù)據(jù)信息分析處理等(見圖15)，進行智能統(tǒng)計過程控制（SPC），提高和穩(wěn)定制造過程控制能力（CPK）。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，完成力矩裝配的控制。



1.5 柔性化工裝
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造成裝配人員的非常規(guī)作業(yè)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外，另一方面需要在工裝或作業(yè)手法上進行柔性化設計提高人機性。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(xiàn)人員下蹲及身體彎曲等不良作業(yè)動作。現(xiàn)在解決的方法是對車身吊具設備進行人機性設計，如圖16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姿勢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(xiàn)人員裝配位置和車身懸掛高度不吻合，出現(xiàn)人員下蹲或身體彎曲的姿勢來完成裝配作業(yè)。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17）。另外如車體內裝配人員采用坐式機械手（見圖18），使員工可以坐著完成作業(yè)，減少蹲著及軀干彎曲造成的身體機能勞損。



1.6 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產線的柔性化和物流效率。有效的解決方式是采用SPS物流形式——隨行配料系統(tǒng)（SPS）。如圖19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(yè)更加專業(yè)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AGV小車運輸代替人工物流（見圖20），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。



2 同步工程

汽車總裝工藝技術開發(fā)過程中，同步工程技術的作用越來越明顯。產品項目開發(fā)中已經減少了樣車試制及驗證的數(shù)量和時間，提高了虛擬仿真在產品設計過程的比重。更多在要求在產品前期虛擬仿真中發(fā)現(xiàn)制造問題并提前解決，減少工廠技改及產品設變費用。

2.1裝配仿真分析
汽車總裝的同步工程在新車產品開發(fā)之初，就開始介入對產品結構裝配性、設備操作性進行虛擬仿真分析（見圖21、22），提前在設計階段發(fā)現(xiàn)和解決裝配工藝問題。



2.2 IE工程
產品數(shù)據(jù)設計至凍結前后， 利用3D仿真分析軟件中的工時分析模塊，綜合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(yè)強度進行分析，優(yōu)化工序流程和作業(yè)內容，減小工位勞動強度（如圖23所示）。同時進行產線工時線平衡分析，提前發(fā)現(xiàn)和解決工時均衡及瓶頸工位等問題（如圖24所示）。



2.3數(shù)字化工廠
合理、經濟科學的生產工藝流程設計對于降低汽車生產主線長度、制造能耗，提高產線柔性化有很大幫助。在工廠規(guī)劃之初利用虛擬仿真技術對工藝流程（見圖25）進行設定和虛擬驗證，及進行數(shù)字工廠規(guī)劃和仿真（見圖26）。提前發(fā)現(xiàn)生產隱患問題和減少不必要的工廠技改費用。



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、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、整車模塊化開發(fā)與設計后，現(xiàn)代汽車制造業(yè)出現(xiàn)了如下較為明顯的發(fā)展趨勢。
1）產品結構通用化、模塊化技術簡化了裝配關系，逐步改變了傳統(tǒng)汽車制造商的裝配策略與工藝設計的理念，實現(xiàn)零部件全球采購和全球供貨。該技術勢必革新汽車制造業(yè)中的供應鏈關系和零部件配套模式。

2）模塊化、柔性化等制造工藝的普及逐步形成了新的制造形態(tài)，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高度。具備在數(shù)個模塊化擴展性開發(fā)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風格不同的高低端多級車型產品，實現(xiàn)更高效率和規(guī)模的設計和生產。

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

4）隨著科技的發(fā)展、產品思路和技術層面的進化、移動互聯(lián)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。