白車身多車型共線柔性生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

隨著市場需求的多樣化，汽車生產(chǎn)廠商之間的競爭日益激烈。汽車廠商豐富自身產(chǎn)品型譜，整車制造廠受到車型不斷增加的巨大沖擊，一條生產(chǎn)線往往要承擔多個車型共線生產(chǎn)的任務(wù)。在整車廠沖壓、焊裝、涂裝和總裝四大工藝中，焊裝車間自動化率高，且工藝復(fù)雜，是實現(xiàn)多車型柔性生產(chǎn)中最關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)。本文概述了從產(chǎn)品設(shè)計到工藝規(guī)劃在焊裝車間柔性生產(chǎn)中的若干重要技術(shù)和方法。

產(chǎn)品平臺化研發(fā)

汽車平臺是在開發(fā)過程中使用相似的底盤和下車體的一組公共構(gòu)架，該構(gòu)架可以承載不同車型的開發(fā)和生產(chǎn)制造，在此基礎(chǔ)上可以生產(chǎn)出外形和功能都不盡相同的產(chǎn)品。平臺化已經(jīng)成為各大汽車廠商整車開發(fā)的潮流，例如通用汽車的全球E平臺、豐田汽車的MC平臺、大眾汽車的MQB平臺以及現(xiàn)代起亞的HD平臺等。平臺化不僅可以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，優(yōu)化物料供應(yīng)鏈，還是實現(xiàn)高度柔性制造的基礎(chǔ)。

同一平臺車型的下車體零件往往相似或相同，如前縱梁、中底板和后底板等零件，使得底部工裝可以共用，使得工藝主線上的工裝復(fù)雜程度降低。如圖1所示，某平臺上后底板上設(shè)置了兩個4號定位孔，該平臺下的短軸車型使用靠前的4號孔，長軸車型使用靠后的4號孔，使得該平臺下不同長度的車型不僅共用后底板零件，還可以共用4號孔定位銷。

可制造性虛擬評估

在產(chǎn)品開發(fā)前期，制造就需要介入設(shè)計，向產(chǎn)品輸入制造要求，并在產(chǎn)品數(shù)模發(fā)布的各個階段，使用虛擬仿真技術(shù)進行全面的可制造性評估，通過平衡產(chǎn)品性能和工藝要求，提高新產(chǎn)品開發(fā)和投放的速度，降低整車制造風險及制造成本。隨著柔性化要求的不斷提高，該流程內(nèi)的虛擬評估節(jié)點不斷增加，直至延伸到項目最前期。由圖2可知，一個新的車型項目需要進行多次虛擬評估。

要滿足多車型共線，必須驗證產(chǎn)品設(shè)計的可行性。從虛擬評估內(nèi)容上看，柔性白車身生產(chǎn)線制造是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，集成了電阻點焊、涂膠、折邊、激光焊接、螺柱焊接和螺母焊接等，其相關(guān)設(shè)備工藝的獨特性直接影響產(chǎn)品開發(fā)的可制造性，設(shè)備工藝和產(chǎn)品設(shè)計的相容性是主要評估內(nèi)容。例如，電阻點焊的可達性就是重要的評估內(nèi)容之一，仿真工程師根據(jù)工藝過程在虛擬環(huán)境中載入產(chǎn)品數(shù)模和工具數(shù)模，通過焊槍運動仿真，判斷是否所有焊點均可達(見圖3)。

機器人視覺引導(dǎo)抓料系統(tǒng)

車型平臺化一定程度上減少了同平臺車型的差異零件數(shù)量，但受制于市場和產(chǎn)能規(guī)劃等因素，一條生產(chǎn)線無法只生產(chǎn)單一平臺的車型。因此，線旁物料數(shù)量會進一步增加，機器人視覺引導(dǎo)抓取系統(tǒng)可以識別不同車型的零件需求，同時提升自動化率，精簡生產(chǎn)現(xiàn)場人員編制。

視覺引導(dǎo)系統(tǒng)是協(xié)同工業(yè)機器人作業(yè)的一種傳感裝置，連接了機器人、抓手和外部設(shè)備等，取件原理如圖4所示。在整個設(shè)備工作中，視覺引導(dǎo)系統(tǒng)拍攝當前到位工件的狀態(tài)計算出目標物體的位置信息，并矯正機器人坐標系或工具坐標系，直到工具與工件之間的相對位置與示教的狀態(tài)完全相符。機器人坐標系、攝像機坐標系和工件坐標系之間的關(guān)系如圖5所示。機器人視覺引導(dǎo)上料工位典型布局如圖6所示。

工裝夾具

多車型共線系統(tǒng)，總拼工位是車身系統(tǒng)中最重要和最復(fù)雜的工位，直接影響車型共線的柔性和整車的尺寸合格率。對于分層式車身結(jié)構(gòu)，每個車型都有兩副總拼開合工裝，分別是內(nèi)側(cè)圍總拼工位和外側(cè)圍總拼工位。對于不同車型，上車體零件一般差異較大，故每引入一個新車型都需要制造新的開合工裝。圖7所示的三車型切換的開合工裝軌道，有4個工裝存儲位。當準備生產(chǎn)某一車型時，開合工裝需要從存儲位滑出，隨后進入中間的工作工位，夾緊后白車身后由機器人焊接。

當車型擴充時，場地需要繼續(xù)外擴，并改進切換模式，因此該工位一般為焊裝車間占地面積最大，且最為關(guān)鍵的工位之一。由于系統(tǒng)復(fù)雜，在引入新車型時，該工位占用的停產(chǎn)改造時間也最長，是新車型引入現(xiàn)有生產(chǎn)線時的關(guān)鍵工位。

車型配比

焊裝車間除了主裝配線外，還有若干分拼區(qū)域，例如內(nèi)外側(cè)圍、前后廂蓋和車門等。其中，內(nèi)外側(cè)圍至主線的傳輸一般使用EMS循環(huán)小車，通過機器人或升降機將總成掛到EMS小車的支架上，通過循環(huán)的單軌集成電刷軌道將總成運送至主線(見圖8)。相比其他傳輸方式，EMS小車傳送速度快，支持多車型共線，可以根據(jù)主線的車型分配進行配比。但是在柔性生產(chǎn)線的規(guī)劃過程中，通常是若干條分拼線支持一條主線，分拼區(qū)域的生產(chǎn)節(jié)拍要低于主線區(qū)域，因此如果連續(xù)生產(chǎn)某一車型，會存在分拼線無法供給主線需求的情況，為此需要通過結(jié)合分拼節(jié)拍、主線節(jié)拍、EMS小車數(shù)量和緩沖空間等作為輸入，模擬生產(chǎn)狀況，得出合理的配比。

假設(shè)某工廠主線為A車型和B車型共線，主線產(chǎn)能為42 JPH。側(cè)圍內(nèi)板線為獨立的兩個單元，A車型側(cè)圍內(nèi)板分拼線產(chǎn)能27 JPH，B車型側(cè)圍內(nèi)板分拼線產(chǎn)能22 JPH，A車型和B車型的EMS分岔線上各有6個EMS小車停車位作為緩沖，通過兩個上料口為主線供料。通過以上條件作為仿真輸入，可以得到的仿真結(jié)果如表所示。例如，連續(xù)投放A車型11輛后，再連續(xù)投放8輛B車型，則主線節(jié)拍最高可達到41.98 JPH，無法滿足主線42 JPH的生產(chǎn)節(jié)拍要求。

從表中可知，在實際生產(chǎn)運營中，可以滿足主線產(chǎn)能的車型投放比例。側(cè)圍分拼線的EMS僅是白車身柔性生產(chǎn)線中限制車型配比的一個環(huán)節(jié)，其他還包括專用設(shè)備的切換時間等，例如車型專用工裝、抓手的切換時間等。

結(jié)語

整車制造是一個集成的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，規(guī)劃一條柔性的車身生產(chǎn)線涉及到產(chǎn)品設(shè)計、虛擬仿真、人機工程、市場規(guī)劃和計算機技術(shù)等多各方面。因此，汽車制造水平一定程度上反映了國家先進工業(yè)制造的水平和層次。未來汽車發(fā)展將呈現(xiàn)多樣化、個性化趨勢，對于汽車生產(chǎn)柔性的要求會進一步提高，汽車設(shè)計和制造過程將進一步吸收引入新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備，從而實現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率和柔性，提供給市場更有競爭力的產(chǎn)品。