汽車總裝工藝技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢*

陳平 蔣佳桉 譚志強 劉曉峰 陳琳琳 馬可

（1.廣州汽車集團汽車研究院；2.東風(fēng)柳州汽車有限公司）

在汽車主機廠平臺車型增加、多車型混線生產(chǎn)要求出現(xiàn)、人力成本攀升和生產(chǎn)交貨期縮短的壓力下，汽車總裝廠對于先進(jìn)裝配技術(shù)和自動化設(shè)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(shù)水平，采用更先進(jìn)的裝配設(shè)備來提高產(chǎn)品質(zhì)量，以滿足新興市場及提高產(chǎn)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(zhì)量、即時性、成本及產(chǎn)品先進(jìn)性等方面都影響著市場競爭力。目前汽車總裝工藝技術(shù)向著模塊化、自動化、柔性化、人性化及智能數(shù)字化的趨勢發(fā)展。隨著市場的激烈競爭，這些技術(shù)正在從企業(yè)競爭的優(yōu)勢技術(shù)向必備技術(shù)轉(zhuǎn)變[1]。

1 總裝工藝技術(shù)

1.1 模塊化

汽車總裝工藝采用模塊化設(shè)計可以對不同級別車型的眾多零部件進(jìn)行通用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，同時又可以靈活地搭載其他新技術(shù)。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(chǎn)周期。目前的模塊化主要有電子控制系統(tǒng)模塊化和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化2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(wǎng)的科技發(fā)展及對信息娛樂需求的增加，出現(xiàn)ECU（電子控制單元）集成和標(biāo)準(zhǔn)化趨勢，ECU群的“標(biāo)準(zhǔn)件”功能成為各車型通用的模塊，將各種功能細(xì)分的ECU整合起來，實現(xiàn)全車范圍內(nèi)的電子控制系統(tǒng)模塊化。比如將傳動控制、車身控制、安全控制、駕駛輔助控制、動態(tài)底盤控制和多媒體移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化大集成。

1.1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化

通過產(chǎn)品多功能結(jié)構(gòu)與各種零部件相互關(guān)系的組合，把汽車各子系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與相互零部件組裝集成為大總成模塊，可以顯著縮短生產(chǎn)線長度、加快生產(chǎn)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(yīng)用主要有前端模塊化、車門模塊化、底盤模塊化、頂棚集成化、油箱集成化、儀表板（IP）模塊化、前后保險杠模塊化及車輪模塊化等[2]。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化中最具代表性的是底盤動力模塊化，它融合了目前各種先進(jìn)的裝配工藝技術(shù)。以某MQB底盤動力模塊為例，簡要說明底盤平臺高度柔性化和集成化的模塊化趨勢。

1）采用多種柔性托盤組合形成底盤合車工裝，如圖1所示。多種柔性化的扳倒式、伸縮式及限位塊式定位銷的運用可以滿足多種組合動力模塊的裝配支撐；滿足不同軸距、不同底盤結(jié)構(gòu)車型的合裝。這樣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高。除常規(guī)的前懸模塊和后懸模塊外，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(gòu)及燃油管路集成在大托盤工裝上，如圖2所示，顯著地減少了底盤主線工位數(shù)和裝配工時。

3）底盤標(biāo)準(zhǔn)件自動擰緊技術(shù)應(yīng)用。圖3示出底盤標(biāo)準(zhǔn)件自動擰緊設(shè)備，將緊固件及擰緊套筒集成在大托盤工裝上，柔性化設(shè)置高精度電動擰緊工具及多關(guān)節(jié)機器人，利用信息化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成標(biāo)準(zhǔn)件裝配的力矩控制和質(zhì)量監(jiān)測，是網(wǎng)絡(luò)化智能裝配制造技術(shù)在汽車裝配生產(chǎn)線上的典型工程應(yīng)用[3]。

1.2 自動化

受到人力成本攀升、產(chǎn)品流行周期縮短及制造節(jié)拍的影響，汽車總裝廠對于自動化的需求趨勢日益明顯。使用自動化設(shè)備可以顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量和裝配穩(wěn)定性，較為典型的采用自動化的工序內(nèi)容有：

1）前/后風(fēng)擋和全景天窗的涂膠工序采用涂膠機器人設(shè)備，如圖4所示，避免了人工打膠的斷膠現(xiàn)象，同時膠型質(zhì)量更可靠穩(wěn)定，配合風(fēng)擋裝配機器人全自動化裝配，提高了汽車密封性。

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。自動化分裝系統(tǒng)能根據(jù)汽車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，有效地保證了輪胎分裝的品質(zhì)與生產(chǎn)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(shù)（如圖5所示），滿足了可變多軸擰緊及螺栓組半徑（PCD）變徑的柔性化裝配需求。提高裝配柔性度的同時也提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

3）各種需助力設(shè)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6所示），可以保證高精度的定位裝配，對于內(nèi)飾外觀質(zhì)量的尺寸鏈控制，造型效果的感官質(zhì)量有很大的提升；且自動化機械手可以集成擰緊設(shè)備緊固標(biāo)準(zhǔn)件，大大提高裝配質(zhì)量和節(jié)省人力成本[4]。

1.3 加注設(shè)備真空化及智能化

制動液、冷卻液、動力轉(zhuǎn)向液及空調(diào)冷媒等加注設(shè)備向著抽真空加注、自動檢測及自動定量加注等功能集成設(shè)備趨勢發(fā)展，出現(xiàn)了油液二合一以上的集成加注設(shè)備的應(yīng)用，如圖7所示。

1.4 力矩控制智能化

力矩擰緊廣泛采用高精度電動擰緊設(shè)備，擰緊技術(shù)也從通常的扭矩法轉(zhuǎn)向“扭矩+轉(zhuǎn)角法”或“屈服強度法”，從控制力矩間接控制擰緊質(zhì)量轉(zhuǎn)向直接控制預(yù)緊力，具備在線動態(tài)力矩控制與監(jiān)測功能；工廠聯(lián)網(wǎng)形成力矩數(shù)據(jù)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實時監(jiān)控擰緊質(zhì)量、數(shù)據(jù)儲存和追溯、數(shù)據(jù)信息分析處理等，進(jìn)行智能統(tǒng)計過程控制（SPC），穩(wěn)定和提高制造過程控制能力。利用網(wǎng)絡(luò)化通信模塊與單片機控制器相結(jié)合，進(jìn)行信息的交互，設(shè)計成一體式智能網(wǎng)絡(luò)裝配控制模塊，完成力矩裝配的零出錯控制。

1.5 工裝柔性化

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(fù)雜等原因?qū)е卵b配人員出現(xiàn)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，另一方面需要在工裝或作業(yè)手法上進(jìn)行柔性化設(shè)計來提高人機性[5]。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)在解決的方法有對車身吊具設(shè)備進(jìn)行人機性設(shè)計，如圖8所示，使用高度可調(diào)及車身可旋轉(zhuǎn)的C型鉗吊具，確保人員可以站立式或較佳的姿勢進(jìn)行正常裝配。

2）內(nèi)飾線如機艙內(nèi)線束等工序出現(xiàn)人員裝配位置和車身懸掛高度不吻合，裝配人員需下蹲或以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(diào)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9所示。另外，如車體內(nèi)裝配人員采用坐式機械手，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 隨行配料系統(tǒng)（SPS）物流

汽車總裝廠在多車型混線生產(chǎn)的趨勢下，線旁儲料空間不足及物料種類繁多限制了生產(chǎn)線的柔性化和物流效率。有效的解決方式是采用隨行配料系統(tǒng)（SPS）物流形式。如圖10所示。SPS是指一種單量份向生產(chǎn)線準(zhǔn)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(zhì)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，且采用自動導(dǎo)引小車（AGV）運輸代替人工物流，滿足準(zhǔn)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[6]。

2 同步工程

汽車總裝工藝技術(shù)開發(fā)過程中，同步工程技術(shù)的作用越來越明顯。產(chǎn)品項目開發(fā)中已經(jīng)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(chǎn)品設(shè)計過程的比重[7]。產(chǎn)品項目更多要求在產(chǎn)品前期虛擬仿真中發(fā)現(xiàn)制造問題，提前解決，減少工廠的技術(shù)改造及產(chǎn)品設(shè)變費用。

2.1 裝配仿真分析

汽車總裝的同步工程在新車產(chǎn)品開發(fā)之初就開始介入，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)裝配性及設(shè)備操作性進(jìn)行虛擬仿真分析，如圖11所示，提前在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)和解決裝配工藝問題。

2.2 工時分析

產(chǎn)品數(shù)據(jù)設(shè)計至凍結(jié)前后，利用3D仿真分析軟件中的工時分析模塊，配置主機廠生產(chǎn)線實際的相關(guān)信息，對裝配工人的操作工時和作業(yè)強度進(jìn)行分析，優(yōu)化工序流程和作業(yè)內(nèi)容，減小工位勞動強度，如圖12所示。同時進(jìn)行生產(chǎn)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。

2.3 工藝流程設(shè)計

合理、經(jīng)濟與科學(xué)的生產(chǎn)工藝流程設(shè)計對于降低汽車生產(chǎn)主線長度、降低能耗及提高生產(chǎn)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(shù)對工藝流程進(jìn)行設(shè)定和虛擬驗證，以及進(jìn)行數(shù)字工廠規(guī)劃和仿真，可提前發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)隱患問題和減少不必要的工廠技術(shù)改造費用[8]。

3 結(jié)語

汽車裝配的新工藝和新技術(shù)隨著市場、技術(shù)及政策導(dǎo)向等多方面因素的推動而不斷進(jìn)步，縮短生產(chǎn)周期、提高整車質(zhì)量、降低制造成本及提高市場競爭力等方面都是汽車制造商追求的共同目標(biāo)，在經(jīng)歷平臺化、通用化及整車模塊化開發(fā)與設(shè)計后，現(xiàn)代汽車制造業(yè)出現(xiàn)了較為明顯的發(fā)展趨勢。

1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通用化和模塊化技術(shù)簡化了裝配關(guān)系，逐步改變了傳統(tǒng)汽車制造商的裝配策略與工藝設(shè)計的理念，實現(xiàn)零部件全球采購和全球供貨。該技術(shù)勢必革新汽車制造業(yè)中的供應(yīng)鏈關(guān)系和零部件配套模式。

2）模塊化和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(chǎn)方式的過渡，甚至達(dá)到了可擴展整車平臺模塊化生產(chǎn)方式的高度。具備在數(shù)個模塊化擴展性開發(fā)基礎(chǔ)上，垂直形成“多種汽車平臺”和“高低端多層級模塊群”，同步設(shè)計出全系品牌下功能用途以及性能不同的高低端多級車型產(chǎn)品，實現(xiàn)更高效率和規(guī)模的設(shè)計和生產(chǎn)[9]。

3）數(shù)字化、自動化及智能化等優(yōu)勢技術(shù)的應(yīng)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(shù)不斷轉(zhuǎn)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(lǐng)，這些優(yōu)勢技術(shù)必將爆炸式地發(fā)展，推進(jìn)汽車制造業(yè)的新一輪“智造”技術(shù)革命。

4）隨著科技的發(fā)展、產(chǎn)品思路和技術(shù)層面的進(jìn)化以及移動互聯(lián)技術(shù)對消費結(jié)構(gòu)的影響，汽車制造商的角色正在逐漸轉(zhuǎn)化為移動出行和產(chǎn)品服務(wù)的提供商，這必將推動整車制造工藝技術(shù)的革新。