汽車零件裝配連接方式設(shè)計(jì)對(duì)裝配效率的影響

蔣成姣　孫軍華　李林

摘要：目前，汽車行業(yè)蒸蒸日上，在汽車制造業(yè)中存在多種零件的裝配連接，不同零件裝配連接方式對(duì)裝配效率產(chǎn)生不同的影響，文中分析了汽車制造中應(yīng)用較多的幾種裝配連接方式，利用MTMUAS預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)分析系統(tǒng)，分別制定了螺栓螺母、螺釘、拉釘裝配以及卡接的裝配工時(shí)，得出4種連接裝配的裝配效率并且對(duì)4種連接方式的裝配工時(shí)得出一個(gè)固定標(biāo)準(zhǔn)模塊，形成一套合理規(guī)范簡(jiǎn)潔的裝配工時(shí)分析系統(tǒng)。最后利用面向裝配的設(shè)計(jì)（DFA）和MTMUAS對(duì)儀表板連接方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)改進(jìn)前后的設(shè)計(jì)進(jìn)行裝配工時(shí)對(duì)比。關(guān)鍵詞：面向裝配的設(shè)計(jì)；MTMUAS；裝配連接方式；裝配工時(shí)

中圖分類號(hào)：U 461文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7312（2017）04-0383-06

Abstract：At present，the automobile industry is thriving.There are many parts of the assembly connection in auto manufacturing.Connection way of different parts assembly has an effect on the efficiency of assembly.The Paper analyzed several assembly connection modes in automobile manufacturing，and using MTMUAS forecast analysis system of standard time，set up the bolt and nut，screw，rivet assembly and clamping assembly time respectively，studied the assembly efficiency of the four connection assembly and proposed a fixed standard module of assembly time for four kinds of connection，and put forth a reasonable，normative，simple analysis system of Assembly time.Finally，the optimization design based on design for assembly（DFA）knowledge and MTMUAS forecast analysis system at dashboard was carried out.Among them，assembly time of the design before and after improvement is calculated separately.Key words：design for assembly；MTMUAS；the connection of assembly；assembly time

0引言在制造行業(yè)中，據(jù)統(tǒng)計(jì)，裝配任務(wù)占整個(gè)制造任務(wù)的20%～70%，平均占到了45%，裝配工時(shí)在整個(gè)制造工時(shí)里有40%～60%，零件的連接方式不同，所造成的裝配質(zhì)量和裝配工時(shí)也相差很遠(yuǎn)[1]。而面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)（DFA）在設(shè)計(jì)階段分析影響產(chǎn)品可裝配階段的各種因素，對(duì)產(chǎn)品的可裝配性和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題[2]。文中通過(guò)對(duì)裝配連接問(wèn)題的分析，提出利用DFA技術(shù)進(jìn)行裝配優(yōu)化工藝方法分析，運(yùn)用MTMUAS方法對(duì)不同裝配連接方式的零件裝配工時(shí)進(jìn)行估算，進(jìn)行裝配效率分析，對(duì)不合理的裝配方式進(jìn)行改進(jìn)，探究不同零件裝配連接方式對(duì)裝配效率的影響。

1文獻(xiàn)綜述

1.1DFA面向裝配的設(shè)計(jì)（Design for assembly，DFA）是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段保證產(chǎn)品生產(chǎn)中較好的可裝配性[3]。Boothroyd通過(guò)減少裝配的零件數(shù)，保證其他零件易于裝配；Lucas考慮零件傳輸和裝配關(guān)系，對(duì)兩種裝配方向和裝配力的大小等方面進(jìn)行裝配分析；Hitachi的AEM（Assembly Evaluation Method）方法用20個(gè)符號(hào)表示各種裝配操作，按百分制計(jì)算每個(gè)零件裝配性評(píng)價(jià)分，在設(shè)計(jì)的每個(gè)階段估算裝配費(fèi)用，通過(guò)比較各種概念設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)問(wèn)題[4]。目前裝配現(xiàn)狀的分析研究表明，現(xiàn)行的設(shè)計(jì)工作存在著以下不足：①產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺乏考慮可裝配性；②零件數(shù)量多，管理及裝拆困難；③裝配過(guò)程中配合及調(diào)整量大；④裝配過(guò)程中易產(chǎn)生視覺(jué)誤差；⑤裝配件的制造精度不能滿足裝配要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果認(rèn)真考慮這些因素，零件的裝配工藝性及裝配過(guò)程中大量的配臺(tái)及調(diào)整工作可由面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)所避免。也就是說(shuō)，對(duì)上述問(wèn)題的設(shè)計(jì)特征進(jìn)行改進(jìn)，則零件的裝配工藝性可得到很大改善。

1.2MTMUASMTM（Methods Time Measurement）是方法時(shí)間測(cè)量，主要針對(duì)人的操作動(dòng)作，借助定義好的過(guò)程模塊來(lái)描述、設(shè)計(jì)和規(guī)劃工作系統(tǒng)的工具。MTMUAS是MTM的第三代系統(tǒng)。MTMUAS的基本工序：①夠取和放置；②放置；③使用輔助工具；④啟動(dòng)控制；⑤動(dòng)作周期；⑥身體動(dòng)作；⑦視力控制。MTMUAS編碼如圖1所示。

24種緊固件連接方式裝配工時(shí)標(biāo)準(zhǔn)模塊緊固件在汽車裝配中起到了非常重要的作用，而一輛中小型商用車約有2 000多個(gè)緊固件[7]。作為汽車行業(yè)最常用的裝配方式之一的機(jī)械連接就是利用緊固件將2個(gè)或者多個(gè)零件連接在一起。常用機(jī)械連接主要有螺釘連接、螺栓連接、拉（鉚）釘連接[8]。除此之外，汽車行業(yè)較普遍且裝配效率較高的裝配連接方式還有卡扣裝配。

緊固件螺釘根據(jù)無(wú)導(dǎo)向特征，可分為最差、較好、最好的設(shè)計(jì)，如圖2所示。不同的設(shè)計(jì)工人的裝配操作存在差異，最差的設(shè)計(jì)裝備時(shí)需檢查對(duì)準(zhǔn)，較好的設(shè)計(jì)由于頭部有導(dǎo)向特征，螺釘可采用放置在寬松位置，檢查操作可忽略，最好的設(shè)計(jì)在螺釘?shù)姆胖眠^(guò)程中，位置精度可取大概的位置，因?yàn)榭奢p易連接，檢查對(duì)準(zhǔn)忽略，可大大減少裝配工時(shí)，提高裝配效率。利用MTMUAS對(duì)裝配工時(shí)進(jìn)行分析，可得到最差、較好、最好螺釘連接設(shè)計(jì)定額工時(shí)，分別見(jiàn)表1，表2，表3.

螺栓、螺釘、拉釘、卡扣這4種連接方式作為最常用和最為基本的連接方式，在企業(yè)中大量運(yùn)用，故可將其4種連接方式的裝配工時(shí)設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊。利用MTMUAS對(duì)以上4種緊固件裝配連接工時(shí)分析，設(shè)置螺栓螺母、螺釘、拉釘、卡勾這4種裝配連接工時(shí)標(biāo)準(zhǔn)模塊，定額工時(shí)標(biāo)準(zhǔn)模塊編碼分別為M-A-n，M-B-n，M-C-n，M-D-n.A，B，C，D代表螺栓、螺釘、拉釘、卡勾這4種連接，n代表連接次數(shù)。具體編碼示意如圖3所示。

根據(jù)前面的分析，螺栓螺母標(biāo)準(zhǔn)模塊M-A-n：80+n×（m+60a+c），根據(jù)螺栓和零件均無(wú)導(dǎo)向特征、兩者有其一有導(dǎo)向特征、兩者均有導(dǎo)向特征，m的取值分別為195，170，160.螺釘標(biāo)準(zhǔn)模塊M-B-n：40+n×（m+60a+c），根據(jù)螺釘和零件均無(wú)導(dǎo)向特征、兩者有其一有導(dǎo)向特征、兩者均有導(dǎo)向特征，m的取值分別為120，95，85.拉釘標(biāo)準(zhǔn)模塊M-C-n：40+n×（m+c），根據(jù)拉釘和零件均無(wú)導(dǎo)向特征、兩者有其一有導(dǎo)向特征、兩者均有導(dǎo)向特征，m的取值分別為120，95，85.卡扣標(biāo)準(zhǔn)模塊M-D-n：80n.形成一套合理規(guī)范簡(jiǎn)潔的4種連接方式裝配工時(shí)計(jì)算分析系統(tǒng)。

3DFA在汽車裝配設(shè)計(jì)改進(jìn)應(yīng)用對(duì)于緊固件，在裝配連接時(shí)需考慮以下幾個(gè)方面。

3.1減少緊固件的數(shù)量和類型

3.1.1使用同一種類型的緊固件使用同一種類型的緊固件可以減少設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中，對(duì)多種類型緊固件的管控；同樣在購(gòu)買(mǎi)時(shí)也會(huì)帶來(lái)批量成本優(yōu)勢(shì)；能夠降低裝配中輔助工具的種類；減少操作員的培訓(xùn)；簡(jiǎn)化裝配，提高裝配效率；可以防錯(cuò)，防止產(chǎn)生裝配錯(cuò)誤。如圖4中原始的設(shè)計(jì)中包含2種不同高度的螺柱M3×6和M3×7.但M3×6為通用螺柱，但M3×7需專門(mén)加工。所以在改進(jìn)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)在鈑金上增加一個(gè)1 mm高度的凸包，把螺柱的裝配位置提高1 mm，這樣就可以使用同一種類型的螺柱進(jìn)行裝配。

3.1.2減少緊固件數(shù)量如圖5中，在鈑金上可以通過(guò)折邊壓緊來(lái)減少緊固件數(shù)量。在原始的設(shè)計(jì)中，2個(gè)零件需要4個(gè)螺釘固定，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)，使得底部的零件增加折邊，相當(dāng)于連接方式中卡扣的功能，使其固定，螺釘?shù)臄?shù)量將由4個(gè)減少到2個(gè)，這樣利用MTMUAS分析，裝配公示節(jié)約290 TMU.

3.1.3避免分散的緊固件設(shè)計(jì)應(yīng)盡量把緊固件設(shè)置為一體，來(lái)減少緊固件的類型，從而減少裝配工時(shí)、提高裝配效率。如圖6中把螺栓、墊片設(shè)置為一體，從而減少裝配程序、節(jié)約工時(shí)。原始的設(shè)計(jì)相對(duì)于優(yōu)化的設(shè)計(jì)明顯從原料存放處取墊片并將墊片放置螺栓處的過(guò)程，即AB2，多浪費(fèi)了45 TMU.

3.2先定位后固定如果零件的裝配先定位后固定，在零件被連接之前就能夠自動(dòng)裝配到正確位置，這將降低裝配過(guò)程的調(diào)結(jié)，裝配效率增加。對(duì)那些需要使用輔助工具如拉釘槍、電批等來(lái)固定的零件，零件先定位然后固定，將會(huì)減少工作人員手工對(duì)齊零件的大量調(diào)整，輕易地將零件的固定，提高裝配效率[9]。如圖7中原始設(shè)計(jì)，零件是不能自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，所以在螺釘緊固過(guò)程中零件需要不斷調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)到正確位置，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中基座零件上加了一個(gè)凹槽。這限制了零件的隨意移動(dòng)，使得零件自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)到正確位置，避免了在螺絲緊固操作時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)的動(dòng)作浪費(fèi)。原始設(shè)計(jì)裝配工時(shí)為295 TMU，優(yōu)化的設(shè)計(jì)裝配工時(shí)270 TMU，可節(jié)約25 TMU，并且操作起來(lái)較為輕松方便。

3.3減少零件裝配方向

零件裝配方向越少越好。裝配方向過(guò)多會(huì)有很多在裝配連接過(guò)程中對(duì)零件不斷地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)等一系列活動(dòng)，大大降低零件裝配連接效率，也使得工作人員操作動(dòng)作過(guò)多，產(chǎn)生疲勞，同時(shí)零件的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作容易造成零件與操作臺(tái)上設(shè)備碰撞，零件可能會(huì)遭受破壞，零件裝配方向不要太多，越少越好。如圖8，原始設(shè)計(jì)包含不同的裝配方向，需要將下面2個(gè)零件先裝配好，然后零件須翻轉(zhuǎn)180°，再裝配最上面的零件；優(yōu)化的設(shè)計(jì)中整個(gè)僅有一個(gè)裝配方向，零件也不需要翻轉(zhuǎn)操作，就可以將整個(gè)零件裝配在一起，裝配過(guò)程較為簡(jiǎn)略。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)比原始設(shè)計(jì)裝配工時(shí)少了925-870=55 TMU.

3.4為輔助工具提供空間在裝配連接中，極有可能要用到輔助工具，產(chǎn)品裝配中輔助工具需要較大的空間，以保證輔助工具和設(shè)備可以圓滿完成裝配工作，如果裝配過(guò)程中提供的空間過(guò)于小，將損害輔助工具的正常使用，裝配的質(zhì)量肯定會(huì)受到影響，最槽糕的可能會(huì)導(dǎo)致裝配工序不能正常完成。如圖9中，原來(lái)的設(shè)計(jì)中螺釘旋具，操作空間太過(guò)于狹小，裝配過(guò)程中肯定和零部件本身發(fā)生碰撞，螺釘不能正常旋入，零件不能固定，后來(lái)設(shè)計(jì)中，螺釘旋具有較大的空間操作。

4儀表板裝配連接分析

4.1儀表板結(jié)構(gòu)及裝配流程分析汽車公司其中的一款車型的儀表板構(gòu)成如圖10所示。儀表板由儀表板本體、儀表面罩、中部面罩、2個(gè)出風(fēng)口、雜物箱、下圍板、副儀表盤(pán)組成。

1）儀表板先采用機(jī)械手將儀表板本體安裝到車體上，左右各使用2個(gè)螺栓連接。

2）將儀表面罩安裝在儀表板本體，其左右兩側(cè)各打2個(gè)螺釘，最下方緊固3個(gè)螺釘，最上方緊固一個(gè)螺釘。

3）將雜物箱裝配到儀表板本體，使用4個(gè)螺釘緊固。

4）將出風(fēng)口裝飾件進(jìn)行裝配連接，使用6個(gè)螺釘緊固。

5）中部面罩裝配比較復(fù)雜，先裝配煙灰盒裝飾板，使用2個(gè)螺釘緊固；然后裝配空調(diào)控制器裝飾罩，2個(gè)螺釘緊固；裝上空調(diào)旋鈕、暖風(fēng)旋鈕、風(fēng)機(jī)旋鈕；收音機(jī)裝飾罩連接，使用2個(gè)螺釘緊固。

6）將下圍板裝配至儀表板本體，用4個(gè)螺栓緊固。

7）將副儀表板先與儀表板本體用2個(gè)螺栓連接，然后將副儀表板連接在車身底部，使用6個(gè)螺栓緊固。

4.2儀表板裝配連接方式優(yōu)化儀表板本體優(yōu)化：儀表板本體左右兩側(cè)各采用2個(gè)螺栓連接，螺栓、螺母連接費(fèi)時(shí)費(fèi)力，裝配效率極低，可將連接方式改為采用與儀表板本體一體的螺柱連接，連接時(shí)另一端采用螺母緊固，在裝配過(guò)程中螺柱起到了定位導(dǎo)向作用，儀表板可以自動(dòng)對(duì)齊到裝配位置，省去拿取螺栓的工時(shí)，使得裝配工時(shí)降低。儀表板MTMUAS裝配工時(shí)分析見(jiàn)表4和表5.

由此可見(jiàn)，儀表板原始裝配工時(shí)為35.82 s，優(yōu)化后裝配工時(shí)為22.14 s，裝配工時(shí)提高了13.68 s.

儀表面罩優(yōu)化：由于儀表面罩采用的是原來(lái)老式最基本的螺釘連接，裝配費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本較高。在常用的裝配連接中，卡接是效率最高，成本最低的連接方式，汽車裝配連接中能夠用卡接的地方盡量使用卡接。由于儀表面罩為塑料元件，連接強(qiáng)度和精度要求并不是特別高，故可采用裝配效率最高的卡接連接方式。將兩側(cè)螺釘優(yōu)化為A型卡爪，儀表面罩的下方的3個(gè)螺釘，優(yōu)化為3個(gè)B型卡爪，最上面的1個(gè)螺釘優(yōu)化為一個(gè)卡勾連接，如圖11所示。MTMUAS裝配工時(shí)分析可得儀表板面罩原始裝配工時(shí)為58.68 s，優(yōu)化后裝配工時(shí)為15.12 s，工時(shí)提高43.56 s.

雜物箱優(yōu)化：雜物箱由左右各2個(gè)螺釘連接而成，可將最下方的螺釘連接改為卡扣連接，如圖12所示，由于上面的螺釘在裝配時(shí)需使用電氣槍，電氣槍操作空間長(zhǎng)度只用11 cm長(zhǎng)，操作時(shí)需要檢查調(diào)整，將雜物箱本是螺釘側(cè)面裝配，改為從外向里的裝配。MTMUAS裝配工時(shí)分析雜物箱原始裝配工時(shí)為33.3 s，優(yōu)化后裝配工時(shí)為23.94 s，可提高936 s.

風(fēng)口總成優(yōu)化：2個(gè)出風(fēng)口原先分別采用6個(gè)螺釘安裝，而在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，可減少緊固件的連接，在此基礎(chǔ)上，可在風(fēng)口總成周圍采用4個(gè)卡扣連接，卡扣形式如圖13所示。MTMUAS裝配工時(shí)分析出風(fēng)口原始裝配工時(shí)為47.52 s，優(yōu)化裝配工時(shí)為17.64 s，可提高29.88 s.

中部面罩優(yōu)化：中部面罩并不是一個(gè)整體，包括煙灰缸裝飾板、空調(diào)控制器裝飾罩、收放機(jī)裝飾罩，首先安裝煙灰缸裝飾板，用2個(gè)螺釘緊固，其次安裝空調(diào)控制器裝飾罩，并且將其上面的幾個(gè)旋鈕安裝，最后安裝收放機(jī)裝飾罩，這些安裝的強(qiáng)度和裝配精度要求并不是特高，可將原來(lái)的螺釘優(yōu)化成裝配效率較高卡爪的形式，一線操作人員在操作過(guò)程中直接按壓卡住操作即可。MTM-UAS裝配工時(shí)分析中部面罩原始裝配工時(shí)為57.78 s，優(yōu)化裝配工時(shí)為22.14 s，工時(shí)提高35.64 s.下圍板優(yōu)化：下圍板與儀表板本體連接方式為左右2個(gè)螺釘連接，將最下方左右兩側(cè)螺釘優(yōu)化為2個(gè)定位螺柱，這樣在下圍板不能隨意移動(dòng)，被連接之前就能夠自動(dòng)裝配到正確位置，

降低工作人員手工操作，降低裝配過(guò)程的調(diào)節(jié)，減少操作過(guò)程中的浪費(fèi)動(dòng)作，在螺栓的另外一側(cè)采用螺母進(jìn)行緊固，

不僅能起到定位導(dǎo)向的作用，還有足夠的力度進(jìn)行連接。

MTMUAS裝配工時(shí)分析，下圍板原始裝配工時(shí)為3024 s，優(yōu)化后裝配工時(shí)為24.3 s，工時(shí)提高了594 s.副儀表板優(yōu)化：副儀表板和儀表板本體連接，原來(lái)的裝配是朝著儀表板本體的方向打2個(gè)螺栓，而后還需要在副儀表板整個(gè)與車身底部連接6個(gè)螺栓，2處的裝配方向不同，存在2個(gè)裝配方向，給裝配帶來(lái)麻煩，將副儀表板和儀表板本體連接處打一個(gè)折彎，使得其裝配方向統(tǒng)一，將副儀表板和車身連接的地方設(shè)置為6個(gè)定位銷，并采用螺母緊固，這樣可起到緊固作用，大大減少裝配過(guò)程中副儀表板調(diào)整。MTMUAS裝配工時(shí)分析副儀表板原始裝配工時(shí)為88.02 s，優(yōu)化后裝配工時(shí)為41.76 s，提高了46.26 s.工時(shí)分析可得出，整個(gè)儀表板原始設(shè)計(jì)裝配工時(shí)為351.36s，而優(yōu)化后的設(shè)計(jì)裝配工時(shí)為167.58 s，裝配工時(shí)提高了183.78 s裝配工時(shí)提高了5231%，S汽車公司一輛車的裝配工時(shí)大概為25 min，一次性生產(chǎn)2 000輛，可節(jié)約工時(shí)102.1h，裝配效率提高12.25%.

5結(jié)論就裝配效率而言，利用MTMUAS對(duì)其裝配連接工時(shí)進(jìn)行分析，螺栓螺母的連接為最基本的連接方式，螺釘連接優(yōu)之，拉釘連接更優(yōu)，卡扣連接最優(yōu)，在滿足裝配要求的前提下，盡量使用卡扣連接，并且這4種連接方式利用MTMUAS系統(tǒng)，設(shè)置裝配工時(shí)標(biāo)準(zhǔn)模塊。在此基礎(chǔ)上，連接方式優(yōu)化時(shí)應(yīng)考慮減少緊固件數(shù)量和類型，設(shè)計(jì)導(dǎo)向特征先定位后固定，減少裝配方向，為輔助工具提供空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃悅.汽車裝配標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)在面向成本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.[2]胡靜.DFA技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].山東：山東大學(xué)，2009.[3]鐘元.面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.[4]Selvaraj P，Radhakrishnan P，Adithan M.An integrated approach to design for manufacturing and assembly based on reduction of product development time and cost[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2009，42（1）：13-29.[5]嚴(yán)峻.基于MTMUAS的規(guī)劃預(yù)定時(shí)間系統(tǒng)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2013（1）：5-9.[6]張鳴鶴，周炳海.S公司車輛裝配線生產(chǎn)效率的改善[J].機(jī)械制造，2016（5）：85-88.[7]王知衍.面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.[8]龐勝軍.機(jī)械裝配連接快速設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].四川：西南交通大學(xué)，2012.[9]祁光威.工時(shí)定額標(biāo)準(zhǔn)化研究與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].大連：大連交通大學(xué)，2012.（責(zé)任編輯：王強(qiáng)）