汽車整車廠生產(chǎn)自動化的研究

趙宏鵬，陸 明，李 鵬

(天津一汽豐田汽車有限公司 天津300457)

0 引 言

隨著近三十年國內(nèi)汽車行業(yè)不斷發(fā)展，各車企的造車能力不斷提升，尤其是國產(chǎn)品牌發(fā)展迅速，性能和品質(zhì)的進步顯著，與合資品牌的差距逐漸縮小，在各個細分市場中展開了激烈的競爭。國產(chǎn)品牌能夠快速發(fā)展的原因除了汽車設(shè)計能力和關(guān)鍵零部件制造能力顯著提升外，大量引進高精度、高效率的自動化生產(chǎn)設(shè)備也是一個關(guān)鍵因素，加之更嚴格的生產(chǎn)管理和品質(zhì)管理，實現(xiàn)了低成本和高質(zhì)量，大幅提升了產(chǎn)品競爭力，表明企業(yè)大力發(fā)展生產(chǎn)自動化可以實現(xiàn)彎道超車。本文將探討推進生產(chǎn)自動化的意義，說明自動化設(shè)備和技術(shù)在工廠的實際運用，提出自動化改造的步驟。

1 推進生產(chǎn)自動化的意義

汽車整車廠推進生產(chǎn)自動化的意義主要有：提升產(chǎn)能、降低成本、提升品質(zhì)、保證安全、消除人的因素影響和面向未來技術(shù)發(fā)展。

1.1 提升生產(chǎn)能力

整車廠提升自動化水平的首要意義是大幅提升生產(chǎn)能力，主要表現(xiàn)為以下 2個方面：一是車企為了追求更高的資產(chǎn)利用率而持續(xù)提升生產(chǎn)節(jié)拍，當(dāng)前各車企中生產(chǎn)普通家用轎車的整車廠生產(chǎn)節(jié)拍普遍低于 60s，部分能達到 55s上下的高節(jié)拍。生產(chǎn)節(jié)拍的提升勢必帶來作業(yè)工數(shù)的增加，在員工工作負荷一定且生產(chǎn)線布局難以改變的前提下，作業(yè)工位制約了整個工廠生產(chǎn)節(jié)拍的提升，為了能夠達到節(jié)拍提升的目標，就必須用效率更高的機器人代替人的作業(yè)。二是車企為了適應(yīng)多元化的市場而進行的多車型混線生產(chǎn)，當(dāng)某一車型的市場需求達不到工廠產(chǎn)能的時候，就會考慮多車型混線生產(chǎn)，一般來說是同平臺雙車系多車型，例如豐田某工廠生產(chǎn) TNGA平臺下的卡羅拉和威馳 2個車系，其中卡羅拉車系包含燃油版、混動版、插電混動版 3個車型，威馳車系包含兩廂版和三廂版2個車型，每一個車型又包含多個配置和內(nèi)外裝顏色以及不同的排放標準，這就造成了幾百種配置車型(不包含車身顏色)的混線生產(chǎn)，給現(xiàn)場作業(yè)提出了巨大的挑戰(zhàn)。要想實現(xiàn)這種混線生產(chǎn)，既要有強大的生產(chǎn)指示系統(tǒng)作為依托，還要使用高柔性、高效率的自動化設(shè)備才能滿足生產(chǎn)要求。

1.2 降低生產(chǎn)成本

一方面是當(dāng)前汽車制造業(yè)仍然是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，隨著我國人口紅利的降低，勞動力成本不斷提升，給整車制造成本控制帶來了巨大的壓力；另一方面是工業(yè)機器人等自動化設(shè)備的生產(chǎn)效率不斷提升，價格持續(xù)降低。因此用自動化設(shè)備代替人工作業(yè)成為各整車廠降本增效的重要方法。

1.3 提升生產(chǎn)品質(zhì)

隨著消費者對汽車了解更加全面和成熟，對汽車的可靠性有了更高的要求，整車品質(zhì)對銷量的影響越來越大，因此各車企對品質(zhì)管理的重視度越來越高。通過投資引進高精度自動化設(shè)備來提升整車品質(zhì)是一項重要措施。生產(chǎn)自動化帶來的品質(zhì)提升主要有以下 3個方面：一是相對于人工作業(yè)，自動化設(shè)備更徹底地實現(xiàn)標準化作業(yè)，排除了因為工人非標作業(yè)造成的品質(zhì)波動；二是自動化設(shè)備的精度更高，可以達到人工作業(yè)達不到的高品質(zhì)；三是自動化設(shè)備具有高柔性的特點，消除了工人面對復(fù)雜的生產(chǎn)狀況時能力不足或一時疏忽造成的作業(yè)失誤。

1.4 保證安全和健康

安全方面主要體現(xiàn)在2個方面：一是人身傷害方面，如人機交叉作業(yè)、人車交叉作業(yè)等都會帶來潛在的安全隱患，甚至造成工人傷亡事故；另一方面是作業(yè)環(huán)境對人身健康的影響，如裝焊車間的粉塵和涂裝車間噴漆室的有毒有害物質(zhì)，即使實施嚴格的勞動保護也可能會對員工的健康造成影響。因此特殊作業(yè)環(huán)境引入自動化設(shè)備是保證員工安全和健康的重要措施。

1.5 消除人的因素影響

人的因素比較復(fù)雜，本文從人的需求和當(dāng)今汽車產(chǎn)業(yè)的關(guān)系這個角度進行說明。

根據(jù)馬斯洛需求層次理論，人的需求從低到高依次分為生理需求、安全需求、社交需求、尊重需求和自我實現(xiàn)需求，在滿足了低層次需求后會追求更高層次需求。隨著我國社會和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，到2020年已全面建成小康社會，人民的生理需求和安全需求得到普遍滿足。作為汽車企業(yè)員工在追求更高層次需求時就和當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)的特點產(chǎn)生矛盾：

一是追求社交需求，需要有足夠的業(yè)余時間進行友誼和愛情的社交活動，而當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)整體上工作時間較長，普遍達到10h左右，且整車廠一般都建在遠離城市的開發(fā)區(qū)，每天通勤時間又占用 2h以上，在全部休息時間不足 12h的情況下，社交活動變得異常奢侈，社交需求難以得到滿足。

二是追求尊重需求，汽車行業(yè)普通員工的技能要求不高，勞動附加值不高，可替換性強，這就決定了普通員工很難得到社會和企業(yè)的尊重。這個問題在某些國內(nèi)車企更加嚴重，加之汽車行業(yè)增速放緩甚至出現(xiàn)下行的態(tài)勢，車企擴張速度放緩，成本壓力不斷提升，人員晉升和加薪受到限制，員工希望通過晉升獲得企業(yè)尊重變得更加困難。

三是追求自我實現(xiàn)，整車廠為了保證車輛品質(zhì)和實現(xiàn)精益生產(chǎn)，特別注重作業(yè)標準化的實施，希望員工像機器一樣完成規(guī)定的操作，員工每天做的都是枯燥的重復(fù)性勞動，很難有機會發(fā)揮個人的主觀能動性。受到每天長時間、高強度工作的限制，大部分基層員工也難以通過業(yè)務(wù)改善等方式實現(xiàn)自我價值。

相比于需求多樣、狀態(tài)波動的員工，自動化設(shè)備無論是作業(yè)效率還是作業(yè)品質(zhì)都能保持在同一水準，是消除人的各種不確定狀態(tài)的最佳替代。

1.6 面向未來技術(shù)發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，“工業(yè) 4.0”“中國制造 2025”等以“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”為核心的國家戰(zhàn)略變得清晰，現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已經(jīng)開始廣泛運用，智能工廠被提及的頻度也越來越高，對于一個整車廠來說，如果不能實現(xiàn)全面工業(yè) 3.0(工業(yè)自動化)，智能工廠只能是空中樓閣，沒有根基。為了應(yīng)對下一個工業(yè)時代，全面推進生產(chǎn)自動化也是勢在必行。

2 整車廠自動化設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用

整車廠一般包括沖壓車間、裝焊車間、涂裝車間和總裝車間，以及場內(nèi)零部件物流系統(tǒng)，應(yīng)用到的自動化設(shè)備和技術(shù)主要有 4種：工業(yè)機器人、AGV、RFID和機器視覺檢測。

2.1 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人是一種通過重復(fù)編程和自動控制，能夠完成制造過程中某些操作任務(wù)的多功能、多自由度的機電一體化自動機械裝備和系統(tǒng)，它結(jié)合制造主機或生產(chǎn)線，可以組成單機或多機自動化系統(tǒng)，在無人參與下，實現(xiàn)搬運、焊接、裝配和噴涂等多種生產(chǎn)作業(yè)，具有可編程、擬人化、通用性、機電一體化這4大特點。

整車廠中工業(yè)機器人是應(yīng)用最廣的自動化設(shè)備，基本上所有的車輛搬運都是由機器人或傳送鏈完成，從裝焊車間白車身的焊接到涂裝車間的底盤膠噴涂和底漆面漆噴涂，裝焊和涂裝的大部分工作都是由機器人完成(圖1)。

圖1 豐田某工廠裝焊車間全自動白車身焊接生產(chǎn)線Fig.1 Automatic body-in-white welding production line in welding workshop of a Toyota factory

未來隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，總裝車間也會逐步引進工業(yè)機器人，用以完成大量的零部件組裝工作。

2.2 AGV

AGV 是(Automated Guided Vehicle)的縮寫，即“自動導(dǎo)引運輸車”，是指裝備有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車，是一種以電池為動力，裝有非接觸導(dǎo)向裝置的無人駕駛自動化車輛。AGV的運用可以有效節(jié)約物流空間、降低勞動強度及減少運行成本。

整車廠中 AGV主要用于零部件搬運作業(yè)。豐田某工廠運用 AGV部分實現(xiàn)了物流區(qū)內(nèi)零部件搬運的自動化(圖2)，實現(xiàn)了人車交叉風(fēng)險80%的遞減和作業(yè)人員 8人的遞減；日產(chǎn)某工廠通過 AGV和SPS(Set Parts Supply，一種單臺份向生產(chǎn)線配送的方式)的結(jié)合，實現(xiàn)了總裝車間零部件的同步供給。

未來場內(nèi)物流將全方位使用 AGV牽引車和AGV 叉車，全面實現(xiàn)零部件的裝卸、搬運、驗收、存儲、上線等全流程的自動化。

圖2 豐田某工廠內(nèi)物流AGV牽引車運用實例Fig.2 Application example of logistics AGV tractor in a Toyota factory

2.3 RFID

RFID是(Radio Frequency Identification)的縮寫，即“無線射頻識別”，是自動識別技術(shù)的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，利用無線射頻方式對記錄媒體(電子標簽或射頻卡)進行讀寫，從而達到識別目標和數(shù)據(jù)交換的目的。由于其具有非接觸讀寫、準確性高、可靠性強、環(huán)境耐久等優(yōu)點，如今已廣泛應(yīng)用到倉儲物流、交通、身份識別、防偽等諸多領(lǐng)域。

整車廠中RFID主要運用在車輛識別中，豐田某工廠涂裝車間運用 RFID技術(shù)實現(xiàn)了在惡劣環(huán)境中的車輛識別、搬運控制、噴涂控制和生產(chǎn)追溯的自動化(圖 3)。

圖3 豐田某工廠涂裝車間基于RFID的生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of production automation control system based on RFID in coating workshop of a Toyota factory

隨著無源 RFID標簽價格的不斷降低，未來RFID會更多地應(yīng)用于汽車行業(yè)中倉儲物流領(lǐng)域，全面實現(xiàn)零部件自動驗收和自動上線。

2.4 機器視覺檢測

視覺檢測就是用工業(yè)相機代替人眼睛去完成識別、測量、定位等工作，實現(xiàn)產(chǎn)品檢測的功能。機器視覺檢測的特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大幅提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。

圖4 白車身視覺檢測系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagram of body-in-white visual inspection system

整車廠中機器視覺主要運用在白車身的焊接精度檢測上(圖 4)，大眾某工廠通過機器視覺技術(shù)實現(xiàn)了車身精度的自動檢測，隨著機器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展和更高精度視覺傳感器的研制，未來此技術(shù)也將會用于各車間的檢查線，全面實現(xiàn)品質(zhì)檢查的自動化。

3 整車廠自動化升級的步驟

整車廠自動化升級要綜合考慮作業(yè)的危險性、痛苦度、生產(chǎn)和品質(zhì)的影響度、困難度等方面，制定4步升級方案。

3.1 替換高強度高危險的工作

本著以人為本的原則，第1步要用自動化設(shè)備替換高強度、高危險的作業(yè)，如焊裝車間零部件重量大，且粉塵污染、強光污染、噪音污染都直接影響員工健康，涂裝車間噴漆室化學(xué)污染大，車輛人工搬運勞動強度大危險性高，這些都應(yīng)優(yōu)先導(dǎo)入自動化設(shè)備，以降低員工勞動強度，保證員工健康和安全。

3.2 替換生產(chǎn)瓶頸或品質(zhì)要求高的工作

第2步可以用自動化設(shè)備替換品質(zhì)要求高、難度大的工作，這部分工作對員工的要求高，受員工個人能力和狀態(tài)的影響較大，容易出現(xiàn)加工不良。例如總裝車間發(fā)動機總成的安裝需要很高精準度才能成功，手動安裝經(jīng)常會出現(xiàn)生產(chǎn)延遲和安裝不良，直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，這就需要導(dǎo)入自動安裝設(shè)備來完成這項工作。

3.3 替換人的參與度低的工作

第 3步可以用自動化設(shè)備替代人參與度較低的工作。如總裝的注液工程，在注液開始后工人處于閑置狀態(tài)，可用自動注液設(shè)備完成這項工作；再如物流區(qū)單純的零部件遠程搬運工作，工人的作業(yè)只是駕駛牽引車，此時就可以運用 AGV牽引車完成此類作業(yè)。

3.4 替換人的參與度高的工作

第 4步可以用自動化設(shè)備替代人工參與度高的工作，如零部件安裝、叉車裝卸貨、零部件驗收、存儲、搬運、上線作業(yè)，車輛品質(zhì)的檢查等，可以用工業(yè)機器人、AGV叉車、RFID、視覺識別等自動化設(shè)備完成此類作業(yè)，這也是當(dāng)前生產(chǎn)自動化的發(fā)展方向。

4 實現(xiàn)生產(chǎn)自動化應(yīng)注意的事項

4.1 瓶頸工程要優(yōu)先

在某個工程升級成自動化設(shè)備后，經(jīng)常會大幅提升效率，但其他工程如果保持現(xiàn)狀的話，就會出現(xiàn)自動化工程產(chǎn)能過剩的情況，對工廠整體產(chǎn)能的提升作用有限，所以導(dǎo)入自動化設(shè)備一定要優(yōu)先選擇瓶頸工程，彌補短板，提升工廠整體產(chǎn)能。

4.2 生產(chǎn)精度要匹配

在引進自動化設(shè)備時要考慮自身整體的生產(chǎn)精度水平，如果工廠本身生產(chǎn)精度一般但引入了某臺高精度的自動化設(shè)備，可能會出現(xiàn)由于半成品精度不足而造成新設(shè)備頻繁報警停工的情況，這就要求導(dǎo)入的自動化設(shè)備要與工廠生產(chǎn)精度相匹配。

4.3 系統(tǒng)防護要重視

工廠生產(chǎn)自動化設(shè)備由生產(chǎn)管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，一個高度自動化的工廠在系統(tǒng)感染病毒或受到黑客攻擊時極有可能導(dǎo)致整個工廠長時間癱瘓，因此系統(tǒng)防護是保證系統(tǒng)和自動化設(shè)備正常運行的重中之重，同時要制定完整的應(yīng)急恢復(fù)預(yù)案確保系統(tǒng)受到攻擊后能夠盡快恢復(fù)生產(chǎn)。

4.4 員工轉(zhuǎn)型要協(xié)調(diào)

在工廠推進自動化的過程中，大量的工人被削減，而企業(yè)最核心的資產(chǎn)不是設(shè)備而是人。企業(yè)應(yīng)該重視這部分遭到削減人員的未來，考慮到工廠將在設(shè)備維護和修理方面需要大量的人才，如果能通過培訓(xùn)教育讓這部分人員轉(zhuǎn)型為設(shè)備維護員，無論對企業(yè)還是員工都將有巨大意義。

4.5 智能制造要銜接

制造業(yè)的未來是以物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的智能制造，因此在引進自動化設(shè)備時一定要考慮未來技術(shù)發(fā)展方向，選擇能夠銜接未來的自動化設(shè)備，避免在即將到來的第四次工業(yè)革命中完全推倒重建而造成大量損失。

5 結(jié) 語

當(dāng)前汽車行業(yè)的競爭是設(shè)計、技術(shù)、成本、品質(zhì)和產(chǎn)能的全方位競爭，考慮到整車廠還有大量作業(yè)沒有實現(xiàn)自動化，可以說通過自動化設(shè)備的引進仍然是近期提升綜合競爭力的重要手段，也是助力工廠邁進工業(yè)4.0時代的重要準備。相信未來越來越多工廠會加快推進生產(chǎn)自動化進程，提升企業(yè)綜合競爭力。