基于量產(chǎn)驗證的汽車研發(fā)階段總裝試制線研究

張勇 楊貴林 姚軍 馮波 畢興偉 范武

摘要：在有限空間內(nèi)設(shè)計了一條多車型混線生產(chǎn)的環(huán)形試制線，使產(chǎn)品在研發(fā)階段就能按照量產(chǎn)模式的方式進行生產(chǎn)和驗證。通過工藝分析和工藝路線排布，確定出三種運行路徑，并運用Flexsim仿真軟件，對運行路徑的可行性進行充分驗證，快速得出仿真結(jié)果。

Abstract： In the limited space， a ring trial production line for multi vehicle mixed line production is designed， so that the product can be produced and verified according to the mode of mass production in the R&D stage. Through process analysis and process routing， three paths are determined， and the flexsim simulation software is used to fully verify the feasibility of the operating mode and quickly obtain simulation results.

關(guān)鍵詞：量產(chǎn)驗證;總裝工藝;試制線;Flexsim

Key words： mass production verification;assembly process;pilot line;Flexsim

中圖分類號：U468.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0040-03

0? 引言

樣車試制在整車研發(fā)中，對產(chǎn)品設(shè)計驗證、產(chǎn)品工藝驗證以及產(chǎn)品質(zhì)量驗證等方面起到了關(guān)鍵性的作用，是對產(chǎn)品虛擬設(shè)計開發(fā)的有效驗證與補充[1]。樣車試制工藝主要分為沖壓、焊裝、涂裝和總裝，其中樣車試制總裝工藝是樣車試制工藝中的最后環(huán)節(jié)，由于受場地、設(shè)備投資成本等因素限制，大多數(shù)主機廠的總裝工藝裝備仍采用傳統(tǒng)的工作站或簡易試制線的方式。隨著國內(nèi)汽車行業(yè)競爭日益加劇，國產(chǎn)汽車產(chǎn)品開發(fā)周期縮短，多平臺、多品種、多項目并行試制工作越來越多。通常一個新車型的開發(fā)需要試制上百臺試制樣車，例如某汽車研發(fā)中心樣車試制需求甚至已達到2000臺/年，因此需對總裝樣車試制線進行全新規(guī)劃，目的是縮短樣車試制生產(chǎn)周期，充分驗證出設(shè)計、工藝、制造、采購等問題。

1? 總裝試制線現(xiàn)有布局形式

試制線主要分為前內(nèi)飾、底盤和后內(nèi)飾裝配，前、后內(nèi)飾裝配按照流水線的方式人工將車身向前推動;底盤裝配是利用舉升機或空中輸送線完成底盤件的裝配，見圖1和2所示。此種布置形式的優(yōu)點是工藝布局簡單、造價低，但存在工藝驗證不充分和試制效率低下等缺點，因此只能滿足小批量的試制任務(wù)。

2? 總裝試制線運行模式研究

2.1 研究目標

傳統(tǒng)試制模式在試制階段時存在工藝驗證不全面、整體工藝驗證能力相對較弱、缺乏必要的驗證手段、產(chǎn)能瓶頸等諸多弊端，因此根據(jù)產(chǎn)品要求及未來需求規(guī)劃一條具有國際先進水平的總裝柔性化試制線，可實現(xiàn)多車型混線（包含三廂、兩廂轎車、商務(wù)MPV、SUV）的試制任務(wù)，在產(chǎn)品投產(chǎn)前通過試制線充分驗證裝配工藝，滿足當前和未來的使用需求。

總裝柔性化試制線在前期規(guī)劃時[2-3]，需滿足以下4點核心目標：①實現(xiàn)量產(chǎn)線模式：由于試制場地有限，需在有限的區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)量產(chǎn)線的真實場景，在產(chǎn)品投產(chǎn)后實現(xiàn)與量產(chǎn)線的平穩(wěn)過渡;②實現(xiàn)線體自動化：線體設(shè)備按照量產(chǎn)線節(jié)拍自動運行;③達到柔性化能力：可滿足不同平臺、不同車型同時上線生產(chǎn);④實現(xiàn)車身按順序上線、按順序下線。

2.2 基本工藝參數(shù)確定

2.2.1 生產(chǎn)節(jié)拍確定

按照某款車型規(guī)劃在某條生產(chǎn)線生產(chǎn)，規(guī)劃產(chǎn)能年產(chǎn)能22萬臺，三班生產(chǎn)，每年工作300天，則該車型的規(guī)劃節(jié)拍計算公式，見式（1）：

式中T代表每天工作時間（小時）;D代表年工作天數(shù)（天）;A代表年產(chǎn)能（輛）;工作時間T：三班19.35小時;兩班14.4小時。

生產(chǎn)節(jié)拍=19.35×300×60×60/220000=1.72≈94.9（秒），最終算出該車型在此生產(chǎn)線上的生產(chǎn)節(jié)拍為95s。以該節(jié)拍作為節(jié)拍設(shè)計的參考依據(jù)，考慮5%的設(shè)計余量，最終確定試制線按照90s作為設(shè)計節(jié)拍[4]。

2.2.2 工位數(shù)確定

工位數(shù)計算指的是大線的工位數(shù)，不包括分裝線。仍以該車型為例，規(guī)劃年產(chǎn)能22萬臺，三班生產(chǎn)，每年工作300天，則該車型的工位數(shù)計算公式，見式（2）

式中B代表車型的大線工時，按預(yù)估工時6小時計算;CT代表節(jié)拍;C代表工位密度，一般取1.5～3之間，F(xiàn)代表人員負荷系數(shù)，一般取90%。

工位數(shù)N=6*60*60/（95*2）/0.85=112，工位數(shù)可以根據(jù)實際情況適當調(diào)整，±5%范圍內(nèi)，最終確定試制線按照108個工位規(guī)劃。

2.3 設(shè)備選型

為滿足總裝自動化和柔性化要求，前后內(nèi)飾線選用寬推板，底盤線選用EMS自行小車，底盤分裝線選用滾床+移行機形式，見表1所示。

2.4 試制線平面布置

根據(jù)所選定的設(shè)備形式在有限的區(qū)域內(nèi)對線體進行平面布置，總體布局采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，前后內(nèi)飾共用滑板線，底盤線在滑板線的上空，既可以滿足裝配，也可以起到空中緩存的作用，通過轉(zhuǎn)圈可滿足量產(chǎn)工位數(shù)量要求，見圖3所示。

2.5 標準工藝流程

標準工藝流程明確了各車型裝配的工藝路線，為混線車型標準工藝編排提供了重要依據(jù)，試制線需根據(jù)量產(chǎn)線的裝配工藝順序?qū)η昂髢?nèi)飾線和底盤線進行工藝編排，如前內(nèi)飾線需拆車門、全景天窗安裝、頂棚安裝、儀表總成安裝等，底盤線需進行底盤合裝、發(fā)動機懸置緊固、空氣懸架加注等;后內(nèi)飾線需安裝副儀表臺、前后座椅安裝、前后保安裝、車輪安裝、車門合裝等。根據(jù)標準工藝流程確定出試制線標準工序，根據(jù)標準工序得出前內(nèi)飾裝配需在滑板線上轉(zhuǎn)4.5圈（54個工位）、底盤裝配需在EMS線上轉(zhuǎn)2.5圈、后內(nèi)飾需在滑板上轉(zhuǎn)3.5圈（42個工位）。

2.6 混線車型上線模式規(guī)劃

由于是環(huán)形設(shè)計，車身上線有多種上線模式：

2.6.1 模式一（慢節(jié)拍模式）

車身從上線位上件，連續(xù)上車數(shù)量≤10臺，經(jīng)過前內(nèi)飾線，然后到達轉(zhuǎn)掛1位，轉(zhuǎn)掛1位對應(yīng)有EMS自行小車，EMS自行小車將轉(zhuǎn)掛1位的車身勾起，在空中經(jīng)過底盤工位，然后到達轉(zhuǎn)掛2位，轉(zhuǎn)掛2位的吊具將已裝輪胎的車身落在對應(yīng)滑板上，經(jīng)過后內(nèi)飾工位，最終從下線位離開，此策略為最短路徑，見圖4所示。

2.6.2 模式二（快節(jié)拍模式）

實現(xiàn)該邏輯關(guān)鍵有兩點：①先全部轉(zhuǎn)掛，再合裝;②分兩次轉(zhuǎn)掛，在EMS線上有20輛車，滑板線上有20輛車的交換轉(zhuǎn)掛分兩次轉(zhuǎn)掛。從第一批車身上線開始到第二批車身下線結(jié)束總時長約為1小時，其中在滑板線上轉(zhuǎn)4.5圈、底盤裝配在EMS線上轉(zhuǎn)2.5圈、后內(nèi)飾在滑板上轉(zhuǎn)3.5圈，運行邏輯如下：①開始上車：第一批20輛，在上線位上車，滑板開始轉(zhuǎn)圈，上完20輛車后停止上車;②滑板轉(zhuǎn)圈做前內(nèi)飾，完成前內(nèi)飾后開始上掛到EMS吊具上，上掛時間為1.5分鐘完成一輛車;③當?shù)谝惠v車上掛后，滑板再次轉(zhuǎn)到上線位時上第二批車（第一輛）;④EMS吊具接到車后第一圈（含轉(zhuǎn)掛）做合裝前的準備工作，第二圈做合裝及底盤工作;⑤EMS吊具轉(zhuǎn)兩圈后（最后一個車合裝完成），此時第一輛車在剛合裝完成車的后面，在第一輛車到達轉(zhuǎn)掛2位時，依據(jù)滑板轉(zhuǎn)圈的狀態(tài)決定是否下掛或等待;這里關(guān)鍵是第二批的內(nèi)飾和第一批的底盤應(yīng)全部完成;⑥第一批下掛后做后內(nèi)飾，后內(nèi)飾完成后進行逐一下線，下線時間為1.5分鐘一輛車;⑦第一批完成下線后，EMS自動下掛第二批車做后內(nèi)飾;⑧第二批內(nèi)飾完成后下線，開始接第三批車，做前內(nèi)飾，原理同第一批，循環(huán)進行。

快節(jié)拍各批次之間的上線邏輯關(guān)系見圖5所示。

2.6.3 模式三（快節(jié)拍模式）

策略三是在策略二的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，差異點是第一批已裝輪胎的車身在滑板線上完成“后內(nèi)飾”裝配后開始下線，策略二是滑板上沒有直接上第三批車身，而是在等待EMS線上的第二批車身，直到第二批車身從空中全部落在滑板上，旋轉(zhuǎn)3.5圈完成后內(nèi)飾裝配后開始下線。策略三是直接在滑板線上第三批車身，并旋轉(zhuǎn)4.5圈進行前內(nèi)飾裝配，前內(nèi)飾裝配完畢后，第三批車身被吊到EMS線上，而第二批車身會落在滑板線上，完成后內(nèi)飾轉(zhuǎn)3.5圈的裝配，后續(xù)將按此流程進行循環(huán)，見圖6所示。

2.7 仿真分析

利用Flexsim軟件對試制線運行邏輯進行仿真，能有效驗證方案的可行性。首先將CAD圖紙導(dǎo)入到軟件中，從實體庫中拖動相應(yīng)的實體到建模窗口平面布置圖的對應(yīng)位置，根據(jù)實際情況對模型大小、位置、角度等進行調(diào)整，建立仿真模型的布局。然后按照仿真流程對模型進行流程定義、實體連接、參數(shù)設(shè)定以及編程等任務(wù)。最后利用Flexsim仿真運行功能，將模型按照既定的邏輯進行反復(fù)測試運行，確保仿真模型運行邏輯符合規(guī)劃要求，所采集的運行數(shù)據(jù)可信度高，見圖7所示。

按照模式二的邏輯，連續(xù)上線2個批次的車身，每批次20臺車身，對仿真模型的運行狀態(tài)和時間進行統(tǒng)計，見表2所示，連續(xù)上線的40臺車，第一臺車上線時間是139s，第40臺車上線時間是38908s，節(jié)拍CT=（38908-139）/40=969s，JPH=3600/969=3.7。

按照模式三的邏輯，連續(xù)上線3個批次的車身，每批次20臺車身，對仿真模型的運行狀態(tài)和時間進行統(tǒng)計，見表3所示，連續(xù)上線的60臺車，第一臺車上線時間是206s，第40臺車上線時間是53609s，節(jié)拍CT=（53609-206）/60=890s，JPH=3600/890=4。

經(jīng)過仿真數(shù)據(jù)采集和分析得知：模式二和模式三的運行邏輯均可行，模式二的上線邏輯運行效率略低于模式三，模式二適合連續(xù)上線2個批次的車身，模式三適合3個批次及以上連續(xù)上線的車身。

3? 結(jié)束語

基于量產(chǎn)驗證的總裝柔性化試制線就是為適應(yīng)新的發(fā)展趨勢而設(shè)計的，它能在一條試制線上連續(xù)混流生產(chǎn)5款以上不同車型，根據(jù)不同試制階段的成熟度，將生產(chǎn)節(jié)拍逐步按照量產(chǎn)線進行設(shè)定，達到充分模擬量產(chǎn)線工藝，為量產(chǎn)線提供有效的工藝數(shù)據(jù)，縮短量產(chǎn)線投產(chǎn)時間的目的。

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