關(guān)于汽車試制總裝工藝技術(shù)優(yōu)化探討

袁雪松，田沙沙，李平武

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西新能源汽車試驗室，廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著汽車“新四化”技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)研發(fā)部門的互聯(lián)研發(fā)流程更加重視車輛系統(tǒng)和功能，傳統(tǒng)的樣車總裝正面臨新工作領(lǐng)域所帶來的巨大挑戰(zhàn)。在汽車研發(fā)流程上，各大車企正逐漸將精力集中在車輛的系統(tǒng)和功能上，對傳統(tǒng)的硬件研發(fā)周期則進一步壓縮，現(xiàn)有總裝工藝急需根據(jù)整車機構(gòu)進行平臺化、模塊化、柔性化等進行工藝優(yōu)化。本文在研究試制樣車的工藝流程的前提下，根據(jù)車型的平臺化，結(jié)合裝配現(xiàn)場現(xiàn)有資源，根據(jù)調(diào)度算法進行優(yōu)化分配，并以此進行柔性化優(yōu)化改進。

1 汽車試制總裝工藝技術(shù)的流程

1.1 工藝流程

汽車試制總裝的工藝不同于汽車量產(chǎn)工藝，與后者相比，汽車試制總裝工藝由于前期基礎(chǔ)資料不足，工位較少，節(jié)拍較長，難以量化，而且車企主要關(guān)注生產(chǎn)研發(fā)質(zhì)量問題而非面向市場的售后質(zhì)量問題，所涉及的內(nèi)容主要集中在確?？茖W控制成本的前提下，用更快的周期成功滿足研發(fā)需求。各大車企根據(jù)其自身研發(fā)實力所采用的試制總裝模式也不完全相同，對于前期研發(fā)問題較多，研發(fā)周期較短的車企而言，比起流水線模式，其更傾向采用地攤式的造車方式，這種模式下具備成本較低，靈活性高等特點，但是不利于項目管理，容易導致員工忙閑不均，整體節(jié)奏偏慢，管理難度大。這種模式的工藝流程主要包括前期研發(fā)輸入收集（管線布置圖、電氣原理、改制方案等）、BOM收集、工位定制、生產(chǎn)布局、人力調(diào)配。由于試制總裝的復(fù)雜性，經(jīng)常出現(xiàn)邊界不清晰、無人認領(lǐng)、信息傳遞缺少有效溝通、職責部門互相推諉等現(xiàn)象，因此，合理的工藝流程有助于降低真空地帶的協(xié)調(diào)壓力[1]。

1.2 流程設(shè)計原則

首先是工時平衡的原則，針對員工能力水平及汽車工序復(fù)雜程度匹配相應(yīng)的工時，可平衡各個工序的實際用時，隨時進行員工的調(diào)配，以解決試制總裝階段忙閑不一致的問題。其次是工序集中的原則，針對具有相同操作的工位應(yīng)盡量集中，這樣有助于資源的最大化利用。通過工藝集中，可以方便不熟練的技師工人快速熟悉工藝，降低糾錯成本，增加工序效率。最后是混線生產(chǎn)原則，根據(jù)研發(fā)車型平臺化區(qū)分，針對不同平臺搭建不同平臺的工藝架構(gòu)，并進行工位匹配。此外，還需具備及時調(diào)整功能，針對樣車試制研發(fā)問題頻出，研發(fā)零件質(zhì)量和到料風險大，流程設(shè)計應(yīng)包含應(yīng)急可調(diào)功能。

1.3 流程設(shè)計關(guān)鍵點

一是庫位劃分。需根據(jù)BOM信息結(jié)合物流到貨情況及車間員工工作能力進行科學排布，盡可能地對物料等待時間及員工的實際有效工作時間進行優(yōu)化。二是工藝編制。在試制總裝之前提前根據(jù)樣車數(shù)模進行三維虛擬裝配分析，并根據(jù)虛擬裝配規(guī)劃樣車零件的裝配工藝進行指導，讓員工在試制總裝之前得到總裝工藝指導性文件，降低因員工不熟悉新產(chǎn)品而造成的工時浪費及產(chǎn)生質(zhì)量成本。三是工序安排。根據(jù)各個零件裝配的關(guān)聯(lián)性評估工序作業(yè)過程中的干擾問題，并制定合理的裝配順序，盡可能降低因零件關(guān)聯(lián)干涉而導致的工序干擾。四是工時調(diào)配。由于各大車型零件數(shù)目、零件裝配難度、整體裝配時間并不完全相同，各大車型需要細化工位及對應(yīng)員工的工時，在混線生產(chǎn)模式中，能實現(xiàn)各大項目之間的縱向調(diào)配，降低員工因忙閑不一致導致的工時浪費[2]。

2 汽車試制總裝工藝技術(shù)分析

目前汽車行業(yè)試制車間往往依靠主觀經(jīng)驗進行總裝工藝布局，常因員工作業(yè)能力不可量化、生產(chǎn)任務(wù)緊急程度不同、物料到貨風險不同等導致總裝工藝編制不細致，很大程度上影響了樣車試制階段的質(zhì)量及項目管理。因此，汽車試制總裝工藝的工藝布局也需要基于員工的工作能力及具體任務(wù)進行深入研究。

2.1 員工作業(yè)水平評價體系

試制總裝工藝技術(shù)的均衡化需要先建立員工作業(yè)水平評價體系（見表1），該體系由4個一級指標、14個二級指標構(gòu)成，采用系統(tǒng)因素分析方法對員工作業(yè)能力進行量化計算，具體的評價指標如下：①專業(yè)技術(shù)水平，包含員工技能熟練度、操作效率、質(zhì)量達標率、崗位柔性度、操作規(guī)范度；②業(yè)績成果，包含員工工作完成率、技術(shù)攻關(guān)水平、技術(shù)創(chuàng)新能力；③勝任力，包含員工問題解決、學習創(chuàng)新、團隊合作、用戶思維等方面；④員工態(tài)度，包含員工違紀率、工作責任心、出勤率等。

表1 試制車間員工作業(yè)水平評價體系

由于員工作業(yè)水平的評價指標對實際作業(yè)效率產(chǎn)生的影響程度不一樣，因此還需采用決策實驗室分析方法（Decision-making Trial and Evaluation Laboratory簡稱DEMATEL）進行權(quán)重分析[3]，計算過程如下：

其中jpq為員工能力指標jp與能力指標jq之間的影響關(guān)系大小，J為試制車間員工能力指標初始直接影響矩陣（見表2）；T為試制員工能力規(guī)范影響矩陣，S為試制員工能力綜合影響矩陣。試制車間員工作業(yè)水平評價權(quán)重修正系數(shù)見表3。

表2 試制車間員工作業(yè)水平初始直接影響矩陣J

表3 試制車間員工作業(yè)水平評價權(quán)重修正系數(shù)

根據(jù)混合權(quán)重可計算員工作業(yè)水平水平值，表達式如下：

其中Lk為員工作業(yè)水平能級指標，Aij為指標具體分數(shù)（取值范圍0～10）。

2.2 試制總裝工藝技術(shù)布局

2.2.1 模塊化試制總裝工藝布局

模塊化工藝布局是根據(jù)不同的汽車研發(fā)車型，按不同的模塊進行分別總裝。另外一些通用部件，例如儀表、動力總成、底盤等可分別進行模塊化。以四大車型模塊化試制總裝的工藝布局如圖1所示。

圖1 試制車間模塊化試制工藝布局

單個模塊下的試制總裝工藝布局如圖2所示。

圖2 試制車間模塊化試制工藝布局

2.2.2 流線型試制總裝工藝布局

流線型試制總裝工藝布局采用類似汽車量產(chǎn)線的布局，自動化程度相對較低、對員工依賴性較高，生產(chǎn)任務(wù)安排缺乏可參考經(jīng)驗[3]。流線型布局經(jīng)常受生產(chǎn)線設(shè)備、人員不足限制，汽車企業(yè)往往因為缺乏資金導致生產(chǎn)線過于簡單、生產(chǎn)設(shè)備受限、裝配人員不足，由于移動工位數(shù)量不夠，生產(chǎn)節(jié)拍一般也在兩天一臺到一天一臺之間，引進費用昂貴的EMS設(shè)備性價比不高。排除以上因素，流線型工藝布局工位清晰，適合單一技能員工同一工位進行作業(yè)，進度可視化，工時測算相對準確，利于管理。但實際生產(chǎn)往往受汽車試制不確定因素影響，工作效率經(jīng)常受到影響。試制車間流線型試制工藝布局如圖3所示。

圖3 試制車間流線型試制工藝布局

2.3 試制總裝工藝編制及工序安排

從接收項目發(fā)放的樣車需求計劃開始，試制總裝工藝需要先編制根據(jù)樣車需求計劃制定試制造車計劃、裝配工藝文件等[4]，試制部門需要在電腦上對樣車數(shù)模進行詳細評審，根據(jù)零件大小、安裝位置制定裝配關(guān)系。在完成這些裝配工作后，試制部門向現(xiàn)場作業(yè)員工提前下發(fā)裝配作業(yè)指導書，以此降低總裝裝配過程中的不確定性。試制裝配工藝文件如圖4所示。

圖4 試制裝配工藝文件

與此同時，還需結(jié)合現(xiàn)場，按照人機料法環(huán)的模式進行評估非作業(yè)時間，將各級零件及其他工位花費時間進行評估統(tǒng)計。其中，由于零部件大小不一，其復(fù)雜程度也不完全一致，而且由于試制階段樣件質(zhì)量狀態(tài)往往不穩(wěn)定，不同供應(yīng)商的軟模加工能力不一致導致車身質(zhì)量存在差異，后續(xù)總裝裝配時長具有較大差異。不同零件由于安裝先后關(guān)系，有些零件只有在后續(xù)關(guān)聯(lián)件安裝后才可發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，這種情況下返修難度也會明顯大于別的零件。此外，試制總裝往往沒有量產(chǎn)線物料擺放密集，現(xiàn)場物料、工具等拿取也會產(chǎn)生不同的時間（非增值時間），均需要考慮在內(nèi)。零件裝配時間成本分析見表4。

表4 零件裝配時間成本分析表

零件裝配時間成本計算公式：

2.4 試制總裝工時調(diào)配

試制車間總裝工時調(diào)配主要受最大完工時間及員工作業(yè)利用均衡度影響，其工時調(diào)配主要遵循以下原則：員工技能柔性；員工作業(yè)水平；作業(yè)時間成本；團隊協(xié)作。

約束條件：工序不可打亂；員工作業(yè)不可被中斷；不考慮員工因疲勞導致作業(yè)效率降低。

表5 調(diào)配模型定義

員工作業(yè)利用均衡度f采用各員工作業(yè)時間與總體作業(yè)時間平均數(shù)水平的波動程度來描述（即數(shù)據(jù)的標準方差）。其中標準方差數(shù)值越小，表明車間所有員工作業(yè)時間穩(wěn)定，員工忙閑一致性好，具體的表達式如下：

根據(jù)調(diào)配模型后，采用NSGA-II算法，并采用歸一加權(quán)法，定義如下：

其中，ws（s=1，2，..，）t為各目標的權(quán)重系數(shù)；f（sk）是第s個目標值f（sk）在s=1，2，..，t的歸一化值，并定義目標值函數(shù)及相關(guān)參數(shù)。

經(jīng)過該算法依據(jù)某新能源汽車試制車間在建4個整車試制項目得到的工位任務(wù)分配、員工任務(wù)安排、動態(tài)問題調(diào)整方案與傳統(tǒng)的車間員工調(diào)度方案相比，工時調(diào)配更加均衡，員工有效工作時間更多，項目運行時間得到了顯著縮減。

3 汽車試制總裝工藝技術(shù)智能化發(fā)展

3.1 虛擬裝配技術(shù)

由于虛擬裝配技術(shù)能滿足并行工程的要求，汽車試制總裝在前期工藝編制過程中，技術(shù)人員可以根據(jù)樣車零件的虛擬裝配進行過程仿真，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中的問題，并制定相關(guān)的總裝工藝，這樣不僅可以實現(xiàn)汽車同步工程在樣車試制階段的應(yīng)用，還可以提高裝配質(zhì)量和裝配效率，降低裝配成本。

3.2 柔性作業(yè)車間智能調(diào)度技術(shù)

作業(yè)車間的調(diào)度問題是生產(chǎn)過程中必須解決的核心問題之一，與傳統(tǒng)的作業(yè)車間相比，柔性車間的調(diào)度問題更加復(fù)雜，并且影響因素較多。雖然很多學者都對車間的調(diào)度問題進行了研究，但是目前仍沒有一種系統(tǒng)的應(yīng)對方案，既可以妥善處理動態(tài)的事件，又能夠保證作業(yè)車間有較高的生產(chǎn)效率[5]。事實上，在實際的汽車試制過程中也會出現(xiàn)多種多樣的動態(tài)事件，如某臺樣車出現(xiàn)設(shè)計問題、緊急任務(wù)插單、樣車零部件未按計劃時間到料等。同時汽車試制又是典型的柔性作業(yè)車間，在汽車試制環(huán)節(jié)對動態(tài)因素充分評估并建立合理的數(shù)學模型和更智能的算法方面，還具有較大的提升空間。

4 結(jié)語

汽車試制在研發(fā)體系中扮演著重要角色，本文研究了總裝技術(shù)在工藝布局、工藝文件、工藝流程、工時調(diào)配等方面的優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)試制項目的過程管理往往采用相對傳統(tǒng)的電子文件方式，工藝流轉(zhuǎn)信息傳遞嚴重依賴紙質(zhì)文件、口頭溝通或者發(fā)送郵件，工時記錄和成本核算也依靠主觀記憶。根據(jù)此類情況，文章提出利用多維度的優(yōu)化措施，比如根據(jù)項目定義設(shè)置相匹配的工藝布局、任務(wù)大小及工藝順序，基于智能算法的員工調(diào)度、工時平衡，確保總裝試制業(yè)務(wù)更加傾向規(guī)范化、精細化。