跨基地跨車型車身線自主集成開發(fā)及應(yīng)用

謝寧 黎琪 史敏

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，市場(chǎng)的需求也在不斷發(fā)生變化，消費(fèi)者需求越來越個(gè)性化、差異化，使當(dāng)今的制造業(yè)正逐漸向多品種、小批量、用戶定制、能夠迅速響應(yīng)市場(chǎng)變化等方向發(fā)展。又有“工業(yè)4.0”概念的提出，意味著對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行改進(jìn)、建立一個(gè)高度個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式已是制造業(yè)謀求發(fā)展的必經(jīng)之路。如文獻(xiàn)提到的日本豐田汽車公司的精益生產(chǎn)體系很好的滿足了多樣化的市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)對(duì)精益生產(chǎn)的應(yīng)用也越來越廣泛。柔性生產(chǎn)作為精益生產(chǎn)的新動(dòng)向，是根據(jù)客戶訂單和市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)組織生產(chǎn)的一種先進(jìn)生產(chǎn)方式，這一生產(chǎn)方式能大大降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，增強(qiáng)企業(yè)的靈活性和應(yīng)變能力。

目前已有許多學(xué)者對(duì)柔性生產(chǎn)進(jìn)行了研究和應(yīng)用，文獻(xiàn)研究柔性生產(chǎn)中人員調(diào)度問題，提出一種有效遺傳算法得到最優(yōu)的人員調(diào)度方案。文獻(xiàn)構(gòu)建柔性生產(chǎn)配置模型，并分析其風(fēng)險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的原因，最后通過數(shù)值仿真確定有效的柔性生產(chǎn)配置方式。文獻(xiàn)基于柔性生產(chǎn)設(shè)計(jì)出自動(dòng)磨邊鉆孔加工單元的結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)效率大幅度提高，生產(chǎn)質(zhì)量明顯提升。文獻(xiàn)引入多種車型識(shí)別技術(shù)解決了汽車焊裝車間柔性自動(dòng)化生產(chǎn)面臨的多車型匹配問題。文獻(xiàn)基于柔性生產(chǎn)理念，建立Flexsim模型并以此仿真結(jié)果提出改善方案，提高了生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率。文獻(xiàn)提出基于知識(shí)的柔性生產(chǎn)計(jì)劃生成算法，并對(duì)面向訂單變更的生產(chǎn)計(jì)劃一致性問題進(jìn)行了研究。

鑒于柔性生產(chǎn)理念在各制造領(lǐng)域應(yīng)用的成功，針對(duì)上汽通用五菱現(xiàn)場(chǎng)車身車間生產(chǎn)線的建設(shè)，為了推動(dòng)公司制造能力向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)型，打造“上汽通用五菱特色制造模式”，助力公司及汽車制造行業(yè)向智能制造發(fā)展，本文提出跨基地跨車型車身線自主集成開發(fā)方案。

2 生產(chǎn)線的工藝流程設(shè)計(jì)

工藝流程指通過一定的生產(chǎn)設(shè)備或管道，從原材料投入到成品產(chǎn)出，按順序連續(xù)進(jìn)行加工的全過程，本章將從生產(chǎn)線布局和生產(chǎn)線BOP兩方面介紹生產(chǎn)線的工藝流程。

2.1 生產(chǎn)線布局

車身線工藝布局采用柔性布局，主線及側(cè)圍線采用的是直線型，車架中心采用“魚骨型”布局，實(shí)現(xiàn)了多品種柔性線的生產(chǎn)模式。主線和側(cè)圍的線體采用的是直線型布局，節(jié)省場(chǎng)地，車架中心線體的設(shè)計(jì)采用的是“魚骨”的形式，后續(xù)可以通過在預(yù)留的場(chǎng)地增加工位及相應(yīng)的機(jī)器人，可以將節(jié)拍進(jìn)行提升。國(guó)際汽車業(yè)內(nèi)最小單位面積（約4942平米）可實(shí)現(xiàn)柔性車型最多的車身線。國(guó)際行業(yè)內(nèi)第一個(gè)單一總拼工位可實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)車型柔性生產(chǎn)的車身線。整個(gè)線體采用178臺(tái)機(jī)器人，大幅提升焊接&輸送自動(dòng)化程度，側(cè)圍、車架和主線的焊點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)100%的自動(dòng)化率，提升焊接質(zhì)量和人機(jī)工程。具體LAYOUT圖見圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線的布局圖

2.2 生產(chǎn)線BOP

根據(jù)不同車型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，按照生產(chǎn)線工藝布局圖，建立標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)規(guī)范，編制工藝規(guī)劃和工藝設(shè)計(jì)相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，極大地提高了車身焊裝線的開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量。

圖2 生產(chǎn)線BOP

3 基于柔性生產(chǎn)理念的技術(shù)開發(fā)

本章提出的插拔式主定位夾具切換方案和跨基地、跨平臺(tái)車型兼容夾具方案有效的提高了生產(chǎn)線的柔性，又設(shè)計(jì)出雙層立體式滾床結(jié)構(gòu)，節(jié)約了場(chǎng)地面積。

3.1 雙層立體式滾床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

針對(duì)場(chǎng)地問題，主要是突破思維模式，采用立體式滾床結(jié)構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)，上層為滾床焊接模式，下層采用回撬模式。通過小型升降機(jī)轉(zhuǎn)移滑撬。

每個(gè)工位采用圖3的結(jié)構(gòu)，上層滾床為焊接工位，下層工位采用回撬工位，上層滾床通過鋼構(gòu)支撐，下層滾床安裝在地面，鋼結(jié)構(gòu)高度1.8m，滾床、滑撬以及白車身的高度總高約3米，不影響整體車間二層的布局。

圖3 雙層滾床結(jié)構(gòu)

此種工藝布局方案主要體現(xiàn)在布局方式，在不改變整體車間架構(gòu)以及二層機(jī)構(gòu)的情況下，利用二層立體式解決了新引用“滾床+滑撬”輸送模式占地與現(xiàn)有場(chǎng)地干涉的問題。

3.2 插拔式主定位夾具切換方案

滑撬現(xiàn)有技術(shù)一般采用多車型夾具直接放在滑撬上，此種方案雖然可以兼容多車型，但針對(duì)上汽通用五菱產(chǎn)能，問題有二點(diǎn)：第一，在導(dǎo)入新車型時(shí)，需要更換舊車型的夾具，需要拆除、安裝、測(cè)量等內(nèi)容，導(dǎo)致新車型導(dǎo)入時(shí)間長(zhǎng)；第二，兼容車型數(shù)量有限，在產(chǎn)品迭代速度快速的今天，無法滿足上汽通用五菱對(duì)產(chǎn)品迭代的需求，需要兼容更多車型的主定位夾具。

采用圖4的輸送裝置切換機(jī)構(gòu)，通過夾具切換庫存儲(chǔ)不同類型夾具，通過機(jī)器人抓取并切換滑撬現(xiàn)有定位夾具。其工作原理是：其中1組車架定位機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)2種平臺(tái)的車型定位，當(dāng)由車型1需要切換至車型2時(shí)僅需將車架定位機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)切換氣缸通氣即可實(shí)現(xiàn)定位基準(zhǔn)切換，而當(dāng)車身生產(chǎn)線導(dǎo)入或生產(chǎn)第3種或第4種車型的時(shí)候，只需要將A/B/C/D共4組車架定位機(jī)構(gòu)的單元通過機(jī)器人自動(dòng)切換即可實(shí)現(xiàn)另2種車型的柔性生產(chǎn)。

圖4 快速切換的車架定位輸送裝置組成機(jī)構(gòu)

此種兼容模式的快速切換結(jié)構(gòu)是通過圖5的燕尾蝶定位塊的子母端高精度配合及輔助快插通氣裝置，確保了快速切換車架定位輸送裝置的切換精度一致性、穩(wěn)定性，進(jìn)一步確保了車身的定位精度及車身焊接質(zhì)量。

圖5 燕尾蝶定位塊示意圖

為了解決隨行夾具自動(dòng)切換以及儲(chǔ)存的問題，設(shè)計(jì)建造了如圖6所示的夾具庫，將夾具庫建在主線的第一個(gè)工位空中，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)工位機(jī)器人將車身三大件（前車體、地板、后部下車體）從空中滑撬用抓手抓到隨行夾具前，在抓取的時(shí)候給一號(hào)工位發(fā)出車型信號(hào)。夾具庫根據(jù)發(fā)出的車型信號(hào)以及當(dāng)前隨行夾具的狀態(tài)，判斷是否需要進(jìn)行隨行夾具切換。

圖6 夾具庫示意圖

如圖6所示，夾具庫由上下兩層組成。下層由兩臺(tái)切換機(jī)器人、出/入庫升降機(jī)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)以及升降滾床工位組成。切換機(jī)器人負(fù)責(zé)切換滑撬上的隨行夾具工裝；出/入庫升降機(jī)負(fù)責(zé)將新的或切換下來的隨行夾具工裝接下來或者送上去；旋轉(zhuǎn)臺(tái)主要是連接兩個(gè)升降機(jī)，并在上面完成隨行夾具工裝的切換以及隨行夾具工裝離線操作。夾具庫上層由26個(gè)庫位、堆垛機(jī)、控制柜組成。其中26庫位分在堆垛機(jī)兩側(cè)，分為上下兩層，庫位是無動(dòng)力的，只能進(jìn)行隨行夾具的存放，夾具庫庫位有編號(hào)，與每套隨行夾具工裝一一對(duì)應(yīng)；堆垛機(jī)負(fù)責(zé)和出/入庫升降機(jī)、庫位對(duì)接，完成隨行夾具工裝的出入庫。

3.3 跨基地、跨平臺(tái)車型兼容夾具方案

夾具分為基礎(chǔ)部分以及專用夾具部分，要實(shí)現(xiàn)跨基地、跨平臺(tái)車型兼容夾具，基礎(chǔ)部分在生產(chǎn)線建設(shè)時(shí)固定在地面，而專用夾具是可以在基礎(chǔ)部分上切換，這樣一來，在基礎(chǔ)部分允許的尺寸內(nèi)，任意車型的夾具都可以實(shí)現(xiàn)切換，從而保證車型切換的多樣性。

本文提出共4種夾具兼容方案。

夾具分為A/B面，每面有1個(gè)夾具，為實(shí)現(xiàn)高精度定位及工裝對(duì)接，需要設(shè)計(jì)精確定位小車進(jìn)行切換，如圖7所示，小車上為側(cè)圍工裝支架，下車在地面上固定好后，側(cè)圍工裝及支架通過下車上滾輪及導(dǎo)向推上小車，到達(dá)后部限位塊后，前端鎖緊，定位小車可推走，定位小車是通過中間滾輪導(dǎo)向，兩側(cè)V向限位塊及2個(gè)插銷實(shí)現(xiàn)定位，此上下兩層定位可滿足工裝切換時(shí)對(duì)接操作順暢，保證工作順利開展。

圖7 精確定位小車

圖8所示的升降式基礎(chǔ)夾具，通過專用車型夾具送到定位上，通過偏心輪舉升機(jī)構(gòu)，下降到位，保證夾具定位精度，該設(shè)備通過電機(jī)+減速機(jī)作為動(dòng)力源，3根傳動(dòng)軸通過滾輪連接皮帶的方式傳輸動(dòng)力，除連接電機(jī)傳動(dòng)軸外，其余傳動(dòng)軸兩端連接1個(gè)滾輪，傳動(dòng)軸與滾輪之間存在高度差，類似偏心輪原理，舉升框架四周各與一個(gè)滾輪接觸，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸之間通過皮帶帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過高度差實(shí)現(xiàn)托架舉升，舉升效果穩(wěn)定。

圖8 升降式基礎(chǔ)夾具

在車型切換時(shí)，通過人工推拿圖9所示的不同車型精確料框，公國(guó)導(dǎo)向軌道以及到位開關(guān)檢測(cè)功能保障定位的精確及穩(wěn)定性。

圖9 不同車型切換零件精確料框

圖10所示的滑臺(tái)切換結(jié)構(gòu)，工裝部分通過定位銷、快速夾緊器固定為滑臺(tái)機(jī)構(gòu)上。當(dāng)需要切換車型時(shí)，將工裝部分 與滑臺(tái)機(jī)構(gòu)脫離，并轉(zhuǎn)移至切換小車，然后推走，將另一車型的工裝部分推上滑臺(tái)機(jī)構(gòu)。

圖10 滑臺(tái)切換示意圖

4 結(jié)語與展望

本文提出的跨基地跨車型車身線自主集成開發(fā)方案很好的實(shí)現(xiàn)了單一生產(chǎn)線生產(chǎn)多個(gè)車型、跨基地實(shí)現(xiàn)車型互換需求，不僅帶來了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益，也推動(dòng)汽車行業(yè)的制造呈現(xiàn)多樣化發(fā)展。然而此方案還不夠完美，還有一些問題需要進(jìn)一步改進(jìn)。

1、插拔式夾具庫的切換時(shí)間過長(zhǎng)，每切換一個(gè)新車型會(huì)有5臺(tái)車的產(chǎn)能損失

2、在保證跨基地、跨平臺(tái)兼容的過程中，各車型的切換夾具種類較大，且占地較大。