乘用車總裝生產線的規(guī)劃與設計研究

董欣陽 王濤 于海月 李健

（1.比亞迪汽車有限公司，西安 710304；2.中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

1 前言

汽車生產線規(guī)劃是連接汽車設計和汽車制造的重要紐帶。如何滿足當前在產車型及將來可能導入車型的批量化生產要求，使總裝生產線在經濟合理的前提下，具有盡可能大的柔性和適應性[1]，是總裝生產線規(guī)劃時應當予以重點關注的內容?？紤]到乘用車和商用車在制造工藝上的差異性較大，重點研究乘用車總裝生產線的規(guī)劃與設計，主要從設計參數定義、設備選型、布局規(guī)劃方面進行探討。

2 設計參數定義

2.1 設計輸入資料

2.1.1 生產綱領

生產綱領是進行總裝生產線規(guī)劃的重要技術參數之一，通常以雙班制生產的年產能表示，例如雙班30 萬輛/年。

廠房面積、生產線布局、工藝設備選擇、投資總額等均與生產綱領直接相關。不論是新建工廠還是已有工廠改造，都應重點關注現有條件能否滿足以及如何滿足生產綱領要求，綜合權衡投入與產出。

2.1.2 生產班制和生產天數

生產班制包含兩方面的內容，每天生產班次和每班有效工作時間。每天生產班次可能為單班、雙班或者三班；每班有效工作時間和國家政策、企業(yè)制度有關，該時間應為除去就餐和休息的凈工作時間。

生產天數則是指全年凈生產天數，規(guī)劃時應結合企業(yè)的具體制度確定，一般可按250 天/年或300 天/年考慮。

生產綱領、生產班制和生產天數一起共同決定了總裝生產線的設計生產節(jié)拍。因此，在進行總裝生產線的規(guī)劃前，應當獲取比較準確的生產班制和生產天數信息。

2.1.3 車型定義

在生產線規(guī)劃階段，車型定義需要明確兩方面的內容，分別是計劃導入的車型和各車型的技術參數。

由于計劃導入的車型數量多少、是否屬于同一平臺、不同車型間的技術參數（尺寸、質量）差異對總裝生產設施的規(guī)劃、物流、投資總額影響很大，因此應當盡可能全面、準確地收集計劃導入車型的相關技術資料。

2.1.4 工藝方案

不論是新建工廠進行新車型生產還是將新車型導入老工廠進行生產，工藝方案都是進行總裝生產線規(guī)劃、建設和改造的重要依據。

總裝各工藝段輸送設備選型、工藝設備選型、各工藝段工位數量設置、總裝車間其它生產設施布局、投資總額均與工藝方案息息相關。任何工藝方案的變更，均可能導致上述內容的改變，從而影響相關工作。在進行規(guī)劃工作前，應收集較為詳細和準確的工藝方案。

2.1.5 廠區(qū)規(guī)劃總圖

廠區(qū)規(guī)劃總圖也是需要收集的重要技術性文件之一，這是因為廠區(qū)內的各個車間并不是獨立存在的，而是存在人流、物流、信息流、能量流的交互，廠區(qū)規(guī)劃總圖能夠比較全面且形象地反應這種交互關系，對于總裝生產線的合理規(guī)劃具有重要意義。在進行總裝生產線規(guī)劃時，應當著重關注與總裝生產過程相關的各車間位置及廠區(qū)內的物流條件。

2.2 設計參數定義

2.2.1 生產節(jié)拍

根據生產綱領和生產班制確定生產節(jié)拍，生產節(jié)拍的計算公式如下。

式中，TT為生產節(jié)拍（JPH）；AP 為生產綱領（輛/年）；n為生產班制（班/天）；t為每班有效工時（小時/班）；D為年工作天數（天/年）；μ為設備綜合開動率，一般取95%～97%。

例如，生產綱領為300000 輛/年，生產班制為雙班，每班有效工作時間9 h，每年工作天數300天，設備綜合開動率95%，則根據上式可得生產節(jié)拍為58.48 JPH，規(guī)劃時可向上圓整為60 JPH。

2.2.2 工位數量

工位數量的計算受多種因素影響，應從供貨狀態(tài)、機器人應用、混線生產、新能源汽車裝配工藝、車型擴展預留、檢查及返工預留方面綜合考慮，使得規(guī)劃結果能夠滿足當下及未來一段時間的需求。

a.供貨狀態(tài)。采用模塊化供貨可以減少主線工位數量[2]，如電控系統(tǒng)、動力總成、前端模塊、儀表、車門、前后保險杠等均采用模塊化上線，則對應的工藝段工位數量相比傳統(tǒng)方式可相應減少。

b.機器人應用。采用機器人自動化裝配的，工位數量應適當增加，如果有一些部件考慮后期機器人自動化裝配的，還應做工位預留便于改造。以60 JPH 生產線為例，機器人自動化裝配工作站通常需占用3～3.5 個標準節(jié)距工位。

c.混線生產?；炀€生產的車型種類越多、平臺差異化程度越大，一般意味著線平衡度也越差，在工位數量規(guī)劃時，應做適當預留，滿足所需工時最長車型的需求。

d.新能源汽車裝配工藝。對于新能源車型，如果不采用電池包和底盤整體合裝工藝，則應單獨規(guī)劃電池包合裝工位，以60 JPH 生產線為例，通常需占用6～7 個工位。

e.車型擴展預留。一條生產線建成往往要使用10年以上的時間，應考慮未來新車型導入的工位需求，根據生產線節(jié)拍不同一般可按5%～10%做適當預留。

f.檢查及返工預留。根據各工藝段裝配內容和過程質量檢查要求，還應設置一定比例的檢查或返工工位，比例占單條輸送線工位數的5%～10%，規(guī)劃時可結合生產線節(jié)拍酌情預留。

在綜合考慮上述因素后，應對工位數量進行理論計算，并結合車型擴展、檢查返工預留得到實際工位數量。

工位數量N可由各工藝段標準操作工時、平均工位密度、人員負荷率、生產節(jié)拍參數進行估算，其計算公式如下。

式中，N為理論工位數；ST為各工藝段標準作業(yè)工時（分鐘）；C為平均工位密度；η為人員負荷率，與混線生產車型數量有關，一般可取80～90%；CT為生產節(jié)拍（秒）。

各工藝段的工位密度可按如下經驗值估算：內飾線1.8～2.2，底盤線1.0～1.8，最終線1.5～2.0；車門分裝線1.0～2.0，儀表分裝線1.0，前副車架分裝線1.0～1.8，動力總成分裝線1.0～1.5，后副車架分裝線1.0～1.5[3]。

例如，內飾線標準作業(yè)工時100 min，平均工位密度1.8，人員負荷率85%，生產節(jié)拍60 JPH，則根據上式可得理論工位數為65.36 個，規(guī)劃時應向上圓整為66 個。此外，應在理論工位數的基礎上增加6～12 個工位用于車型擴展和檢查返修，則總工位數可取72～88 個。

2.2.3 工位節(jié)距

影響工位節(jié)距的因素較多，應當從人員操作便利性、車型（部件）尺寸、設備安裝空間方面綜合考慮。

a.操作便利性。各工位操作人員移動不受影響、零部件取放不受影響、且便于使用工具進行操作。

b.車型（部件）尺寸。對于主線而言，一般以計劃投產車型的最大長度為基準，如果在某個工藝段需要打開后背門進行裝配作業(yè)，則該工藝段則應以后背門打開時的最大長度為準。對于輔線而言，則主要考慮需要分裝的零部件最大尺寸。

c.集配小車放置空間。采用集配小車配送零部件的工藝段，還應預留集配小車放置空間。

d.機械臂和機器人空間。對于需要采用機械臂輔助安裝和機器人自動安裝的工位，應當預留充足的設備安裝空間及人員或機器作業(yè)空間。

綜合來看，工位節(jié)距的設置應在預留足夠空間的情況下盡可能地短，從而控制投資。一般可在最大車型長度的基礎上預留1.0～1.5 m的操作空間即可。

2.2.4 產線寬度

產線寬度定義需要考慮產品尺寸、載具尺寸、人員操作空間、物料堆放空間、設備安裝空間、物流通道、參觀通道、安全距離諸多因素（圖1）。對于總裝車間主線而言，一般情況下整車寬度按2.0 m 規(guī)劃、人員操作空間按1.0 m 規(guī)劃、線邊物料堆放區(qū)域按2.0～2.5 m 規(guī)劃、物流通道按3.0～4.0 m 規(guī)劃、參觀通道按1.0 m 規(guī)劃。對于機器人自動安裝作業(yè)的區(qū)域應特殊考慮，預留充足的設備安裝空間。

圖1 產線寬度示意

總裝車間的主線寬度可按下述經驗數據規(guī)劃。

a. 車身存儲線（Painted Body Store,PBS）。根據PBS 粗排、精排數量設置車身存儲短、快速輸送段、空橇返回段。帶車身的PBS 線輸送設備間距按照2.8～3.0 m 考慮（車身寬度2.0 m、維修通道0.8～1.0 m）。

b.內飾線和最終線。由于內飾線和最終線需要布置車門升降機，通常這兩個工藝段的裝配區(qū)域寬度按9.0～11.0 m 規(guī)劃。物流通道在不使用SPS小車配送的情況下按照4.0 m 規(guī)劃，在使用SPS 小車配送時可酌情按3.0～3.5 m 規(guī)劃。

c.底盤線。底盤線裝配區(qū)域寬度一般按9.0～10.0m 規(guī)劃，物流通道一般按照4.0 m 規(guī)劃。

d.調整線（OK 線）。OK 線需要裝配的零部件較少，線邊物料堆放區(qū)域可適當小一些，裝配區(qū)域寬度一般按9.0 m 規(guī)劃，物流通道一般按4.0 m規(guī)劃。

2.2.5 緩存數量

裝配工位滿足了總裝生產線基本的生產作業(yè)需求，但是為了滿足生產排產以及突發(fā)事件的應對，在總裝各線體需要設置一定數量的緩存。緩存數量一般以緩存時間為基礎進行計算。

不同企業(yè)對PBS 緩存數量需求存在差異，一般情況下，PBS 粗排區(qū)和精排區(qū)可各預留1.5～2 h 的緩存量，對于采用彩車身庫的情況，可不設置PBS粗排區(qū)。

其余工藝段各輸送線間的緩存數量可按預設的停線維修時間計算得到。例如，對于60 JPH的生產線，假如預設的內飾線停線維修時間為10 min，則內飾1 線到內飾2 線之間的緩存數量因為10 個。

3 設備選型

3.1 選型依據

3.1.1 生產適用原則

總裝生產線輸送設備的選型應當與本企業(yè)的產品特性、生產規(guī)模、組織管理方式相適應，如此才能發(fā)揮其最大效能。

3.1.2 技術先進原則

考慮到總裝車間設備投資巨大、使用年限較長，在進行設備選型時，應當優(yōu)選技術成熟可靠、性能指標先進的輸送技術，以利于提高產品質量、延長使用壽命和提高投資效益。

3.1.3 經濟合理原則

由于設備購入成本只是汽車制造成本中的一個部分，因而在進行設備選型時，應當根據產能或銷售預測、產品定位、銷售價格因素，綜合考慮設備的全生命周期成本，包括購入成本、使用期成本、設備殘值。

3.2 設備選型

目前，在汽車總裝輸送領域常用的設備形式有輥床線、柔性驅動輸送系統(tǒng)（Flexible Drive System,FDS）、電動單軌輸送系統(tǒng)（Electrified Monorail Sys?tem, EMS）、滑板線、板鏈線、輥道線、滾筒線、倍速鏈、自動導引小車（Automated Guided Vehicle,AGV）輸送系統(tǒng)等[4]。參考當前主流技術、造價及主流車企的應用情況，總裝輸送設備選型可參考表1。

表1 輸送設備選型參考

4 布局規(guī)劃

汽車產品生產是一種大批量的、高標準化的生產過程，因而其生產設施通常都采用產品導向布置，即根據產品制造的步驟來安排設備或工作過程的布置方式，也稱為裝配線式布置。

產品導向布置的優(yōu)點是單位產品的可變成本低、物料處理成本低、存貨少，對勞動力標準要求低；缺點是投資巨大，產品彈性小，一處停產將影響整條生產線。

4.1 布局規(guī)劃應考慮的因素

4.1.1 工藝性

生產線的布局應當首先滿足產品生產工藝過程的要求，對于包括總裝車間在內的整個工廠而言，就是工藝流程順暢、在制品流轉便捷，各零部件在車間之間和車間內的流轉距離盡可能短，避免迂回和往返運輸。

4.1.2 物流便捷

總裝生產的所有零部件均來自車間外部，應充分考慮各生產設施間的相對位置，盡量使較大、較重零部件的物流距離盡可能地短，相互之間存在物料流動的生產設施盡可能靠近，從而降低物流負擔和成本。

4.1.3 柔性化

柔性化可以從兩個方面來考慮：第一，生產線本身可以通過一次規(guī)劃、分期實施的形式提升產能或改造，如需對生產線進行改造，則盡量通過少停產甚至不停產的方式進行改造；第二，生產線可以兼容多產品共線生產，包括已有產品生產和新產品導入等。因此，在進行規(guī)劃是就應當進行充分預測考慮未來的可改造性、易改造性。

4.1.4 經濟性

生產線的布局將在很大程度上影響所要占用的空間大小、所需要的設備種類及數量、存貨水平，從而影響投資總額。如果是對現有的生產線進行改造，則更需要考慮所需投資和可能取得的收益相比是否合算。

4.1.5 安全和環(huán)保

生產線的布局還應考慮有利于安全生產、有利于職工身心健康，如易燃易爆品的存儲應遠離人員密集區(qū)域，并配有安全防范措施。應設置足夠的消防安全設施、環(huán)保設施。

規(guī)劃常用的相關國家標準見表2。

表2 規(guī)劃常用國家標準

4.2 常見布局方案

總裝裝配工藝主線，按照傳統(tǒng)模式為PBS 線、內飾線、底盤線、最終線、OK 線、檢測線、淋雨線、報交線等。進行總裝生產設置布置時，在考慮工位數量的前提下，還應當結合總圖面積及形狀、涂裝車間的位置、外部物流走向、路試跑道位置、成品車庫位置多重因素進行規(guī)劃。

目前比較流行的布局方案有H 型布局、S 型布局、T 型布局、U 型布局[5]。

4.2.1 H 型布局

H 型布局適用于車間長度方面無制約條件，可將內飾及底盤、最終裝配線按照H 型兩邊布置；此種方案物流區(qū)可分為小件及大件暫存，物流配送將更加清晰順暢。

4.2.2 S 型布局

S 型布局車間寬度方面要求較大。工藝區(qū)及物流區(qū)兩邊分開，物流要繞線配送，返回路線較長。目前，國內企業(yè)多采用此種布局形式。

4.2.3 T 型布局

T 型布局占地面積最大，適合產能較大、總裝面積充足的項目。通常是內飾線及最終線布置在兩側，底盤線垂直于內飾線及最終線布置于中間。此種方案物料配送是最方便最合理的。

4.2.4 U 型布局

U 型布局適合產能較小的項目，或是在場地方面有嚴格限制的項目。

5 新能源汽車生產線規(guī)劃特點

受技術成熟度及政府政策引導因素影響，目前我國形成了以增程式混合動力汽車、插電式混合動力汽車和純電動汽車為主的新能源汽車和傳統(tǒng)汽車同臺競技的新格局。因此在產線規(guī)劃時，應充分考慮新能源汽車和傳統(tǒng)汽車的裝配工藝差異，并做出適應性調整。

總體而言，純電動汽車由于結構較為簡單，理想的方式是單獨建設生產線進行生產。而增程式混合動力汽車和插電式混合動力汽車的結構較傳統(tǒng)燃油車更為復雜，從投資經濟性角度考慮，更適宜和燃油車混線生產。

根據新能源汽車的結構特征，從電池合裝和底盤分裝兩個方面簡述混線生產模式下生產線規(guī)劃特點。

5.1 電池合裝

目前，電池合裝主要有整體合裝和單獨合裝兩種工藝路線。如采用電池和前后副車架總成一起整體合裝的方式，則生產線布局與傳統(tǒng)汽車生產線類似，無需做大的調整。如采用電池單獨合裝的方式，常見的有兩種方案：其一，在底盤線增加電池合裝工位；其二，在底盤線和最終線之間增加電池合裝線專用于電池合裝。在規(guī)劃時，可根據產品特點及投資預算綜合權衡選用。

5.2 底盤分裝

如果混線生產的車型種類較多，特別是燃油車和新能源汽車混線生產的情況，應當特別關注各類底盤分裝托盤的兼容性，如果無法兼容所有車型生產，在產線規(guī)劃時應考慮采用托盤庫，以提高柔性。

6 結束語

汽車是一種復雜的機電產品，且近年來呈現出產品多樣化、換代快速化的特點。而生產線則一旦建成將長期使用，建造及改造成本均很大，因而如何使生產線滿足日新月異的市場需要、實現柔性化生產，是產線規(guī)劃應當重點研究的問題。生產線規(guī)劃水平的高低將直接影響車輛的生產成本和效率，并在未來很長一段時間內影響企業(yè)的生存與發(fā)展。