Best fit白車身自動(dòng)裝配系統(tǒng)精度提升的解析與實(shí)踐

張皓源

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

V206車型目前是北京奔馳汽車有限公司（BBAC）的主要車型，該項(xiàng)目引入了Best fit全自動(dòng)裝配系統(tǒng)，目的是為了提升覆蓋件裝配合格率及裝配精度。

裝配精度現(xiàn)在已經(jīng)成為衡量汽車質(zhì)量控制水平的重要指標(biāo)，上一代205車型在整個(gè)生命周期2014－2021年采用了傳統(tǒng)的裝配手動(dòng)工裝（見(jiàn)圖1a），裝配精度及穩(wěn)定性差，全新206車型采用BBAC第一次使用了Best fit全自動(dòng)自動(dòng)裝配系統(tǒng)，如圖1b所示。傳統(tǒng)手動(dòng)工裝采用定位機(jī)構(gòu)的方式進(jìn)行覆蓋件與車身的匹配定位，主要利用定位銷和定位塊的方式，而Best fit自動(dòng)裝配系統(tǒng)采用激光傳感器的方式采集車身與覆蓋件輪廓進(jìn)行計(jì)算，從而得到零件匹配的最佳位置，讓206車型裝配合格率從手動(dòng)工裝的0%提升到70%，而與之對(duì)應(yīng)的返修率從100%下降到30%，從而節(jié)省返修人員7人，故Best fit的應(yīng)用可以解決裝配的穩(wěn)定性差、精確性差的問(wèn)題，提升裝配控制水平及客戶滿意度，提升產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力（見(jiàn)表1）。

表1 后門手動(dòng)工裝與Best fit系統(tǒng)對(duì)比

圖1 后門手動(dòng)工裝與Best fit系統(tǒng)對(duì)比

項(xiàng)目實(shí)施方案

1.現(xiàn)狀分析

由于對(duì)全新Best fit自動(dòng)裝配系統(tǒng)沒(méi)有應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新系統(tǒng)的目標(biāo)設(shè)置是否合理及目標(biāo)達(dá)成均沒(méi)有可以借鑒的先例，故無(wú)法預(yù)判是否能夠按計(jì)劃完成裝配合格率的指標(biāo)，并且如何達(dá)成指標(biāo)才是新項(xiàng)目的核心（見(jiàn)圖2）。通過(guò)分析梳理現(xiàn)在面對(duì)的問(wèn)題，包括如何了解新系統(tǒng)以及新系統(tǒng)的重要功能，以及是否能夠得到德國(guó)專家的支持。現(xiàn)階段由于疫情的原因德國(guó)專家無(wú)法前來(lái)支持系統(tǒng)的調(diào)試，完全是通過(guò)自主調(diào)試的方式使系統(tǒng)可以投產(chǎn)，這對(duì)新項(xiàng)目的順利進(jìn)行帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

圖2 新項(xiàng)目遇到的困難及挑戰(zhàn)

2.可行性分析

Best fit系統(tǒng)的實(shí)施分為五個(gè)階段：設(shè)計(jì)審核、白色驗(yàn)收、黃色驗(yàn)收、調(diào)試階段和SOP質(zhì)量爬坡階段（見(jiàn)圖3），每個(gè)階段都有具體的要求和核心任務(wù)，需要針對(duì)各階段的特點(diǎn)制定不同的檢查方案及調(diào)試計(jì)劃。

圖3 V206Best fit系統(tǒng)實(shí)施方案

（1）設(shè)計(jì)審核階段 整個(gè)設(shè)計(jì)審核階段報(bào)告包括3次系統(tǒng)數(shù)模審核和1次系統(tǒng)實(shí)物審核。數(shù)模審核包括根據(jù)SFK（Span Funktion Koncept）定位功能概念檢查數(shù)模上的工裝定位單元，包括定位銷、定位塊等，在設(shè)計(jì)審核會(huì)上提出工裝定位的優(yōu)化方案，并且檢查及確認(rèn)Best fit系統(tǒng)傳感器的位置及數(shù)量，對(duì)需要優(yōu)化的區(qū)域提出優(yōu)化方案。在設(shè)計(jì)審核階段提出及解決問(wèn)題，避免工裝已加工到位后造成的更改困難及更改費(fèi)用。

（2）白色驗(yàn)收及黃色驗(yàn)收 V206 Best fit經(jīng)過(guò)白色驗(yàn)收及黃色驗(yàn)收驗(yàn)證系統(tǒng)在靜態(tài)及動(dòng)態(tài)情況下的調(diào)試狀態(tài)，白色驗(yàn)收需要驗(yàn)證系統(tǒng)在靜態(tài)條件下驗(yàn)證工裝定位單元是否按照數(shù)模正確地安裝，并且檢查零件與工裝的匹配，提升優(yōu)化及整改方案。黃色驗(yàn)收需要驗(yàn)證工裝的加緊時(shí)序，夾緊力的合理性及調(diào)試狀態(tài)，Best fit程序運(yùn)轉(zhuǎn)情況，Regulation運(yùn)行及Training的調(diào)試水平，確保Best fit自動(dòng)裝配系統(tǒng)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，沒(méi)有Regulation NOK的出現(xiàn)。避免生產(chǎn)線停線帶來(lái)的停機(jī)故障。

（3）調(diào)試階段（即質(zhì)量爬坡階段） Best fit系統(tǒng)調(diào)試首先需要根據(jù)CMM做出一個(gè)Master car，在Master car上標(biāo)記出Best fit系統(tǒng)需要的測(cè)量點(diǎn)的位置。根據(jù)Master car的測(cè)點(diǎn)位置調(diào)試Best fit系統(tǒng)激光傳感器的位置，在Best fit裝配后的白色車未經(jīng)過(guò)人工調(diào)整的狀態(tài)送CMM，將CMM測(cè)量數(shù)據(jù)與Best fit數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，用CMM為測(cè)量基準(zhǔn)，對(duì)Best fit系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。在Best fit系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確后，分別對(duì)各重要功能進(jìn)行優(yōu)化，提升Best fit裝配穩(wěn)定性，通過(guò)重復(fù)拆裝試驗(yàn)驗(yàn)證穩(wěn)定性（同一臺(tái)白車身和同一個(gè)覆蓋件拆裝5次，每次拆裝后數(shù)據(jù)偏差小于0.2mm作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)）。在質(zhì)量爬坡階段，從SOP階段到9個(gè)月，在確保調(diào)試階段各工位順利通過(guò)穩(wěn)定性測(cè)試的情況下，根據(jù)各覆蓋件的狀態(tài)對(duì)Best fit進(jìn)行質(zhì)量提升，提高一次裝配合格率，每個(gè)月合格率提升8%，9個(gè)月后需要提升到72%。

3.測(cè)試與驗(yàn)證

截至2021年11月5日，SOP4個(gè)月，現(xiàn)有Best fit 裝配合格率已提升到22.5%，已經(jīng)領(lǐng)先德國(guó)Bremen工廠以及南非的East London工廠，是全球工廠206最佳裝配水平，BBAC 206合格率每個(gè)月都在持續(xù)提升，從SOP第一個(gè)月的4%，提升到第5個(gè)月的23%。不僅利用整車合格率的方式統(tǒng)計(jì)，還利用單件平均合格率統(tǒng)計(jì)各覆蓋件，現(xiàn)有各零件合格率在SOP5個(gè)月后已達(dá)到85%。

4.推廣與應(yīng)用

206 Best fit是BBAC第一次引用全自動(dòng)裝配系統(tǒng)，隨后254和214車型都將應(yīng)用此系統(tǒng)。關(guān)于系統(tǒng)裝配合格率的提升經(jīng)驗(yàn)已通過(guò)裝焊技術(shù)論壇的方式將總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行共享，并且與前驅(qū)車工廠的技術(shù)團(tuán)隊(duì)做過(guò)經(jīng)驗(yàn)分享及技術(shù)交流。

效果與效益

1.主要?jiǎng)?chuàng)新和改進(jìn)

（1）E-shim功能的實(shí)現(xiàn) 裝配線的裝配工序通常分為兩部分，第一部分為鉸鏈裝配到覆蓋件上，第二部分將鉸鏈與覆蓋的總成裝配到白車身總成上。為提升第一工序裝配的穩(wěn)定性及精確性，應(yīng)用了E-shim的機(jī)構(gòu)，通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)精確控制覆蓋件的鉸鏈深度，并且結(jié)合機(jī)器人程序可以實(shí)現(xiàn)螺栓全自動(dòng)緊固，且通過(guò)軟件圖例可知，鉸鏈深度可以通過(guò)E-shim的軟件進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，可調(diào)整的最小單位達(dá)到0.1mm。通過(guò)在線檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，E-shim可以實(shí)現(xiàn)鉸鏈深度的精度可以達(dá)到0.1mm。以車門為例，上下鉸鏈可以控制到±0.5mm內(nèi)，Cp＞1.33，Cpk到達(dá)1.0的狀態(tài)，與205手工裝配有明顯的提升。相比VW205車型，Cp和Cpk均有提升。

（2）計(jì)算功能Regulation的提升 裝配的第二個(gè)重要步驟為將覆蓋件及與鉸鏈總成與車身裝配。為了找到最佳的裝配位置，Best fi通過(guò)計(jì)算功能找到每一臺(tái)白車身與覆蓋件的匹配裝配，Best fit 通過(guò)Regulation完成計(jì)算功能。

如圖4所示，以后門與側(cè)圍裝配過(guò)程為例，將側(cè)圍與后門簡(jiǎn)化為兩個(gè)空間內(nèi)的物體，需要精確定位空間內(nèi)的物體需要明確以下幾個(gè)參數(shù)：物體在空間內(nèi)的位置X、Y、Z、A、B和C，根據(jù)間隙平順的要求，通過(guò)Regulation的作用，使后門找到空間內(nèi)的最佳位置，最終確定后門與測(cè)量匹配的最佳位置對(duì)應(yīng)的X、Y、Z、A、B和C，Regulation利用雅可比矩陣使空間內(nèi)各位置參數(shù)逐漸變化，最后得到一個(gè)最佳位置。

圖4 SME后門歸零點(diǎn)實(shí)際狀態(tài)

Regulation可以通過(guò)Training過(guò)程優(yōu)化及量化此功能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)Regulation的功能需要優(yōu)化時(shí)，可以通過(guò)選取尺寸狀態(tài)較好的白車身及覆蓋件進(jìn)行Training，Training的作用使Regulation更好的找到裝配位置，Training存在一個(gè)量化指標(biāo)，滿分是1.0，達(dá)到0.9為Training匹配很好的狀態(tài)，以圖4b所示，此Training達(dá)到0.983，使Regulation的功能達(dá)到了接近完美的狀態(tài)，且經(jīng)過(guò)近半年的調(diào)試，現(xiàn)所有工位的Training都可以達(dá)到0.9以上，使Regulation的作用得到充分發(fā)揮。

（3）反轉(zhuǎn)180°螺釘緊固程序的實(shí)現(xiàn) 螺栓緊固程序是裝配程序的最后一項(xiàng)。通過(guò)Best fit測(cè)量功能發(fā)現(xiàn)，在螺栓緊固前后間隙平順度的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)生較大變化，數(shù)據(jù)波動(dòng)0.5mm，通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)裝配后的車門螺栓緊固的方向會(huì)有不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，此運(yùn)動(dòng)來(lái)自于螺栓與車身匹配的內(nèi)應(yīng)力。

為釋放零件之間的內(nèi)應(yīng)力，現(xiàn)添加特殊程序，將螺栓緊固程序在擰緊后再次添加螺栓反轉(zhuǎn)180°，既將螺栓擰緊又二次松開半圈，從而釋放了螺栓與零件匹配的應(yīng)力。通過(guò)重復(fù)拆裝試驗(yàn)驗(yàn)證穩(wěn)定性，同一臺(tái)白車身和同一個(gè)覆蓋件拆裝5次，每次拆裝后數(shù)據(jù)偏差小于0.2mm，從而證明Best fit裝配的穩(wěn)定性。如圖5所示，優(yōu)化了反轉(zhuǎn)程序后數(shù)據(jù)前后門高度差（kick-up）測(cè)量點(diǎn)合格率明顯提升，數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍從±1.0mm，縮小到±0.5mm，滿足裝配要求。

圖5 螺栓緊固反轉(zhuǎn)功能對(duì)裝配合格率的提升

2.經(jīng)濟(jì)效益

Best fit自動(dòng)裝配系統(tǒng)的應(yīng)用相比手工工裝提升了裝配的穩(wěn)定性，從而減少了返修人員。與上一代205車型相比，205車型共有12個(gè)間隙平順度返修人員，根據(jù)PP規(guī)劃，206的返修人員在SOP9個(gè)月前共10人返修，9個(gè)月后，best fit合格率提升到70%后，只有5個(gè)人返修，故節(jié)省了7個(gè)返修人員，且節(jié)省了德國(guó)專家支持的人員費(fèi)用。

3.社會(huì)效益

Best fit系統(tǒng)的應(yīng)用及實(shí)施給車身工廠帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。新設(shè)備的引進(jìn)，由于無(wú)法邀請(qǐng)德國(guó)專家到現(xiàn)場(chǎng)支持新系統(tǒng)的調(diào)試，因此，整個(gè)調(diào)試過(guò)程完全由車身工廠的尺寸團(tuán)隊(duì)完成。尺寸團(tuán)隊(duì)在逐漸了解Best fit系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，專研各項(xiàng)重要功能，包括Regulation、Training、E-shim功能，自動(dòng)補(bǔ)償功能，最后掌握Best fit系統(tǒng)，使新系統(tǒng)可以順利投產(chǎn)。系統(tǒng)的質(zhì)量合格率也優(yōu)于德國(guó)同期水平，實(shí)踐了“德國(guó)車中國(guó)造，德國(guó)技術(shù)我們知道”的理念。

4.裝配穩(wěn)定性提升

通過(guò)以上創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)，截至到2022年5月，SOP之后9個(gè)月，現(xiàn)有Best fit 裝配合格率單件合格率已經(jīng)達(dá)到90%，并且已經(jīng)達(dá)到德國(guó)同期水平，已經(jīng)成功地讓自動(dòng)裝配系統(tǒng)在中國(guó)工廠落地。

結(jié)語(yǔ)

Best fit裝配系統(tǒng)還可以從兩個(gè)方面繼續(xù)提升：

1）裝配合格率的持續(xù)提升，也就是裝配精度的提升?，F(xiàn)有Best fit調(diào)試狀態(tài)處于9個(gè)月后，各零件一次裝配合格率在90%。

2）整車產(chǎn)品質(zhì)量的提升。當(dāng)裝配合格率提升后，整車裝配穩(wěn)定性也隨之提升，整車質(zhì)量也隨之改善，有利于交付質(zhì)量更加穩(wěn)定的產(chǎn)品。