平臺化策略在焊接智能制造中的實踐

曹久雷 吳強 霍小敏 趙曉利 李少華 吳顯波

摘要：在滿足平臺車型性能、帶寬要求的前提下，結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)基地焊接生產(chǎn)線現(xiàn)狀，開展平臺車型導(dǎo)入各基地的可行性分析及改造方案設(shè)計。通過同步工程分析，推動產(chǎn)品設(shè)計進行車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)平臺車型共用生產(chǎn)線工裝和設(shè)備；結(jié)合仿真技術(shù)的運用，做到數(shù)字化孿生，實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試時間最短；結(jié)合柔性伺服技術(shù)接柔性主拼技術(shù)的運用，將設(shè)計平臺化、制造平臺化快速、有效落地，確保制造過程的一致性與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：平臺化；柔性化；智能制造；工藝流程；焊接生產(chǎn)線

隨著汽車消費者對個性化、定制化的需求逐步成趨勢，建設(shè)高節(jié)拍、高自動化及多車型柔性自動線成為行業(yè)共識。但自動柔性線如何實現(xiàn)多車型的快速切換，如何做到成本最優(yōu)和如何實現(xiàn)質(zhì)量的一致性是行業(yè)難點[1]。為解決以上問題，圍繞“質(zhì)量、成本、效率”，針對焊接工藝平臺化設(shè)計及智能制造技術(shù)的落地應(yīng)用進行了全面研究，積極應(yīng)對現(xiàn)有量產(chǎn)車型與后續(xù)平臺架構(gòu)車型的柔性兼容及平穩(wěn)過渡。

平臺化研究思路

焊接制造平臺化架構(gòu)和精益制造技術(shù)研究總體思路為：產(chǎn)品端與制造端協(xié)同促進共創(chuàng)價值，產(chǎn)品端傳遞價值，制造端支持價值（見圖1）。

在保證產(chǎn)品性能的前提下，推動平臺車型傳輸定位與現(xiàn)有各基地保持統(tǒng)一，減少對現(xiàn)有生產(chǎn)線的改造，最大限度利用現(xiàn)有資源，減少生產(chǎn)線改造；統(tǒng)籌和審視各基地制造資源，通過部分定位系統(tǒng)的柔性化改造，釋放對產(chǎn)品設(shè)計的部分要求，適應(yīng)現(xiàn)有各平臺內(nèi)新老產(chǎn)品的柔性兼容，以及與未來平臺車型的順利過渡，實現(xiàn)新老產(chǎn)品柔性兼容及順利過渡；整合產(chǎn)品工藝流程、傳輸定位，規(guī)范平臺車型的工作量及工藝方法，實現(xiàn)未來平臺在各基地各生產(chǎn)線上互換生產(chǎn)，以實現(xiàn)未來平臺車型在各基地間互換生產(chǎn)[2]。

平臺化研究關(guān)鍵舉措

1.下車體平臺化制造策略

結(jié)合各平臺產(chǎn)品特性，圍繞“質(zhì)量、成本、效率”三大維度，在保證產(chǎn)品性能的前提下，各平臺各車型傳輸、工藝流程和制造分工等實現(xiàn)各基地統(tǒng)一。定位柔性化改造，在工作量、工藝方法差異處理等方式上，實現(xiàn)各平臺車型在各基地各生產(chǎn)線上互換生產(chǎn)。

平臺下車體四組滑撬孔完全按照平臺要求設(shè)計，實現(xiàn)跨平臺傳輸定位統(tǒng)一；在工裝策略上，下車體平臺內(nèi)進行共用設(shè)計，平臺間部分共用；上車體平臺內(nèi)、平臺間均采取夾具切換；平臺內(nèi)工藝流程、制造分工、工藝方法高度統(tǒng)一，平臺間實行差異化處理。平臺輸送定位及工裝策略如圖2所示。

2.下車體工裝標(biāo)準(zhǔn)MCP策略

統(tǒng)籌分析平臺全系所有下車體數(shù)據(jù)，集合下車體自制焊接分總成（機艙邊梁、機艙總成、前壁板、前地板、后地板及下車體）衍變規(guī)律和工裝共用策略，形成組焊夾具、抓手及補焊置臺設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)和規(guī)范后續(xù)項目工裝設(shè)計，保證后續(xù)平臺車型下車體組焊工裝100%共用。

3.伺服抓手及柔性伺服共用夾具策略

結(jié)合平臺車型產(chǎn)品的衍變規(guī)則及工藝設(shè)計限制條件，借鑒柔性化工裝設(shè)計理念，在平臺車型下車體中大量應(yīng)用伺服抓手及柔性伺服共用夾具，可節(jié)約下車體導(dǎo)入停線時間，減少庫位占用，節(jié)約下車體工裝固定資產(chǎn)投入，實現(xiàn)后續(xù)同平臺車型導(dǎo)入后下車體工裝設(shè)備100%通用的目標(biāo)。伺服抓手方案如圖3所示。

前地板組焊伺服設(shè)計包括座椅橫梁X向伺服，共4套模組；門檻夾持面Y向伺服，共4套模組。機艙組焊伺服設(shè)計為減振器安裝板定位孔軸線伺服。后地板組焊伺服設(shè)計為后地板骨架為第一、第二橫梁X向伺服，后地板面板X向伺服。下車體組焊伺服設(shè)計為后地板總成主次定位孔X向伺服，共4套模組。

4.工作量優(yōu)化及備件種類標(biāo)準(zhǔn)化策略

通過制造工藝及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，平臺下車體工作量中自制焊點較量產(chǎn)車型少10%，保護減少50%～80%，螺柱焊減少30%～40%；各基地下車體人員定額在現(xiàn)有基礎(chǔ)上減少50%～60%；為減少定位銷種類，夾具定位銷設(shè)計時，將定位孔尺寸由20種優(yōu)化為5種，同直徑定位銷長度由7種減少至3種以下，由此定位銷種類由原來的100余種減少至14種，極大降低了備銷成本及管理難度；綜合考慮了各基地設(shè)備選型、精度目標(biāo)要求及生產(chǎn)線節(jié)拍等因素，焊點設(shè)計已最大限度滿足了現(xiàn)有基地焊鉗，避免異形焊鉗的使用和新項目導(dǎo)入后焊鉗的改造；梳理出6個自制焊接分總成在所有組焊工位的定位焊點規(guī)劃。

5.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化及精度提升策略

平臺下車體通過結(jié)構(gòu)簡化及吸收公差結(jié)構(gòu)的設(shè)計，下車體關(guān)鍵安裝點精度達成難度大大降低，外觀匹配難度下降。結(jié)合一維尺寸鏈計算和工裝方案優(yōu)化，降低了制造難度。前上構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及精度提升對比如圖4所示。

其中，前上構(gòu)件框架總成結(jié)構(gòu)及工藝層級優(yōu)化舉措如下：

1）簡化零件搭接狀態(tài)，減少組焊工序數(shù)，更改結(jié)構(gòu)為Y、Z向可調(diào)。

2）框架總成在白車身總成層級裝配，縮短尺寸鏈。

前減振器搭接結(jié)構(gòu)優(yōu)化舉措如下：

1）取消前減振器安裝面Z平面搭接結(jié)構(gòu)，避免前減振器安裝板裝配不到位等問題。

2）將從機艙邊梁前段逐步開始焊接調(diào)整至在白車身總成最后定位裝配，縮短尺寸鏈。

前罩鉸鏈、翼子板安裝點，由原來X、Z向搭接調(diào)整為Y向搭接，Z向可調(diào)結(jié)構(gòu)，打斷Z向尺寸鏈，吸收Z向公差；X、Y向鉸鏈，吸收X、Y向公差。

6.柔性主拼技術(shù)策略

主拼工位是焊接生產(chǎn)線的核心工位，目前主流汽車企業(yè)的主拼形式有OPEN GATE、四面體轉(zhuǎn)轂、內(nèi)主拼及抓手等，主要以O(shè)PEN GATE和四面體轉(zhuǎn)轂為主。新建焊接生產(chǎn)線時，需綜合線體產(chǎn)能、場地、投資等維度評估選擇主拼夾具結(jié)構(gòu)形式。

采用OPENGATE庫位切換，優(yōu)點結(jié)構(gòu)可靠，業(yè)內(nèi)應(yīng)用成熟，但有占地大、切換效率低（約35～40s）等問題。為了節(jié)約場地，提升切換效率，節(jié)約后續(xù)車型固定資產(chǎn)投入以及節(jié)約工裝安裝導(dǎo)入、調(diào)試等時間，焊接工藝團隊開展了柔性主拼的探索及應(yīng)用，在主拼側(cè)扇上集成伺服模組，頂蓋橫梁、置物板等采用伺服抓手定位，實現(xiàn)各車型主拼夾具柔性共用。

其中，主拼預(yù)裝工位，總體工藝流程與現(xiàn)有車型一致，僅將尾裙板調(diào)整至主線焊接，提升側(cè)圍尾部開檔尺寸穩(wěn)定性，在主線預(yù)拼工位新增1臺機器人完成尾裙板的自動預(yù)裝及點定功能（點定插槍示意見圖6），尾裙板定位采用伺服抓手+Docking組合方式。

側(cè)圍定位工裝，單側(cè)采用8組定位單元，其中A、C柱定位銷三向伺服。支撐和夾持兩向伺服。Z向支撐面2個，Y向夾持8個，總計側(cè)圍總成定位單側(cè)伺服軸18個，左右共計36個伺服軸。

頂蓋前后橫梁工裝，主拼二層平臺布置6臺機器人，中間2臺為前、后橫梁，置物板定位抓手，其中后橫梁與置物板共用抓手，前后4臺為點定機器人。前、后橫梁，置物板均要求鈑件各車型Y向間距一致，定位孔大小一致為20mm，抓手設(shè)計6組定位單元，定位銷X、Z兩向伺服，總計12個伺服軸，靠機器人絕對坐標(biāo)定位。

焊點點定方案，對于60JPH（件/h）生產(chǎn)線，必打點設(shè)計示意如圖5所示，焊點總數(shù)不少于48點，經(jīng)實際生產(chǎn)驗證，該方案可靠，可滿足精度、節(jié)拍要求。

結(jié)語

基本實現(xiàn)各平臺的制造分工、工藝流程、輸送定位、工藝方法及工作量等的統(tǒng)一，工裝設(shè)計遵循工裝柔性、人員效率提升及工序鏈最短的原則，平臺車型導(dǎo)入現(xiàn)有基地，夾具、抓手設(shè)計需能滿足后續(xù)所有同平臺車型共用，減少庫位占用及切換損失。新建基地按照單夾具、柔性夾具、局部快換及專用+轉(zhuǎn)臺切換等方式，最終實現(xiàn)下車體生產(chǎn)線無庫位，整線工裝通用化率85%，運行成本降低30%，制造工時波動小于5%的目標(biāo)，有效降低了場地、投資、生產(chǎn)管理和人員管理等成本。

通過平臺化策略的實施，有效助推焊接智能制造能力提升，焊接車間“兩提升，三降低”（生產(chǎn)效率提升、能源利用率提升、運營成本降低、產(chǎn)品不良率降低及產(chǎn)品研制周期縮短）獲得巨大突破。按照工信部下發(fā)《智能制造能力成熟度模型白皮書》 評價標(biāo)準(zhǔn)，本實踐案例焊接智能制造水平達到4級（優(yōu)化級），處于國際先進、國內(nèi)領(lǐng)先水平。

參考文獻

[1] 陳平，余傳海，王琪棟，等.汽車模塊化平臺戰(zhàn)略分析[J].汽車工程師，2017（9）：15-17，24.

[2] 席輝，張小斌，周霞，等.對未來汽車制造平臺化技術(shù)的探索與思考[J].汽車工藝與材料，2022（11）：24-28.