汽車(chē)生產(chǎn)線自動(dòng)化改造分析

摘要：汽車(chē)行業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)汽車(chē)生產(chǎn)線的智能化、自動(dòng)化提出了更高的要求。一些企業(yè)的生產(chǎn)線落后，無(wú)法滿(mǎn)足新品類(lèi)的生產(chǎn)要求，影響了企業(yè)的綜合效益，對(duì)此需根據(jù)企業(yè)的發(fā)展需求對(duì)汽車(chē)生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化改造。以Y企業(yè)為例，分析了Y企業(yè)生產(chǎn)線現(xiàn)狀的現(xiàn)狀，并從焊裝生產(chǎn)線、沖壓生產(chǎn)線、自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)幾個(gè)方面總結(jié)了汽車(chē)生產(chǎn)線自動(dòng)化改造的具體措施。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)生產(chǎn)線；自動(dòng)化改造；分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U472.7 收稿日期：2023-09-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.020

1 前言

隨著汽車(chē)生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，人們對(duì)于汽車(chē)的生產(chǎn)效率也提出了更高的要求。為了提高生產(chǎn)質(zhì)量，需通過(guò)技術(shù)手段的創(chuàng)新促進(jìn)訂單的迅速下達(dá)，對(duì)車(chē)輛生產(chǎn)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的跟蹤，幫助相關(guān)人員了解各類(lèi)車(chē)型的位置和狀態(tài)，避免由于各類(lèi)客觀和主觀因素引起的誤裝、缺料問(wèn)題。汽車(chē)的整車(chē)生產(chǎn)中有多個(gè)流程，如沖壓、焊裝、涂裝、總裝，為了滿(mǎn)足自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)要求，需對(duì)傳統(tǒng)的汽車(chē)生產(chǎn)線進(jìn)行適度的改造［1］。

2 Y企業(yè)生產(chǎn)線現(xiàn)狀

2.1 焊裝生產(chǎn)線

Y企業(yè)是一家歷史悠久的汽車(chē)企業(yè)，由于車(chē)間的使用時(shí)間較長(zhǎng)，面對(duì)現(xiàn)代化的生產(chǎn)要求，亟待進(jìn)行轉(zhuǎn)型。具體來(lái)看，Y企業(yè)的焊裝車(chē)間存在幾個(gè)突出問(wèn)題：a.生產(chǎn)線的柔性不足，不支持靈活生產(chǎn)，由于生產(chǎn)線的建設(shè)時(shí)間不同，設(shè)備的規(guī)格以及產(chǎn)業(yè)的布局具有差異，無(wú)法兼顧目前的車(chē)輛生產(chǎn)要求，不僅浪費(fèi)了資源，也會(huì)增加生產(chǎn)成本；b.廠房面積較小，不支持新車(chē)型的生產(chǎn)，一些新設(shè)備受到廠房面積的制約無(wú)法順利投入，影響了Y企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；c.自動(dòng)化水平較為滯后，在傳統(tǒng)的廠房之中是采用人工的作業(yè)方式，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化的生產(chǎn)。在科技的不斷發(fā)展下，當(dāng)前的新車(chē)型廣泛采用了新技術(shù)，加之勞務(wù)成本的逐年上漲，嚴(yán)重影響Y企業(yè)的效益，因此對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)線進(jìn)行提質(zhì)改造，既可以降低人工成本，還可發(fā)揮品牌效益，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

2.2 沖壓生產(chǎn)線

Y企業(yè)的沖壓生產(chǎn)線已經(jīng)建立了多年，迄今為止已有10余年的時(shí)間，已經(jīng)與當(dāng)前時(shí)代的發(fā)展表現(xiàn)出了一些不適應(yīng)性。a.傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線需要多個(gè)操作人員的共同參與，也增加了Y企業(yè)的成本；b.傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線的設(shè)備老化問(wèn)題嚴(yán)重，信息化發(fā)展水平之后，在10余年前，Y企業(yè)受到技術(shù)因素、企業(yè)規(guī)模的限制，沖壓生產(chǎn)線的建設(shè)也是遵循簡(jiǎn)潔性、集約性原則，生產(chǎn)線是以人工操作為主，生產(chǎn)設(shè)備有雙梁行車(chē)、配油壓機(jī)、曲柄壓力機(jī)、板材清洗機(jī)等，由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，部分設(shè)備已經(jīng)老化，常常發(fā)生故障，且信息化、自動(dòng)化程度較多。另外，沖壓生產(chǎn)線附近還有不少危險(xiǎn)源，人們需要交叉作業(yè)，由于人員因素引起的不安全事件頻發(fā)，且車(chē)間采用的是開(kāi)放式的作業(yè)布置模式，環(huán)境比較復(fù)雜，存在一些危險(xiǎn)因素，這是后續(xù)自動(dòng)化改造中需關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容［2］。

3 Y企業(yè)焊裝車(chē)間的自動(dòng)化改造方向與對(duì)策

3.1 焊裝生產(chǎn)線的自動(dòng)化改造

3.1.1 改造方向

鑒于Y企業(yè)焊裝車(chē)間生產(chǎn)線存在的各類(lèi)問(wèn)題，對(duì)于焊裝車(chē)輛的自動(dòng)化改造，從如下幾個(gè)方向進(jìn)行：

a.減小生產(chǎn)線的損失。在自動(dòng)化改造的過(guò)程中，不能影響正常的生產(chǎn)活動(dòng)，為了保障新、舊生產(chǎn)線之間可以緊密銜接起來(lái)，最大限度發(fā)揮出資金的利用效率，需要科學(xué)制定總體規(guī)劃方案，為自動(dòng)化改造提供精準(zhǔn)的支持。在具體改造過(guò)程中，采用“分步走”的方式，先拆除一條生產(chǎn)線，建立新的自動(dòng)化生產(chǎn)線，在生產(chǎn)穩(wěn)定之后再逐步拆除其他的生產(chǎn)線，在不影響正常生產(chǎn)的前提條件下進(jìn)行自動(dòng)化改造。

b.以技術(shù)手段提高生產(chǎn)質(zhì)量。在自動(dòng)化改造的過(guò)程中，融入自適應(yīng)等焊接技術(shù)，這可以提高焊接質(zhì)量，還可記錄焊接數(shù)據(jù)，支持焊接的可追溯。同時(shí)，應(yīng)用涂澆自動(dòng)化與視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，利用CV 技術(shù)、AI技術(shù)等精準(zhǔn)評(píng)估生產(chǎn)品質(zhì)。引入最新的設(shè)備備件，推廣通用化部件，減少備件庫(kù)存，讓備件庫(kù)存的管理可以實(shí)現(xiàn)靈活化。

3.1.2 改造對(duì)策

a.新建車(chē)間：考慮到原有的車(chē)間面積較小，在改造時(shí)需要擴(kuò)大車(chē)間面積，新建廠房，廠房選址與舊廠房距離相近，在改造前提前做好規(guī)劃，根據(jù)投產(chǎn)計(jì)劃來(lái)確定，嚴(yán)格遵循相關(guān)法律法規(guī)的要求。根據(jù)Y企業(yè)的情況，采用門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)，屋面使用巖棉夾芯板，按照要求設(shè)置好水、電、氣以及消防參數(shù)，根據(jù)后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)留好區(qū)間。對(duì)于車(chē)間照明、排煙、消防通道的設(shè)計(jì)需關(guān)注到環(huán)保、便利要求。

b.合理設(shè)置布局：一是優(yōu)化輸送線體，提高物流效率，減少機(jī)器與設(shè)備的占地面積；二是改進(jìn)工件投入模式，采用自動(dòng)化的傳送方式，引入機(jī)器人搬運(yùn)；三是科學(xué)優(yōu)化生產(chǎn)線，將以往的人工總拼夾具改為自動(dòng)模式，提高夾具對(duì)位精準(zhǔn)度；四是優(yōu)化設(shè)備，滿(mǎn)足整體切換、自動(dòng)切換要求；五是應(yīng)用輕量高壓力焊槍以及小型高速機(jī)器人；六是引入自診斷機(jī)器人，滿(mǎn)足設(shè)備實(shí)施監(jiān)控的要求，實(shí)現(xiàn)“零停機(jī)”。通過(guò)上述舉措有效提高了生產(chǎn)的達(dá)成率以及涂膠自動(dòng)化率。

c.革新工藝：為了滿(mǎn)足自動(dòng)化的生產(chǎn)要求，還需要對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行革新，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工具定位的精度不理想，常常會(huì)影響車(chē)身精度，鑒于這一不足，在自動(dòng)化改造上采用定位搬運(yùn)一體化設(shè)備，對(duì)焊裝的關(guān)鍵工序進(jìn)行了改進(jìn)，也促進(jìn)了涂膠、焊接的自動(dòng)化，可對(duì)涂膠與焊接品質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)化的全程控制。另外，傳統(tǒng)的人工切換臺(tái)車(chē)方式會(huì)造成一定的停鏈損失，在自動(dòng)化改造時(shí)應(yīng)用了伺服切換技術(shù)，大大提高了定位的精度和準(zhǔn)確性［3］。

3.2 沖壓生產(chǎn)線的改造

3.2.1 改造方向

沖壓生產(chǎn)線是Y企業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)內(nèi)容，在自動(dòng)化的改造上，對(duì)標(biāo)目前先進(jìn)的制造標(biāo)準(zhǔn)，使沖壓生產(chǎn)線可表現(xiàn)出柔性化、智能化、自動(dòng)化的特點(diǎn)。一方面，減少生產(chǎn)線的員工數(shù)量，對(duì)生產(chǎn)線的自動(dòng)化改造中可用PLC系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、高速壓力機(jī)替代以往的人工操作，可以減少人力投入，幫助企業(yè)節(jié)約成本。為了滿(mǎn)足生產(chǎn)線的操作要求，還需優(yōu)化人才的培育，引入一專(zhuān)多能型的技術(shù)人才，加強(qiáng)對(duì)人才的培訓(xùn)和教育，使人員可從以往的制造型轉(zhuǎn)化為復(fù)合技能型；另一方面，采用高度信息化、智能化的生產(chǎn)設(shè)備，將監(jiān)控系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、自動(dòng)化設(shè)備結(jié)合起來(lái)，支持對(duì)生產(chǎn)的全過(guò)程管理，還支持對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，確保生產(chǎn)活動(dòng)的穩(wěn)定性和高效性，讓管理活動(dòng)變得更加智能、透明。在應(yīng)用了數(shù)字化、技能化技術(shù)之后，可以減少現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)因素，此次自動(dòng)化改造采用了全封閉的設(shè)計(jì)方式，此類(lèi)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低噪音、高安全性，促進(jìn)了“人”“機(jī)”之間的互動(dòng)交流，進(jìn)一步減少生產(chǎn)線的人員、環(huán)境危險(xiǎn)因素。

3.2.2 改造對(duì)策

a.改進(jìn)瓶頸工藝，提高工序能力，收集分鐘沖次工序能力、換模效率以及工序平衡率等內(nèi)容，通過(guò)價(jià)值流圖的分析明確需要改進(jìn)的內(nèi)容，對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)與改造，優(yōu)化設(shè)備升序，改善業(yè)務(wù)流程，引入大眾SUDIT 評(píng)審機(jī)制與過(guò)程審核標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)識(shí)別出過(guò)程中存在的各類(lèi)質(zhì)量問(wèn)題，優(yōu)化工序能力。

b.建立智能生產(chǎn)控制中心，確保整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的高效性與穩(wěn)定性，建立智能化的生產(chǎn)控制中心，采集現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程、產(chǎn)品質(zhì)量、人員、設(shè)備等信息數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行全過(guò)程的監(jiān)控，實(shí)時(shí)評(píng)估、核算生產(chǎn)要素，為管理人員提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，使整個(gè)生產(chǎn)車(chē)間可做到智能化、數(shù)據(jù)化的運(yùn)行。

c.積極推進(jìn)SMED，通過(guò)外部操作、內(nèi)部區(qū)分的方式提高換模效率，采用人機(jī)聯(lián)合分析法，在進(jìn)行了改造之后，換模作業(yè)可以做到精準(zhǔn)定位，有效縮短了換模時(shí)間，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

d.增加安全技術(shù)投入，提升設(shè)備的可靠性，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、評(píng)審、試點(diǎn)評(píng)估的流程來(lái)推廣，確保技術(shù)應(yīng)用的有效性。在進(jìn)行改造的過(guò)程中，增加安全技術(shù)的投入，包括安全護(hù)網(wǎng)、安全地墊、安全掛鎖、自動(dòng)感應(yīng)、警示警報(bào)、安全光柵等。

e.實(shí)現(xiàn)用能平衡，建立信息化生產(chǎn)平臺(tái)，支持水、電、氣數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，優(yōu)化能源消耗數(shù)據(jù)系統(tǒng)，支持能耗報(bào)表的自動(dòng)化合成，可根據(jù)生產(chǎn)要求設(shè)定設(shè)備和生產(chǎn)線的能源指標(biāo)，對(duì)能耗消耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，提高資源的利用率。

f.優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)管理模式，根據(jù)《企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理準(zhǔn)則》的要求優(yōu)化管理模式，建立與自動(dòng)化改造相適應(yīng)的管理機(jī)制，從人、場(chǎng)、物幾個(gè)要素進(jìn)行管理，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一的組織、控制和改進(jìn)，改進(jìn)傳統(tǒng)的設(shè)備管理、人員管理以及布局設(shè)計(jì)模式。在管理層面，不僅會(huì)關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)的顯性因素，也會(huì)注重隱性要素，提高各類(lèi)資源的利用率，充分發(fā)揮出標(biāo)準(zhǔn)、制度和流程的作用，建立起適合自動(dòng)化改造后的管理機(jī)制［4］。

3.3 生產(chǎn)線自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)的改造

在生產(chǎn)線自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)的改造上，將SCADA系統(tǒng)監(jiān)控與MES系統(tǒng)實(shí)時(shí)生產(chǎn)管理結(jié)合起來(lái)，滿(mǎn)足WBS的要求，其中，MES系統(tǒng)支持品質(zhì)管理、計(jì)劃編制、計(jì)劃管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、系統(tǒng)集成、異常處理等功能，可支持Y企業(yè)的各類(lèi)生產(chǎn)與管理工作，滿(mǎn)足了管理層、車(chē)間之間的互通。改造后的生產(chǎn)線自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)包括企業(yè)層、生產(chǎn)管理層、數(shù)據(jù)采集層、現(xiàn)場(chǎng)控制層組成，系統(tǒng)包括4個(gè)子系統(tǒng)：

a.生產(chǎn)管理子系統(tǒng)，主要為MES系統(tǒng)，可從企業(yè)層中接收信息，對(duì)信息進(jìn)行自動(dòng)分解，可將生產(chǎn)信息反饋至系統(tǒng)，滿(mǎn)足車(chē)輛管理工作的要求。

b.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可監(jiān)視設(shè)備的生產(chǎn)情況與運(yùn)行狀態(tài)，如果數(shù)據(jù)中存在異常，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)。

c.RFID車(chē)體跟蹤子系統(tǒng)，利用RFID標(biāo)簽建立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏈，可以與車(chē)間直接進(jìn)行通訊，做到了數(shù)據(jù)信息的全程跟蹤。

d.現(xiàn)場(chǎng)控制子系統(tǒng)，包括機(jī)器人系統(tǒng)、智能化設(shè)備、PLC系統(tǒng)以及傳感器組成。

3.3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的MES層使用的是B/S架構(gòu)，數(shù)據(jù)采集層可將各個(gè)設(shè)備、車(chē)間的機(jī)器人系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)以及PLC體通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，支持?jǐn)?shù)據(jù)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。

3.3.2 生產(chǎn)管理子系統(tǒng)

生產(chǎn)管理子系統(tǒng)可為管理層、生產(chǎn)計(jì)劃、物流、車(chē)間等提供支持。a.在管理層方面，利用生產(chǎn)管理子系統(tǒng)可以滿(mǎn)足柔性生產(chǎn)的要求，支持訂單計(jì)劃的追蹤和報(bào)表的自動(dòng)生成；b.在生產(chǎn)計(jì)劃方面，支持精益化生產(chǎn)，可幫助管理者掌握各類(lèi)一線數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)情況修訂生產(chǎn)計(jì)劃，調(diào)整生產(chǎn)順序；c.在物流方面，可幫助Y企業(yè)降低物流成本的支出，支持缺料的自動(dòng)報(bào)警；d.在車(chē)間方面，利用RFID技術(shù)可以將車(chē)輛生產(chǎn)數(shù)據(jù)反饋給車(chē)間調(diào)度員，有效避免了人為因素造成的漏裝、錯(cuò)裝問(wèn)題。

3.3.3 車(chē)間MES管理系統(tǒng)

車(chē)間MES管理系統(tǒng)包括生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、績(jī)效管理模塊，子模塊包括品質(zhì)管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、計(jì)劃管理、缺陷情況的處理以及作業(yè)指示。車(chē)間MES管理系統(tǒng)能夠與SCADA系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，可以監(jiān)控各個(gè)單元的工作情況，有效避免了顏料浪費(fèi)、減少了車(chē)輛停機(jī)時(shí)間。同時(shí)，庫(kù)區(qū)還增加了查詢(xún)功能與報(bào)警功能［5］。

3.3.4 MES子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口

MES子系統(tǒng)是利用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來(lái)交換數(shù)據(jù)，外部系統(tǒng)不會(huì)直接與內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行交互，在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置了緩沖區(qū)，緩沖區(qū)可支持生產(chǎn)任務(wù)、工藝流程、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、物料清單的交互，保障幾個(gè)區(qū)域的獨(dú)立性，也可有效提高系統(tǒng)的安全性。同時(shí)，配備了冗余OPC服務(wù)器，OPC通信數(shù)據(jù)涵蓋生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)指導(dǎo)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)視圖數(shù)據(jù)等。

3.3.5 SCADA數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

SCADA數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)可將總裝車(chē)間、焊裝車(chē)間、涂裝車(chē)輛通過(guò)控制設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接，系統(tǒng)可展示車(chē)身存儲(chǔ)、工藝運(yùn)行、工位情況、車(chē)型信息。在SCADA數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中還設(shè)置了冗余服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，這是系統(tǒng)的核心所在，負(fù)責(zé)Alarm Server、Report Server、IOServer的運(yùn)行。

3.2.6 RFID車(chē)身跟蹤子系統(tǒng)

RFID車(chē)身跟蹤子系統(tǒng)應(yīng)用了RFID標(biāo)簽，這是利用射頻信號(hào)滿(mǎn)足信息傳遞要求，有著非接觸、儲(chǔ)存量大、遠(yuǎn)距離、保密性能好、識(shí)別速度快等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛使用。其中，標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的信息有產(chǎn)品編碼、計(jì)劃號(hào)、狀態(tài)位置、訂單號(hào)、生產(chǎn)線編碼、車(chē)型編碼等內(nèi)容［6］。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)自動(dòng)化改造之后，Y企業(yè)在工藝規(guī)劃、總體布局上已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)化流程，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。

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作者簡(jiǎn)介：

李建強(qiáng)，男，1982年生，工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化自主集成和改造、工裝模具自制和改造。