汽車底盤自動合裝的規(guī)劃要點

朱逸豪

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

0 引言

在工業(yè)4.0 的浪潮下，在“新四化”的基礎(chǔ)上，“柔性化”“模塊化”“自動化”是當(dāng)今汽車制造工業(yè)所發(fā)展的方向，工藝技術(shù)革新日新月異。面對機遇和挑戰(zhàn)，底盤合裝作為總裝車間的關(guān)鍵點，一直以來都是自動化和節(jié)拍提升的瓶頸，也是KPI 的關(guān)鍵指標(biāo)。相對于分體式人工輔助合裝，整體式自動合裝工藝在自動化、人力節(jié)省、效率 提升、擰緊質(zhì)量保證等方面有較大優(yōu)勢，應(yīng)用越來越廣泛[1]。

1 底盤托板

汽車底盤一般分傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系、制動系，對于整車廠的總裝車間而言，底盤零件的總成供貨包括發(fā)動機/電機、變速箱、副車架、前橋、后橋、避震、前后排氣管、油箱/電池包等。這些底盤零件均需要在底盤托板上通過定位銷及支撐面進行精確定位（一般采取兩點一面的原則），作為后續(xù)合裝過程的穩(wěn)定并精準(zhǔn)完成的基礎(chǔ)。在上汽大眾汽車有限公司（以下簡稱“大眾”）的標(biāo)準(zhǔn)化工廠中，底盤托板一般分前、中、后三塊托板以及大底板托板組成（圖1）。

圖1 底盤托板構(gòu)成

1.1 切換方式

對于多車型在同一車間柔性生產(chǎn)的情況，為盡可能減少托板變種達到降本的目的，在僅是局部差異且周邊空間足夠的前提下，可以考慮在托板的定位銷采用插拔、翻倒、滑動等定位銷切換方式。圖2 是大眾某廠使用的前托板，設(shè)計制造時考慮了兼容各車型及動力總成。

圖2 底盤前托板

其中，滑動式的設(shè)計可參見圖2 中位置3 的變速箱支撐，翻倒式的設(shè)計可參見位置12 的動力總成定位銷（可繞圖示右側(cè)翻倒），插拔式的設(shè)計可參見位置7 的動力總成右側(cè)橫梁銷（圖3～圖5）。

圖3 滑動式定位銷

圖4 翻倒式定位銷

圖5 插拔式定位銷

如果出現(xiàn)多車型對應(yīng)的零件定位方式基本一致，如僅僅是因為車型的軸距不同而導(dǎo)致的零件在XY 平面內(nèi)的前后滑移，則在設(shè)備規(guī)劃的改造上首選考慮增加托板導(dǎo)軌并附加鎖止機構(gòu)，以達到托板定位兼容的目的。

如果出現(xiàn)部分零件結(jié)構(gòu)差異較大，無法使用同一塊托板做到兼容各車型配置定位的情況，如在后橋零件上扭力梁與獨立懸掛設(shè)計差異較大，那么可以采取在存儲庫區(qū)切換整塊后托板的方式進行后續(xù)的零件安裝定位。

1.2 制造精度

目前大眾的標(biāo)準(zhǔn)化工廠基本上采用整體式合裝，對于托板及其上的定位機構(gòu)精度要求極高，在托板裝配完成的情況下，一般精度公差要求為±0.35 mm。出于對安全的考慮，一些關(guān)鍵定位銷（如發(fā)動機變速箱定位銷、排氣管掛鉤定位銷），需要控制在±0.2 mm 之內(nèi)。裝配托板后，也需要上三坐標(biāo)進行復(fù)測，以確保尺寸符合生產(chǎn)要求。

1.3 存儲線

托板存儲線一般位于總裝車間的二樓鋼平臺上，前、中、后三塊托板的數(shù)量取決于整個車間的產(chǎn)能、車型平臺（如MQB A0、MQB A1、PQ34）等。為節(jié)省面積，存儲道一般采取上下分層的設(shè)計，雙層均會使用倍速鏈保證輸送的穩(wěn)定可靠性。在安裝時需要特別注意，空托板的輥床軸線需要與升降機的軸線重合（包括底盤合裝OP 線以及底盤預(yù)裝線），同時在安裝順序上建議先將托板抓手安裝到位、再開始輥床的安裝。避免順序顛倒后，導(dǎo)致的兩者空間干涉風(fēng)險以及抓手安裝難度增加，并有可能損壞輥床。

2 底盤與車身合裝

“合裝”在總裝車間的意思是指，將底盤托板上已經(jīng)精準(zhǔn)定位的底盤零件，固定至車殼子、與之結(jié)合的過程。在英文中，將此工序稱之為“Marriage”，由此可見合裝這一工序在整車制造過程中的重要性。

2.1 合裝輸送線

目前整車廠的合裝主要輸送形式主要分板帶式和與鏈床式，與板帶式相比，鏈床式的預(yù)裝線無需挖地坑且柔性更好、噪聲更低，在大眾標(biāo)準(zhǔn)化工廠中被廣泛應(yīng)用（圖6～圖7）。

圖6 板帶式輸送

圖7 鏈床式輸送

2.2 合裝托板精度補償

由于自動合裝牽涉到的尺寸鏈過程極多，也考慮到實際生產(chǎn)中的復(fù)雜工況，為提高合裝的一次合格率，能夠滿足車間的高JPH 生產(chǎn)，托板會設(shè)置“搖籃式”的浮動機構(gòu)。通常情況下，前、中、后托板相對于大托板的浮動量可以達到5 mm 左右。如果系統(tǒng)定位精度非常高，生產(chǎn)過程的一致性也保持的很優(yōu)秀，則可以使用剛性銷進一步保證合車的可靠度。以大眾某廠為例，前、中托板設(shè)計無浮動，后托板在X 向有±2 mm的浮動間隙。

2.3 合車站

在標(biāo)準(zhǔn)化工廠的底盤合裝線中，從托板帶著底盤零件與車身結(jié)合，再到零件擰緊后車身與托板分離，跨度約10 個工位（圖8）。合車站就是OP10 工位，是整個大眾集團“一體式底盤”的實現(xiàn)工位，為此在產(chǎn)品開發(fā)之時，就為整體式合裝考慮了車身RPS 孔和車身側(cè)壓鉤孔，設(shè)備規(guī)劃部門也在工藝實現(xiàn)的過程中增加一些過程工藝，從產(chǎn)品的開發(fā)到工藝規(guī)劃共同來保證汽車底盤合裝工位安裝和理論基礎(chǔ)研究[2]。

圖8 底盤合裝工位

在OP10 有兩個關(guān)鍵定位，分別是確保吊架基礎(chǔ)位置的吊架定位銷、輥床定位銷和托板的定位（圖9），依靠這兩個基礎(chǔ)定位保證了底盤與車身間的相對位置關(guān)系。在入站的過程中，底盤和車身均為X 向運動，相對于輸送線而言是靜止的。

2.4 自動擰緊

在OP10 完成車身與底盤的“合”之后，接下來就進入“裝”的部分。底盤模塊的擰緊點相對數(shù)量多、扭矩大，大多數(shù)情況下采用自動擰緊，擰緊槍由伺服機構(gòu)帶動。相較而言，三軸分體的擰緊臺比整體式的更適合多車型的柔性生產(chǎn)（圖10～圖11）。擰緊塔的底座可以整體在X 方向上伺服移動。固定在擰緊塔上的擰緊槍則可以沿著Y 向伺服移動，基本上保證了XY 平面內(nèi)的全覆蓋。擰緊槍可以在Z 向上升，通過底盤托板的彈簧螺栓桿傳遞，完成螺栓的擰緊。

圖10 分體式全自動伺服擰緊軸

圖11 整體式全自動伺服擰緊軸

從成本的角度考慮，越來越多的整車廠也開始使用協(xié)作機器人帶著充電槍的自動擰緊方式，來替代操作工做一些非A/B 類螺栓如油箱綁帶的自動擰緊。圖12 為大眾某廠在OP20 使用協(xié)作機器人擰緊的應(yīng)用，目前協(xié)作機器人的品牌主要有UR、發(fā)那科、庫卡、遨博等10 余家平臺。隨著協(xié)作機器人的能力提升，成本下降。使用協(xié)作機器人進行自動擰緊在不久的將來也一定會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

圖12 協(xié)作機器人自動擰緊

3 螺栓擰緊

在總裝裝配和測試過程中，所涉及的TLD 零件、Kat.A 和Kat.B 螺栓一般定義為D 特性零件。由于底盤零件主要涉及車輛的安全性及功能性，以燃油車為例，底盤零件的A、B 類螺栓大約占到所有螺栓的30%。

（1）TLD：關(guān)于存檔的技術(shù)文件（Technical Guidelines for Documentation）。

（2）Kat.A：與安全相關(guān)的螺栓（一個螺栓失效會間接或者直接傷害人身和生命的危險）。

（3）Kat.B：與功能相關(guān)的螺栓（失效會導(dǎo)致汽車拋錨）。

3.1 螺栓擰緊過程

為了在車輛制造過程中對這些重要零件和安全件進行重點擰緊控制，相比于常規(guī)的充電槍僅能夠判定擰緊的終值扭矩，高精槍因為對螺栓擰緊的過程進行三級監(jiān)控，并將過程及結(jié)果上傳服務(wù)器而更受到各整車廠的青睞。高精槍的擰緊過程一般分為找帽階段、中值扭矩階段、終值扭矩階段。圖13 為某個KAT.B 的AD 類的螺栓擰緊，在中值扭矩階段的監(jiān)控窗口。該螺栓中值扭矩為22.5 N·m AD18，在高精槍內(nèi)部程序設(shè)置扭矩監(jiān)控參數(shù)范圍19.125～25.875 N·m 之外，還會額外監(jiān)控達到該扭矩的轉(zhuǎn)動角度。

圖13 三級監(jiān)控參數(shù)設(shè)置窗口

為確保螺栓的整個擰緊過程控制，以AD 類螺栓為例，對于監(jiān)控窗口的角度參數(shù)的設(shè)置，一般至少需要收集100 個以上的合格螺栓擰緊過程曲線的結(jié)果，再通過三西格瑪進行反算得到各階段的角度監(jiān)控范圍。

擰緊連接真正需要的是夾緊力，而并非僅僅扭矩。為確保擰緊的可靠性，即使擰緊結(jié)果合格（擰緊終值落在監(jiān)控窗口內(nèi)），車間也會定期對擰緊曲線進行抽檢，確保曲線在整個擰緊過程的合理性。例如因為不合格的材料導(dǎo)致的蠕動問題，或兩工件的螺紋間有毛刺碎屑引起的扭矩波動問題，這些可能會導(dǎo)致后道失效的過程問題，都需要通過擰緊曲線的全過程進行分析，進而得到控制。圖14 是典型的擰緊過程脫槍擰緊曲線，在接近卻未到終值扭矩8 N·m 時套筒離開工件。

圖14 擰緊過程脫槍擰緊曲線

3.2 螺栓擰緊數(shù)據(jù)上傳流程

這些螺栓的擰緊結(jié)果以及過程參數(shù)需要上傳服務(wù)器，并進行記錄存檔，以便日后追溯（如大眾要求15 年可追溯）?？傃b車間的底盤線一般采用PC 識別車型，PLC 調(diào)取高精槍程序進行擰緊的方式進行生產(chǎn)。

對于底盤線的車型識別、高精槍使能，螺栓擰緊過程，螺栓擰緊結(jié)果上傳，比對螺栓編號的整個過程，經(jīng)過調(diào)查研究，以及各總裝車間的橫向?qū)Ρ?，制作了簡易流程（圖15）。

圖15 底盤螺栓擰緊數(shù)據(jù)流程

車輛過M01后，服務(wù)器通過FIS 系統(tǒng)獲取車輛的訂單配置信息，并截取有效信息（如大車型、發(fā)動機、變速箱、排放等級等）下發(fā)至現(xiàn)場的兩臺PC。命名PC 將該訂單的有效車型信息與已經(jīng)設(shè)定的車型配置表進行翻譯配對（圖16，其中0C1 代表A 大車型，0C2 代表B 大車型，DG6 代表細分1.4 T 發(fā)動機，MY2 代表細分1.2T 發(fā)動機），并錄入RFID 芯片/AGV。再通過PLC，調(diào)取相應(yīng)的擰緊程序高精槍使能（圖17）。擰緊結(jié)果反饋至Line PC，并將生成完整的螺栓編號上傳至FIS 服務(wù)器。同時服務(wù)器通過預(yù)設(shè)的車型螺栓配置表（Result 表），根據(jù)訂單計算出該車型配置應(yīng)打的螺栓列表，與現(xiàn)場的擰緊結(jié)果進行比對，做到擰緊不遺漏的閉環(huán)。

圖16 底盤車型配置翻譯

4 結(jié)束語

在電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的號召下，汽車技術(shù)創(chuàng)新的步伐越走越快。底盤合裝是總裝車間的核心點，本文結(jié)合大眾標(biāo)準(zhǔn)化工廠，主要研究合裝涉及的底盤托板、合裝過程、螺栓擰緊。底盤合裝涉及的子課題多而且復(fù)雜，對此進行深入研究能夠使整車的生產(chǎn)更加穩(wěn)定高效且低成本化，為追求柔性化、模塊化、自動化的生產(chǎn)過程帶來更多可能，對于提升企業(yè)競爭力具有重要意義。