汽車內(nèi)飾件發(fā)泡工序中機(jī)器人的應(yīng)用狀況及應(yīng)用價(jià)值

張寧 朱維學(xué) 楊天池 韓秋 潘志豪

摘要：機(jī)器人具有產(chǎn)量高、品質(zhì)好、占地空間小、操作簡單、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，用于汽車內(nèi)飾件發(fā)泡生產(chǎn)工藝中可保證澆注點(diǎn)位高精度的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，顯示了良好的應(yīng)用價(jià)值。結(jié)果顯示：發(fā)泡生產(chǎn)節(jié)拍可以達(dá)到150 s/臺套；日產(chǎn)1 000套的單臺機(jī)器人比人工操作的產(chǎn)品合格率高出近10%，年產(chǎn)20萬套的工廠可減少250人左右，顯著降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，保證了員工健康和安全，為汽車制造行業(yè)向數(shù)字化方向發(fā)展起到了積極作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；汽車內(nèi)飾；發(fā)泡；成本；安全

中圖分類號：TP2422? 收稿日期：2024-05-08

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406012

1 前言

《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的通知》中強(qiáng)調(diào)：縱深推進(jìn)工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，加快推動研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理、市場服務(wù)等全生命周期數(shù)字化轉(zhuǎn)型，深入實(shí)施智能制造工程，大力推動裝備數(shù)字化，開展智能制造試點(diǎn)示范專項(xiàng)行動，完善國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系。機(jī)器人在許多行業(yè)得到推廣應(yīng)用。比如，在倉儲物流環(huán)節(jié)中引入工業(yè)機(jī)器人，能夠使物品分揀和運(yùn)送工作的效率得到進(jìn)一步提升，從而降低工作人員工程量以及工作的難度[1]。焊接作業(yè)大幅度提升包括氬弧焊等在內(nèi)的焊接準(zhǔn)確性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的質(zhì)量[2]。

近幾年，汽車內(nèi)飾件的發(fā)泡工序也開始應(yīng)用機(jī)器人，提高了整體汽車制造業(yè)的水平上限，縮短了生產(chǎn)加工的工時(shí)，促進(jìn)了汽車制造業(yè)的發(fā)展。操作者的勞動強(qiáng)度增大，從而疲勞度大大增加，從某種程度上嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、質(zhì)量，以及企業(yè)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和資金流動。從汽車的發(fā)展戰(zhàn)略出發(fā)，汽車將逐步從單純的交通工具向舒適化、智能化移動空間和應(yīng)用終端轉(zhuǎn)變，成為新業(yè)態(tài)的重要載體，其對汽車內(nèi)飾發(fā)泡提出了更大的訴求。

2 汽車內(nèi)飾件發(fā)泡過程

21 汽車內(nèi)飾件發(fā)泡制造工藝特點(diǎn)

汽車內(nèi)飾件發(fā)泡生產(chǎn)工藝見圖1，發(fā)泡設(shè)備工作原理見圖2。汽車內(nèi)飾件發(fā)泡工序涉及到材料的選型、定制、試驗(yàn)、環(huán)保、環(huán)境等諸多方面，工藝鏈長，各環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)度高，一環(huán)扣一環(huán)，一個環(huán)節(jié)的變化將對后續(xù)的環(huán)節(jié)產(chǎn)生很大的影響。發(fā)泡工序是其中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，其泡沫生產(chǎn)是將聚醚、異氰酸酯、水和多種添加劑按照適宜的比例混合后反應(yīng)制成，并利用模具使得泡沫發(fā)起后形成需要的形狀，之后經(jīng)過自由狀態(tài)下熟化[3]。一般情況下需要靜置2 h以上，使生成的發(fā)泡經(jīng)過定型后，流轉(zhuǎn)到后續(xù)的工序，進(jìn)行下一步的加工和處理，最終形成內(nèi)飾產(chǎn)品。

22 汽車內(nèi)飾件發(fā)泡設(shè)備配置

由圖2可知，一套完整的發(fā)泡設(shè)備需要很多裝置，如攪拌罐、壓縮空氣產(chǎn)生器、溫度控制系統(tǒng)、過濾器、液壓裝置、發(fā)泡模具、混合頭等。

3 機(jī)器人的應(yīng)用狀況及應(yīng)用價(jià)值

31 提高產(chǎn)品穩(wěn)定性

從圖1可以看出，澆注是整個生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，而澆注是由操作者手持發(fā)泡槍混合頭進(jìn)行發(fā)泡的澆注，由于發(fā)泡液屬于液體，因此，流向和澆注點(diǎn)位會影響到發(fā)泡的效果。理想狀態(tài)是發(fā)泡時(shí)將所有氣體都排掉，但實(shí)際操作中不可能完全避免，導(dǎo)致外觀形成典型的不良缺陷[4]。因?yàn)椴僮髡咴趯?shí)際操作的過程中無法保證澆注點(diǎn)位的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。設(shè)計(jì)者通過安裝和編寫自動化控制程序，促使使用者通過指令控制工業(yè)機(jī)器人[5]，從而保證發(fā)泡槍可以通過機(jī)器人按照寫入的程序，進(jìn)行生產(chǎn)。機(jī)器人的動作重復(fù)性的精度非常高，可以有效地保證發(fā)泡澆注的點(diǎn)位能按照既定的程序進(jìn)行澆注，從而保證發(fā)泡的一致性和穩(wěn)定性。

一些國家和地區(qū)較早就在汽車內(nèi)飾件發(fā)泡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)用了機(jī)器人。比如，法國的佛吉亞（FAURECIA）公司、加拿大的麥格納（Magna）公司和來自中國臺灣地區(qū)的敏實(shí)集團(tuán)（MINTH GROUP），還有新能源整車品牌特斯拉（Tesla），他們研究自動發(fā)泡控制工作過程，建立了機(jī)器人與控制中心及液壓定比計(jì)量系統(tǒng)之間的通信邏輯關(guān)系，保證發(fā)泡成型效果[6]。

沈陽金杯延鋒汽車內(nèi)飾系統(tǒng)有限公司等大型汽車內(nèi)飾件制造企業(yè)也率先應(yīng)用了機(jī)器人，該公司的開發(fā)團(tuán)隊(duì)在發(fā)泡材料的攪拌、供壓射出等方面進(jìn)行了一系列的探索，取得了可喜的成果。他們采用與機(jī)器人交互的同步控制技術(shù)進(jìn)行發(fā)泡的澆注。澆注骨架放置在發(fā)泡模具中，通過嵌入在發(fā)泡模具內(nèi)部的感應(yīng)裝置，接收安裝到發(fā)泡模具的發(fā)泡骨架，模具自動感應(yīng)骨架的存在，當(dāng)識別到模具某一型腔中沒有放置骨架時(shí)，機(jī)器人將自動跳過模具對應(yīng)的型腔，僅對模具中有骨架的模具進(jìn)行發(fā)泡的澆注。這套設(shè)備的優(yōu)勢是：產(chǎn)量高、品質(zhì)好、占地空間小，操作簡單，維護(hù)成本低，而且可以單腔生產(chǎn)。單套模具組每小時(shí)可生產(chǎn)24臺套汽車發(fā)泡件，發(fā)泡設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍可以達(dá)到150 s/臺套。從表1可以看出，隨著產(chǎn)量在增加，在產(chǎn)品質(zhì)量方面機(jī)器人比人工操作優(yōu)勢明顯，日產(chǎn)1 000件時(shí)，機(jī)器人比人工操作高出近十個百分點(diǎn)。

表1中的數(shù)據(jù)還反映出在不同產(chǎn)量下人工生產(chǎn)的產(chǎn)品合格率與產(chǎn)量之間的關(guān)系。大體上說，人工生產(chǎn)的產(chǎn)品合格率與產(chǎn)量之間呈現(xiàn)為負(fù)相關(guān)的關(guān)系。由于生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量少，操作者進(jìn)行重復(fù)動作的精度比較高，可以按照既定的標(biāo)準(zhǔn)動作要領(lǐng)來完成相關(guān)的生產(chǎn)操作。當(dāng)達(dá)到一定規(guī)模后，操作者生產(chǎn)的產(chǎn)品呈現(xiàn)出逐步下降的趨勢，1 000件的產(chǎn)品合格率不及9成。而機(jī)器人生產(chǎn)的產(chǎn)品由于初期生產(chǎn)的數(shù)量較少，得到的樣本較少，合格率沒有明顯的優(yōu)勢。當(dāng)在連續(xù)生產(chǎn)形成規(guī)模后，樣本具有了一定的數(shù)量，機(jī)器人生產(chǎn)的產(chǎn)品合格率趨于穩(wěn)定，可以達(dá)到97%以上，并沒有呈現(xiàn)出隨著產(chǎn)量的增加合格率呈現(xiàn)下降的情況，這時(shí)候機(jī)器人的優(yōu)勢顯現(xiàn)出來。

32 保證生產(chǎn)效率，降低勞動成本

操作者手持發(fā)泡槍的過程，由于發(fā)泡槍具有一定的重量，輕則幾十千克，重則有100 kg以上，即使有行車平衡吊具進(jìn)行操作輔助，也需要耗費(fèi)操作者的大量體力。由于汽車市場的蓬勃發(fā)展和人們收入的不斷提高，車輛需求旺盛，對于汽車供應(yīng)商來說往往需要不間斷的連續(xù)生產(chǎn)，才能滿足龐大的市場需求量，這對于汽車生產(chǎn)廠商來說是一個挑戰(zhàn)，尤其是操作者往往需要從事一整天的體力勞動，生產(chǎn)效率不可避免地下降，而機(jī)器人通過編寫好既定的程序后，可以一直保持同一個效率進(jìn)行作業(yè)。從表2的工作時(shí)段可以看出，上午和下午上班初始時(shí)段，工人的工作效率較高，隨著工作時(shí)間的延長，工作效率逐漸降低，實(shí)際上工人還會容易受到情緒的影響，工作時(shí)也會感到不適和倦怠，產(chǎn)品質(zhì)量也降低，機(jī)器人則比人工操作高出25%。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，勞動力的成本也隨之增加。通常整車廠的一款車，生命周期一般在6～8年。二三線城市內(nèi)的一線操作者，綜合的用工成本動輒十幾萬人民幣/年/人。整個項(xiàng)目周期核算下來也需要一筆不小的費(fèi)用。以內(nèi)飾年產(chǎn)20萬套的工廠為例，車間現(xiàn)場整體員工從600人可以減少至350人，減少了250人。按照國家法律，必須保障員工的福利和公民權(quán)利，這需要為員工支付大筆費(fèi)用，這些費(fèi)用包括以下幾點(diǎn)：

a.工資、保險(xiǎn)、培訓(xùn)費(fèi)和輔助時(shí)間消耗的損失費(fèi)等；b.勞動保護(hù)：比如防護(hù)眼鏡、面罩、帽子、靴子和圍裙等；c.配套設(shè)施的用水、燃料和管理人員費(fèi)用等；d.為了保障員工的工作熱情，除了為他們提供必須的物質(zhì)條件之外，還要滿足他們的精神需要，如進(jìn)行一系列的宣傳活動和文化活動。

人員減少后，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等費(fèi)用也相應(yīng)減少，包括車間的生活區(qū)、員工宿舍、食堂、娛樂場所、交通工具等。應(yīng)用機(jī)器人將大大減少員工數(shù)量，縮短工程項(xiàng)目建設(shè)周期和投資回收期，相應(yīng)減少了投資費(fèi)用。隨著我國人口紅利的逐漸消失以及制造業(yè)企業(yè)用工成本的增加，工業(yè)機(jī)器人使用會促使先進(jìn)設(shè)備對中、低教育程度勞動力的替代，從而降低制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)成本[7]。

對于汽車制造業(yè)，尤其是汽車內(nèi)飾制造行業(yè)來說屬于操作技巧性行業(yè)，雇傭生產(chǎn)線員工多，培訓(xùn)周期長。為了保證大部分員工的正常工作，企業(yè)需要提供良好的基礎(chǔ)設(shè)施，包括車間的班組園地-休息區(qū)、員工更衣區(qū)、餐廳、交通工具存放區(qū)等。這些設(shè)施必須依照法規(guī)進(jìn)行布局和設(shè)計(jì)，附屬的工程項(xiàng)目增加，占地面積增大，往往總體工程項(xiàng)目需要幾年才能達(dá)到生產(chǎn)規(guī)模。應(yīng)用機(jī)器人將大大減少員工數(shù)量，縮短工程項(xiàng)目建設(shè)的周期和投資回收期，相應(yīng)地減少了一次性投資的費(fèi)用[8]。

33 員工健康和安全得到保證

生產(chǎn)發(fā)泡需要準(zhǔn)備好發(fā)泡設(shè)備和產(chǎn)生發(fā)泡的發(fā)泡液。根據(jù)圖2所示，發(fā)泡設(shè)備一般包括混料罐、壓縮空氣產(chǎn)生器、發(fā)泡槍、發(fā)泡模具等。在一般情況下，操作流程是操作者手持發(fā)泡槍，將發(fā)泡液澆注在發(fā)泡模具中，將發(fā)泡模具關(guān)閉，等待發(fā)泡的成型后再開模取出。在這個過程中，操作者手持發(fā)泡槍，距離發(fā)泡模具非常近，不可避免地會接觸發(fā)泡液。由于汽車發(fā)泡材料屬于化學(xué)材料異氰酸酯，異氰酸酯主要為甲苯二異氰酸酯（TDI）、二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI），在供料、發(fā)泡過程中可產(chǎn)生TDI、MDI、非甲烷總烴[3]。這些成分或多或少會對人體產(chǎn)生影響，工人長期在這種環(huán)境中工作有可能會引發(fā)健康問題，這時(shí)利用機(jī)器人來代替工人，只需為機(jī)器人編制一套程序就可以解決環(huán)境惡劣的問題[9]，使用機(jī)器人可以減少甚至避免操作者接觸發(fā)泡槍，從而減少操作者與發(fā)泡液的直接接觸。

在生產(chǎn)現(xiàn)場，供應(yīng)鏈遍布于每一個操作區(qū)域，運(yùn)輸車輛、器具、駕車等會將操作者固定在相對固定的生產(chǎn)工位。由于車間現(xiàn)場操作者的數(shù)量多，在遇到突發(fā)的情況需要進(jìn)行緊急疏散時(shí)，可能會導(dǎo)致難度增加。應(yīng)用機(jī)器人可以減少身處生產(chǎn)現(xiàn)場的人員，可以保證通道的通暢，使人流順暢，減少人員在行動中與其他設(shè)備和物料相撞的可能性，對人員的迅速疏散有很大的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)果分析

在汽車內(nèi)飾件發(fā)泡生產(chǎn)工藝中應(yīng)用機(jī)器人可保證澆注點(diǎn)位高精度的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。機(jī)器人與人工操作相比，產(chǎn)品合格率提高近10%，生產(chǎn)效率提高25%，操作人員可減少到原先的一半左右，大大降低勞動力的成本支出，保證員工健康和安全，減少工程建設(shè)投資。機(jī)器人在汽車內(nèi)飾件發(fā)泡制造中的推廣應(yīng)用，將加快汽車產(chǎn)業(yè)整體水平的提高，為汽車制造行業(yè)向數(shù)字化方向發(fā)展起到了積極作用。

在生產(chǎn)制造企業(yè)中，盡管有很多規(guī)章制度和生產(chǎn)紀(jì)律，但是多數(shù)基層員工在實(shí)際執(zhí)行的過程中往往無法貫徹到底。公司頒布的條例大多數(shù)情況下在基層員工層面落地時(shí)都打了折扣。這樣就很難保證每日的生產(chǎn)計(jì)劃和滿足客戶足夠的交付數(shù)量。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，使基層操作者的數(shù)量大為減少?；鶎拥闹苯尤藛T數(shù)量減少，又使得基層管理者的數(shù)量減少，這樣會使組織架構(gòu)和管理層級變得簡化，企業(yè)和車間的管理人員對基層員工的管理更加直接和高效。

從生產(chǎn)的數(shù)據(jù)中分析，工業(yè)機(jī)器人對比人工在產(chǎn)品形成規(guī)模后具有一定的優(yōu)勢。但是工業(yè)機(jī)器人從某些方面來講也存在一些不足。例如，產(chǎn)品的需求量比較低時(shí)，由于相應(yīng)設(shè)備的利用率不高，機(jī)器人的閑置時(shí)間比較長，一次性投入較多；而現(xiàn)場的操作人員在此工序產(chǎn)品已經(jīng)滿足需求的情況下，可以按照需求分配至其他工序進(jìn)行工作，這樣可以靈活地進(jìn)行資源合理分配和利用。再比如，驗(yàn)證新工藝、新材料時(shí)，調(diào)整工藝參數(shù)和更改相關(guān)的工藝路線，使用機(jī)器人搭載發(fā)泡的混合頭，需要借助計(jì)算機(jī)和機(jī)器人示教器進(jìn)行重新的編程，而工藝和材料的驗(yàn)證不是一次調(diào)整就可以穩(wěn)定的，需要調(diào)試多次，每一次都需要重新的編程。而人工控制發(fā)泡槍混合頭，由于人工手持，可以隨意地驗(yàn)證不同的工藝和材料，一次不行可以迅速開啟第二輪測試，靈活性較強(qiáng)。

5 結(jié)語

隨著機(jī)器人技術(shù)的成熟與進(jìn)步，機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)成為汽車制造行業(yè)的大趨勢，越來越多的汽車制造企業(yè)將機(jī)器人引入汽車制造行業(yè)。這為機(jī)器人技術(shù)在汽車制造行業(yè)的應(yīng)用又創(chuàng)造了一個大平臺，從機(jī)器人的未來發(fā)展趨勢來說，機(jī)器人將不斷向著智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。通過機(jī)器人搭載發(fā)泡設(shè)備，將使作為制造業(yè)中流砥柱的汽車工業(yè)進(jìn)一步提升競爭力，更好地為實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者簡介：

張寧，男，1989年生，工程師，研究方向?yàn)槠囍圃旃に嚰捌渥詣踊?/p>