分散單元式主車身線工藝規劃方案研究

趙寧

（一汽解放汽車有限公司）

隨著生活水平的提高，人們對產品外觀、功能的需求逐漸增多，產品需求的個性化、定制化逐步凸顯，滿足客戶的個性化、定制化產品生產制造將成為未來主機廠的重要課題之一。目前，汽車市場的競爭也越來越集中在產品的更新換代上，面對如此快速的產品更新，汽車行業過去采用的那種大批量單車種專用生產線的生產模式已經不太適應當前發展的需求，因此，多品種的柔性化共線生產方式就越來越多地應用在汽車生產中[1]。隨著國內工業的迅猛發展，自動化工廠對生產線的產能要求不斷提高，對生產過程中的自動化程度要求也越來越高，朝著全自動化無人工廠的方向發展[2]。對于焊裝而言，產品品種的增多就意味著白車身種類的增多，進而對焊裝線的柔性化制造能力需求就越來越高。而白車身焊裝線的一個特點就是專用性與非標制造。如何提高車身制造過程中的生產線柔性化、智能化，成為焊裝工藝人員的課題。

1 AGV在汽車制造領域的應用

AGV，即自動導航運輸車，有著移動機器人之稱。近年來AGV在汽車制造業得到了廣泛應用，涉及焊裝、總裝和零部件等領域，為實現汽車制造的自動化、省人化提供了非常好的解決方案，并在生產控制中實現了標準化、準時化的車間物流配送[3]。AGV輸送系統由AGV單車、AGV控制系統和AGV充電系統組成[4]。且隨著技術的進步，AGV產品的可靠性已經大大提高，由此也提升了人們對使用AGV的信心。智能的AGV近年來在汽車制造業領域得到了廣泛的應用，在焊裝車間以其路徑靈活、移動性和柔性較好的優越性，不僅能替代人力、降低成本、生產效率高，還提高了車身鈑金件搬運的自動化水平，滿足了大批量生產的需求[5]。

AGV在焊裝車間應用的方向大致可以分為2類，第一類是各工藝間搬運，第二類是物料配送搬運。這2種應用方式，對AGV的使用需求大致相同，區別在于前者相較于后者要求更高定位精度的導航方式。AGV定位主要有以下3種方式：1）埋線電磁感應引導，利用傳感器探測埋在地面下的固定導線產生的電磁場來實現引導定位，但是電磁場感應此種方式，容易受外界干擾，定位精度低，無法實現精定位的自動化；2）基于激光測距測角的方法，需要在AGV行走的特定位置布置激光感應裝置，利用激光傳感器確定自身的位置從而實現引導定位，此種方式容易受外界光線干擾，維修調試保養難度大，人機協同性不理想；3）機器人視覺引導，利用圖像處理技術進行特征識別，從而確定AGV小車的位置，不過此種系統成本較高，不利于大規模運用[6]。

2 傳統主拼焊裝線工藝形式

一直以來，焊裝車間主車身線的形式為工位串聯形式，如圖1所示。通常在主車身線里分布著預裝工位、主拼工位、補焊工位、頂蓋焊接工位、涂膠工位、二氧化碳補焊工位、在線檢測工位、在線打孔工位、在線裝配工位等。整條主車身線工位與工位之間使用輸送線連接，完成工位之間焊接總成的傳遞。輸送線的形式有空中吊運、手動滑橇、輥床輸送、往復桿等，其中輥床輸送系統因其具有輸送效率高、可靠性好等特點最為常用。但不論哪種輸送系統，都有一個共同的缺點——因為輸送線機械結構的特點，導致其柔性化較差。傳統輸送線對主線各工位進行串聯后，主線就成為了一個較為“封閉”的線體，對于多車型導入、不同車型（主線焊點數量差別較大）焊接過程中工位設備利用率平衡等方面都起著負面的影響。

在一個工藝方案規劃實例中就遇到過這樣一個問題。此焊裝線主車身線負責2個車型的生產，即A車和B車，兩車型屬于不同平臺車型，車身下部定位點系統（RPS）無共用。兩車型的車身結構設計理念完全不同，產品結構導致上料方式區別很大，A車在主車身線的焊點數為587點，而B車在主車身線的焊點數為1 118點。可想而知，在同一節拍下，2輛車同時生產時，就會有一部分負責B車焊接的工位機器人或者設備在焊接A車過程中處于閑置狀態，很難達到2個車型同時生產時各工位工作量的平衡。再如，在線檢測工位、弧焊補焊工位，通常工作節拍都會比較短，設備都會有一定的閑置時間，這些都大大降低了主車身線部分設備的利用率。此問題在傳統主車身線輸送形式下因為其結構的“封閉”特性是無法解決的。

目前，多車型混流生產中焊裝主車身線主拼工藝技術不論是多面體、Open Gate、外置側滑、內置夾具、框架夾具等等，均可實現多車型主拼工位的車型切換。但當主拼工位車型混入種類較多時（大于3種），尤其體現在不同平臺車型的混入，即便實現了多車型切換，但整個主拼工位的占地面積將非常龐大，不利于車間面積的利用。也因其內部結構非常復雜而影響工位可動率。再者，規模量產情況下，傳統主車身焊裝線通常不會超過3種不同平臺的車型，當車型超過3種時，因為車型切換頻繁，主拼工位結構復雜，工位的效率就會降低。另外，當主車身線承擔的是不同平臺車型共線生產時，因車身下部RPS點不同會導致不同車型夾具定位系統的位置干涉；夾具設計結構復雜、定位系統往復定位精度受影響等問題，都會導致難以實現多車型切換，從而影響主線的柔性化。

而產生設備利用率低、柔性化程度相對較差的根本原因是主車身線采用的輸送形式。因輸送形式的“封閉”導致了主車身線的“封閉”。

3 分散單元式主車身線

基于傳統主車身線的缺點，為解決上述問題，采用了一種新的主車身線工藝規劃思路，即分散單元式主車身焊裝線。既然傳統主車身線部分情況下設備利用率低、柔性化制造具有局限性等問題的原因在于輸送線，那么就從輸送線形式入手進行改變。

工藝規劃過程中，鑒于傳統輸送線的局限性，將主車身焊裝線傳統輸送線取消。然后將原來的工位進行標準化設計，形成具有2個到4個工位、焊接機器人組成的標準化加工單元，如圖2所示。每個加工單元具有自己的工作內容與特性，例如：由4個帶七軸系統的焊接機器人加框架夾具組成的主拼加工單元；4個焊接機器人組成的補焊焊接單元；2個弧焊機器人組成的弧焊單元；2臺在線檢測機器人組成的檢測單元等。這樣的標準焊接單元三維工藝設計，如圖3所示。各個加工單元分散分布，然后由AGV輸送將各個加工單元串聯到一起形成一個“開放”式的主車身焊裝線。每個加工單元都是由固定數量機器人組成的標準加工單元，這樣一來就可以實現主車身線設計與制造的標準化。未來進行增產擴能、工位拓展等，只需要進行工位復制加規劃AGV路徑就可以，如此也實現了一種標準化、可復制的焊裝線，從而降低投資成本，縮短生產線設計周期。

圖1 傳統主車身線形式

圖2 分散單元式主車身線示意圖

圖3 分散單元式主車身線三維工藝設計

需要強調的是，因為AGV運行時，停車位置精度不論哪種導航形式都不超過±5 mm，遠遠不能滿足車身定位與焊接精度要求，需要在標準單元的AGV停車位置增加1套二次頂升定位機構，也就是將AGV托載的夾具進行頂升并進行定位銷二次定位，確保AGV托載夾具的往復定位精度，以保證車身定位與焊接精度要求。

以主拼工位為例，其主拼工藝采用框架夾具的形式，焊接工作由4臺帶七軸的焊接機器人完成（見圖3），機器人通過切換不同框架夾具定位單元實現車型切換，通過切換焊鉗完成焊接工作。當車型切換數量過多，現場面積不足時，在車間預留位置設立擴展夾具庫，并由AGV完成夾具的托載運輸以進一步實現更多車型的切換工作。

因整個主車身線各個加工單元是使用AGV串聯到一起的，很容易實現主線各單元的“共享”。例如補焊單元、弧焊單元、檢測單元，在節拍允許的前提下，除了可以承擔主車身線的工作任務外，在“空閑”時間還可以通過AGV的調度實現其他總成或者車身的補焊與檢測工作。由此極大地提高了設備利用率和生產加工靈活性。甚至可以實現主線各加工單元不同節拍生產。當線體出現瓶頸工位時，只需要復制一套加工單元，再通過AGV調度，就可以解決瓶頸工位問題或者增加產能。

分散單元式主車身線的優勢還體現在焊接車身的返修、送測等，可以由AGV自動輸送到指定位置，無需人員的過程參與和生產的中斷。物流更為自動化和智能化，現在有很多成熟的路徑規劃算法，改進方案和算法的更新均可在不停線的情況下完成新的調動與調整訴求。區別于往復桿等輸送形式，AGV可重復利用。此種輸送方式具有更好的可追溯性，可以跟蹤需識別的車身在車間的位置判斷其工藝狀態。AGV系統控制可以完成車輛管理、交通管理、通訊管理，與工廠制造執行系統（MES）直接通訊，更為有效地滿足線體的信息集成管理。

4 結論

文章論述了一種以AGV作為輸送系統實現的分散單元式主車身線，這種生產方式柔性化程度高，可復制性強，設備利用率高。但這種規劃方案也有一些缺點，如初期投資成本較高，占地面積比較大，群體AGV輸送可靠性低于傳統輥床系統等。但因其“共享”特性，在一個工廠中同時生產的車型越多，這種方式的投資就會越低，而AGV輸送的可靠性也隨著技術的進步而逐步提高，AGV的價格也隨著使用量的增加逐漸降低。

利用AGV輸送，實現分散單元式主車身線的生產方式特別適合于小批量、多品種的車型生產，車型越多，其優勢就越大，后續改造成本就越低。而其標準化的單元設計，更有利于標準化工廠的建設，從而縮短新工廠工藝設計周期，降低投資成本。采用AGV輸送形成的新的主線加工形式，更加有利于智能制造的實現，是未來車身焊接工藝技術發展的趨勢之一。