淺析智能化焊裝工廠生產(chǎn)線設(shè)計規(guī)劃

宋亮

奇瑞汽車股份有限公司 安徽蕪湖 241009

現(xiàn)代化汽車工廠設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。作為整車四大工藝中較為典型的焊裝工廠，既涉及工藝、設(shè)備、工程及物流等專業(yè)，又要滿足產(chǎn)品多樣化、個性化趨勢下的柔性化、高節(jié)拍、節(jié)能環(huán)保等需求。2015年中國發(fā)布了《智能制造2025》規(guī)劃，促進(jìn)了裝備智能化、數(shù)字化的高速發(fā)展，也深刻影響著汽車工廠設(shè)計規(guī)劃方式。

本文結(jié)合近年來奇瑞汽車焊裝新建生產(chǎn)線的實(shí)踐，淺析智能化焊裝工廠設(shè)計的前提、范圍和主要設(shè)計內(nèi)容。規(guī)劃前提主要有產(chǎn)能、自制策略、自動化率以及智能制造策略等，決定了廠房及產(chǎn)線設(shè)計方向、智能化水平、投資規(guī)模及建設(shè)周期等，以指導(dǎo)后期設(shè)計。

1）產(chǎn)能。通常以年產(chǎn)能作為輸入，換算出單班節(jié)拍。

2）自制策略。決定了工藝制造開發(fā)的范圍、制造加工深度。

3）自動化率。即工廠自制部分采用自動化設(shè)備的水平。

4）智能制造策略。智能化應(yīng)用范圍，如自動化、智能化設(shè)備數(shù)量、軟硬件標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施步驟等。

智能焊裝對工廠設(shè)計的影響

主要體現(xiàn)在以下方面：

1）CAE分析貫穿產(chǎn)品、工藝開發(fā)全過程。運(yùn)用3DCS等軟件模擬焊接和關(guān)鍵裝配尺寸的制造公差，后期整車裝配問題提前到設(shè)計階段解決。

2）如圖1所示，通過PDPS等模擬焊接生產(chǎn)過程，優(yōu)化工藝布局、夾具結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)節(jié)拍。

圖1 焊裝生產(chǎn)線仿真設(shè)計

3）通過物流仿真優(yōu)化物流配送路線，提升配送效率。

4）通過離線編程、虛擬調(diào)試，縮短產(chǎn)線預(yù)集成和調(diào)試周期。

5）通過智能化MES控制，構(gòu)建設(shè)備、能源、質(zhì)量及物流等核心要素管理系統(tǒng)。

智能化焊裝工廠設(shè)計以實(shí)現(xiàn)工藝制造為出發(fā)點(diǎn)，通過CAE、PDPS、電氣及物流仿真，相比傳統(tǒng)設(shè)計，簡化工藝流程、提高設(shè)計效率，最大化利用廠房面積和空間，物流更合理、便捷。

工藝模塊設(shè)計

本工藝模塊設(shè)計，主要包括以下幾個方面——生產(chǎn)線所能達(dá)到的工藝容量、平面布置、擴(kuò)展方式以及生產(chǎn)輔助等。

1.工藝容量

通過SE工程、虛擬仿真，核算生產(chǎn)線容納的零件裝配數(shù)量、焊點(diǎn)、涂膠等基本參數(shù)，體現(xiàn)生產(chǎn)線的能力。

2.生產(chǎn)線平面布置

焊裝廠房內(nèi)的空間，根據(jù)工藝、物流、環(huán)保以及“公用”等各方面需求進(jìn)行布置。核心內(nèi)容為工藝布置，包括分區(qū)方式、各工藝區(qū)域位置、面積、物流存儲以及線路等，另外需考慮配備的廠房柱網(wǎng)、吊點(diǎn)、公用動力及管線等配套設(shè)施。工藝布置設(shè)計一般過程為，首先依據(jù)SE工程和仿真模擬，進(jìn)行工藝拆序、焊點(diǎn)分配，核算焊接設(shè)備及工裝數(shù)量，然后根據(jù)工藝區(qū)域面積，核算焊裝廠房所需的生產(chǎn)、存儲、通道及輔助設(shè)施的面積。

3.擴(kuò)展性設(shè)計

擴(kuò)展性設(shè)計主要體現(xiàn)在產(chǎn)能和產(chǎn)品擴(kuò)展途徑，根據(jù)產(chǎn)能目標(biāo)制定產(chǎn)能擴(kuò)張策略。例如一次性規(guī)劃分步實(shí)施或一次性實(shí)施。如圖2所示，產(chǎn)品的擴(kuò)展性，主要通過產(chǎn)品設(shè)計平臺化、產(chǎn)線設(shè)備高柔性化，逐步擴(kuò)展到多車型共線生產(chǎn)。

圖2 焊裝生產(chǎn)線柔性化方式

（1）一級總成生產(chǎn)線 包括下部線、主焊線。下部線主要功能是實(shí)現(xiàn)前機(jī)艙及前、后地板合拼。涉及三大塊定位，定位機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，下部總成合拼柔性化方式可以采用NC柔性化系統(tǒng)、臺車系統(tǒng)、多夾具切換系統(tǒng)等。主焊線將下部總成、左右側(cè)圍、頂蓋合拼成完整的白車身。主焊柔性化方式可以采用柔性化GATE系統(tǒng)、抓手切換系統(tǒng)等方式。

（2）二級總成生產(chǎn)線 主要有前機(jī)艙、后地板、側(cè)圍等總成。以前機(jī)艙為例，上件合拼主要有前縱梁、前擋板及流水槽等分總成。前機(jī)艙合拼工位柔性化方式為臺車+切換庫或多夾具系統(tǒng)。補(bǔ)焊工位同平臺車型夾具改造共用，不同平臺車型一般設(shè)置夾具庫。二級線向一級線輸送采用APC、EMS、AGV等，主焊、下部之間采用機(jī)器人抓件、滾床滑撬及滾床臺車等方式。隨著視覺引導(dǎo)、AGV大規(guī)模應(yīng)用，輸送實(shí)現(xiàn)自動化，并向智能、無人工廠方向發(fā)展。

（3）三級總成生產(chǎn)線 一般為自動化焊接，輔之以少量人工補(bǔ)焊，根據(jù)自制率與一二級線體匹配設(shè)計。

（4）MES工廠智能化生產(chǎn)制造管理系統(tǒng)（MES），如圖3所示，將生產(chǎn)計劃、上線、交檢信息在大屏上實(shí)時發(fā)布，在生產(chǎn)線布置時要對MES發(fā)布點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置。

圖3 智能化制造管理集控中心

4.生產(chǎn)輔助設(shè)計

生產(chǎn)輔助包括培訓(xùn)、庫房、質(zhì)量、生活以及班組園地等。其中，培訓(xùn)功能主要有新員工培訓(xùn)室、實(shí)操培訓(xùn)區(qū)、機(jī)器人示教培訓(xùn)區(qū)等；庫房主要有勞保、生輔材料、備件及維修間等；質(zhì)量功能如三坐標(biāo)、藍(lán)光、匹配、AUDIT及車身拆檢室等；生活功能主要有衛(wèi)生間、水房、清潔間及吸煙室等；班組園地具備人員休息、班級管理目視化、現(xiàn)場查詢資料等功能。

專項(xiàng)模塊設(shè)計

1.物流模塊設(shè)計

焊裝物流，依托自動化物流設(shè)備、大數(shù)據(jù)網(wǎng)聯(lián)等技術(shù)，優(yōu)化人員、場地、設(shè)備利用率、物料出入庫以及配送通過手持/移動終端下達(dá)任務(wù)；采用叉車、AGV、牽引車設(shè)備、道口分配調(diào)度系統(tǒng)及RF無線掃碼，通過LES系統(tǒng)傳遞零件需求信息，定時指導(dǎo)物流配送。

外協(xié)件由3PL配送至卸貨區(qū)，驗(yàn)收合格后入物料緩存區(qū)。需整合的零件送至物料分揀區(qū)分揀，無需分揀的零件（專用器具）直接進(jìn)緩存；將整合料車和專用器具配送至對應(yīng)裝配工位。

2.質(zhì)量監(jiān)控

焊裝生產(chǎn)線質(zhì)量監(jiān)控，主要針對焊接強(qiáng)度、尺寸、匹配、涂膠以及包邊等質(zhì)量特性。通過QLS過程質(zhì)量管理系統(tǒng)，對生產(chǎn)線所有焊機(jī)設(shè)立工藝參數(shù)監(jiān)控，實(shí)時掌握焊接電流等關(guān)鍵參數(shù)，并形成數(shù)據(jù)庫，可對焊接質(zhì)量問題做到精確追溯。

車身尺寸綜合運(yùn)用在線測量、三坐標(biāo)檢測、檢具測量、匹配及掃描等手段，對白車身、分總成的尺寸狀態(tài)進(jìn)行在線和離線監(jiān)控。

焊裝工廠設(shè)計時對各類質(zhì)量檢驗(yàn)點(diǎn)、專用測量設(shè)施進(jìn)行詳細(xì)布局和統(tǒng)籌考慮。

3.環(huán)境控制

焊裝工廠污染通常有固廢、水廢、煙塵及噪聲等。固廢是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體污染物，分為可回收、不可回收、危險廢棄物幾種。工廠設(shè)計時，在各工藝區(qū)布置回收點(diǎn)，廠房內(nèi)設(shè)置集中回收和存放的設(shè)施，要有安全隔離防護(hù)及防滲處理。廢水包括生產(chǎn)污水和生活污水，設(shè)計分流排放。煙塵主要是焊接過程中產(chǎn)生的氣溶膠、懸浮顆粒物和羽煙，來源為氣體保護(hù)焊、氬弧焊、鋁弧焊及激光焊等。煙塵治理主要通過設(shè)置焊煙收集并過濾，在達(dá)到職業(yè)衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)法規(guī)要求后進(jìn)行排放。焊裝設(shè)備都會產(chǎn)生一定的噪聲。噪聲控制主要采用節(jié)能降耗先進(jìn)設(shè)備，同時對重點(diǎn)噪聲單體采取隔聲防護(hù)，從整體上降低噪聲輸出。

結(jié)語

新建智能化焊裝工廠實(shí)踐表明，產(chǎn)線調(diào)試周期較以往縮短10～15天，實(shí)際運(yùn)行中機(jī)器人效率提升10%，焊接參數(shù)調(diào)試效率提升50%，充分體現(xiàn)出智能化產(chǎn)線設(shè)計的巨大優(yōu)勢。

智能化焊裝工廠的規(guī)劃涉及面廣，各專業(yè)設(shè)計內(nèi)容互相制約，在總體方案階段要統(tǒng)籌考慮總體布置和各分項(xiàng)的關(guān)系。具體實(shí)施過程中，要緊緊抓住工藝設(shè)計這個核心，質(zhì)量、物流、環(huán)保等專項(xiàng)模塊在設(shè)計時要反復(fù)迭代校核，確保按照總體要求，達(dá)成焊裝工廠設(shè)計各項(xiàng)目標(biāo)。