小型電動車車身智造柔性產線關鍵技術及裝備開發

謝 寧，李冬艷，代 巍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

在當前新一代信息技術和制造技術深度融合發展的時代背景下，制造業的生產制造方式已經發生了深刻的變革，制造業的發展正處于戰略關鍵時期。在先進制造業發展的新機遇下，世界各主要工業國家相繼提出新的國家制造業發展策略，如德國的“工業4．0”、美國的“先進制造業國家戰略計劃”、英國的“工業2050戰略”等，雖然這些計劃提出的背景的內容有所不同，但是其共同目的之一都是通過智能制造技術，在物理信息和數字信息的層面上進行融合，以推進驅動整個制造業的智能化發展，成為先進生產制造工業的創造者和供應者。

與此同時，為了推動中國從制造業大國向制造業強國的轉變，我國于2015年出臺了向制造強國推進的國家戰略，其中“推進信息化與工業化深度融合”[1]作為“中國制造2025”發布的九大戰略任務之一，明確提出了建立具有深度感知、智慧決策、自動執行功能的智能制造裝備以及智能化生產線的要求。為了推進制造過程智能化，滿足用戶快速更新迭代的需求，建立數字化生產線/生產車間，推動制造自動化和柔性化是關鍵[2]。為了促進互聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術與制造業的深度融合，提升汽車企業智能制造水平，融合物聯網信息，采用新工藝、新工裝、新技術，深化智能制造的水平。

為實現傳統車企制造業向智能制造的轉型升級，本文提出小型電動車柔性車身智造產線關鍵技術及裝備開發，包括3種創新的柔性產線布局設計、車身焊點的融合新工藝制造技術及在汽車制造領域應用全球小型電動車（Global Small Electric Vehicle，GSEV）車身混流柔性生產技術。生產布局設計節約了場地面積和設備投入，減少生產投入。車身焊點的融合新工藝制造技術提升了焊接質量，實現了焊點質量實時控制。全球小型電動車GSEV 車身混流柔性生產技術，打造了一條以融合現代智能傳感技術、網絡技術、自動化技術、信息化技術物聯網跨界等先進技術為基礎的數字化智慧生產線。

1 柔性產線創新布局

生產線布局是工業工程和物流工程領域一項核心內容[3]，生產線布局按照精益生產相關要求對生產系統中各生產模塊進行合理的組合，解決各設備和各區域之間的位置關系問題，使生產效率達到最優。柔性產線指由加工中心或柔性生產單元組成，能夠實現多種產品共線生產的生產線，自動化程度高，生產靈活。

柔性產線通常會借助工業機器人代替人工完成生產流程，包括車身打孔、車身鉚接、車身滾邊、車身螺柱焊、車身涂膠及車身焊接等。合理設計產線布局可以提升車身的生產效率，降低制造成本。

1.1 產線布局特點

在車身生產線方案規劃上，基于3D產線設計方法、機器人產線仿真軟件ROBOGUIDE的仿真虛擬方法，同步設計并虛擬驗證等一套數字化設計車身產線的方法，讓隱性的價值顯性化，創建柔性程度高（所有車型共用一套滑撬）、制造節拍高、節約占地空間的新型產線布局模式。

側圍區域在很大程度上決定了車型的外觀，在開發新車型時需要重新設計側圍總成，這意味著側圍總成生產線需要較高的柔性。本文提出創建了一種柔性程度高、制造節拍高、占地空間低的新型產線布局方法，核心部分包含側圍無工裝式抓焊布局設計、側圍與頂蓋的新連接方式、復層式主夾具工位規劃布局。

焊接工裝是一套柔性的焊接固定、壓緊、定位的夾具，無工裝式焊接能夠直接在無工裝定位的情況下進行焊接生產[4]。圖1為側圍無工裝式抓焊設計的創新性布局，對側圍生產總成進行布局優化，使得整條側圍線減少了50%的工裝設備，節約占地面積44．3%（約380 m2），節約設備投資成本共計1 073．6 萬元。

圖1 側圍無工裝抓焊設計

圖2為頂梁與側圍總成接頭結構的創新優化，節省了一條頂蓋分拼生產線，節約設備投入225 萬元，節約場地投入300 m2。

圖2 頂梁與側圍總成優化設計

機器人抓手的切換通過切換抓手上的特定部件實現不同車型的抓手共用，對于工裝夾具和抓手，通過復層抓手存放架或空中輸送平臺等方式存放。將主夾具工位規劃設計成復層鋼平臺式布局，可節約線外工裝夾具存放場地67 m2，同時以側框式抓手代替豐田汽車公司全球制造系統（Global Body Line，GBL）內置式主夾具，對白車身 Y 向控制尺寸有較大提升。

1.2 應用價值

新型產線布局模式讓隱性的價值顯性化，創建柔性程度高（所有車型共用一套滑撬）、制造節拍高、節約占地空間的新型產線布局模式。該方法的創新，實現工藝布局模式優于自動化專線模式，在一次性投資方面，可節約747 m2場地投入、節約一次性設備投資1 298萬元，合計降低10%的開發成本；在運行收益方面：減少人員3名/單班次、減少車型切換時間720 h/a，合計每年帶來制造運行成本收益共計1 290萬元/a。

2 產線融合新工藝制造技術

白車身作為汽車重要部件[5]，由數百個薄板沖壓零件通過電阻點焊的方式連接。電阻焊技術是指將待焊接零件連接在兩個電極之間，電流熔煉零部件實現白車身融合的技術。當電流經過零部件的時候會使焊接部位附近產生熱量，從而融化兩個零部件將其牢固地結合在一起。電阻點焊中焊接電流是十分重要的焊接參數，直接影響焊接接頭的質量，探究焊點焊接方法及對焊點質量控制方法對汽車安全具非常重要的意義。

2.1 磁場輔助與階躍脈脈沖電流調制的電阻焊點方法

在電阻焊接中，焊接壓力與焊接熱量不匹配時會導致溶核金屬液體的噴出，產生飛濺現象。本文產線使用了一種外加磁場輔助與階躍脈脈沖電流調制的電阻點焊新方法，如圖3所示，實現高強鋼點焊熔核特征精細調控，降低了焊接飛濺率，焊點接頭提高韌性20%～25%，有效降低接頭界面斷裂風險。

圖3 調整實時電流，電阻前后變化

2.2 點焊質量自適應控制

產線通過結合多傳感信息融合點焊質量評價方法，實現了點焊質量實時精確評價，飛濺識別精度達到98%。同時，開發了點焊質量自適應控制技術與裝備，實現焊接工藝參數的快速精確控制，提升高強鋼焊點一致性。將上汽通用五菱汽車公司(SGMW)開發的控制器與美國WTC（Welding Technology Corporation）公司、尼瑪克公司和小原公司開發的多種控制器的焊接效果進行對比（見表1）。

表1 自適應焊接效果分析

由上汽通用五菱汽車公司（SGMW）開發的自適應點焊控制器可在線監測焊接情況和焊接質量，實時調整焊接參數，使點焊質量波動幅度降低65%，飛濺率降低50%以上。焊接飛濺改善情況如圖4所示，可以看出SGMW自適應焊接對焊接飛濺控制效果良好，有效提高了車身焊接的質量。

圖4 飛濺改善對比

2.3 應用價值

產線使用的外加磁場輔助與階躍脈脈沖電流調制的電阻點焊新方法、多傳感信息融合點焊質量評價方法，結合電阻點焊新方案及新的質量評價方法，開發低飛濺點焊自適應控制技術與裝備，取得了突破性進展，將白車身焊接飛濺率從80%降低到17%以下。

3 產線大數據采集分析系統

工業大數據采集分析系統對建立數字化工廠非常重要，是利用統計學分析技術、機器學習技術、信號處理技術等技術手段[6]，結合業務知識對工業過程中產生的數據進行處理、計算、分析并提取其中有價值的信息、規律的過程。

3.1 數據采集系統特點

針對常規柔性線生產及運行維護中車型多、節拍高、質量要求高、故障排查時間長、過程控制難大、工位生產效率不均衡、關鍵工藝執行效果缺乏反饋等痛點，在GSEV車身線開發產線大數據采集分析系統。通過產線實時運行動態地圖，通過虛擬畫面，實時同步PLC系統數據，將畫面按照產線設備實物位置同比例開發為物理地圖，動態顯示產線狀態，實時快速響應，打通車身產線設備間的信息孤島，實現“人、機、料、法、環”一體化信息系統管理。該系統的特點包括質量參數采集分析及追溯，將焊接時長、車身代碼、工位過站記錄、質量鑿檢進行綁定，可以對過線信息進行追溯和查詢，精準排查質量問題；對關鍵工位機器人焊機數據自動采集分析，建立焊接質量評價標準，及時發現并避免質量問題。自動采集、精準拆解停線數據及發現瓶頸，自動記錄和具體分解到物料、空滿位、缺件、設備、質量、人員操作等。

在新能源焊接線首次創新建立智慧大數據自動采集分析系統。數據采集部分從來源上主要分為7個部分，數據來源包括設備動作及工位節拍時間、人員操作時間、停線原因分解、車型配置信息、設備特有屬性、系統報警、設備點檢信息人工樣板及執行反饋輸入。大部分數據由PLC系統自動采集，部分由人工使用模板采集。數據分析部分從功能上主要分為五大模塊：產線實時運行狀態動態地圖、工藝節拍線平衡分析、生產綜合效率分析、生產信息及質量追溯、設備健康狀態分析。分析系統可通過數據自動分析出設備與人工動作循環時間、設備開動率、動作信息和健康狀態、生產線運行狀態等信息。

3.2 應用價值

通過建立產線大數據采集分析系統，產線故障率相比同類型柔性線大幅降低，故障率由達128次/a，時長為821 min/a，降低到頻次降至3次/a，時長降至18 min/年；網絡故障較同類型柔性焊接線降低116%，生產效率由88%左右穩定提升至92%（新增2臺車/h）。

4 結論

針對全球小型電動車GSEV 車身混流柔性生產技術在制造領域中存在的產品柔性差、節拍低、生產模式效率低、焊點質量強度較差、車身生產過程質量追溯性差等核心難點，本文提出通過創新產線布局仿真設計，融合新型技術焊接工藝，打造以融合現代智能傳感技術、網絡技術、自動化技術、信息化技術物聯網跨界等先進技術為基礎的數字化智慧生產線，以提高電動車車身制造質量與成產效率。