關于汽車試制總裝工藝技術優化探討

袁雪松，田沙沙，李平武

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西新能源汽車試驗室，廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著汽車“新四化”技術的發展，技術研發部門的互聯研發流程更加重視車輛系統和功能，傳統的樣車總裝正面臨新工作領域所帶來的巨大挑戰。在汽車研發流程上，各大車企正逐漸將精力集中在車輛的系統和功能上，對傳統的硬件研發周期則進一步壓縮，現有總裝工藝急需根據整車機構進行平臺化、模塊化、柔性化等進行工藝優化。本文在研究試制樣車的工藝流程的前提下，根據車型的平臺化，結合裝配現場現有資源，根據調度算法進行優化分配，并以此進行柔性化優化改進。

1 汽車試制總裝工藝技術的流程

1.1 工藝流程

汽車試制總裝的工藝不同于汽車量產工藝，與后者相比，汽車試制總裝工藝由于前期基礎資料不足，工位較少，節拍較長，難以量化，而且車企主要關注生產研發質量問題而非面向市場的售后質量問題，所涉及的內容主要集中在確保科學控制成本的前提下，用更快的周期成功滿足研發需求。各大車企根據其自身研發實力所采用的試制總裝模式也不完全相同，對于前期研發問題較多，研發周期較短的車企而言，比起流水線模式，其更傾向采用地攤式的造車方式，這種模式下具備成本較低，靈活性高等特點，但是不利于項目管理，容易導致員工忙閑不均，整體節奏偏慢，管理難度大。這種模式的工藝流程主要包括前期研發輸入收集（管線布置圖、電氣原理、改制方案等）、BOM收集、工位定制、生產布局、人力調配。由于試制總裝的復雜性，經常出現邊界不清晰、無人認領、信息傳遞缺少有效溝通、職責部門互相推諉等現象，因此，合理的工藝流程有助于降低真空地帶的協調壓力[1]。

1.2 流程設計原則

首先是工時平衡的原則，針對員工能力水平及汽車工序復雜程度匹配相應的工時，可平衡各個工序的實際用時，隨時進行員工的調配，以解決試制總裝階段忙閑不一致的問題。其次是工序集中的原則，針對具有相同操作的工位應盡量集中，這樣有助于資源的最大化利用。通過工藝集中，可以方便不熟練的技師工人快速熟悉工藝，降低糾錯成本，增加工序效率。最后是混線生產原則，根據研發車型平臺化區分，針對不同平臺搭建不同平臺的工藝架構，并進行工位匹配。此外，還需具備及時調整功能，針對樣車試制研發問題頻出，研發零件質量和到料風險大，流程設計應包含應急可調功能。

1.3 流程設計關鍵點

一是庫位劃分。需根據BOM信息結合物流到貨情況及車間員工工作能力進行科學排布，盡可能地對物料等待時間及員工的實際有效工作時間進行優化。二是工藝編制。在試制總裝之前提前根據樣車數模進行三維虛擬裝配分析，并根據虛擬裝配規劃樣車零件的裝配工藝進行指導，讓員工在試制總裝之前得到總裝工藝指導性文件，降低因員工不熟悉新產品而造成的工時浪費及產生質量成本。三是工序安排。根據各個零件裝配的關聯性評估工序作業過程中的干擾問題，并制定合理的裝配順序，盡可能降低因零件關聯干涉而導致的工序干擾。四是工時調配。由于各大車型零件數目、零件裝配難度、整體裝配時間并不完全相同，各大車型需要細化工位及對應員工的工時，在混線生產模式中，能實現各大項目之間的縱向調配，降低員工因忙閑不一致導致的工時浪費[2]。

2 汽車試制總裝工藝技術分析

目前汽車行業試制車間往往依靠主觀經驗進行總裝工藝布局，常因員工作業能力不可量化、生產任務緊急程度不同、物料到貨風險不同等導致總裝工藝編制不細致，很大程度上影響了樣車試制階段的質量及項目管理。因此，汽車試制總裝工藝的工藝布局也需要基于員工的工作能力及具體任務進行深入研究。

2.1 員工作業水平評價體系

試制總裝工藝技術的均衡化需要先建立員工作業水平評價體系（見表1），該體系由4個一級指標、14個二級指標構成，采用系統因素分析方法對員工作業能力進行量化計算，具體的評價指標如下：①專業技術水平，包含員工技能熟練度、操作效率、質量達標率、崗位柔性度、操作規范度；②業績成果，包含員工工作完成率、技術攻關水平、技術創新能力；③勝任力，包含員工問題解決、學習創新、團隊合作、用戶思維等方面；④員工態度，包含員工違紀率、工作責任心、出勤率等。

表1 試制車間員工作業水平評價體系

由于員工作業水平的評價指標對實際作業效率產生的影響程度不一樣，因此還需采用決策實驗室分析方法（Decision-making Trial and Evaluation Laboratory簡稱DEMATEL）進行權重分析[3]，計算過程如下：

其中jpq為員工能力指標jp與能力指標jq之間的影響關系大小，J為試制車間員工能力指標初始直接影響矩陣（見表2）；T為試制員工能力規范影響矩陣，S為試制員工能力綜合影響矩陣。試制車間員工作業水平評價權重修正系數見表3。

表2 試制車間員工作業水平初始直接影響矩陣J

表3 試制車間員工作業水平評價權重修正系數

根據混合權重可計算員工作業水平水平值，表達式如下：

其中Lk為員工作業水平能級指標，Aij為指標具體分數（取值范圍0～10）。

2.2 試制總裝工藝技術布局

2.2.1 模塊化試制總裝工藝布局

模塊化工藝布局是根據不同的汽車研發車型，按不同的模塊進行分別總裝。另外一些通用部件，例如儀表、動力總成、底盤等可分別進行模塊化。以四大車型模塊化試制總裝的工藝布局如圖1所示。

圖1 試制車間模塊化試制工藝布局

單個模塊下的試制總裝工藝布局如圖2所示。

圖2 試制車間模塊化試制工藝布局

2.2.2 流線型試制總裝工藝布局

流線型試制總裝工藝布局采用類似汽車量產線的布局，自動化程度相對較低、對員工依賴性較高，生產任務安排缺乏可參考經驗[3]。流線型布局經常受生產線設備、人員不足限制，汽車企業往往因為缺乏資金導致生產線過于簡單、生產設備受限、裝配人員不足，由于移動工位數量不夠，生產節拍一般也在兩天一臺到一天一臺之間，引進費用昂貴的EMS設備性價比不高。排除以上因素，流線型工藝布局工位清晰，適合單一技能員工同一工位進行作業，進度可視化，工時測算相對準確，利于管理。但實際生產往往受汽車試制不確定因素影響，工作效率經常受到影響。試制車間流線型試制工藝布局如圖3所示。

圖3 試制車間流線型試制工藝布局

2.3 試制總裝工藝編制及工序安排

從接收項目發放的樣車需求計劃開始，試制總裝工藝需要先編制根據樣車需求計劃制定試制造車計劃、裝配工藝文件等[4]，試制部門需要在電腦上對樣車數模進行詳細評審，根據零件大小、安裝位置制定裝配關系。在完成這些裝配工作后，試制部門向現場作業員工提前下發裝配作業指導書，以此降低總裝裝配過程中的不確定性。試制裝配工藝文件如圖4所示。

圖4 試制裝配工藝文件

與此同時，還需結合現場，按照人機料法環的模式進行評估非作業時間，將各級零件及其他工位花費時間進行評估統計。其中，由于零部件大小不一，其復雜程度也不完全一致，而且由于試制階段樣件質量狀態往往不穩定，不同供應商的軟模加工能力不一致導致車身質量存在差異，后續總裝裝配時長具有較大差異。不同零件由于安裝先后關系，有些零件只有在后續關聯件安裝后才可發現質量問題，這種情況下返修難度也會明顯大于別的零件。此外，試制總裝往往沒有量產線物料擺放密集，現場物料、工具等拿取也會產生不同的時間（非增值時間），均需要考慮在內。零件裝配時間成本分析見表4。

表4 零件裝配時間成本分析表

零件裝配時間成本計算公式：

2.4 試制總裝工時調配

試制車間總裝工時調配主要受最大完工時間及員工作業利用均衡度影響，其工時調配主要遵循以下原則：員工技能柔性；員工作業水平；作業時間成本；團隊協作。

約束條件：工序不可打亂；員工作業不可被中斷；不考慮員工因疲勞導致作業效率降低。

表5 調配模型定義

員工作業利用均衡度f采用各員工作業時間與總體作業時間平均數水平的波動程度來描述（即數據的標準方差）。其中標準方差數值越小，表明車間所有員工作業時間穩定，員工忙閑一致性好，具體的表達式如下：

根據調配模型后，采用NSGA-II算法，并采用歸一加權法，定義如下：

其中，ws（s=1，2，..，）t為各目標的權重系數；f（sk）是第s個目標值f（sk）在s=1，2，..，t的歸一化值，并定義目標值函數及相關參數。

經過該算法依據某新能源汽車試制車間在建4個整車試制項目得到的工位任務分配、員工任務安排、動態問題調整方案與傳統的車間員工調度方案相比，工時調配更加均衡，員工有效工作時間更多，項目運行時間得到了顯著縮減。

3 汽車試制總裝工藝技術智能化發展

3.1 虛擬裝配技術

由于虛擬裝配技術能滿足并行工程的要求，汽車試制總裝在前期工藝編制過程中，技術人員可以根據樣車零件的虛擬裝配進行過程仿真，及時發現產品設計中的問題，并制定相關的總裝工藝，這樣不僅可以實現汽車同步工程在樣車試制階段的應用，還可以提高裝配質量和裝配效率，降低裝配成本。

3.2 柔性作業車間智能調度技術

作業車間的調度問題是生產過程中必須解決的核心問題之一，與傳統的作業車間相比，柔性車間的調度問題更加復雜，并且影響因素較多。雖然很多學者都對車間的調度問題進行了研究，但是目前仍沒有一種系統的應對方案，既可以妥善處理動態的事件，又能夠保證作業車間有較高的生產效率[5]。事實上，在實際的汽車試制過程中也會出現多種多樣的動態事件，如某臺樣車出現設計問題、緊急任務插單、樣車零部件未按計劃時間到料等。同時汽車試制又是典型的柔性作業車間，在汽車試制環節對動態因素充分評估并建立合理的數學模型和更智能的算法方面，還具有較大的提升空間。

4 結語

汽車試制在研發體系中扮演著重要角色，本文研究了總裝技術在工藝布局、工藝文件、工藝流程、工時調配等方面的優化研究，發現試制項目的過程管理往往采用相對傳統的電子文件方式，工藝流轉信息傳遞嚴重依賴紙質文件、口頭溝通或者發送郵件，工時記錄和成本核算也依靠主觀記憶。根據此類情況，文章提出利用多維度的優化措施，比如根據項目定義設置相匹配的工藝布局、任務大小及工藝順序，基于智能算法的員工調度、工時平衡，確保總裝試制業務更加傾向規范化、精細化。