跨基地跨車型車身線自主集成開發及應用

謝寧 黎琪 史敏

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

隨著經濟和社會的快速發展，市場的需求也在不斷發生變化，消費者需求越來越個性化、差異化，使當今的制造業正逐漸向多品種、小批量、用戶定制、能夠迅速響應市場變化等方向發展。又有“工業4.0”概念的提出，意味著對生產線進行改進、建立一個高度個性化和數字化的產品與服務的生產模式已是制造業謀求發展的必經之路。如文獻提到的日本豐田汽車公司的精益生產體系很好的滿足了多樣化的市場需求，國內眾多企業對精益生產的應用也越來越廣泛。柔性生產作為精益生產的新動向，是根據客戶訂單和市場需求預測組織生產的一種先進生產方式，這一生產方式能大大降低生產成本、縮短生產周期，增強企業的靈活性和應變能力。

目前已有許多學者對柔性生產進行了研究和應用，文獻研究柔性生產中人員調度問題，提出一種有效遺傳算法得到最優的人員調度方案。文獻構建柔性生產配置模型，并分析其風險及風險產生的原因，最后通過數值仿真確定有效的柔性生產配置方式。文獻基于柔性生產設計出自動磨邊鉆孔加工單元的結構，生產效率大幅度提高，生產質量明顯提升。文獻引入多種車型識別技術解決了汽車焊裝車間柔性自動化生產面臨的多車型匹配問題。文獻基于柔性生產理念，建立Flexsim模型并以此仿真結果提出改善方案，提高了生產效率和設備利用率。文獻提出基于知識的柔性生產計劃生成算法，并對面向訂單變更的生產計劃一致性問題進行了研究。

鑒于柔性生產理念在各制造領域應用的成功，針對上汽通用五菱現場車身車間生產線的建設，為了推動公司制造能力向數字化、網絡化、智能化方向轉型，打造“上汽通用五菱特色制造模式”，助力公司及汽車制造行業向智能制造發展，本文提出跨基地跨車型車身線自主集成開發方案。

2 生產線的工藝流程設計

工藝流程指通過一定的生產設備或管道，從原材料投入到成品產出，按順序連續進行加工的全過程，本章將從生產線布局和生產線BOP兩方面介紹生產線的工藝流程。

2.1 生產線布局

車身線工藝布局采用柔性布局，主線及側圍線采用的是直線型，車架中心采用“魚骨型”布局，實現了多品種柔性線的生產模式。主線和側圍的線體采用的是直線型布局，節省場地，車架中心線體的設計采用的是“魚骨”的形式，后續可以通過在預留的場地增加工位及相應的機器人，可以將節拍進行提升。國際汽車業內最小單位面積（約4942平米）可實現柔性車型最多的車身線。國際行業內第一個單一總拼工位可實現多平臺車型柔性生產的車身線。整個線體采用178臺機器人，大幅提升焊接&輸送自動化程度，側圍、車架和主線的焊點可以實現100%的自動化率，提升焊接質量和人機工程。具體LAYOUT圖見圖1所示。

圖1 生產線的布局圖

2.2 生產線BOP

根據不同車型的產品結構，按照生產線工藝布局圖，建立標準化的開發規范，編制工藝規劃和工藝設計相關企業標準，極大地提高了車身焊裝線的開發效率和開發質量。

圖2 生產線BOP

3 基于柔性生產理念的技術開發

本章提出的插拔式主定位夾具切換方案和跨基地、跨平臺車型兼容夾具方案有效的提高了生產線的柔性，又設計出雙層立體式滾床結構，節約了場地面積。

3.1 雙層立體式滾床結構的設計

針對場地問題，主要是突破思維模式，采用立體式滾床結構模式實現，上層為滾床焊接模式，下層采用回撬模式。通過小型升降機轉移滑撬。

每個工位采用圖3的結構，上層滾床為焊接工位，下層工位采用回撬工位，上層滾床通過鋼構支撐，下層滾床安裝在地面，鋼結構高度1.8m，滾床、滑撬以及白車身的高度總高約3米，不影響整體車間二層的布局。

圖3 雙層滾床結構

此種工藝布局方案主要體現在布局方式，在不改變整體車間架構以及二層機構的情況下，利用二層立體式解決了新引用“滾床+滑撬”輸送模式占地與現有場地干涉的問題。

3.2 插拔式主定位夾具切換方案

滑撬現有技術一般采用多車型夾具直接放在滑撬上，此種方案雖然可以兼容多車型，但針對上汽通用五菱產能，問題有二點：第一，在導入新車型時，需要更換舊車型的夾具，需要拆除、安裝、測量等內容，導致新車型導入時間長；第二，兼容車型數量有限，在產品迭代速度快速的今天，無法滿足上汽通用五菱對產品迭代的需求，需要兼容更多車型的主定位夾具。

采用圖4的輸送裝置切換機構，通過夾具切換庫存儲不同類型夾具，通過機器人抓取并切換滑撬現有定位夾具。其工作原理是：其中1組車架定位機構可以實現2種平臺的車型定位，當由車型1需要切換至車型2時僅需將車架定位機構的翻轉切換氣缸通氣即可實現定位基準切換，而當車身生產線導入或生產第3種或第4種車型的時候，只需要將A/B/C/D共4組車架定位機構的單元通過機器人自動切換即可實現另2種車型的柔性生產。

圖4 快速切換的車架定位輸送裝置組成機構

此種兼容模式的快速切換結構是通過圖5的燕尾蝶定位塊的子母端高精度配合及輔助快插通氣裝置，確保了快速切換車架定位輸送裝置的切換精度一致性、穩定性，進一步確保了車身的定位精度及車身焊接質量。

圖5 燕尾蝶定位塊示意圖

為了解決隨行夾具自動切換以及儲存的問題，設計建造了如圖6所示的夾具庫，將夾具庫建在主線的第一個工位空中，當第一個工位機器人將車身三大件（前車體、地板、后部下車體）從空中滑撬用抓手抓到隨行夾具前，在抓取的時候給一號工位發出車型信號。夾具庫根據發出的車型信號以及當前隨行夾具的狀態，判斷是否需要進行隨行夾具切換。

圖6 夾具庫示意圖

如圖6所示，夾具庫由上下兩層組成。下層由兩臺切換機器人、出/入庫升降機、旋轉臺以及升降滾床工位組成。切換機器人負責切換滑撬上的隨行夾具工裝；出/入庫升降機負責將新的或切換下來的隨行夾具工裝接下來或者送上去；旋轉臺主要是連接兩個升降機，并在上面完成隨行夾具工裝的切換以及隨行夾具工裝離線操作。夾具庫上層由26個庫位、堆垛機、控制柜組成。其中26庫位分在堆垛機兩側，分為上下兩層，庫位是無動力的，只能進行隨行夾具的存放，夾具庫庫位有編號，與每套隨行夾具工裝一一對應；堆垛機負責和出/入庫升降機、庫位對接，完成隨行夾具工裝的出入庫。

3.3 跨基地、跨平臺車型兼容夾具方案

夾具分為基礎部分以及專用夾具部分，要實現跨基地、跨平臺車型兼容夾具，基礎部分在生產線建設時固定在地面，而專用夾具是可以在基礎部分上切換，這樣一來，在基礎部分允許的尺寸內，任意車型的夾具都可以實現切換，從而保證車型切換的多樣性。

本文提出共4種夾具兼容方案。

夾具分為A/B面，每面有1個夾具，為實現高精度定位及工裝對接，需要設計精確定位小車進行切換，如圖7所示，小車上為側圍工裝支架，下車在地面上固定好后，側圍工裝及支架通過下車上滾輪及導向推上小車，到達后部限位塊后，前端鎖緊，定位小車可推走，定位小車是通過中間滾輪導向，兩側V向限位塊及2個插銷實現定位，此上下兩層定位可滿足工裝切換時對接操作順暢，保證工作順利開展。

圖7 精確定位小車

圖8所示的升降式基礎夾具，通過專用車型夾具送到定位上，通過偏心輪舉升機構，下降到位，保證夾具定位精度，該設備通過電機+減速機作為動力源，3根傳動軸通過滾輪連接皮帶的方式傳輸動力，除連接電機傳動軸外，其余傳動軸兩端連接1個滾輪，傳動軸與滾輪之間存在高度差，類似偏心輪原理，舉升框架四周各與一個滾輪接觸，當電機轉動，傳動軸之間通過皮帶帶動轉動，通過高度差實現托架舉升，舉升效果穩定。

圖8 升降式基礎夾具

在車型切換時，通過人工推拿圖9所示的不同車型精確料框，公國導向軌道以及到位開關檢測功能保障定位的精確及穩定性。

圖9 不同車型切換零件精確料框

圖10所示的滑臺切換結構，工裝部分通過定位銷、快速夾緊器固定為滑臺機構上。當需要切換車型時，將工裝部分 與滑臺機構脫離，并轉移至切換小車，然后推走，將另一車型的工裝部分推上滑臺機構。

圖10 滑臺切換示意圖

4 結語與展望

本文提出的跨基地跨車型車身線自主集成開發方案很好的實現了單一生產線生產多個車型、跨基地實現車型互換需求，不僅帶來了相應的經濟效益，也推動汽車行業的制造呈現多樣化發展。然而此方案還不夠完美，還有一些問題需要進一步改進。

1、插拔式夾具庫的切換時間過長，每切換一個新車型會有5臺車的產能損失

2、在保證跨基地、跨平臺兼容的過程中，各車型的切換夾具種類較大，且占地較大。