矩陣化生產(chǎn)Cube-Tec新技術(shù)

摘要：生產(chǎn)個(gè)性化的產(chǎn)品系列是工業(yè)4.0的重要組成部分，通過矩陣式生產(chǎn)，可以在工業(yè)大量生產(chǎn)的條件下毫無限制地得以實(shí)現(xiàn)，自動導(dǎo)向搬運(yùn)車AGV進(jìn)一步提升了定制化生產(chǎn)的可靠性和轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的物料運(yùn)輸方式。Cube-Tec技術(shù)的引用，可極大地降低項(xiàng)目的投資成本、廠房占地面積，提高設(shè)備自動化率，為首都經(jīng)濟(jì)的高精尖產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整貢獻(xiàn)力量。

關(guān)鍵詞：柔性化；矩陣式生產(chǎn)；Cube-Tec

項(xiàng)目前提

基于消費(fèi)者日益增長的消費(fèi)需求變化，未來汽車行業(yè)對汽車生產(chǎn)的多品種、小批量的要求會越來越高?！肮I(yè)4.0”戰(zhàn)略的出現(xiàn)，為汽車行業(yè)更快更好地發(fā)展以及更好地適應(yīng)市場競爭要求提供了更有利的解決方案。北京奔馳某工廠以智能制造工廠為目標(biāo)，采用MPS先進(jìn)生產(chǎn)理念，緊跟先進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)全球化、智能化發(fā)展，計(jì)劃發(fā)展為全國首屈一指的智能化工廠。

現(xiàn)有生產(chǎn)線根據(jù)市場不斷需求變化來生產(chǎn)，產(chǎn)品多、個(gè)性強(qiáng)、多樣化，而要滿足這一生產(chǎn)需求，勢必要建立多條流水生產(chǎn)線，由此而帶來不同的生產(chǎn)線經(jīng)常停工，生產(chǎn)成本過高。比如Z1和Z2生產(chǎn)線夾具工裝、抓手、上件臺及SLT精度料框等都為定制的專用設(shè)備，當(dāng)生產(chǎn)線多車型集成（見圖1）時(shí)，占地面積大、浪費(fèi)生產(chǎn)場地；Z2.2側(cè)圍外板和地板合拼工位車型切換時(shí)，F(xiàn)ramer夾具切換浪費(fèi)生產(chǎn)節(jié)拍；現(xiàn)有線體規(guī)劃時(shí)，一般為某幾種車型特意設(shè)計(jì)的線體，但是遇到產(chǎn)品更新?lián)Q代時(shí)，這條生產(chǎn)線就需要進(jìn)行較大的改造……以上因素都限制了現(xiàn)有生產(chǎn)線個(gè)性化產(chǎn)品的生產(chǎn)。

1.柔性化生產(chǎn)概述

傳統(tǒng)的剛性汽車生產(chǎn)方式，因成本高、制造產(chǎn)品單一等不足，早已無法適應(yīng)當(dāng)前汽車市場快速發(fā)展的潮流。目前主流的生產(chǎn)方式均已采用單一平臺下的多款產(chǎn)品共線生產(chǎn)，以此來降低物流投資、設(shè)備投資及基建面積的占用。具體來說，單一平臺下的柔性化生產(chǎn)方式，在規(guī)劃設(shè)計(jì)初期即要求在同一個(gè)車間，一條生產(chǎn)線可同時(shí)滿足同一平臺下多種車型的生產(chǎn)，各種通用設(shè)備和公用工程設(shè)施一次投入，永久性使用，因此大大地降低各種浪費(fèi)，使用效率也被提高。

同時(shí)，在每開發(fā)一個(gè)新車型時(shí)，只需要有針對性的增加新車型需要的專業(yè)設(shè)備模塊，將原有的通用設(shè)備進(jìn)行一定的改造，滿足新車型的需要，調(diào)試各種共用化程序即可。這樣不僅降低了多車型生產(chǎn)線的投資成本，也加快了同一平臺產(chǎn)品的迭代速度。

北京奔馳某項(xiàng)目結(jié)合未來市場的不確定性，考慮最優(yōu)化利用產(chǎn)能，將電動車EVA2平臺、MRA后驅(qū)車平臺及MFA前驅(qū)車平臺產(chǎn)品，通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝及采用新技術(shù)的工藝輔助設(shè)備等方式，形成多平臺、多款產(chǎn)品的共線生產(chǎn)。在推進(jìn)新能源及傳統(tǒng)燃油車共線生產(chǎn)的過程中，會涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多樣化導(dǎo)致的零部件種類繁多，產(chǎn)品性能表現(xiàn)的不同而產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝差別，以及共平臺生產(chǎn)帶來的焊接工藝及裝配工藝的改變等。柔性化生產(chǎn)就是通過對這些問題的有效解決，以最低投資實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的最優(yōu)利用，從而適應(yīng)市場的變化。這在北京奔馳的工藝規(guī)劃歷史上尚屬首次。

2.“大規(guī)模生產(chǎn)”和“大規(guī)模定制”對比

社會進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，使得各種消費(fèi)品從供不應(yīng)求發(fā)展到現(xiàn)在供大于求，如何在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品基本功能的前提下，還能滿足客戶需求的個(gè)性化，成為我們努力的新方向，由此“定制化”將成為未來的趨勢，同樣汽車制造也將從“大規(guī)模生產(chǎn)”發(fā)展到“大規(guī)模定制”，兩種生產(chǎn)方式的對比如圖2所示。

工藝規(guī)劃舉措

通過分析不同平臺車型產(chǎn)品差異，結(jié)合現(xiàn)有各平臺工藝規(guī)劃體系及工廠實(shí)際，在“同一品質(zhì)，同一標(biāo)準(zhǔn)，同一團(tuán)隊(duì)”運(yùn)營理念的指引下，在分析和優(yōu)化生產(chǎn)布局、資源利用率、產(chǎn)能和效率、物流和供需鏈等需求的基礎(chǔ)上，積極探索實(shí)現(xiàn)新能源車型EVA2平臺和傳統(tǒng)燃油車型MFA平臺、MRA平臺最大限度柔性化生產(chǎn)模式。

在實(shí)施路徑上，某項(xiàng)目基于亦莊工廠的成功實(shí)踐，引入汽車智能制造前沿技術(shù)，建造智能制造系統(tǒng)與IT系統(tǒng)深度融合的智能工廠，并在物流信息化、生產(chǎn)智能化、管理數(shù)字化的基礎(chǔ)上，規(guī)劃橫跨三大平臺的最大限度柔性化生產(chǎn)。

1.順義裝焊車間柔性措施

某項(xiàng)目裝焊車間現(xiàn)規(guī)劃兩條生產(chǎn)線，第一條為前驅(qū)車MFA平臺生產(chǎn)線，規(guī)劃產(chǎn)能15JPH；第二條為電動車EVA2平臺和后驅(qū)車MRA平臺生產(chǎn)線，規(guī)劃產(chǎn)能30JPH。在具體實(shí)施路徑上，電動車EVA2平臺和后驅(qū)車MRA平臺產(chǎn)品的Z1、Z2、Z3 HOP及裝配線完全共線，機(jī)蓋線及完成線則為電動車EVA、后驅(qū)車MRA和前驅(qū)車MFA三平臺共線（規(guī)劃布局圖見圖3）。

其中車門生產(chǎn)線和機(jī)蓋生產(chǎn)線均采用車型批量切換柔性化方式，規(guī)劃時(shí)考慮區(qū)分不同車型的共用設(shè)備和專用設(shè)備，具體為：所有的機(jī)器人、PLC等控制設(shè)備，連接設(shè)備包括壓鉚設(shè)備、激光焊設(shè)備、涂膠設(shè)備等規(guī)劃為共用設(shè)備，無法通過規(guī)劃整合的設(shè)備包括定位工裝和抓手，作為車型專用設(shè)備，不同車型生產(chǎn)時(shí)只需要切換定位工裝和抓手即可實(shí)現(xiàn)車型切換。

而Z1和Z2線體需結(jié)合EVA2平臺和MRA平臺車型，若按照傳統(tǒng)生產(chǎn)線進(jìn)行規(guī)劃，則需占用大量的工廠面積，不同平臺車型難以切換或無法實(shí)現(xiàn)。因此基于遠(yuǎn)期及大規(guī)模定制規(guī)劃的需要，順義項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)計(jì)劃引進(jìn)奔馳智能化全柔性矩陣式生產(chǎn)技術(shù)（Cube-Tec），將電動車EVA2和后驅(qū)車MRA平臺共線的Z1和Z2區(qū)域采用了目前世界上最先進(jìn)的矩陣式生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)了跨平臺的柔性化生產(chǎn)，該規(guī)劃方案也體現(xiàn)了智能制造的理念。

“工業(yè)4.0”的生產(chǎn)模式可以大概總結(jié)為“智能生產(chǎn) + 智能工廠”模式。智能化的目的是解決柔性制造和個(gè)性化定制生產(chǎn)中的復(fù)雜性問題，而自動化的目的主要是提高生產(chǎn)效率，提供對于工人無法勝任的工作的解決方案，并降低成本?；谄囆袠I(yè)現(xiàn)狀及生產(chǎn)特點(diǎn)，是目前非常適合實(shí)行智能化制造并較快實(shí)現(xiàn)高度自動化乃至達(dá)成“工業(yè)4.0”概念的設(shè)想。

Cube-Tec矩陣化生產(chǎn)概念是打破原有的汽車車身制造工藝，概念性地提出不再區(qū)分四大工藝生產(chǎn)，而是使用能夠滿足未來生產(chǎn)的小批量、多品種的汽車車身模塊化制造，利用便捷的無人駕駛車物流概念，為更好地滿足消費(fèi)者日益增長的個(gè)性化購買需求，提供全方位的工廠解決方案。

2. Cube-Tec矩陣式生產(chǎn)的原則

通過使用奔馳Cube-Tec智能化全柔性矩陣式生產(chǎn)技術(shù)，使極具適應(yīng)能力的生產(chǎn)過程成為現(xiàn)實(shí)在整個(gè)工藝流程和生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)，如圖4所示。設(shè)備可以自己依據(jù)生產(chǎn)訂單自動改裝對應(yīng)的產(chǎn)品類型，無需等待、無需停產(chǎn)。

生產(chǎn)個(gè)性化的產(chǎn)品系列是“工業(yè) 4.0” 的重要組成部分，通過矩陣式生產(chǎn)，可以在工業(yè)大量生產(chǎn)的條件下毫無限制地得以實(shí)現(xiàn)。矩陣式生產(chǎn)可將任意數(shù)量的類似生產(chǎn)單元?dú)w置在一個(gè)網(wǎng)格上。所有的生產(chǎn)單元配備不依賴于產(chǎn)品的裝備和產(chǎn)品特有的基本功能性。

在這些單元內(nèi)部有一個(gè)用于放置零件的轉(zhuǎn)盤、工具架和能夠執(zhí)行相應(yīng)工藝的機(jī)器人。通過工藝特有的裝備可以對這些生產(chǎn)單元進(jìn)行個(gè)性化擴(kuò)展。焊接、粘接、沖壓、釬焊和釘固，幾乎可以整合所有工藝（見圖5）。

3.物流與制造相分離原則

傳統(tǒng)物流零部件輸送主要靠廠內(nèi)叉車及牽引車，人工分揀到工位，輸送效率受人工影響因素大，適應(yīng)少品種多批量，但是不適應(yīng)大規(guī)模定制化生產(chǎn)。

在工業(yè)4.0時(shí)代，為了緩解負(fù)載峰值或平衡資源瓶頸，人們需要極具適應(yīng)能力的解決方案。通過可配置的生產(chǎn)單元、借助自動導(dǎo)向搬運(yùn)車（AGVs）進(jìn)行零備件和工具運(yùn)輸，以及物流和生產(chǎn)的分離，矩陣式生產(chǎn)將成為決定性的競爭因素。獨(dú)立行駛的AGVs（見圖6）借助可個(gè)性化配置的吊具（LAM）固定和運(yùn)輸各種不同的零件或工具。在矩陣式生產(chǎn)中，物流過程與制造過程相分離——這是工業(yè)4.0的核心要求。在這個(gè)理念下，以可變零件物流為特征的裝置隨時(shí)都能夠在達(dá)到峰值時(shí)靈活地轉(zhuǎn)換到其他單元。

此外，它還可以鏈接額外的其他單元，或者從這個(gè)工藝過程中脫離，卻不會造成價(jià)值創(chuàng)造鏈中斷。物流與生產(chǎn)過程的邏輯連接通過軟件實(shí)現(xiàn)。通過高度靈活的矩陣式生產(chǎn)理念，Cube-Tec技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)范圍內(nèi)堅(jiān)決地貫徹了工業(yè)4.0的要求，EVA2裝焊車間物流規(guī)劃理念如圖7所示。

4. Cube-Tec矩陣式生產(chǎn)特點(diǎn)

1）通過使用AGVs，以可變零件物流為特征的系統(tǒng)隨時(shí)都能夠在達(dá)到峰值時(shí)靈活地轉(zhuǎn)換到其他單元。

2）通過動態(tài)的改變工藝路線和定制化的工具來適應(yīng)不斷變化的產(chǎn)品類型。

3）設(shè)備的使用生命周期同某一款產(chǎn)品的生命周期脫離，最大化利用生產(chǎn)設(shè)備的價(jià)值。

4）可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制，工廠生產(chǎn)批次的大小不會影響到其產(chǎn)品的利潤率。

“矩陣式生產(chǎn)”理念使將來在工業(yè)尺度上極具適應(yīng)能力的生產(chǎn)過程成為可能，在整個(gè)工藝鏈上實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)。設(shè)備可以自己“飛速地”自動改裝為適于其他不同的產(chǎn)品類型，無需等待、無需停產(chǎn)。生產(chǎn)個(gè)性化的產(chǎn)品系列是工業(yè)4.0的重要組成部分，通過矩陣式生產(chǎn)，可以在工業(yè)大量生產(chǎn)的條件下毫無限制地得以實(shí)現(xiàn)。

5. Cube-Tec技術(shù)應(yīng)用

Cube-Tec技術(shù)為奔馳公司開發(fā)的最先進(jìn)、最前沿的柔性生產(chǎn)制造技術(shù)，目前僅在德國工廠應(yīng)用。北京奔馳順義工廠為首次在德國本土以外推廣使用此項(xiàng)智能技術(shù)，符合北京“科技創(chuàng)新中心”的功能定位、響應(yīng)首都高精尖產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)構(gòu)建號召的高端制造產(chǎn)業(yè)基地。

創(chuàng)新與收益

通過Cube-Tec技術(shù)引進(jìn)和使用，裝焊EVA2生產(chǎn)線Z1/Z2線體自動化率將達(dá)到100%，極大降低了工廠HPV值。通過對德國工廠和順義工廠EVA2生產(chǎn)線的對比，北京奔馳在同樣30JPH節(jié)拍和同樣生產(chǎn)線產(chǎn)量規(guī)模的前提下，合理規(guī)劃布局、分析，節(jié)省工廠占地面積21 000m2，極大地降低了土地成本、設(shè)備成本、人工成本，將為北京奔馳作為奔馳集團(tuán)標(biāo)桿工廠貢獻(xiàn)一份力。

結(jié)語

通過Cube-Tec新技術(shù)的應(yīng)用，匠心打造北京奔馳最高裝焊自動化率，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高設(shè)備利用率和員工勞動生產(chǎn)率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低HPV，在奔馳集團(tuán)實(shí)現(xiàn)標(biāo)桿工廠。

通過引進(jìn)國際先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和工藝標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在不同車間及區(qū)域應(yīng)用模塊化生產(chǎn)及智能制造的先進(jìn)技術(shù)，將順義工廠打造為北京奔馳新能源汽車生產(chǎn)基地和傳統(tǒng)能源高端品牌制造產(chǎn)業(yè)基地。在集團(tuán)的大框架下，既加快了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，又增強(qiáng)了集團(tuán)的全球品牌影響力，同時(shí)也將拉動產(chǎn)業(yè)升級，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增加周邊就業(yè)機(jī)會，從而產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚磊，范青山，杜坤．柔性化焊裝生產(chǎn)線的應(yīng)用[J]．汽車工藝與材料，2015（02）：9-12．

[2] 孫威春. 汽車車身柔性裝焊生產(chǎn)線探討[J]. 汽車技術(shù)，1997（12）：21-24.

[3] 許小雷，田見，譚小松，等.裝焊模塊化生產(chǎn)島的開發(fā)應(yīng)用[J]. 汽車工藝師，2022（7）：10-13.