汽車焊裝生產線工藝規劃及柔性方案應用研究

引言：

隨著國內汽車總量的日益飽和，全球化經濟的快速發展，國內的新能源汽車產業逐漸把海外業務比重提高，同一車型針對不同國家及地區的法規要求差異需要區別開發，給國內工廠的生產柔性化要求帶來嚴峻挑戰，因此工廠的新車型導入項自需要在工廠建設或改造階段作出長遠且高柔性化的規劃，才能以更低的投入成本帶來更高的生產效率和投產收益。

一、焊裝白車身制造工藝分析

乘用車開發與制造主要經過沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大制造工藝流程，一塊鋼板經過各個環節的加工，最終蛻變成白車身及整車。而焊裝車間是對各分散鈑金零部件進行焊接，完成汽車骨架-白車身加工制造。因此，焊裝工藝需要從白車身的設計開始，對焊接工藝進行合理的選擇，對制造過程的精度和強度監控進行嚴格管控，同時確保零部件安裝的間隙和段差符合標準，減少不良制品的流出，最大限度杜絕產品返修以及報廢風險。

焊裝制造工藝統分為以下幾點：

板材連接工藝，統稱焊接工藝，傳統鋼材連接應用弧焊、電阻點焊方式進行焊接連接，螺柱與鋼材采用電弧焊，鋼鋁板材連接應用SPR與FDS等鉚接方式，針對外觀面連接，為保證外觀整潔，以阿普拉斯焊為代表的電容式焊接和以激光驅動的釬焊以及螺旋焊等工藝逐漸被廣泛應用。連接工藝的主要原理均為高熱量熔化板材，使不同板材通過熔融連接在一起，通過金相試驗可看出，板材之間存在的熔融體在板材連接中起到了關鍵作用。目前主流連接方式仍然以電阻點焊為主導，隨著一體化壓鑄工藝日益成熟，電阻點焊與鉚接共用使白車身的重量和制造成本同時下降。

密封壓合工藝，分為膠式密封連接和包邊壓合連接。針對板件覆蓋造成連接間隙的設計，常用結構膠代替焊點保證板材連接強度，應用密封膠對板材設計間隙起到填充密封作用。而包邊壓合連接工藝常見于開閉件和側圍輪轂區域，應用折邊膠對內外板進行填充，隨后應用滾邊設備或包邊設備對板件進行包邊壓合，在保證板件連接強度同時兼顧了外觀精致等特點。

緊固工藝，白車身的設計或多或少會應用緊固件的連接，常見應用在門蓋與白車身的鉸鏈連接。隨著新能源白車身對燃油車身的顛覆性改造，通過A柱內外板的螺栓與螺母的連接，可使乘用車在行駛過程中受到扭轉剛度，分解為連接方向的剪切力，從而由螺栓螺母的保載力確保白車身的整體強度，保障了車內乘客的安全。

二、焊裝產線規劃要點分析

產品的設計決定了焊裝制造工藝的應用，那么產品的產能要求決定了焊裝產線的布局方式和設備種類數量的投入，產線規劃無法脫離產品本身進行，同樣的，不存在一條產線能滿足所有產品生產，因此近年來，汽車企業越來越注重產品平臺化建設，通過同平臺產品的設計共用原則，能一次規劃并建成產線，隨后通過產線能力約束產品，使后續新產品依照產線適配設計，達到減少產線改造甚至無需改造的，最大限度降低產品投資成本并提高產品導入速度。

（一）產品分析及約束

正如上文提到的，焊裝白車身的結構主要由下車體、上車體和開閉件組成，其中下車體擁有最大的平臺化共用潛力。根據汽車底盤的差異，前輪常用麥佛遜式獨立懸架，這主要體現在前機艙和前地板的結構共用上，通過后地板的差異化設計，可以滿足不同乘用車長度的的需求，實現A0，A，B甚至C級車的制造。常見的兩廂和三廂車型需要常對后縱梁的長度進行增減調整，但為了滿足不同國家和地區的法規碰撞要求，除了需要在長度上進行差異化設計，還需要對后縱梁的內部增減支架，滿足不同等級的碰撞性能要求，常常先開發較長后縱梁的車型，在有設計冗余情況下縮短縱梁開發較短車型[1]。而后輪應用扭力梁式非獨立懸架或者多連桿式獨立懸架，也可在保留定位孔XYZ方向上至少2個平移自由度相同情況下，通過后地板的結構差異進行適配。

（二）工藝分配規劃

對產品分析后，根據產品加工過程中的工藝條件進行產線的工藝分配。舉個例子，常見鋼前地板的加工工藝為鋼點焊，涂膠，螺柱焊，其中鋼點焊焊點數量在130-180個范圍內，焊接單個焊點時間在 500-800ms ，算上人工/機器人移動軌跡，單個焊點總用時約為 3.2-4s 因此按180個焊點計算，僅單把焊槍的總焊接時間約為720s，但是為了實現焊接工藝，需要在焊接前進行零件合拼，零件涂膠，以及搬運移動，由此引出線體規劃節拍與工藝分配的關系。

產線規劃節拍由工廠建設產能計算，常見工廠規劃雙班年產能為5萬 ～24 萬，按全年250天工作日計算，根據節拍τ=V （年產能）/250/ ^8*2） /OEE（稼動率）公式計算，節拍約為15JPH-68JPH，換算到秒單位，則是220秒 ～52 秒生產一輛車。單工位節拍可通過T（增值時間） =T1 （規劃節拍）-T2（ 件運輸時間）-T3（工裝定位時間）..公式計算，因此產線產能越高，均攤到單個工位的增值時間將會越短，在24萬產能規劃的自動線（下面例子均以24萬產能自動線作為分析）的點定工位僅4個機器人條件下，GEO點定焊點數量僅為28個，滿足零件精度維持最低條件。常用機器人抓手搬運的生產方式，前后工位搬運定位時間至少為18秒，占到單工位節拍時間的三分之一[2]。

（三）布局規劃

JIT生產方式，在保持物質流和信息流在生產中的同步，實現以恰當數量的物料，在恰當的時候進入恰當的地方，生產出恰當質量的產品，本質上是追求無庫存，或庫存達到最小的生產管理方式。這種生產方式應用在產線規劃上，可大幅度減少零部件庫存占用空間，從而減少設備投入，進而削減投資成本。

產線上的設備與工裝均需要提前進行空間驗證，其中最基礎的驗證方式就是產線Layout的制作，車間布局僅為一張藍圖，通過對各分總成的零件生產和匯合生產，繪制出原始線框圖，而根據不同的空間輸送方式組合，可得出不同的線框圖，例如車間頂部無設計吊點，地面上常用零件臺車進行搬運輸送的鏈式生產，此時在規劃零件最短輸送距離時也要充分考慮零件物流的運送路線；若在車間頂部有設計載重吊點的情況下，可充分應用二層輸送平臺，常用滑撬或托盤進行零件輸送的島式生產，則不會對地面的零件物流造成影響[3]。

通過零件物流的進入方式和加工分總成到總成合拼線的流動線路進行定義后，則可以對產線內部的加工流程進行規劃，其中在規劃過程中，需要關注以下要點：

工裝設備的間距，這需要由選用機器人臂展進行分析，機器人搬運可達性關乎工藝方案的可操作性；

上件方式的定義，常用上件方式為人工搬運零件到上件臺進行預拼，隨后由機器人進行合拼搬運到點定夾具。自前由人工推送零件料車到指定上件口，然后由機器人通過視覺識別引導抓取零件的方式日益普遍，因此零件料車的設計需要從前期開始介入，對機器人抓手進行適配設計，并做好零件定位精度一致性的管控，將可降低產線作業人員的勞動負擔，同時產線通過高柔性化設計，能夠實現車型的快速切換。

在廠房結構的空間規劃中，廠房結構離不開廠房立柱的支撐。當產線在廠房內進行布局時，產線設備將會與廠房立柱發生干涉。若工裝設備或機器人分布在地面結構的地縫上方，那么隨著地面結構的沉降或熱脹冷縮，將會對零件加工造成精度波動影響，因此工裝設備需要盡可能遠離廠房立柱和地縫，若無法避讓，可以考慮適當增加或調整受精度影響較小的加工工位。

供能路選擇時，產線的加工過程需要使用到水、電、氣，這些能源供應方式需依據一次管道的布置方式進行走向規劃，常見一次管道均為廠房上空，通過就近原則從一次管道的接口建設二次管道引到地面，隨后水氣站通往產線內各個分設備，而電能則分別從對應二次母排連接到控制用電柜和焊接用電柜，水電氣從地面線槽走線可提高產線機器人的運動空間。其次，通過設備的水電氣用量計算一次管道引出的分支是否滿足最低標準，若無法滿足最低供水、氣流量要求或超過用電載荷，則需要從其他地方引接。

在人員作業性分析中，除了關注作業人員的節拍和作業負荷外，作業人員的步行距離和作業動作拆解也需要在產線規劃過程中考慮，常用“作業黃金擊球點”計算，最佳作業動作為轉身 45^° ，手部操作在1-1.2米高度處。

當產品的定位設備完成設計時，平面布局的Layout已無法滿足產線的更近一步規劃，此時可使用近年來廣泛使用的西門子工業軟件PDPS，通過數字孿生環境的搭建，可實現工藝方案在數字環境的完全模擬，提前確認機器人的作業可達性以及工藝流程節拍統計。當仿真模擬完成后，依據數字孿生環境建設的實際產線，誤差精度可保持在 20mm 以內，經過現實CA（CellAlignment）1和CA2測量并反導修正，誤差精度最高可達 3mm ，實現最快3個月進場施工并投產。

三、焊裝產線的柔性化方案

（一）定位方式

下車體定位孔主要分布于車身坐標Z向，上車體定位孔主要分布在Y向，四門兩蓋則是不規則的X、Y、Z向進行定位，因此在乘用車外造型日益差異化的未來，將會對產線柔性化定位方式的要求越來越高。

（二）柔性化方案

目前市場上的成熟柔性方案主要有：

翻擺氣缸夾緊：對不同零件造型面進行夾頭差異化設計，通過分布式氣缸分別切換，俗稱“鋼琴鍵”，實現對不同車型使用不同定位與夾緊單元的柔性化切換方式，針對規劃車型數量較少或產品擁有共用面的問題，可實現以較小空間滿足多車型共用的要求；

轉臺切換：轉臺主要原理為變頻器控制伺服電機，通過翻轉兩面體/三面體/四面體夾具進行車型切換，針對零件尺寸差異較大，合拼方式較為復雜的產品有更大優勢。

伺服電缸切換：應用伺服電機驅動電缸活動，實現最高重復精度 0.1mm 的單方向移動，通過電缸的組合，可部署在搬運抓手或定位夾具上，滿足電缸行程內XYZ三個自由度的產品差異柔性化切換；

夾具庫切換：面對定位方式復雜，零件尺寸差異較大的合拼定位工藝，由其以車身總拼工位為主，常用夾具庫形式切換不同夾具，輔助以GATE形式合拼，實現從小車身到大車身的定位合拼。此外，為提高車型切換效率，可選用大功率伺服電機牽引切換，實現30秒內無縫切換夾具[4]。

多軸機器人切換：NClocator作為當前成熟的三軸伺服電缸切換解決方案，滿足XYZ三個自由度的定位切換，近期市場上陸續出現了應用6軸甚至9軸的機器人用作零件定位方式，以傳統工業機器人的 0.05mm 重復定位精度為基礎，對比3軸活動空間實現更多的6個自由度位置變換，實現更高的定位精度和柔性化程度。

視覺引導定位：針對滾床 + 滑撬形式輸送分總成或白車身進行定位焊接和增打焊接工藝，使用多組線激光或3D攝像頭進行掃描定位，通過系統計算部件位置偏差度并發送至機器人進行軌跡修正，實現部件 20mm 偏差范圍內的焊接軌跡修正的焊接柔性方案。

四、結論

隨著國內車企在出擊海外市場過程中的集中轉型，在有限的時間、空間和投資背景下，投資降本將從產品級走向技術級，因此焊裝車間的高柔性化工藝規劃工作將會愈發重要。

參考文獻：

[1]鞠曉鋒.車身平臺化開發策略研究[J].汽車技術，2012，（02）：7-10.

[2]袁世武.東風本田二工廠10萬臺車身柔性焊裝線工藝設計和應用[J].汽車工藝與材料，2013，（04）：1-8.

[3]池培培.白車身柔性焊裝線工藝規劃設計的應用要點分析[J].汽車實用技術，2021，46（19）：144-147.

[4]李魯彪.白車身柔性總拼工位研究[J].環境技術，2021，39（03）：198-203+209.