【技术帖】汽车焊装工艺规划模型初探
关键词：工艺规划 标准工艺 虚拟设计 平面布局
在汽车工厂中，焊接生产线相对于涂装线和总装线来说，刚性强，多品种车型的通过性差，每更新换代1 种车型，必然带来大份额的投资改造。因此，焊装工艺规划受到国内外汽车制造业的广泛重视。
选取有代表性3 家车企的焊装车间进行对标，针对工艺规划重要度高、影响大的规划技术指标进行分析，对标技术指标[1]见表1。
对标发现，世界一流车企的产品平台模块化程度非常高，与之对应的工艺规划易于实现标准化，形成标准工艺，并且其标准工艺经过多个生产地的不断实践和验证，其白车身质量的一致性好，市场不良反应少。虚拟设计在工艺规划中的应用高，生产准备流程中包含数字化验证的时间节点。平面布局有固定的模式，区域划分合理，布局紧凑，物流交叉少[2]。
表1 规划技术指标分析[1]
对标基础上，从标准工艺、虚拟工艺设计和平面布局3 个方面对工艺规划进行分析，进而提炼工艺规划的主要影响因素。
标准工艺的重要性在于：通过标准化设计、标准化设备、标准化工艺流程和标准化质量控制，实现高效的资源配置，提高产品质量，提升工作效率，缩短生产准备周期，降低成本。
如通过对伺服焊钳结构进行优化，工艺方案设计中控制焊钳种类，并分析焊钳选型对焊点质量的影响，项目前期定义合适的焊钳库，在工艺设计时合理分配焊点，通过提前进行计算校验及焊接参数计算后选择焊钳压力，有效控制特殊焊点，可显著减少焊钳种类及相关备件数量，降低投资成本，缩短焊接质量优化时间，提高生准效率[3]。
标准工艺包括标准设备、非标设备、工艺装备、工位器具和质量标准等，其应用举例如表2。
表2 标准工艺举例
不同车企的标准工艺不同，成熟度也不相同。日本跨国汽车公司标准工艺性能价格比高，比如全球车身装焊GBL 线（Global Body Line）实现在全球的生产设备、生产工艺流程和质量管理3 个标准的统一。将产品不合格率降低到了最低限度，提高全球竞争力。迅速应对市场变化，跟上消费者的需求；GBL 能够导入动态生产计划，这种根据需求多少适量安排生产的方式，减少库存，降低成本。能够短期内追加、替换、补充世界水平的车种，可以确保丰田的全球名牌品质；维修成本低，生产运营管理简单。
4.1 虚拟制造技术
建立数字化制造管理平台，实现主数据在工艺开发（SE、CAE 等）、数字化车间设计、生产制造各阶段的同源共享。数字化虚拟制造是关联数字化车间与实物车间的关键途径，缩短生准周期、降低成本、提高质量是搭建数字化制造管理平台的主要目的，其利用计算机技术虚拟仿真产品生命周期中的设计、制造、装配、质量控制和检测等过程，可在计算机虚拟环境中对整个生产过程进行仿真、评估和优化，从而实现产品在虚拟环境中由设计到制造的转化过程。利用数字化工艺平台检验生产制造过程中的可行性，规划生产设计方案，提前发现并解决实际生产中可能出现的问题，提高生准规范设计方案的可靠性，从而实现产品的快速、低成本和高质量的生产制造。
通过建立逼真的虚拟现场环境，对生产线和单个生产工位的每个操作、工作内容、工装设备等进行整体工艺规划，实现生产工艺过程的优化[4]。图1 为工艺规划平台结构模型。
建立数字化虚拟制造体系要开展以下工作：
a.建立软件平台；
b.建立数字化工艺规划标准；
c.建立各专业工艺资源数据库模型；
d.开展工艺规划软件应用；
e.建立虚拟试生产实验体系。
4.2 虚拟制造过程
在项目前期，利用软件平台进行焊装工艺规划，涉及的关键技术主要包括：
图1 工艺规划平台结构模型
a.工艺结构化，支持产品、工艺、产线、资源相关联；
b.具备检查产品零件是否全部分配到装配工艺结构的分析功能,并可在三维环境中快速显示差异零件；
c.工艺结构可利用典型工艺模板或过去类似产品工艺快速建立；
d.设备、工装可快速从资源库中检索，并添加至指定工位或操作；
e.基于工时分析，对工艺顺序进行优化，灵活调整工艺顺序；
f.结构化工艺继承产品配置信息，可根据产品配置过滤出对应的工艺；
g.三维环境下进行生产线布局设计；
值得一提的是，随着朋友圈等亲友推荐影响力增强，55%的年轻父母会通过微商途径购买商品，而这个数据在2016年调研报告中仅有13%。不过，不同层级的城市对待微商的态度也截然不同：一线城市年轻父母最不愿意在微商购买商品，而五线城市年轻父母对微商的接受程度最高。
利用软件平台文件作为招标介质进行项目招标，整个过程均实现统一的全数字化的数据交换[4]。
招标完成后，进入设计制造正式启动阶段。按照技术任务要求进行详细工艺规划，这个阶段同样需利用数字化工艺规划平台系统来开展工作。进行详细工艺规划的工作目标是要结合开发车型的生产纲领、节拍、自动化程度、投资预算等对白车身的上件工艺顺序、焊点分配、节拍计算、工艺设备布局、物流等方面进行分析和验证，同时利用相关仿真软件平台对生产线、工装设备、机器人等进行详细的模拟仿真、验证、优化，以满足焊装制造工艺的可行性，优化生产线平面布局，优化产品物流传递，实现焊装高效率生产及高品质制造。
在平面布置图设计过程中，按照从小到大的总成生成方向进行物流和存储区域的规划，其原则为：在基础级线体内尽量组装较少的总成件；边缘区域集中放置物流密集且种类较多的单件和小总成；各生产区域间设置缓冲，并适当采用自动化运输设备。
物流是平面布置图设计优先考虑的第一要素，因为其随着工艺车间生产节拍变化而不断受到拉动，不断流动，是活动的、需要预判和模拟仿真的因素，而车间内的其他因素，如道路、设备和工装等相对静止，相对易于布置。
为评价平面物流方案，创建了工艺车间每辆车的内制周转量公式，每辆车的内制总成周转量计算如下：
式中，∑为表示装配一辆车所需要的每个总成的线间移动的物流量之和；Qi为每生产一辆车在工艺车间各个生产线间的送料方向上所有总成件的单向的物流总量，在保证安全、质量和生产运行的前提下，越小越好；Vw为每个总成料箱体积；Dh为水平移动距离；Da为高度移动距离；Ns为料箱中总成套数，料箱可以是料车、吊具、非生产工位上的滑橇等线间输送器具。
影响每辆车的内制总成周转量Qi 的因素较多。在其他要素不变的条件下，每小时生产合格车的数量JPH 越大，生产线的工位数量越多，运输距离相对较长，故周转量Qi随着JPH 的增加而提高；同样，加工深度和焊装车间至涂装车间、生产线间缓存数量与周转量Qi成正比，料箱收容数量与周转量Qi成反比。
h.开发后的结构化工艺，可直接加载至仿真工具，进行工艺的动态验证、优化编辑。仿真后的工艺优化结果，可存储并更新原有工艺。
生产线设计追求工艺连接、夹紧定位、工艺技术等标准化及模块化，与产品设计一起控制零件和总成的种类，降低成本，协同生产，缩短车身通过车间的时间。
上件区域的规划设计：优先考虑生产工人负荷状况；设备负荷和零件走向以工人为出发点进行优化；上件区域紧密集中化布置，便于作业组合和改善。
设备区域的规划设计：在保证节拍的前提下，工作量最大化设计；评价工人和设备（包括机器人）的负荷率；工装尺寸在满足功能的前提下最小化；工艺步骤保持线性或直角性布局；保证工艺的可靠性来减少内部储备。
经过工艺分析、设计确定生产线后，根据工艺流程布置生产线，考虑设置物流及人行或参观通道。平面布局模型如图2 所示。
图2 焊装车间平面布局模型
对标与分析，建立工艺规划要素集，打造车身极致工艺平台，如图3 所示。
建立由47 个要素组成的工艺规划模型，分为基础、标准工艺、虚拟设计、平面布局4 大部分。基础部分包含产品平台模块化、安全、JPH 等10 个要素；标准工艺部分包含工艺流程、标准设备、非标设备等13 个要素；虚拟设计部分包含软件、数模、设计规范等11 个要素；平面布局部分包含外物流出入、内物流方式、工序流程图等13 个要素。
焊装工艺规划涉及的连接技术种类多，生产设备和工装数量大，考虑的因素非常繁杂。那么，提出SQTC 工艺规划评价法评价工艺规划方案。
图3 工艺规划要素集
创建了工艺规划定量评价的核心要素表，见表3。
表3 工艺规划定量评价核心要素表
表中投资栏说明，在年产7万辆汽车项目中，每焊接当量工艺投资标准值X为0.15元；在年产10万辆汽车项目中，每焊接当量工艺投资标准值X 为0.13元；在年产20万辆汽车项目中，每焊接当量工艺投资标准值X为0.11元。标准值X随着生产纲领的增加而降低，这是由于规模效应造成的投资降低。
在安全、质量、效率和投资4 大类众多影响工艺规划的指标中，选取6 个主要要素建立定量分析模型，按照其重要程度分配权重百分比，创建SQTC 工艺规划评价法，其指数Pe系列公式如下：
分项公式：
式中，Ns为安全要素个数，包含设备安全、安全设施、消防安全、环境保护、职业卫生、人车分离、安全标识、安全通道和安全距离，共9 个要素，故安全要素标准值为9。
式中，Pc为白车身精度对比率；Pb为白车身精度。
式中，Ic为虚拟设计覆盖率；Nv为虚拟设计要素个数，包含虚拟设计要素：软件平台、设计规范、资源库、数据库、变更管理、人机工程、三维平面布局、模拟仿真、虚拟调试和协同设计，共10 个要素，故虚拟设计要素标准值为10。
式中，Cc为每焊接当量工艺投资对比率；Iw为每焊接当量工艺投资，单位是元；X为投资标准值，单位是元，标准值以世界先进车企为标杆选取数据，其目的是发现差距，促进行业进步。
综合公式：
式中，Pe为工艺规划评价指数，是综合性分析安全、质量、效率和投资4 方面的评价指标。
工艺规划评价指数Pe系列公式相辅相成，综合公式反映工艺规划的全貌，分项公式反映某一方面的情况。
为了应用SQTC 工艺规划评价法判断哪个工艺规划方案更好，创建了工艺规划评价指数Pe合理性区间（图4），划分成3 个区域：A 区域为工艺规划合理区，Pe系列指标在此区间为合理；B 区域为工艺规划风险区，Pe系列指标在此区间时，规划存在风险；C 区域为工艺规划危机区，Pe系列指标在此区间时，规划存在危机，应该修改规划。
图4 规划评价指数Pe合理化区间
表性的5 个车间，进行工艺规划评价方法的验证，具体对比数据分析见表4。
表4 工艺规划评价数据对比
通过5个典型案例数据在工艺规划评价指数Pe合理性区间图4 中的分布情况，可以看出4 个车间的评价指数Pe在合理区间内，其中H车间的评价指数Pe处于危机区间，实践调研发现其产品平台模块化弱、工艺装备柔性化一次性投入大，且生产纲领低，达不到经济规模。H车间的单项指标，每焊接当量工艺投资对比率Cc为1.49，大大超出危机区，导致评价指数Pe处于风险区，符合实际情况。
综上，工艺规划评价指数Pe评价方法和公式在实际运行的工厂应用验证表明，SQTC工艺规划评价法合理、可用，具有评价和指导工艺规划的作用。
采用对标先进汽车合资企业工艺规划的方式，调研3 家著名企业的焊装车间，现地现物研究工艺规划的技术参数和指标，提炼出工艺规划的3 个主要方面：标准工艺、虚拟设计和平面布局，绘制了焊装车间平面布置图模型，创造性提出车间物流量计算公式。创建由47个要素构建的工艺规划模型，分为基础、标准工艺、虚拟设计、平面布局4大部分。
总结提出SQTC 工艺规划评价法，归纳出工艺规划评价指数Pe系列公式7 个，画出工艺规划评价指数Pe合理性区间图，划分出合理、风险和危机3个区域，用于判断工艺规划的合理性。选择5 个代表性车间进行工艺规划评价验证，得出SQTC 工艺规划评价法是可行的。
工艺规划模型具有时效性。随着一些先进新材料、新设备、新工艺和新技术的逐渐成熟，性能价格比的不断提高，需要将其加入标准工艺，实现标准工艺的更新换代。工业互联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术与制造业深度融合，必然带来虚拟设计和平面布局的进步，促进工艺规划模型的升级。
SQTC 工艺规划评价法具有实践性。需要在不同企业和焊装车间进行实际应用，发现问题，寻找不足，持续改进和完善。
来源：期刊-《汽车材料与工艺》；作者：李文忠 王子欣 魏伟 徐赫唯 毛柏吉 王曼华