系統(tǒng)工程在汽車焊接生產(chǎn)線自主開發(fā)集成中的應(yīng)用

潘啟斯，覃家仁，黃燕清

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

系統(tǒng)工程在汽車焊接生產(chǎn)線自主開發(fā)集成中的應(yīng)用

潘啟斯，覃家仁，黃燕清

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

通過寶駿630汽車車身焊接生產(chǎn)主線的開發(fā)集成實踐，簡述了系統(tǒng)工程在汽車車身焊接生產(chǎn)線的自主開發(fā)集成中的應(yīng)用，具有實際指導意義及應(yīng)用參考價值。

汽車車身；焊接生產(chǎn)線；自主開發(fā)集成；系統(tǒng)工程

隨著全球汽車行業(yè)的快速發(fā)展和市場競爭的激烈，制造技術(shù)已經(jīng)成為汽車工業(yè)的核心競爭力之一。上汽通用五菱汽車股份有限公司為保持“低成本高價值”這一優(yōu)勢，在大力推進新產(chǎn)品開發(fā)的同時，不斷提升汽車焊接生產(chǎn)線的自主開發(fā)集成能力。從單一焊接拼臺到整條焊裝生產(chǎn)線，再到多個產(chǎn)品的柔性共線，不斷嘗試和超越自我，并獲得了成功。

汽車焊接生產(chǎn)線就是一典型的工程系統(tǒng)，怎樣把千頭萬緒的工作最后綜合成一個技術(shù)上先進、經(jīng)濟上合算、研制周期短、能協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的一個系統(tǒng)就是系統(tǒng)工程要解決的問題。

目前國內(nèi)外的汽車公司基本都是將焊接生產(chǎn)線的開發(fā)集成工作外包給供應(yīng)商完成，而我們公司是自主開發(fā)汽車車身的焊接主線，并在第一款乘用車——寶駿630上進行了第一次包括焊接機器人在內(nèi)的車身焊接線全自主集成，對我們而言，這是又一項充滿挑戰(zhàn)的系統(tǒng)工程。

1 汽車焊接生產(chǎn)線自主開發(fā)集成中碰到的難題

乘用車與商用車的又一重要區(qū)別是車型多、換型快，在焊接生產(chǎn)線上，通常采用往返穿梭式和蝴蝶旋轉(zhuǎn)式來進行不同車型的側(cè)框切換，而這兩種方式都要長約23個工位、寬約3～4個車身生產(chǎn)線寬度的區(qū)域。而我們寶駿630的車身焊接生產(chǎn)線短期規(guī)劃只有一條長僅能布下11個焊接工位、寬為一個車身生產(chǎn)線寬度的車身焊接主線區(qū)域。

由于需要多車型共線，那么也會引出多種頂蓋的上線的問題。當前汽車行業(yè)中常見的同一車型平臺的三廂、兩廂、MPV都是共線的基本車型，這些車型在下車體部分基本沒有較大差異，但頂蓋是每個車型都不一樣，從這個條件看，在同一工位上傳統(tǒng)的自行小車上料方式（見圖1）基本無法滿足多頂蓋上線和精確定位的要求。

圖1 自行小車上料方式

乘用車的車身結(jié)構(gòu)比商用車復雜，特別是在衣帽板與側(cè)圍、后輪罩與下車體間的焊點跨度和角度很大，要求焊鉗的喉深大于或等于1m，同時轉(zhuǎn)動空間受限，若采用人工焊接會非常困難。正是在這種背景下，考慮用機器人焊接代替人工焊接。同時面對多個系統(tǒng)的全新引進和使用，增加了整線控制系統(tǒng)的集成難度。

2 利用系統(tǒng)工程解決難題

面對上述難題，公司的開發(fā)策略是：在已有的車身焊接生產(chǎn)線設(shè)計開發(fā)的基礎(chǔ)上，進一步掌握乘用車焊接生產(chǎn)線整線全系統(tǒng)自主集成開發(fā)的核心技術(shù)，徹底改變以往柔性化不夠、無機器人焊接、大型控制系統(tǒng)在設(shè)計集成上對供應(yīng)商依賴的被動局面，繼續(xù)秉承“低成本、高價值”的公司理念，走出自主創(chuàng)新開發(fā)集成SGMW第一條乘用車焊接生產(chǎn)線的發(fā)展之路。

我們成立了一個以車身總拼線為核心內(nèi)容的集成開發(fā)小組，負責工藝規(guī)劃、主夾具設(shè)計、機器人選型、生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計，并對所有子系統(tǒng)之間進行集成分析和方案決定。

2.1 生產(chǎn)線柔性化

工藝規(guī)劃最需要解決的問題就是總拼線柔性化，我們的目標是這條總拼線可供6種車型生產(chǎn)。首先是定義BOP和BOE，需要盡量模塊標準化和合理化，以保證柔性化的可行性。經(jīng)多次論證，將乘用車系列在焊接主線上焊接的車身結(jié)構(gòu)分為下車體、左右側(cè)圍、頂蓋、頂蓋橫梁、衣帽板、下安裝板、左右前側(cè)板、后端板共12個模塊。然后從車身匹配焊接、減少焊接變形、操作人員合理安排、滿足生產(chǎn)節(jié)拍等多個的角度去綜合分配每個工位的焊點和操作時間，最后形成指導設(shè)計的LAYOUT（見圖2）和工藝方案。

圖2 LAYOUT示意圖

2.2 NBL總拼定位方式

在工裝方案中，最重要的部分是車身總拼焊接定位工位，也就是車身焊接主夾具的設(shè)計。傳統(tǒng)的車身焊接主夾具，通常是將各定位單元安裝在兩側(cè)可移動的定位側(cè)框基準面上，且左、右對稱地布置于生產(chǎn)線總拼工位的兩側(cè)地面上。在工作時，兩側(cè)框同時由外向內(nèi)移動，各定位單元最終進入定位、夾緊狀態(tài)。傳統(tǒng)方式占地面積大，安全風險高。

為使以上不利因素得以改善，集成開發(fā)小組引進多個外方專家資源，與我們一起進行系統(tǒng)性分析。面對這多個問題，總結(jié)起來，主要焦點是主夾具的結(jié)構(gòu)、切換空間和方式、定位精度和可焊性，因為它們既獨立又相互關(guān)聯(lián)制約，必須找到一個最佳的切合點，保證它們都能得到充分滿足。

圖3 單框架上下升降式車身焊接主夾具

（1）主夾具結(jié)構(gòu)

采用全新的單框架上下升降式車身總拼定位結(jié)構(gòu)技術(shù)（見圖3），其創(chuàng)新核心是將兩側(cè)框變成一個側(cè)框，將所有的定位單元都布置在這一個側(cè)框的兩個側(cè)面上，再利用車身頂蓋、前風窗和后風窗的空間進入到車身內(nèi)部，打開定位單元使用其由內(nèi)向外運動實行定位、夾緊。

（2）主夾具切換空間和方式

利用焊接主夾具可上下升降的特點，將多個車型的主夾具框架放置于空中，充分利用生產(chǎn)車間的上空空間，其主夾具框架的存放數(shù)量可達6個以上，同時又不影響整個焊接生產(chǎn)線的地面工藝布置。

（3）易焊性改善

一改傳統(tǒng)兩側(cè)主夾具側(cè)框地面移動為單一側(cè)框空中上下移動，在車身的兩側(cè)沒有了定位側(cè)框的阻礙，操作者可靈活自如地進行焊接操作，人機工程得到了極大改善，減少了工人的勞動強度及操作難度，從而極大提高焊接品質(zhì)，降低了安全隱患。

（4）定位夾緊機構(gòu)

由于需要利用車身頂蓋前風窗和后風窗的空間進入到車身內(nèi)部，同時要兼顧左右側(cè)圍的定位，那么定位單元的結(jié)構(gòu)就必須非常緊湊，要求在位單元在非工作狀態(tài)時：主夾具的寬度≤頂蓋寬度-100（單位：mm）。

傳統(tǒng)的簡單夾緊定位單元結(jié)構(gòu)很難滿足空間限制的要求。我們新設(shè)計了非對稱的四連桿機構(gòu)。新設(shè)計充分利用左右側(cè)圍夾具的對稱性，采用了多桿機構(gòu)聯(lián)動和一個雙向推動氣缸的方式進行定位、夾緊，使得原本需用6個氣缸完成的動作，最終僅用一個推動氣缸、2個夾緊氣缸就完成了2個定位單元打開→定位→夾緊的全部動作。節(jié)約了3個氣缸的成本，也減少了因多個氣缸分別動作耗費的時間，還減少了整個主夾具體的總重量，緩解了對夾具框架的剛度要求，最終解決了一系列的技術(shù)難題，達到了保證品質(zhì)的同時結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的目標。

2.3 頂蓋拾取柔性化

頂蓋的精確定位對整車的結(jié)構(gòu)剛度和尺寸精度影響很大，要同時兼顧6種車型，重復定位精度要求高。集成開發(fā)小組決定選用FANUCR2000IB機器人進行拾取和定位，在國內(nèi)汽車企業(yè)也屬首次使用，其運動速度（2000mm/秒）快，重復定位精度（±0.3mm）高，工作范圍（運動半徑=2.66米）大。特別是采用了DCS（Double Check Safety）控制系統(tǒng)，可以把機器人的運動范圍進行更加精確地限制，減小占地空間，提高了安全性。

2.4 引入焊接機器人

首次在寶駿630車身焊接生產(chǎn)線上采用機器人焊接技術(shù)，與其他汽車公司不同的是——不是外包專業(yè)供應(yīng)商集成，而是從方案設(shè)計到安裝調(diào)試全部由我們的設(shè)備工程師完成。

2.5 自主集成開發(fā)控制系統(tǒng)

寶駿630車身焊接主線有11個工位，全線采用電機驅(qū)動齒輪齒條拉動、氣缸同步拉動提升的輸送方式，3#工位的焊接主夾具上有40個定位單元，主夾具的框架的上下運動和6個主夾具框架間的快速、準確切換，還有1個頂蓋拾取機器人和6個焊接機器人，自行小車、空中輸送系統(tǒng)、伺服自動焊系統(tǒng)等，線上的每一個動作的啟動、結(jié)束、先后順序、軌跡、參數(shù)等等，都需要可靠的主從控制，才能保證整條生產(chǎn)線的有序進行。

圖4 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

以往SGMW幾乎都是依賴供應(yīng)商來進行如此復雜的大型控制系統(tǒng)的設(shè)計和制造，因為在設(shè)計制造這樣一個大型的控制系統(tǒng)，其難點首先在于確定一個清晰的系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)不清晰將會給后續(xù)詳細設(shè)計帶來諸多麻煩，從而導致系統(tǒng)接線混亂，系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至崩潰。為此，集成開發(fā)小組從認真梳理系統(tǒng)架構(gòu)的構(gòu)成要素著手，再逐步把各要素分解成關(guān)鍵控制點，依次形成各控制路線關(guān)系圖，最后通過選取各種經(jīng)濟實用的標準元器件，經(jīng)過標準化和模塊化，實現(xiàn)開發(fā)成本低、柔性化程度高、開發(fā)周期短、通用性強的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4所示。

3 結(jié)束語

寶駿630汽車于2011年8月9日全面正式上市，其車身焊接生產(chǎn)線也同時肩負起了整車的市場化需求運作。通過近幾個月實際生產(chǎn)運行證明，全新的NBL主夾具系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、自動焊系統(tǒng)、可移動夾具系統(tǒng)等多個系統(tǒng)的聯(lián)合運行平穩(wěn)，完全實現(xiàn)生產(chǎn)線自動化，也達到項目訂下的乘用車質(zhì)量目標。我們利用系統(tǒng)工程實施對焊裝生產(chǎn)線的自主集成，在總拼定位、控制系統(tǒng)集成開發(fā)領(lǐng)域積累起大量的核心技術(shù)經(jīng)驗，大大縮短生產(chǎn)線的并行設(shè)計和安裝調(diào)試時間，節(jié)約開發(fā)和集成費用（以寶駿630焊裝線項目為例，節(jié)約費用約1200萬），獲得了顯著的經(jīng)濟效益，有極大的推廣價值。SGMW焊裝生產(chǎn)線開發(fā)團隊也成為國內(nèi)汽車公司的自主集成開發(fā)的佼佼者。

[1]徐 灝.機械設(shè)計手冊：第2版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

System Engineering in Automobile Welding Production Line Developed in Application Integration

PANQi-si，QIN Jia-ren，HUANGYan-qing
(SAICGMWuling Automobile Co.，Ltd，Liuzhou Guangxi545007，China)

Through the Po Chun 630 car body welding production line integrated development practice,this paper expounds the application of independent development of systems engineering in automotive body welding production line integration,has practicalsignificance and application value.

automobile body；welding line；independentdevelopment and integration；system engineering

U463.6

B

1672-545X（2013）04-0188-03

2013-01-09

潘啟斯（1957—），男，廣西柳州人，高級工程師，大專，研究方向為機械制造。