中国汽车工业工程有限公司工艺工程院 天津 300113
摘要:近十年来,在规划汽车工厂焊装车间时,高节拍、高柔性、高自动化率、混合材料车身已成为焊装车间规划的首要条件,如何进行科学规划已成为业内共同面临的难题,本文从规划原则、规划影响要素以及规划理念与方向三方面入手对焊装车间规划及方向进行研讨和阐述,以起到指导焊装车间规划的目的。
关键词:焊装规划;规划原则;影响要素;规划理念
一、焊装车间规划原则
焊装车间规划时需要满足四个方面的期望,绿色、经济的厂房,精益、柔性的线体规划,舒适、高效的人员操作,智能、透明的生产状态。为满足这些期望, 规划方案首先必须与需求保持一致。产能需求、产线分期情况、共线车型数量、共线车型车身结构、车身材料及连接工艺情况、在制品层级、自动化率、质量保证方案、CKD件及售后件需求、建设地法律法规等都是焊装车间规划的输入条件,之后通过车间级、线体级、工位级三个层级的规划原则进行详细规划设计。
车间级规划原则包括考虑大件物流、车型工艺、特殊工艺、主线上件层级、避免双胞胎夹具等;线体级规划原则包括物流就近原则、物料集中、线体布置清晰、工时平衡、拉动式生产原则、设备维修性、人员柔性以及避免作业孤岛等;工位级原则包括作业标准化、上料距离短、人机工程优、报警信息可视化等。
规划完成后,需要通过焊装车间规划评价指标进行规划方案评价,评价指标包括线体占地面积、单车工时、人员柔性、人员利用率、设备利用率、产线利用率、操作工数量、自动化率、人机问题项、机器人数量、生产周期、在制品数量等,之后根据评价指标对规划进行针对性的优化设计。
二、焊装车间规划影响要素
1、车型平台化对规划的影响
目前,无论乘用车还是商用车,国内外各大主机厂都在车型平台化、模块化上形成自身的车型体系。平台化为多车型柔性共线带来了更大的可能性,平台化车型工艺相近、上件层级一致,对线体布置、物流规划、作业标准化等有利,可以带来节省线体占地面积、增加设备利用率、减少操作工数量、降低机器人数量等好处。
2、轻量化车身对规划的影响
根据2020年10月发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》总体目标,到2035年,燃油乘用车整车轻量化系数降低25%, 纯电乘用车轻量化系数降低35%[1],对载货车、牵引车、客车也有明确的轻量化目标。车身轻量化对于焊装规划来说,首先考虑的是对工艺解决方案的影响。以奥迪A8轻量化白车身为例,车身材料包括钢、铝及符合材料,连接工艺达14种,其中包括钢点焊、铝点焊、激光钎焊、激光熔焊、MAG焊、MIG焊等热连接工艺,直冲铆接、热熔直钻、压铆、包边等冷连接工艺,以及摩擦焊链接工艺。根据轻量化方案不同,在轻量化车身上常用的连接工艺还包括搅拌摩擦焊、搅拌摩擦点焊、自钻式拉铆、双组份胶接等。这些新材料、新工艺、新技术在车身生产线规划是需要通盘考虑,包括工艺布置、质量检测方案、下线返修方案等。
轻量化车身除了工艺影响外,也对车间公用系统、物流规划等产生影响。铝合金弧焊车身,需要考虑打磨、除尘、防爆要求、恒温恒湿等要求;结构件一体化压铸,使零件数量化零为整,减少工艺流、降低在制品数量,但需要考虑压铸件从压铸机加车间到焊装车间的物流配送方案;碳纤维材料车身,规划阶段需要考虑打磨清洗区域,对危化物存放、防爆、洁净室都有要求,车身烘烤解决方案对公用系统也有新的要求。
3、车身模块化结构的影响
车身模块化结构目前存在的主流结构形式是分层式车身结构,主要有单总拼结构、双总拼结构以及三总拼结构车身,将对总拼线、侧围线及物料输送方案产生较大的影响,以及满足不同总拼结构的车身共线可行性,可以通过评价指标对不同的要求进行评价。
特斯拉汽车2023年的开放日上推出的模块化装配车型概念将改变一百多年来固有的汽车成产线模式,焊装车间将不再有车身成总成和覆盖件装调线。针对此种类型的焊装生产线规划,需要考虑地板三大件和侧围总成、外覆盖件总结到涂装车间的物流输送方案。
三、焊装车间规划理念及方向
1、拉动式生产原则
物流层面,拉动式生产以订单式生产为导向,拉动物料配送系统按时、按序配送,由工厂或车间完成同步化生产、标准化作业,从而实现平准、稳定、无波动的物料供应,减少物料库存,降低在库成本,减小物料存放区面积。
在车间生产层面,通过拉动式生产控制,可以比较容易的进行异常识别、目视化生产流,把设备故障、节拍平衡、控制逻辑等问题造成的瓶颈点、故障点暴露出来,通过预维护等措施降低设备故障率,通过节拍平衡提升线体产能,通过控制逻辑优化避免不必要的浪费等,从而减小瓶颈点、故障点对产能的影响,以达到精益化生产目的。
2、生产系统物流仿真
焊装规划方案通过离散制造系统仿真工具进行物流仿真,对线体及车间级进行产能分析,对整体开动率进行提前验证,对线体间缓存数量及输送设备数量进行量化评估,对瓶颈进行分析优化,从而避免规划过程风险从而确保投资和决策,提高改造及新建项目的规划质量,掌握生产阶段产品和流程的复杂性。
3、数字化工厂对规划的意义
图1 数字化工厂核心系统
数字化工厂作为智能工厂的落脚点,是建设智能工厂、实现工业4.0的必经之路。数字化工厂的核心四要素:工厂装备数字化、工厂物流数字化、研发设计数字化、生产过程数字化[2]。图1充分反映了数字化工厂几大核心系统之间的数据信息流动关系,物理制造过程的数字化系统产生的可追溯数据可以在规划阶段得以利用并更新规划参数,实现优化规划设计,提升规划质量的目的。
数字化工厂贯穿于产品的整个生命周期,数字化规划可以带来降低规划成本、提高规划质量、缩短规划周期并且提高最佳知识的可重用性这些价值;数字化车间通过生产过程及装备的数字化,持续优化工艺及物流、持续提升设备利用率、持续提升人员效能并持续提供最佳实践知识。数字化建设过程中“不能为了数字化而数字化”,数字化规划提升了数字化车间建设的实践方向,数字化车间建设成果也充实了数字化规划的基础知识库,两者是相互迭代、循环提升的关系。
四、结束语
焊装工厂的规划涉及面广,各项需求及指标之间互相影响,在总体方案阶段要统筹考虑总体布置和各分项的关系。由于焊装车间规划与车身产品的强相关性,具体实施过程中,以工艺需求为核心,自动化程度、产品质量、生产物流、数字化等系统在设计时需要反复迭代优化,确保按照总体要求,达成焊装车间规划各项目标。
参考文献:
[1]中国汽车工程学会.节能与新能源汽车技术路线图2.0[M].北京:机械工业出版社,2020:56.
[2]柏隽.数字化工厂的框架与落地实践[J/OL].知识自动化,2016-04-07.