謝 寧，李冬艷，代 巍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

在當前新一代信息技術(shù)和制造技術(shù)深度融合發(fā)展的時代背景下，制造業(yè)的生產(chǎn)制造方式已經(jīng)發(fā)生了深刻的變革，制造業(yè)的發(fā)展正處于戰(zhàn)略關(guān)鍵時期。在先進制造業(yè)發(fā)展的新機遇下，世界各主要工業(yè)國家相繼提出新的國家制造業(yè)發(fā)展策略，如德國的“工業(yè)4．0”、美國的“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”、英國的“工業(yè)2050戰(zhàn)略”等，雖然這些計劃提出的背景的內(nèi)容有所不同，但是其共同目的之一都是通過智能制造技術(shù)，在物理信息和數(shù)字信息的層面上進行融合，以推進驅(qū)動整個制造業(yè)的智能化發(fā)展，成為先進生產(chǎn)制造工業(yè)的創(chuàng)造者和供應者。

與此同時，為了推動中國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國的轉(zhuǎn)變，我國于2015年出臺了向制造強國推進的國家戰(zhàn)略，其中“推進信息化與工業(yè)化深度融合”[1]作為“中國制造2025”發(fā)布的九大戰(zhàn)略任務之一，明確提出了建立具有深度感知、智慧決策、自動執(zhí)行功能的智能制造裝備以及智能化生產(chǎn)線的要求。為了推進制造過程智能化，滿足用戶快速更新迭代的需求，建立數(shù)字化生產(chǎn)線/生產(chǎn)車間，推動制造自動化和柔性化是關(guān)鍵[2]。為了促進互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，提升汽車企業(yè)智能制造水平，融合物聯(lián)網(wǎng)信息，采用新工藝、新工裝、新技術(shù)，深化智能制造的水平。

為實現(xiàn)傳統(tǒng)車企制造業(yè)向智能制造的轉(zhuǎn)型升級，本文提出小型電動車柔性車身智造產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)及裝備開發(fā)，包括3種創(chuàng)新的柔性產(chǎn)線布局設(shè)計、車身焊點的融合新工藝制造技術(shù)及在汽車制造領(lǐng)域應用全球小型電動車（Global Small Electric Vehicle，GSEV）車身混流柔性生產(chǎn)技術(shù)。生產(chǎn)布局設(shè)計節(jié)約了場地面積和設(shè)備投入，減少生產(chǎn)投入。車身焊點的融合新工藝制造技術(shù)提升了焊接質(zhì)量，實現(xiàn)了焊點質(zhì)量實時控制。全球小型電動車GSEV 車身混流柔性生產(chǎn)技術(shù)，打造了一條以融合現(xiàn)代智能傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、信息化技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)跨界等先進技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化智慧生產(chǎn)線。

1 柔性產(chǎn)線創(chuàng)新布局

生產(chǎn)線布局是工業(yè)工程和物流工程領(lǐng)域一項核心內(nèi)容[3]，生產(chǎn)線布局按照精益生產(chǎn)相關(guān)要求對生產(chǎn)系統(tǒng)中各生產(chǎn)模塊進行合理的組合，解決各設(shè)備和各區(qū)域之間的位置關(guān)系問題，使生產(chǎn)效率達到最優(yōu)。柔性產(chǎn)線指由加工中心或柔性生產(chǎn)單元組成，能夠?qū)崿F(xiàn)多種產(chǎn)品共線生產(chǎn)的生產(chǎn)線，自動化程度高，生產(chǎn)靈活。

柔性產(chǎn)線通常會借助工業(yè)機器人代替人工完成生產(chǎn)流程，包括車身打孔、車身鉚接、車身滾邊、車身螺柱焊、車身涂膠及車身焊接等。合理設(shè)計產(chǎn)線布局可以提升車身的生產(chǎn)效率，降低制造成本。

1.1 產(chǎn)線布局特點

在車身生產(chǎn)線方案規(guī)劃上，基于3D產(chǎn)線設(shè)計方法、機器人產(chǎn)線仿真軟件ROBOGUIDE的仿真虛擬方法，同步設(shè)計并虛擬驗證等一套數(shù)字化設(shè)計車身產(chǎn)線的方法，讓隱性的價值顯性化，創(chuàng)建柔性程度高（所有車型共用一套滑撬）、制造節(jié)拍高、節(jié)約占地空間的新型產(chǎn)線布局模式。

側(cè)圍區(qū)域在很大程度上決定了車型的外觀，在開發(fā)新車型時需要重新設(shè)計側(cè)圍總成，這意味著側(cè)圍總成生產(chǎn)線需要較高的柔性。本文提出創(chuàng)建了一種柔性程度高、制造節(jié)拍高、占地空間低的新型產(chǎn)線布局方法，核心部分包含側(cè)圍無工裝式抓焊布局設(shè)計、側(cè)圍與頂蓋的新連接方式、復層式主夾具工位規(guī)劃布局。

焊接工裝是一套柔性的焊接固定、壓緊、定位的夾具，無工裝式焊接能夠直接在無工裝定位的情況下進行焊接生產(chǎn)[4]。圖1為側(cè)圍無工裝式抓焊設(shè)計的創(chuàng)新性布局，對側(cè)圍生產(chǎn)總成進行布局優(yōu)化，使得整條側(cè)圍線減少了50%的工裝設(shè)備，節(jié)約占地面積44．3%（約380 m2），節(jié)約設(shè)備投資成本共計1 073．6 萬元。

圖1 側(cè)圍無工裝抓焊設(shè)計

圖2為頂梁與側(cè)圍總成接頭結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新優(yōu)化，節(jié)省了一條頂蓋分拼生產(chǎn)線，節(jié)約設(shè)備投入225 萬元，節(jié)約場地投入300 m2。

圖2 頂梁與側(cè)圍總成優(yōu)化設(shè)計

機器人抓手的切換通過切換抓手上的特定部件實現(xiàn)不同車型的抓手共用，對于工裝夾具和抓手，通過復層抓手存放架或空中輸送平臺等方式存放。將主夾具工位規(guī)劃設(shè)計成復層鋼平臺式布局，可節(jié)約線外工裝夾具存放場地67 m2，同時以側(cè)框式抓手代替豐田汽車公司全球制造系統(tǒng)（Global Body Line，GBL）內(nèi)置式主夾具，對白車身 Y 向控制尺寸有較大提升。

1.2 應用價值

新型產(chǎn)線布局模式讓隱性的價值顯性化，創(chuàng)建柔性程度高（所有車型共用一套滑撬）、制造節(jié)拍高、節(jié)約占地空間的新型產(chǎn)線布局模式。該方法的創(chuàng)新，實現(xiàn)工藝布局模式優(yōu)于自動化專線模式，在一次性投資方面，可節(jié)約747 m2場地投入、節(jié)約一次性設(shè)備投資1 298萬元，合計降低10%的開發(fā)成本；在運行收益方面：減少人員3名/單班次、減少車型切換時間720 h/a，合計每年帶來制造運行成本收益共計1 290萬元/a。

2 產(chǎn)線融合新工藝制造技術(shù)

白車身作為汽車重要部件[5]，由數(shù)百個薄板沖壓零件通過電阻點焊的方式連接。電阻焊技術(shù)是指將待焊接零件連接在兩個電極之間，電流熔煉零部件實現(xiàn)白車身融合的技術(shù)。當電流經(jīng)過零部件的時候會使焊接部位附近產(chǎn)生熱量，從而融化兩個零部件將其牢固地結(jié)合在一起。電阻點焊中焊接電流是十分重要的焊接參數(shù)，直接影響焊接接頭的質(zhì)量，探究焊點焊接方法及對焊點質(zhì)量控制方法對汽車安全具非常重要的意義。

2.1 磁場輔助與階躍脈脈沖電流調(diào)制的電阻焊點方法

在電阻焊接中，焊接壓力與焊接熱量不匹配時會導致溶核金屬液體的噴出，產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。本文產(chǎn)線使用了一種外加磁場輔助與階躍脈脈沖電流調(diào)制的電阻點焊新方法，如圖3所示，實現(xiàn)高強鋼點焊熔核特征精細調(diào)控，降低了焊接飛濺率，焊點接頭提高韌性20%～25%，有效降低接頭界面斷裂風險。

圖3 調(diào)整實時電流，電阻前后變化

2.2 點焊質(zhì)量自適應控制

產(chǎn)線通過結(jié)合多傳感信息融合點焊質(zhì)量評價方法，實現(xiàn)了點焊質(zhì)量實時精確評價，飛濺識別精度達到98%。同時，開發(fā)了點焊質(zhì)量自適應控制技術(shù)與裝備，實現(xiàn)焊接工藝參數(shù)的快速精確控制，提升高強鋼焊點一致性。將上汽通用五菱汽車公司(SGMW)開發(fā)的控制器與美國WTC（Welding Technology Corporation）公司、尼瑪克公司和小原公司開發(fā)的多種控制器的焊接效果進行對比（見表1）。

表1 自適應焊接效果分析

由上汽通用五菱汽車公司（SGMW）開發(fā)的自適應點焊控制器可在線監(jiān)測焊接情況和焊接質(zhì)量，實時調(diào)整焊接參數(shù)，使點焊質(zhì)量波動幅度降低65%，飛濺率降低50%以上。焊接飛濺改善情況如圖4所示，可以看出SGMW自適應焊接對焊接飛濺控制效果良好，有效提高了車身焊接的質(zhì)量。

圖4 飛濺改善對比

2.3 應用價值

產(chǎn)線使用的外加磁場輔助與階躍脈脈沖電流調(diào)制的電阻點焊新方法、多傳感信息融合點焊質(zhì)量評價方法，結(jié)合電阻點焊新方案及新的質(zhì)量評價方法，開發(fā)低飛濺點焊自適應控制技術(shù)與裝備，取得了突破性進展，將白車身焊接飛濺率從80%降低到17%以下。

3 產(chǎn)線大數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

工業(yè)大數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對建立數(shù)字化工廠非常重要，是利用統(tǒng)計學分析技術(shù)、機器學習技術(shù)、信號處理技術(shù)等技術(shù)手段[6]，結(jié)合業(yè)務知識對工業(yè)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行處理、計算、分析并提取其中有價值的信息、規(guī)律的過程。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特點

針對常規(guī)柔性線生產(chǎn)及運行維護中車型多、節(jié)拍高、質(zhì)量要求高、故障排查時間長、過程控制難大、工位生產(chǎn)效率不均衡、關(guān)鍵工藝執(zhí)行效果缺乏反饋等痛點，在GSEV車身線開發(fā)產(chǎn)線大數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。通過產(chǎn)線實時運行動態(tài)地圖，通過虛擬畫面，實時同步PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)，將畫面按照產(chǎn)線設(shè)備實物位置同比例開發(fā)為物理地圖，動態(tài)顯示產(chǎn)線狀態(tài)，實時快速響應，打通車身產(chǎn)線設(shè)備間的信息孤島，實現(xiàn)“人、機、料、法、環(huán)”一體化信息系統(tǒng)管理。該系統(tǒng)的特點包括質(zhì)量參數(shù)采集分析及追溯，將焊接時長、車身代碼、工位過站記錄、質(zhì)量鑿檢進行綁定，可以對過線信息進行追溯和查詢，精準排查質(zhì)量問題；對關(guān)鍵工位機器人焊機數(shù)據(jù)自動采集分析，建立焊接質(zhì)量評價標準，及時發(fā)現(xiàn)并避免質(zhì)量問題。自動采集、精準拆解停線數(shù)據(jù)及發(fā)現(xiàn)瓶頸，自動記錄和具體分解到物料、空滿位、缺件、設(shè)備、質(zhì)量、人員操作等。

在新能源焊接線首次創(chuàng)新建立智慧大數(shù)據(jù)自動采集分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集部分從來源上主要分為7個部分，數(shù)據(jù)來源包括設(shè)備動作及工位節(jié)拍時間、人員操作時間、停線原因分解、車型配置信息、設(shè)備特有屬性、系統(tǒng)報警、設(shè)備點檢信息人工樣板及執(zhí)行反饋輸入。大部分數(shù)據(jù)由PLC系統(tǒng)自動采集，部分由人工使用模板采集。數(shù)據(jù)分析部分從功能上主要分為五大模塊：產(chǎn)線實時運行狀態(tài)動態(tài)地圖、工藝節(jié)拍線平衡分析、生產(chǎn)綜合效率分析、生產(chǎn)信息及質(zhì)量追溯、設(shè)備健康狀態(tài)分析。分析系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)自動分析出設(shè)備與人工動作循環(huán)時間、設(shè)備開動率、動作信息和健康狀態(tài)、生產(chǎn)線運行狀態(tài)等信息。

3.2 應用價值

通過建立產(chǎn)線大數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，產(chǎn)線故障率相比同類型柔性線大幅降低，故障率由達128次/a，時長為821 min/a，降低到頻次降至3次/a，時長降至18 min/年；網(wǎng)絡(luò)故障較同類型柔性焊接線降低116%，生產(chǎn)效率由88%左右穩(wěn)定提升至92%（新增2臺車/h）。

4 結(jié)論

針對全球小型電動車GSEV 車身混流柔性生產(chǎn)技術(shù)在制造領(lǐng)域中存在的產(chǎn)品柔性差、節(jié)拍低、生產(chǎn)模式效率低、焊點質(zhì)量強度較差、車身生產(chǎn)過程質(zhì)量追溯性差等核心難點，本文提出通過創(chuàng)新產(chǎn)線布局仿真設(shè)計，融合新型技術(shù)焊接工藝，打造以融合現(xiàn)代智能傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、信息化技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)跨界等先進技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化智慧生產(chǎn)線，以提高電動車車身制造質(zhì)量與成產(chǎn)效率。