汽车总装车间智能制造应用与实践

作者:严星 徐世栋 等 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2021-09-13
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基于国内某车企总装车间规划实践,并对标国内外主流主机厂总装车间,总结归纳了总装 车间在输送线、生产管理、装配、客户体验、绿色制造及新兴技术六大领域的智能化应用与实践。为规划出“装配智能化、生产管理数字信息化、服务智能化”的理想化智能总装车间提供参考。

近年来,工业 4.0 席卷全球制造业。汽车制 造是先进制造业中的排头兵,总装车间智能制造 取得了很多成绩,同时也需理性对待。首先明确 智能制造不是目的,不是盲目追求无人工厂、黑 灯工厂及机器换人等,而是要以智能制造为抓手, 降本增效为目的,满足客户个性化需求,提高产 品质量和附加值,提升整车厂的核心竞争力和盈 利能力。其次,推进智能制造是一个长期复杂的 系统过程,涉及多个领域的技术,不要期望“毕 其功于一役”,应本着务实求真的态度摸清现状, 对照标杆,顶层系统规划,分步实施,痛点先行, 持续优化。 


智能柔性化输送线 

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总装输送线分为分装线和主输送线(内饰线、 底盘线、外装线、检测线和终检线)。总装输送线 是建设智能化、透明化、实时化及柔性化总装车 间的主要承载层。向下关联基础设施层和设备终 端执行层采集数据,向上关联企业系统层和管理 层进行实时生产状态管理,其最新智能化应用主 要体现在载具在线数量与产能匹配柔性缩减、产 线净空和地面净坑及载具作业高度智能可调。 
传统的内饰外装线为固定式装配线,新型内 饰外装线采用图 1、图 工厂中的 AGV(自动导 航车)无轨自动运输系统,或图 中的内外饰滑 板直接布置在地面上。AGV 或地面滑板式载具每 个输送单元相对独立,由于不需要土建施工,每 个线体在线头线尾提前预留好载具和软件的扩容 空间,根据产能需要,类似搭积木方式对产线工 位载具数量随时扩充缩减,或调整内、外饰间工 位数量,在站点间进行切换,提高工位利用率,也被称为柔性可伸缩产线。不仅可以保证大规模 生产,同时保证了灵活性,以便最大化利用资源。

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▲图 保时捷 Taycan 总装生产线

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图 宝马 i3 AGV 外装线

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图 广汽新能源总装内饰滑板线

部分工厂局部产线已经实现 了空中净空和地面净坑。载具直 接布置在地面上,采用无吊点设 计,取消了传统的空中作业链, 减少地面基坑可以减少土建施 工,缩短建设周期,节省建设成 本。如图 所示线边空中不再通 铺工艺吊架,空调系统集成在立 柱上,辅以工位工具台车,空中 输送吊挂系统的减少使车间更加 宽敞、透亮且视线无所阻挡。辅 以大面积的天窗和侧窗,打造明 亮的“阳光车间”,营造更好的 作业环境,同时厂房高度可以适 当降低,达到降低成本的目的。 
载具智能可调主要是多车 型混线生产时,按过车型号、车 自重等自动调整车身装配高度 适应不同产品和不同工艺,任 意调节操作高度。如图 1、图 和图 中内饰滑板线和外装线 的作业工艺高度可按车型工艺 编程柔性伺服升降,图 和图 中底盘吊具不仅向可升降, 且可在 0°~ 110°范围旋转。充分考虑了人机工程学原理,操 作者在最省力最舒适的工艺高 度装配,提升安全防护水平和装 配效率以及保证了产品的装配 质量。 
    
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图 某主机厂可 升降旋转吊具

数字化生产体系 

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高性能广域网和 5G 移动网 络的新型数字化基础设施为生产 流程的全面数字化奠定了重要基 础。全新数字化生产体系软件 通过共享接口和标准化用户界 面,不仅整个车间内部的机器人 和生产设备彼此互联互通,而且 能够实现从开发——设计——供 应商——生产流程——客户,整 个增值链 360°全方位的互联互 通,使所有的生产流程绝对透明 化,彼此连接,利用实时数据支 持生产以及整个全价值链。 
工厂内部价值链中,整个 装配车间内部实现全面数字化 无纸化,生产的实时统计数据 都可通过屏幕或个人数字助理 一目了然,因而能获得最佳效 率的掌控。利用大数据技术收 集和评估生产数据并把结果传 回生产线,通过预测性维护有 效规避设备故障,增加业务运 营时间,系统自检到偏差后并 及时通知对此负责的员工和质 量经理,再利用此前收集的历 史数据,可以立即发现导致偏 差的原因并及时纠正。 
在工厂上下端中,从开发和 设计到供货商、生产以及最终 端的客户均无所不连,所有单位 之间快速透明的沟通,可以及早 发现供应链与消费端的差异,从 而缩短反映时间。例如对于研发 和生产来说,通过与供货商的协 调,可以允许在世界各地以数字 方式共同实时追踪料件的物流 状况。在正式生产之前,生产过 程可通过虚拟现实进行可视化 模拟而优化。 

智能装配 

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汽车冲压、焊装及涂装自 动化程度较高,由于总装工艺 相对复杂,车型间装配内容差 异较大,装配配合柔性化程度 高,车间输送装配静止工位较 少,自动化水平相对较低。近 年来随着机器人技术发展和汽 车产品平台化水平提升,越来 越多的汽车整车厂开始积极部 署自动装配和自动拧紧。利用 机器人高精度操作,装配质量 稳定,不会因时间的推移和人 员变更而下降。提升生产效率、 品质、作业安全及柔性化才是 市场竞争的取胜之道。 
总装有 15 种常用的智能自 动装配或拧紧设备:车辆识别 码打刻、仪表、天窗、前端模 块、前保、风窗涂胶安装、座 椅、轮胎、底盘合车、底盘拧 紧、车门密封条滚压、车门防 水膜涂胶及电池组装线(模组 上件、壳体上件及壳体拧紧)。“机器换人”的核心不是无人化, 而是少人化和人机协作,在哪 里换、如何换,需要综合评估, 避免过度自动化损害工厂的灵 活性和生产效率。首先考虑成 本回收周期和收益,其次是采 用自动化设备调整效率,产品 质量是否得到提升,同时要着 重 评 估 对 产 线 柔 性 化 程 度 的 影响。
如图 中的天窗涂胶装配系统由伺服定量供胶系统、视觉引 导、装配机器人及自动玻璃输送 台组成,可实现自动供胶、涂胶、 定位和装配。自带 3D 视觉扫描 系统,多角度实时监控胶型和轨 迹,胶型控制精度为 ±0.5 mm, 安装精度 ±0.8 mm,较传统的 人工玻璃安装工艺大幅提升装 配质量,并提高约 20%的节拍, 还可以节约 10%的原料。图 中全自动轮胎装配设备,由五轴 电动拧紧机、物料输送系统及视 觉定位系统组成,通过信息系统 与轮胎厂家、物流车辆和轮胎输 送线实现互联互通,轮胎从进厂 到输送、抓取、定位和拧紧,实 现全自动化。抓取拧紧部分可变 距提升柔性化程度,双班可以节 省 人,约 ~ 年收回设备 投资成本。

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图 某主机厂天窗自动装配

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图 广汽新能源总装车间轮胎安装

新兴科技 

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一批最具潜力的新兴技术 崛起将会为汽车智能制造带来 颠覆性的变革。一是增材制造, 图 为宝马工厂 3D 打印天窗夹 具,相比传统夹具减重 3 Kg, 缩短小批量、复杂定制化工装 和零部件的开发周期。二是 VR 技术进行员工培训,在同一地 点模拟不同工厂实际操作场景 培训,通过虚拟画面让员工更 直观地了解操作流程,提高培 训效率。三是通过个人手机和 现场智能终端,一线员工准确 获得生产信息并进行即时通信。四是智能可穿戴的应用,如图 机械外骨骼,保护关节,减轻 肌肉劳损负担,降低劳动强度, 提高生产率。五是协作机器人 在风窗玻璃底涂和拧紧工位的 应用,人机协作、灵活易用。 

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图 宝马工厂 3D 打印天窗夹具

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图 某工厂机械外骨骼辅助拧紧

结论

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智能制造涵盖领域多且系统 极其复杂,在渐进式演变中,远 未达到“终极形态”。建设过程 中立足企业实际需求,探寻智能 制造基因,洞悉发展趋势,对照 标杆找差距,学习先进补短板。总装车间以建设“设备自动化、 人员高效化、管理信息化”的中 国特色的智能工厂为宗旨,做好 顶层规划,多部门协同,分步稳 妥推进。真正实现通过智能制造 来提升整车厂的核心竞争力和盈 利能力。


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