白車身焊裝生產線如何提升效率

1. 焊裝生產線概述

車身是構成汽車的主要組成部分，車身製造技術也是現代汽車工業的重要組成部分，車身製造水平的優劣直接體現了一個國家汽車工業的水平。自1913年福特汽車公司採用「流水線」生產方式以來，汽車生產線在汽車工業中佔據了極其重要的地位，它對提高生產效率，降低汽車成本起到了至關重要的作用，在大規模生產方式下居於核心地位。

汽車白車身焊裝生產線是把各車身衝壓零件裝配焊接成白車身的全部成形工位的總稱，它通常包含發動機艙、側圍、地板及車頂頂蓋等焊接分總成線及最後合裝主焊生產線。根據生產節拍、自動化程度及生產方式等不同，主焊線及分總成線又劃分為若干工位，各工位通過各種類型輸送裝置連接為一體，每一工位負責完成一部分工作。單工位一般由連接設備、焊裝夾具、傳輸裝置等幾部分組成（見圖1）。

圖1?焊裝總拼工位

1.傳輸裝置 2.焊接設備 3.車身焊裝夾具

2 . 焊裝生產線問題

（1）工位故障率問題

每條白車身焊裝流水線由若干工位組成，而每個工位完成車身的一道或幾道工藝，因此每個工位由若干設備組成，如圖1所示。此工位為主焊接線的一個重要工藝工位，其工藝流程為：車身由升降傳輸輥床運輸到工位內部，到位之後，由車身焊接定位夾具將車身側圍、頂蓋橫樑和車體主結構定位夾緊，然後機器人抓取點焊焊槍對於車身進行點焊焊接。焊接結束之後，夾具打開，車身再由升降輥床運輸到下一個工位。整個工位的設備組成：機器人+點焊焊槍7台；左右側圍定位車身焊接夾具兩台；升降輥床傳輸裝置1台。

單台設備對應的平均故障間隔時間，平均修復間隔時間，以及可利用率參數如表1所示。

以上這些設備構成了一個可修復系統。雖然這些設備都是獨立不相關，發生故障的概率也沒有聯繫，但是當其中任何一個設備發生故障時，整個系統將要停機用於修復，所以為了保障整條生產線效率，不僅在設計過程中就要為此工位留出修復的時間，同時在生產過程中，還要安排維修人員進行維護和及時修復。

（2）暫存區域問題

白車身焊裝車間最主要的問題在於每條生產線中，設備隨機的故障而導致的停產，比如焊接設備中的機器人故障、車身焊裝夾具中氣缸的故障，傳輸裝置中升降傳輸輥床故障，這些設備造成整條生產線停產而導致線效率的下降。為了避免整個生產系統全部停產癱瘓，在關鍵工位之間、每條線體之間增加暫存區域，這樣可以有效地降低部分系統產生問題對於整個系統的影響。因此，每個生產系統之間，例如地板匯流排和主焊接線之間就要設置暫存區域，但地板匯流排因故障而導致停產時，主焊接線還是利用暫存區域里的儲備物料進行生產。

但是暫存區域的數目以及每個暫存區域的容量也不是越大越好，它會造成以下幾點問題：①暫存區域會造成投資成本、生產運營成本、維修成本上升。②暫存區域會佔用生產工位的操作空間。③暫存區域沒有生產活動，會產生空閑時間，並且在生產預熱過程中，需要填滿所有的這些暫存區域才能使得生產系統工作，從而導致整體的生產效率下降。

所以，焊裝車間的設計以及布置的目標之一就是最小化暫存區域。

（3）生產時間變動影響

在高度自動化的白車身焊裝車間，每個工位，每條生產線的期望的生產節拍是恆定的，但是這是無法滿足的。假定生產安排JPH=60，設計要求的生產線效率為85%，那麼生產節拍為：

因此每個工位、每條生產線的節拍要求都不能超過Tmax=51s，否則就會產生瓶頸工位。另外，在不超過指定節拍前提下，要求生產活動盡量用足指定節拍，從而減少生產設備、工位以及操作工人。另外一個與節拍相關的目標是盡量均衡每個工位之間的生產時間。當每個工位之間生產時間都均衡的條件下，也可以降低暫存區的數目。

（4）焊裝生產線目標函數

綜上所述，白車身焊裝生產線是一個多目標優化問題，需要考慮的目標包含：①最小化暫存區容量。②最大化每個工位生產時間。③最小化每個工位生產時間之間的差異。④生產必須滿足JPH要求，從而滿足每天N輛車的目標。

但是上述設定目標和現實之間還有衝突，例如，由於每個設備存在著不同的可利用率，上述第3項就和生產時間最大滿足節拍要求衝突。因為可利用率是一個隨機的波動值，如果不留餘量的話很容易造成瓶頸工位。

3. 車身總拼線建模分析

（1）模擬平台

Tecnomatix公司的數字化工廠軟體Plant Simulation是一款完全採用面向對象方法的模擬軟體，它構建了一個完整的工廠，從生產線、加工單元到工序操作的所有層次進行設計、物流模擬和優化的集成計算機環境。面向白車身的解決方案主要解決白車身焊裝生產線的工藝規劃、焊裝生產線的布局等問題，同時應用物流模擬模塊對整個生產線進行物流分析和優化。

（2）實例車身模擬模擬

某工廠建立的焊裝車間，規劃設計的產能是JPH＝60，進行車間生產線的平面布置和設備的選取。每條生產線根據工藝需求分為若干工位，如圖2所示，其焊裝主線由13個工位串聯組成，焊接車身地板總成和側圍內板以及頂蓋橫樑。

圖2?車身主線

註：①為Afo4100 Lifter，②為Afo4110 Manual sealling，③為Afo4120 Manual Loading & Tab，④為Afo4130 Manual Loading & Tab，⑤為Afo4135，⑥為Afo4140 Framing inner Geo，⑦為Afo4150 Auto Re-spot，⑧為Afo4160 Auto Re-spot，⑨Afo4170 Auto Re-spot，⑩為Afo4175 Auto Re-spot，?為Afo4180 Man Repair，?為Afo4185 Inline Measuring，?為Afo4190 Lifter。

焊裝主線上每個工位的可利用率、失效間隔平均時間、維修間隔平均時間，具體參數如表2所示。

從數據上分析，4140工位的可利用率相對較低，並且MTBF間隔時間最短，因此4140為瓶頸工位，那麼從Plant Simulation環境下對其進行建模模擬研究，並且驗證解決方案對於提升生產線效率的有效性。

將4140工位和4130、4150工位串聯起來組成一個分系統，建立模擬模型，根據表3輸入參數（見圖3）。

圖3

經過系統的模擬，輸出這個分系統的效率為96.08%。從理論上而言，如果是獨立系統的效率達到96.08%的話，這個系統的生產率還是很高的，也不用產生額外的成本去優化處理。但這個分系統只是串聯繫統中的一部分，所以對於這個分系統的優化還是必要的。

優化方法一：改變部分工藝順序，縮短4140工位實際的加工活動時間，將原本51s的加工時間縮短至49s，模擬結果如圖4所示。

圖4?4140瓶頸工位優化模擬一

通過優化模擬，分系統的生產效率提升至96.28%，相對原來系統生產率提升了0.2%。

優化方法二：在瓶頸工位4140前後增加暫存工位，各增加兩個串聯的暫存工位，模擬結果如圖5所示。

圖5?4140瓶頸工位優化模擬二

通過優化模擬，分系統的生產效率提升至96.34%，相對原來系統生產率提升了0.26%。

優化方法三：在生產線上增加一個並聯的4140工位，由於生產線的節拍保持51s不變，理論上單個4140工位生產節拍可以做到102s，但為了防止可利用率的波動造成效率影響，將單個4140工位生產節拍提升到90s，模擬結果如圖6所示。

圖6?4140瓶頸工位優化模擬三

通過優化模擬，分系統的生產效率提升至96.72%，相對原來系統生產率提升了0.64%。

綜合上述三種優化方法，生產線效率的提升隨著方法是遞增的，但是同時加工成本也是隨著方法遞增的。在實際的生產活動中，必須綜合考慮各方面的因素而選擇布置操作工位，解決瓶頸工位的問題。

（3）生產線模擬模擬

根據表3建立主線1的模型，如圖7所示，通過模擬模擬，整條生產線的效率為91.96%，滿足規劃設計85%的設計要求。

從模擬結果來看，工位4100，4135（暫存工位）產生空閑時間，可以安排工作內容，以均衡整條生產線之間每個工位生產節拍；另外，工位4140、4150為瓶頸工位，規劃設計以及實際生產活動中，都應該著重提高這兩個工位的效率，避免瓶頸的出現。

圖7?主線1模擬模型

4. 結語

白車身焊裝生產線系統是一種典型的離散系統，受隨機因素影響較大，離散系統模擬演算法較多，其中面向對象的模擬方法更符合生產線的實際情況。Plant Simulation具有豐富的建模單元，能夠模擬生產系統中的各種加工單元，再加上軟體本身強大的實驗分析、遺傳演算法等功能，可清楚地看出系統的瓶頸所在，並且結合生產經驗模擬解決措施，從而提升生產線效率。

該研究對於汽車生產企業的生產線效率提升具有較強的參考價值。

本文刊登於《金屬加工（熱加工）》2012年22期

微信編輯：暢達

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