1.  焊裝生產(chǎn)線概述

車身是構(gòu)成汽車的主要組成部分，車身制造技術(shù)也是現(xiàn)代汽車工業(yè)的重要組成部分，車身制造水平的優(yōu)劣直接體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家汽車工業(yè)的水平。自1913年福特汽車公司采用“流水線”生產(chǎn)方式以來，汽車生產(chǎn)線在汽車工業(yè)中占據(jù)了極其重要的地位，它對(duì)提高生產(chǎn)效率，降低汽車成本起到了至關(guān)重要的作用，在大規(guī)模生產(chǎn)方式下居于核心地位。

汽車白車身焊裝生產(chǎn)線是把各車身沖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(fā)動(dòng)機(jī)艙、側(cè)圍、地板及車頂頂蓋等焊接分總成線及最后合裝主焊生產(chǎn)線。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、自動(dòng)化程度及生產(chǎn)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(fù)責(zé)完成一部分工作。單工位一般由連接設(shè)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(shè)備   3.車身焊裝夾具

2 . 焊裝生產(chǎn)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(gè)工位完成車身的一道或幾道工藝，因此每個(gè)工位由若干設(shè)備組成，如圖1所示。此工位為主焊接線的一個(gè)重要工藝工位，其工藝流程為：車身由升降傳輸輥床運(yùn)輸?shù)焦の粌?nèi)部，到位之后，由車身焊接定位夾具將車身側(cè)圍、頂蓋橫梁和車體主結(jié)構(gòu)定位夾緊，然后機(jī)器人抓取點(diǎn)焊焊槍對(duì)于車身進(jìn)行點(diǎn)焊焊接。焊接結(jié)束之后，夾具打開，車身再由升降輥床運(yùn)輸?shù)较乱粋€(gè)工位。整個(gè)工位的設(shè)備組成：機(jī)器人+點(diǎn)焊焊槍7臺(tái)；左右側(cè)圍定位車身焊接夾具兩臺(tái)；升降輥床傳輸裝置1臺(tái)。

單臺(tái)設(shè)備對(duì)應(yīng)的平均故障間隔時(shí)間，平均修復(fù)間隔時(shí)間，以及可利用率參數(shù)如表1所示。

以上這些設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)可修復(fù)系統(tǒng)。雖然這些設(shè)備都是獨(dú)立不相關(guān)，發(fā)生故障的概率也沒有聯(lián)系，但是當(dāng)其中任何一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將要停機(jī)用于修復(fù)，所以為了保障整條生產(chǎn)線效率，不僅在設(shè)計(jì)過程中就要為此工位留出修復(fù)的時(shí)間，同時(shí)在生產(chǎn)過程中，還要安排維修人員進(jìn)行維護(hù)和及時(shí)修復(fù)。

（2）暫存區(qū)域問題  

白車身焊裝車間最主要的問題在于每條生產(chǎn)線中，設(shè)備隨機(jī)的故障而導(dǎo)致的停產(chǎn)，比如焊接設(shè)備中的機(jī)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(shè)備造成整條生產(chǎn)線停產(chǎn)而導(dǎo)致線效率的下降。為了避免整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)全部停產(chǎn)癱瘓，在關(guān)鍵工位之間、每條線體之間增加暫存區(qū)域，這樣可以有效地降低部分系統(tǒng)產(chǎn)生問題對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的影響。因此，每個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)之間，例如地板總線和主焊接線之間就要設(shè)置暫存區(qū)域，但地板總線因故障而導(dǎo)致停產(chǎn)時(shí)，主焊接線還是利用暫存區(qū)域里的儲(chǔ)備物料進(jìn)行生產(chǎn)。

但是暫存區(qū)域的數(shù)目以及每個(gè)暫存區(qū)域的容量也不是越大越好，它會(huì)造成以下幾點(diǎn)問題：①暫存區(qū)域會(huì)造成投資成本、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本、維修成本上升。②暫存區(qū)域會(huì)占用生產(chǎn)工位的操作空間。③暫存區(qū)域沒有生產(chǎn)活動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生空閑時(shí)間，并且在生產(chǎn)預(yù)熱過程中，需要填滿所有的這些暫存區(qū)域才能使得生產(chǎn)系統(tǒng)工作，從而導(dǎo)致整體的生產(chǎn)效率下降。

所以，焊裝車間的設(shè)計(jì)以及布置的目標(biāo)之一就是最小化暫存區(qū)域。

（3）生產(chǎn)時(shí)間變動(dòng)影響  

在高度自動(dòng)化的白車身焊裝車間，每個(gè)工位，每條生產(chǎn)線的期望的生產(chǎn)節(jié)拍是恒定的，但是這是無法滿足的。假定生產(chǎn)安排JPH=60，設(shè)計(jì)要求的生產(chǎn)線效率為85%，那么生產(chǎn)節(jié)拍為：

因此每個(gè)工位、每條生產(chǎn)線的節(jié)拍要求都不能超過Tmax=51s，否則就會(huì)產(chǎn)生瓶頸工位。另外，在不超過指定節(jié)拍前提下，要求生產(chǎn)活動(dòng)盡量用足指定節(jié)拍，從而減少生產(chǎn)設(shè)備、工位以及操作工人。另外一個(gè)與節(jié)拍相關(guān)的目標(biāo)是盡量均衡每個(gè)工位之間的生產(chǎn)時(shí)間。當(dāng)每個(gè)工位之間生產(chǎn)時(shí)間都均衡的條件下，也可以降低暫存區(qū)的數(shù)目。

（4）焊裝生產(chǎn)線目標(biāo)函數(shù)  

綜上所述，白車身焊裝生產(chǎn)線是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，需要考慮的目標(biāo)包含：①最小化暫存區(qū)容量。②最大化每個(gè)工位生產(chǎn)時(shí)間。③最小化每個(gè)工位生產(chǎn)時(shí)間之間的差異。④生產(chǎn)必須滿足JPH要求，從而滿足每天N輛車的目標(biāo)。

但是上述設(shè)定目標(biāo)和現(xiàn)實(shí)之間還有沖突，例如，由于每個(gè)設(shè)備存在著不同的可利用率，上述第3項(xiàng)就和生產(chǎn)時(shí)間最大滿足節(jié)拍要求沖突。因?yàn)榭衫寐适且粋€(gè)隨機(jī)的波動(dòng)值，如果不留余量的話很容易造成瓶頸工位。

3.  車身總拼線建模分析

（1）仿真平臺(tái)  

Tecnomatix公司的數(shù)字化工廠軟件Plant Simulation是一款完全采用面向?qū)ο蠓椒ǖ姆抡孳浖?，它?gòu)建了一個(gè)完整的工廠，從生產(chǎn)線、加工單元到工序操作的所有層次進(jìn)行設(shè)計(jì)、物流仿真和優(yōu)化的集成計(jì)算機(jī)環(huán)境。面向白車身的解決方案主要解決白車身焊裝生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃、焊裝生產(chǎn)線的布局等問題，同時(shí)應(yīng)用物流仿真模塊對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行物流分析和優(yōu)化。

（2）實(shí)例車身仿真模擬  

某工廠建立的焊裝車間，規(guī)劃設(shè)計(jì)的產(chǎn)能是JPH＝60，進(jìn)行車間生產(chǎn)線的平面布置和設(shè)備的選取。每條生產(chǎn)線根據(jù)工藝需求分為若干工位，如圖2所示，其焊裝主線由13個(gè)工位串聯(lián)組成，焊接車身地板總成和側(cè)圍內(nèi)板以及頂蓋橫梁。

圖2?車身主線

注：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(gè)工位的可利用率、失效間隔平均時(shí)間、維修間隔平均時(shí)間，具體參數(shù)如表2所示。

從數(shù)據(jù)上分析，4140工位的可利用率相對(duì)較低，并且MTBF間隔時(shí)間最短，因此4140為瓶頸工位，那么從Plant Simulation環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行建模仿真研究，并且驗(yàn)證解決方案對(duì)于提升生產(chǎn)線效率的有效性。

將4140工位和4130、4150工位串聯(lián)起來組成一個(gè)分系統(tǒng)，建立仿真模型，根據(jù)表3輸入?yún)?shù)（見圖3）。

圖3

經(jīng)過系統(tǒng)的仿真，輸出這個(gè)分系統(tǒng)的效率為96.08%。從理論上而言，如果是獨(dú)立系統(tǒng)的效率達(dá)到96.08%的話，這個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)率還是很高的，也不用產(chǎn)生額外的成本去優(yōu)化處理。但這個(gè)分系統(tǒng)只是串聯(lián)系統(tǒng)中的一部分，所以對(duì)于這個(gè)分系統(tǒng)的優(yōu)化還是必要的。

優(yōu)化方法一：改變部分工藝順序，縮短4140工位實(shí)際的加工活動(dòng)時(shí)間，將原本51s的加工時(shí)間縮短至49s，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4?4140瓶頸工位優(yōu)化仿真一

通過優(yōu)化仿真，分系統(tǒng)的生產(chǎn)效率提升至96.28%，相對(duì)原來系統(tǒng)生產(chǎn)率提升了0.2%。

優(yōu)化方法二：在瓶頸工位4140前后增加暫存工位，各增加兩個(gè)串聯(lián)的暫存工位，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5?4140瓶頸工位優(yōu)化仿真二

通過優(yōu)化仿真，分系統(tǒng)的生產(chǎn)效率提升至96.34%，相對(duì)原來系統(tǒng)生產(chǎn)率提升了0.26%。

優(yōu)化方法三：在生產(chǎn)線上增加一個(gè)并聯(lián)的4140工位，由于生產(chǎn)線的節(jié)拍保持51s不變，理論上單個(gè)4140工位生產(chǎn)節(jié)拍可以做到102s，但為了防止可利用率的波動(dòng)造成效率影響，將單個(gè)4140工位生產(chǎn)節(jié)拍提升到90s，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6?4140瓶頸工位優(yōu)化仿真三

通過優(yōu)化仿真，分系統(tǒng)的生產(chǎn)效率提升至96.72%，相對(duì)原來系統(tǒng)生產(chǎn)率提升了0.64%。

綜合上述三種優(yōu)化方法，生產(chǎn)線效率的提升隨著方法是遞增的，但是同時(shí)加工成本也是隨著方法遞增的。在實(shí)際的生產(chǎn)活動(dòng)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(chǎn)線仿真模擬  

根據(jù)表3建立主線1的模型，如圖7所示，通過仿真模擬，整條生產(chǎn)線的效率為91.96%，滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)85%的設(shè)計(jì)要求。

從仿真結(jié)果來看，工位4100，4135（暫存工位）產(chǎn)生空閑時(shí)間，可以安排工作內(nèi)容，以均衡整條生產(chǎn)線之間每個(gè)工位生產(chǎn)節(jié)拍；另外，工位4140、4150為瓶頸工位，規(guī)劃設(shè)計(jì)以及實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，都應(yīng)該著重提高這兩個(gè)工位的效率，避免瓶頸的出現(xiàn)。

圖7?主線1仿真模型

4. 結(jié)語(yǔ)

白車身焊裝生產(chǎn)線系統(tǒng)是一種典型的離散系統(tǒng)，受隨機(jī)因素影響較大，離散系統(tǒng)仿真算法較多，其中面向?qū)ο蟮姆抡娣椒ǜ仙a(chǎn)線的實(shí)際情況。Plant Simulation具有豐富的建模單元，能夠模擬生產(chǎn)系統(tǒng)中的各種加工單元，再加上軟件本身強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)分析、遺傳算法等功能，可清楚地看出系統(tǒng)的瓶頸所在，并且結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)仿真解決措施，從而提升生產(chǎn)線效率。

該研究對(duì)于汽車生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)線效率提升具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

本文刊登于《金屬加工（熱加工）》2012年22期

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