关于汽车试制总装工艺技术优化探讨

袁雪松，田沙沙，李平武

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西新能源汽车试验室，广西 柳州 545000）

0 引言

随着汽车“新四化”技术的发展，技术研发部门的互联研发流程更加重视车辆系统和功能，传统的样车总装正面临新工作领域所带来的巨大挑战。在汽车研发流程上，各大车企正逐渐将精力集中在车辆的系统和功能上，对传统的硬件研发周期则进一步压缩，现有总装工艺急需根据整车机构进行平台化、模块化、柔性化等进行工艺优化。本文在研究试制样车的工艺流程的前提下，根据车型的平台化，结合装配现场现有资源，根据调度算法进行优化分配，并以此进行柔性化优化改进。

1 汽车试制总装工艺技术的流程

1.1 工艺流程

汽车试制总装的工艺不同于汽车量产工艺，与后者相比，汽车试制总装工艺由于前期基础资料不足，工位较少，节拍较长，难以量化，而且车企主要关注生产研发质量问题而非面向市场的售后质量问题，所涉及的内容主要集中在确保科学控制成本的前提下，用更快的周期成功满足研发需求。各大车企根据其自身研发实力所采用的试制总装模式也不完全相同，对于前期研发问题较多，研发周期较短的车企而言，比起流水线模式，其更倾向采用地摊式的造车方式，这种模式下具备成本较低，灵活性高等特点，但是不利于项目管理，容易导致员工忙闲不均，整体节奏偏慢，管理难度大。这种模式的工艺流程主要包括前期研发输入收集（管线布置图、电气原理、改制方案等）、BOM收集、工位定制、生产布局、人力调配。由于试制总装的复杂性，经常出现边界不清晰、无人认领、信息传递缺少有效沟通、职责部门互相推诿等现象，因此，合理的工艺流程有助于降低真空地带的协调压力[1]。

1.2 流程设计原则

首先是工时平衡的原则，针对员工能力水平及汽车工序复杂程度匹配相应的工时，可平衡各个工序的实际用时，随时进行员工的调配，以解决试制总装阶段忙闲不一致的问题。其次是工序集中的原则，针对具有相同操作的工位应尽量集中，这样有助于资源的最大化利用。通过工艺集中，可以方便不熟练的技师工人快速熟悉工艺，降低纠错成本，增加工序效率。最后是混线生产原则，根据研发车型平台化区分，针对不同平台搭建不同平台的工艺架构，并进行工位匹配。此外，还需具备及时调整功能，针对样车试制研发问题频出，研发零件质量和到料风险大，流程设计应包含应急可调功能。

1.3 流程设计关键点

一是库位划分。需根据BOM信息结合物流到货情况及车间员工工作能力进行科学排布，尽可能地对物料等待时间及员工的实际有效工作时间进行优化。二是工艺编制。在试制总装之前提前根据样车数模进行三维虚拟装配分析，并根据虚拟装配规划样车零件的装配工艺进行指导，让员工在试制总装之前得到总装工艺指导性文件，降低因员工不熟悉新产品而造成的工时浪费及产生质量成本。三是工序安排。根据各个零件装配的关联性评估工序作业过程中的干扰问题，并制定合理的装配顺序，尽可能降低因零件关联干涉而导致的工序干扰。四是工时调配。由于各大车型零件数目、零件装配难度、整体装配时间并不完全相同，各大车型需要细化工位及对应员工的工时，在混线生产模式中，能实现各大项目之间的纵向调配，降低员工因忙闲不一致导致的工时浪费[2]。

2 汽车试制总装工艺技术分析

目前汽车行业试制车间往往依靠主观经验进行总装工艺布局，常因员工作业能力不可量化、生产任务紧急程度不同、物料到货风险不同等导致总装工艺编制不细致，很大程度上影响了样车试制阶段的质量及项目管理。因此，汽车试制总装工艺的工艺布局也需要基于员工的工作能力及具体任务进行深入研究。

2.1 员工作业水平评价体系

试制总装工艺技术的均衡化需要先建立员工作业水平评价体系（见表1），该体系由4个一级指标、14个二级指标构成，采用系统因素分析方法对员工作业能力进行量化计算，具体的评价指标如下：①专业技术水平，包含员工技能熟练度、操作效率、质量达标率、岗位柔性度、操作规范度；②业绩成果，包含员工工作完成率、技术攻关水平、技术创新能力；③胜任力，包含员工问题解决、学习创新、团队合作、用户思维等方面；④员工态度，包含员工违纪率、工作责任心、出勤率等。

表1 试制车间员工作业水平评价体系

由于员工作业水平的评价指标对实际作业效率产生的影响程度不一样，因此还需采用决策实验室分析方法（Decision-making Trial and Evaluation Laboratory简称DEMATEL）进行权重分析[3]，计算过程如下：

其中jpq为员工能力指标jp与能力指标jq之间的影响关系大小，J为试制车间员工能力指标初始直接影响矩阵（见表2）；T为试制员工能力规范影响矩阵，S为试制员工能力综合影响矩阵。试制车间员工作业水平评价权重修正系数见表3。

表2 试制车间员工作业水平初始直接影响矩阵J

表3 试制车间员工作业水平评价权重修正系数

根据混合权重可计算员工作业水平水平值，表达式如下：

其中Lk为员工作业水平能级指标，Aij为指标具体分数（取值范围0～10）。

2.2 试制总装工艺技术布局

2.2.1 模块化试制总装工艺布局

模块化工艺布局是根据不同的汽车研发车型，按不同的模块进行分别总装。另外一些通用部件，例如仪表、动力总成、底盘等可分别进行模块化。以四大车型模块化试制总装的工艺布局如图1所示。

图1 试制车间模块化试制工艺布局

单个模块下的试制总装工艺布局如图2所示。

图2 试制车间模块化试制工艺布局

2.2.2 流线型试制总装工艺布局

流线型试制总装工艺布局采用类似汽车量产线的布局，自动化程度相对较低、对员工依赖性较高，生产任务安排缺乏可参考经验[3]。流线型布局经常受生产线设备、人员不足限制，汽车企业往往因为缺乏资金导致生产线过于简单、生产设备受限、装配人员不足，由于移动工位数量不够，生产节拍一般也在两天一台到一天一台之间，引进费用昂贵的EMS设备性价比不高。排除以上因素，流线型工艺布局工位清晰，适合单一技能员工同一工位进行作业，进度可视化，工时测算相对准确，利于管理。但实际生产往往受汽车试制不确定因素影响，工作效率经常受到影响。试制车间流线型试制工艺布局如图3所示。

图3 试制车间流线型试制工艺布局

2.3 试制总装工艺编制及工序安排

从接收项目发放的样车需求计划开始，试制总装工艺需要先编制根据样车需求计划制定试制造车计划、装配工艺文件等[4]，试制部门需要在电脑上对样车数模进行详细评审，根据零件大小、安装位置制定装配关系。在完成这些装配工作后，试制部门向现场作业员工提前下发装配作业指导书，以此降低总装装配过程中的不确定性。试制装配工艺文件如图4所示。

图4 试制装配工艺文件

与此同时，还需结合现场，按照人机料法环的模式进行评估非作业时间，将各级零件及其他工位花费时间进行评估统计。其中，由于零部件大小不一，其复杂程度也不完全一致，而且由于试制阶段样件质量状态往往不稳定，不同供应商的软模加工能力不一致导致车身质量存在差异，后续总装装配时长具有较大差异。不同零件由于安装先后关系，有些零件只有在后续关联件安装后才可发现质量问题，这种情况下返修难度也会明显大于别的零件。此外，试制总装往往没有量产线物料摆放密集，现场物料、工具等拿取也会产生不同的时间（非增值时间），均需要考虑在内。零件装配时间成本分析见表4。

表4 零件装配时间成本分析表

零件装配时间成本计算公式：

2.4 试制总装工时调配

试制车间总装工时调配主要受最大完工时间及员工作业利用均衡度影响，其工时调配主要遵循以下原则：员工技能柔性；员工作业水平；作业时间成本；团队协作。

约束条件：工序不可打乱；员工作业不可被中断；不考虑员工因疲劳导致作业效率降低。

表5 调配模型定义

员工作业利用均衡度f采用各员工作业时间与总体作业时间平均数水平的波动程度来描述（即数据的标准方差）。其中标准方差数值越小，表明车间所有员工作业时间稳定，员工忙闲一致性好，具体的表达式如下：

根据调配模型后，采用NSGA-II算法，并采用归一加权法，定义如下：

其中，ws（s=1，2，..，）t为各目标的权重系数；f（sk）是第s个目标值f（sk）在s=1，2，..，t的归一化值，并定义目标值函数及相关参数。

经过该算法依据某新能源汽车试制车间在建4个整车试制项目得到的工位任务分配、员工任务安排、动态问题调整方案与传统的车间员工调度方案相比，工时调配更加均衡，员工有效工作时间更多，项目运行时间得到了显著缩减。

3 汽车试制总装工艺技术智能化发展

3.1 虚拟装配技术

由于虚拟装配技术能满足并行工程的要求，汽车试制总装在前期工艺编制过程中，技术人员可以根据样车零件的虚拟装配进行过程仿真，及时发现产品设计中的问题，并制定相关的总装工艺，这样不仅可以实现汽车同步工程在样车试制阶段的应用，还可以提高装配质量和装配效率，降低装配成本。

3.2 柔性作业车间智能调度技术

作业车间的调度问题是生产过程中必须解决的核心问题之一，与传统的作业车间相比，柔性车间的调度问题更加复杂，并且影响因素较多。虽然很多学者都对车间的调度问题进行了研究，但是目前仍没有一种系统的应对方案，既可以妥善处理动态的事件，又能够保证作业车间有较高的生产效率[5]。事实上，在实际的汽车试制过程中也会出现多种多样的动态事件，如某台样车出现设计问题、紧急任务插单、样车零部件未按计划时间到料等。同时汽车试制又是典型的柔性作业车间，在汽车试制环节对动态因素充分评估并建立合理的数学模型和更智能的算法方面，还具有较大的提升空间。

4 结语

汽车试制在研发体系中扮演着重要角色，本文研究了总装技术在工艺布局、工艺文件、工艺流程、工时调配等方面的优化研究，发现试制项目的过程管理往往采用相对传统的电子文件方式，工艺流转信息传递严重依赖纸质文件、口头沟通或者发送邮件，工时记录和成本核算也依靠主观记忆。根据此类情况，文章提出利用多维度的优化措施，比如根据项目定义设置相匹配的工艺布局、任务大小及工艺顺序，基于智能算法的员工调度、工时平衡，确保总装试制业务更加倾向规范化、精细化。