浅谈汽车行业工位器具标准化设计与应用

2022-12-19徐跃宏

汽车工艺与材料 2022年12期

徐跃宏

（奇瑞汽车股份有限公司，芜湖 241009）

1 前言

近些年随着国内汽车行业兴起，产销量不断提升，各汽车制造企业投入大量自动化设备，兴建自动化装配线，提高了劳动生产效率，解决了劳动力成本压力日益增大的问题。但是作为生产辅助性工装的工位器具的发展却停滞不前，此时传统工位器具需要向精细化、标准化、模块化等方向发展，从而应对智能制造要求，同时通过提高设计水平缩短制造周期，降低制造成本。

工位器具是指企业在生产现场（生产线）或仓库中用以存放生产对象或工具的各种装置。按其结构分为转运器具、存储器具、料筐、料车、托盘、踏台等，按其使用区域分为物流仓储器具、线侧存储器具、线侧转运器具等。本文主要阐述的是汽车制造各工艺中线侧存储、线侧转运等汽车零部件专用工位器具。

2 正向开发与逆向开发

目前随着智能制造的加速发展，工位器具已经不仅是用来简单存放零部件传统意义的货架，还要满足准时制生产方式（JIT）生产下的精益生产物流需求，根据生产节拍合理设计装箱定额，从作业和储存空间、零部件防错性、器具结构与自动化设备匹配性等各个方面因素进行规划，整个设计过程需要融入人机工程学、材料学、机械制图、金属结构学等相关知识。细化工位器具开发流程和同步开发手段，对于设计出经济、标准化的工位器具至关重要。

2.1 正向开发

在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后通过绘制图纸建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程称为“正向设计”过程。

2.1.1 项目策划

a.根据新车型或新开发零部件清单结合生产工艺、工艺路线等信息确定工位器具开发清单；

b.根据工艺布局图、物流方式、开发零部件是否存在沿用等信息确定工位器具开发数量、器具外形尺寸及装件数量等；

c.进行数字化装件模拟分析，整理虚拟装件过程中差异点等信息。确定工位器具结构形式，开展器具方案设计、样件制作及评审、批量制作及使用。

2.1.2 设计阶段

工程图设计阶段包括器具框架设计和器具内部结构设计。

工位器具框架是零部件存放的载体，是以“钢结构”为主的支撑部件。根据零件大小、存放形式、装件数量、转运形式等信息设计器具框架，若框架规格过多既不便于器具码垛存放，也会增加物流存放空间。通过平台化、标准化框架设计可以节约器具制造成本40%～60%，还可以缩短器具制作、设计周期。

器具内部结构设计包括零部件防护、定位、支撑、防错、自动化设备衔接。需要结合零部件取放件方式（人工、机械手、机器人）、模夹具摆放特性（模具凹面朝上、夹具凸面朝上）、人机工程等要求设计器具内部结构，结构遵循简单化、模块化、通用化原则。

工程分析阶段对器具三维图进行CAE 分析，其中包括器具承载能力、DMU 仿真模拟、人机操作模拟分析，最后将器具插入数字化工厂场景内，进行三维物流仿真分析，确保各个要素合理性、安全性、经济性。

2.1.3 样件制造阶段

器具样件试制是验证与完善产品设计的一个过程。样件的试制要严格按照设计数据进行，要确保与设计图纸一致性，以便发现真实存在的问题。

尽管现在拥有先进的设计手段，包括工程计算、工程仿真与模拟等，但器具样件完成后的相关静态和动态验证一定要进行，因为产品的诸多细节问题在设计阶段是无法提供全面数据，加入工程计算体系的。器具静态验证主要包含目前的车身试制手段主要有中熔点、铸铁简易模、工序件。

根据二维图纸进行样件实物制作，制作过程中涉及焊接、喷涂、机加工均要严格按照国家相应标准执行，确保实物与图纸的一致性，比便于后期修改、优化设计方案。

样件制作完成后需要进行静态验证（尺寸、形位公差、承载）和动态验证、问题点整改，确认最终图纸进行批量制作。

2.1.4 批量生产

样件验证合格后进行批量制作，过程确保制作的一致性。三维图数据收集、分类，建立器具数据库。

2.2 逆向开发

逆向工程产品设计可以认为是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品实物或模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程，期间对已存在实物或数模进行优化形成新的产品。

数据采集是逆向工程的第一步,直接影响到是否能准确、快速、完整地获取实物的二维、三维几何数据,影响到重构的CAD 实体模型的质量,并最终影响产品的质量。

a.针对老车型无图纸信息的器具通过人工测绘采集数据，通过三维设计软件建立CAD 模型数据；

b.对已有车型器具CAD 模型根据车型平台、零件类别等进行归类；

c.建立一个器具标准化的CAD 数据库，便于后期器具新增、改造、优化等分析参考。

3 工位器具标准化设计

3.1 设计要点

从SQCDM 5 个方面，充分考虑标准化的覆盖深度和广度，明确工位器具的相关设计原则。

3.1.1 配置原则

器具投入数量应根据个车型工艺生产节拍制订，一般数量应能满足产线1 天或1.5～2 小时的节拍需求，其中包括存放、周转、周转占用。在满足节拍需求的前提下尽可能少投入器具数量，以便减少物流空间占用及器具投入成本。

单个器具包装量配置原则如下。

a.用于组合或装配工位的器具设计时应按照产品基数成套存储转运，以减少转运停滞时间浪费，准时转移按量补充；

b.单个零件器具在满足质量、人机工程等前提下，尽可能提高器具容积率及装载率，减少器具数量投入及物流转运频次。

3.1.2 转运原则

器具常用的转运工具包括人工（推车）、电动牵引车、叉车和自动导引运输车（AGV）等。人工转运效率最低且增加人工成本，仅适用于工位间短距离转运；电动牵引车和叉车相对能耗及时间浪费较少，安全性不高且同样需要人工成本投入；AGV 可以实现物流转运路线定制、柔性化程度高、安全高效、易实现物流生产智能化。因此器具设计时推荐多采用AGV 转运形式，结构设计考虑AGV 接口。

3.1.3 柔性化原则

为满足柔性化生产线需求，器具设计应考虑同平台车型通用化、柔性化设计。器具框架标准化，内部结构模块化设计，既满足柔性化生产的需求，提高工位器具的利用率，同时可有效预留现场改进空间。

3.1.4 自动化原则

随自动化普及，工位器具由人工上下料转向自动上下料，其精度和上下料需满足自动化需求，这部分需与工艺部门联合设计，达成自动化上下料的目标，这也是工位器具实现标准化最终目的和意义所在。

3.2 方案设计

工位器具的设计属于工业设计的一种，由于在实际使用过程中主要用于放置零部件并满足一定的使用功能，相对于模具、设备等机械设计是一种较为简单的设计。过去工位器具的设计采用是现场根据零部件摆放、装配等或使用二维CAD 软件进行绘制的方法设计及制造工位器具，甚至通过手绘草图进行设计制造，在设计手段上远远落后于零部件、设备工装的设计。但近年来随着汽车制造企业也正处于从传统行业向智能制造转变的关键阶段，自动化程度的提高，工位器具的制造成本、与自动化生产设备（生产线）对接以及器具对零部件质量的影响等因素成为汽车生产过程中必须要考虑的问题。通过3D 数字软件可以使企业有效地实现从“数字样机”到“数字制造”的延伸。“数字制造”在设计周期就使用人体工程学分析，对操作与维护进行仿真，缩短制造周期，另外通过建立数据库以便在产品生命周期的后续阶段二次利用、改造等环节节约成本及改造周期。

将汽车零部件插入相对应类别、平台器具标准数据库中，根据器具开发原则及工艺要求进行相关模拟分析。

通过DELMIA 软件的数字化装配模块可以对多个零部件进行数字化比对分析（图1），利用建立好的器具数据库对零部件进行通用性分析，不仅可以缩短器具正向开发周期，且提高同类别、同平台车型零件器具的通用化率。

图1 器具通用性对比分析

人机工程分析包括人体建模、姿态分析和视野分析。

DELMIA/Human 人体模型解决方案可以提供一系列的人体仿真模拟和人性因素工具的体系结构，提供人员及其制造、安装、操作和维护的产品之间关联，直观、易懂，且方案最优。

DELMIA/Human 可以对人体各种姿态进行分析，检验各种人体的可达性，装配抓取等动作姿态（图2）。

图2 DELMIA/Human可以对人体各种姿态进行分析

DELMIA/Human 可以生成人的视野窗口，并随人体的运动动态更新，设计人员可以动态改进产品的人体工学设计，检验人体对器具上零部件的可视效果等（图3）。

图3 DELMIA/Human可以生成人的视野窗口

器具成本分析：可直接对三维实体赋予材质及密度值，系统会自动计算并输出材料详细清单，大大提高了材料核算效率及准确率，合理控制制造成本。

物流器具规划模拟分析：传统的物流规划利用二维生产车间平面布局图，通过人工计算、评估及现场模拟等方式确定物流配送形式、配送路线、节拍等数据。通过三维物流仿真方案，工程师可以直观地进行物流线路的分析，分析物流的瓶颈点，并提供柱状图或饼状图的分析工具，方便地调整物流线路和物流负荷，同时完成与自动化设备之间的交互（图4）。

图4 器具与AGV交互模拟

某车型工位器具项目总投资为100 万，案例具体分析如表1所示。

表1 降低投资成本案例分析

4 工位器具标准化应用

4.1 冲压工艺

4.1.1 工位器具现状分析

冲压器具大多属于专用器具，每新增一个车型都需要根据差异零部件的形状、结构等开发工位器具。目前汽车主机厂自制冲压件主要为车门、发盖、后背门、顶盖、侧围、翼子板等内外板件。车间物流库区面积有限，库区满足新车型器具的同时，还要保证量小或停产车型的器具存放，物流库区压力大。

当前工位器具设计思路落后，没有适应当下冲压生产线自动化发展的趋势；设计方法落后，很多器具设计都是现场根据实物零部件制作；没有建立统一规范的标准，种类繁多，导致器具投入成本及占地面积大。

4.1.2 标准化、柔性化应用

规格标准化：根据车型平台、零部件大小等因素建立3种顶盖器具标准（A型、B型、C型），减少同类零件器具的规格种类，减少库房仓储面积（表2）。

表2 标准化顶盖器具

结构柔性化：器具由标准框架、承载支架、自动摆杆3 部分组成（图5）。标准框架有A、B、C 3 种尺寸规格，自动摆杆为通用标准件安装在承载支架上，承载支架螺接在标准框架底部，根据不同平台顶盖尺寸可以进行适当调节满足零件存放要求（图6），提升器具的柔性化程度。

图5 标准化顶盖器具爆炸图

图6 可调节支撑组件

改进前：发动机盖内板多采用单面悬挂叠加存放形式，由于内板零件结构特点叠加较为紧密，80～100 件装件定额仅仅利用了挂杆的一半尺寸，器具容积率较低；由于零部件重心偏心，器具在转运过程中易侧翻；悬挂杆为焊接连接，无法适用不同发盖内板的悬挂点，柔性化程度低；改进后：采用双面取放零件提高器具的容积率，重心平衡提高转运过程中稳定性；通过不同车型发动机盖内板结构数据分析可知悬挂孔X/Y位置有差异，悬挂杆组件与器具背框采用螺接形式，X/Y向可以调节，从而适应不同车型发动机盖内板的要求，提高器具柔性化程度（图7）。

图7 发动机盖内板结构

4.2 焊装工艺

4.2.1 现状分析

焊装车间零部件品种多，形状各异，工艺布局复杂，这对物流是一个很大的挑战。焊装生产线一般根据1、2、3级总成进行生产线工艺布局。车间内零部件主要由外协件分总成、自制冲压件、机物料标准件组成，具有很强的配合性、集散性和均衡性，随着焊装车间新车型增加、节拍提升、工艺优化，需要结构标准化、尺寸标准化、高柔性化、操作便捷的工位器具应对焊装高效、繁杂的物流配送瓶颈。

4.2.2 标准化

焊装车间传统物流工艺为工位上所需每一种零部件都在线侧配备工位器具（料箱或料架），随着车型不断增加及差异件种类增加，线侧无法满足焊装柔性化生产下物流器具存放需求，且增加员工取件距离。

a.建立整合器具框架标准（4 种规格：800 mm×700 mm×1 350 mm、1 100 mm×700 mm×1 350 mm、1 200 mm×700 mm×1 350 mm、1 500 mm×700 mm×1 350 mm）（图8）。

图8 PC区整合料车结构

b.根据每个焊接工位零部件装配工艺清单，将小件集中放置在整合料车内，满足JIT 物流配送要求，小车内部零部件摆放形式有悬挂、料盒存放等，便于员工取放。

4.2.3 零件防错

前风挡下横梁下端板OP10 焊接完成后需要打VIN（车辆识别码）号，零部件输送至OP20 工位过程中需要防止VIN 号划伤并保证零件排序输送，需要防错措施。

前风挡下横梁下端板OP20 器具采用双滑车轨道，零件用挂钩通过滑车从一侧输送至下一工位，人工取件后空钩从另一根轨道返回上一工位（图9）。

4.3 总装工艺

4.3.1 成套配装系统（Set Parts Supply，SPS）

目前汽车生产装配线通常需要满足至少2 款以上车型混线生产，在工位数不变前提下，线边有限物料存储空间成为限制生产线柔性化和生产效率的瓶颈。同时不同车型差异件较多，原有物流模式极易产生错装、漏装等质量问题，如图10所示。

图10 未实施SPS时生产线

丰田汽车推出一种新的基于配套的物料处理系统成套配装系统，以降低装配领域的复杂性并提高质量，其优势如下（图11）。

图11 实施SPS后的生产线

a.将零部件分拣与装配作业分离，使工人更专注于装配作业，减少了人工失误；

b.取消了线侧的固定物料器具，改为流动性随行料车，不仅缓解线侧物料存储空间压力，还避免差异件错装、漏装发生，从而提高装配质量。

SPS 系统核心区在物料分拣区，通过制造执行系统（MES）和企业资源计划（ERP）系统的相互衔接，MES 系统自动将生产订单信息分解为车型生产信息，SPS 系统将主动获取的车型信息分解为详细的装配物料清单（BOM）清单，并以亮灯的形式告知物流分拣作业人员正确取料。操作者依据亮灯指示，可以轻松、准确的在物料分拣区零部件料架上取出零部件并放置在SPS 小车上。在零部件料架投料端同样采用指示灯进行指示投料。物流分拣作业人员使用掌上电脑（PDA）工具扫描零部件包装上的二维码，SPS 系统自动识别零部件信息并点亮相应物料的投料口指示灯。物料投料端和取料端均采用亮灯指示模式。投完料或取完料后，人工拨动料架上的拨灯系统开关熄灭指示灯，确认投料与取料的正确性。

SPS 台车由SPS 小车和AGV 2 部分组成。AGV负责将SPS 小车按照事先规划路线输送到指定工位再将空的SPS 小车返回至物料分拣区。物流分拣作业人员从料架上将取出的零部件摆放在SPS小车配餐托盘上固定的位置，每台SPS 小车摆放一台份当前车型工位所需装配的零部件（图12）。

图12 SPS物流上件

4.3.2 AGV 物流模式

AGV 柔性化技术理论在生产中体现在物流领域与装配领域，分别去实现物流无人化和制造柔性化，同时提升产品的稳定性、可靠性，同时提高生产效率。

物流过程分为装卸物流、一次物流和二次物流。

a.装卸物流：原材料或半成品从卸货区输送到仓储区阶段；

b.一次物流：由仓储区输送到分拣区，出库、搬运、自动补料阶段；

c.二次物流：由分拣区输送到生产线，进行生产线的上线阶段。

物流无人化的具体实施：叉车AGV 取代原有的人工叉车，实现料盘、料架的自动叉取，进入仓储区；叉取式AGV 或后牵引式AGV 代替传统的人工拆包、筛选、补料，从仓储区放入分拣区，同时将分拣区空的容器返回仓储区；潜伏式牵引类AGV与SPS 台车配合可视化的拣选系统，实现产品的质量和追溯，输送到生产线，再配合上线机构，进行上线。

AGV 牵引拣选SPS 台车进入分拣区，结合可视化拣选系统，实现零件智能化的拣选，之后AGV 将SPS 输送到装配区，人工进行定点装配（AGV 与定点台车组成装配平台，以此完成装配），随后由AGV 将装配成品输送到上线区或存储区，完成自动下线，再返回到分拣区，完成整个装配的周转循环。

4.4 自动化取件

自动化取件是通过机器人将零件从工位器具中取出，以机器人取料代替人工取料，解决人工取件节拍高和人机工程不佳等缺点。

自动化取件的成功率与零件在生产线旁的绝对姿态紧密相关。目前阶段为机器人抓手采用固定轨迹从工位器具内抓取零件，由于机器人取件采取固定轨迹，对零件姿态要求较高，因此工位器具公差及零件在工位器具内的活动空间均较小，防止零件在物流过程中的窜动影响零件姿态及抓件。

a.顶盖外板器具采用自动摆杆垒垛存放零件，满足机器人抓具Z向取件。零件在器具内满足X/Y向±5 mm 公差。器具内部支撑立柱采用活动连接，可满足多种车型顶盖，柔性化程度高，如图13所示。

图13 冲压顶盖外板器具自动化取件

b.器具有托盘小车输送至线边工位，器具在托盘小车内满足X/Y向±5 mm 公差，如图14所示。

图14 冲压顶盖外板器具

c.托盘车与工位地面定位机构通过导轨、导向板、导向滑轮、感应开关、夹紧气缸等使其精确定位在线边工位上，如图15所示。

图15 线边工位定位机构

a.天窗器具采用自动翻转机构垒垛存放零件，满足取料机械抓手Z向取件。天窗在自动翻转机构上对角定位销定位，零件在器具内满足X/Y向±1 mm 公差，如图16所示。

图16 天窗器具线边站点

b.器具有托盘小车输送至线边工位，器具在托盘小车内满足X/Y向±5 mm 公差；

c.托盘车与工位地面定位机构通过导轨、导向板、导向滑轮、感应开关、夹紧气缸使其精确定位在线边站点。由于总装车间多车型混线生产，每个站点存放不同车型的天窗，取料机械手根据系统输入自动按车型抓取天窗，如图17所示。

图17 总装天窗自动化取件

自动化取件的成功率与零件在生产线旁的绝对姿态紧密相关。自动化取件分为2 个阶段，现阶段多采用固定轨迹从工位器具内抓取零件，由于机器人取件采取固定轨迹，对零件姿态要求较高，工位器具自身尺寸公差及零件在器具内的活动空间较小，以防止零件在输送过程中的窜动影响零件姿态及抓件。因此固定轨迹取料模式下工位器具制作成本及维护成本较高。

第2 阶段为机械手采取活动轨迹抓取零件，即自动化视觉取料。机器人抓手上集成摄像头，在视觉系统的辅助下从工位器具内抓取零件。其工作流程为抓取零件前，由摄像头先对零件特征点（一般选取零件尖角和销孔等易于识别的特征点）进行拍照并与视觉系统内零件的标准姿态值进行比对，引导机械手调整位置，从而实现对零件的抓取。与固定轨迹取料模式相比，视觉抓件模式对零件姿态要求相对较低，对器具尺寸公差和零件间隙的要求更低，有利于降低工位器具的制作及维护成本，因此自动化视觉系统取料模式将是未来发展趋势。