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白车身焊装工艺规划问题解决思路及方法

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-10-18   来源:广州汽车集团乘用车有限公司   作者: 徐文康
白车身焊装工艺规划过程中需要解决很多问题,这些问题囊括了焊接品质、成本控制、节拍保证、标准化生产、安全生产保证五个方面(QCDMS)。本文详细介绍了这五个方面可能遇到的常规问题,有针对性地分析了这些问题,并提出问题解决的思路及方法,为工艺人员提供参考。

白车身焊装工艺规划是焊装工艺导入前期对车间作业人员、生产设备、生产物料、工艺路线及生产线进行合理配置,以达成高品质、低成本、高效率、高标准、更安全地生产白车身的目的。前期规划做的越充分,后期工作开展越顺利,风险更小,并且大大缩短达成量产的时间。工艺规划是白车身焊装工艺导入前期一项复杂的系统工程,此时白车身设计基本定型,需要结合现有生产条件对车身数据作全面分析以及工艺仿真,期间可能会遇到各种工艺问题,关键是如何做出合理的对策。

       工艺问题可能影响焊接品质、成本控制、节拍保证、标准化生产、安全生产保证五个方面,合理的对策首先必须满足高品质的要求,虽然品质是第一要素,但是其他方面同样需重视,而且要进行层层检讨,有问题分别作对策以及实施,对实施效果进行仿真或验证。下面从这五个方面入手,充分阐述其思路及方法。

1焊接品质
       工艺规划跟品质是息息相关的,不合理的焊接工艺可能导致焊接出错或产生焊接缺陷,甚至造成工件损坏。

        为节约白车身焊装生产线投入,一条生产线将生产好几款车型,而每种车型的白车身又包含了两种以上的派生,从而导致派生零件之间焊点数量及焊点位置的差异,如果没有对这些差异做出正确的区分,则很容易造成焊接出错。焊接出错是白车身焊接过程中较为严重的品质问题,如果不及时发现加以制止,有可能造成批量不良,还会带来严重的生产损失,甚至造成零件报废。为了避免焊接出错,必须加强工序间的检查及防错。工序检查主要是依靠人的目视检查,工艺规划必须确保所焊的工件及焊点的可视性,若可视性不强,则问题很难被发现。防错主要有机械防错和电气防错。机械防错主要针对手工夹具,通过对不正确的操作设置机械障碍,从而无法进行下一步的动作,作业人员通过反思发现操作失误,并立即进行纠正。电气防错主要针对自动线夹具,通过特定的传感器对派生零件的差异点进行检测,传感器将信号输送给PLC,PLC程序对信号进行辨别,一旦出错则进行报警。工艺规划必须考虑在什么工位增加防错,以便更有效地进行防错,同时尽量减少这种可能出错的工位,最好将工位减少为2个,建议其中一个是点定工位,另一个工位是后续补焊工位。以一款中型SUV车型5座派生(图1)和7座派生(图2)为例,7座派生比5座派生多出了第三排座椅安装支架,增加的支架又导致焊点位置及搭接关系的变化。针对第三排座椅安装支架这些差异件,可以设立一个专门的点定工位来进行焊接。第三排座椅支架后续补焊工位,也同样可以设立一个专门的工位来对应焊接。从而将影响范围缩小到最小,即使生产中出现问题,也能够及时发现,并对问题做出处理。

              

               图1 中型SUV车型5座派生                  图2中型SUV车型7座派生


       随着汽车产销量增加,为了在有限的厂房空间提高产能,必须导入更多的机器人及自动化设备,白车身焊接的自动化水平相应得到提高。尽管如此,手工焊接依然是不可或缺的,并且与机器人焊接形成互补,一些自动线无法焊接的焊点可以移到手工线,反之亦然。但手工焊接相对于机器人焊接仍然较容易出现焊接缺陷,甚至将工件打变形。为确保手工焊接品质,首先是确保手工可焊性,其次是确保完成作业后便于检查。工艺规划的过程中需要着重注意一些人工焊接容易产生半点、焊偏、焊点扭曲、零件变形等缺陷的焊点,在自动线可焊接的前提下,应尽量将这些焊点移到自动线去焊接,当然也有可能必须在手工线焊接,那么要考虑增加焊接导向或采用傀儡焊。通常情况下,这些焊点可能因零件的摆放角度原因,导致无法通过目视找到焊接的准确位置,从而产生半点或者焊偏(图3);也有可能因为零件结构复杂,搭接面在一个曲面上(图4),很难将焊钳摆到一个垂直的角度进行打点,从而导致焊点扭曲;还有可能焊钳的电极臂与工件离的太近,容易将工件打变形(图5),这些问题可以在规划前期通过焊接模拟来发现。手工焊接完之后必须进行检查,因此要保证手工焊接所有焊点都能够便于目视检查,应尽量避免因为品质检查而耗费太多的时间。

 

图3半点或焊偏                    图4搭接面在曲面上               图5工件变形


2成本控制
       新车型导入不可避免要发生费用,通过合理的工艺规划,可以对成本进行有效控制。
工艺规划实际上是围绕生产物料这一中心来开展工作。生产物料决定了来件状态,同时也决定了主机厂焊装车间的加工深度。如果加工深度超出车间规划的范围,则一款车型将无法按照设定的节拍进行生产,可能节拍严重滞后,出现产能不足的问题。反之,如果加工深度低于车间规划的范围,则一款车型的生产可能会导致工时的不均衡现象,带来等待的浪费。因此,对生产物料进行合理的内外作分工将非常关键。合理的内外作分工,要基于车身设计的模块化以及平台化。首先车身设计模块化是最为基本的,一款车型的白车身可以分为下车体、上车体和四门两盖;以下车体为例,可以细分成前机舱总成、前地板总成和后地板总成;以前机舱总成为例,还可以细分成左、右前纵梁总成、前壁板总成和前防撞钢梁总成,这些总成可以由零部件商进行加工,模块化的设计使得内外作分工更加简单化和有序化。其次是平台化设计,白车身设计应尽量参考同平台成熟车型的结构及焊点数量,个别零件能够与旧的车型共用,则尽量共用,从而使得同平台车型的焊接工艺具有可参考性,大大减小了工艺规划的难度。因此,对物料进行内外作规划必须要有模块化和平台化的概念,尽量参考同平台现有车型的规划方案,避免在人员、设备和生产线上面增加投入。

       作业人员是一个不稳定的要素,可能会因为员工离职或请假导致人员紧张。另一方面,在精益生产思想的指导下,生产现场也在做持续改善,通过提升效率,达到减员的目的。因此,新车型工艺规划必须尽量避免人员增加,否则以往为了减员所做的努力将会大打折扣。避免人员增加最有效的方法就是提高自动化率。将人工无法在规定的时间完成的作业内容转移到自动线,由机器人进一步完成。为了让机器人焊接更多的焊点,必须提高机器人的焊接效率,焊点的分布对机器人的焊接效率影响是最大的,焊点分布越集中,相邻两个焊点间距最短,则机器人行走浪费的时间最短;应尽量避免机器人对焊枪做180°旋转焊接,旋转必然会增加3个附加动作——退枪、旋转、进枪;还要避免相邻机器人存在干涉等待,原则上是不允许存在这种等待。

       新车型导入的生产设备主要是工装夹具、焊接设备、涂胶设备和气动工具等。首先要对导入车型做生产线通过性分析(图6),确保是否能无障碍通过生产线,并且与现有的通用工装设备实现共用。通过性分析基于生产线数字化的基础上,运用三维软件导入生产线及白车身数据进行仿真验证。三维软件能够很直观的体现白车身在加工流动过程中是否存在障碍,支撑夹紧面是否跟白车身贴合,定位销是否对孔等。若存在通过性的问题,应尽量通过变更白车身设计来解决。防止对现有通用工装设备进行不必要的改造,不仅可以降低成本,而且避免了改造后可能对量产造成不利的影响。接着要开始编制工艺路线,为避免不必要的设备投入,要基于生产线现有设备资源,对工位先后顺序编排进行初步规划,其中有点定工位、补焊工位、涂胶工位、螺接(铆接)工位等。其次开始对加工零件做装配可行性分析,装配可分为手工装件和机器人装件。手工装件主要考察零件的重量大小是否易于装件,是否需要辅助吊装设备,零件是否存在充当吊耳的结构以利于吊装。机器人装件也要考虑工件和抓手的重量是否到达承载极限,以及装件的路线轨迹是否易于实现。然后最为重要的一步就是对工件的焊接可达性进行分析,也就是验证现有的焊钳是否能够对应所有焊点的焊接。焊接可达性验证也是通过计算机三维软件导入焊钳和工件数据,先保证电极杆垂直工件,而电极帽对准焊点,然后检查焊枪是否会跟工件发生干涉。焊接可达性分析必须要充分,要求每一把焊钳对每一个焊点都要做验证,以便得出哪些点可以焊接,哪些点不可以焊接,而不可焊接的点是否有其他焊钳可以焊接。当然也可能会存在所有焊钳都不可焊接的焊点,为尽量避免新增焊钳,这时候要考虑修改零件搭接结构,或者将点焊改为CO2补焊。最后是根据生产线的节拍,设备开动率及工程编程率,编制详细的工艺指导文件,同时为最终确定的设备清单提供依据。

 

图6 导入车型做生产线通过性分析


3 节拍保证
       所谓节拍就是定义生产线连续加工情况下,每一台车下线所需的间隔时间。节拍并不等于每个工位工时的平均值,而是符合短板理论,一条生产线的实际节拍以这条线作业时间最长的工位为准,而一个工位的工时又是以作业时间最长的作业人员或者机器人为准,而工时较短的作业人员或机器人则出现了等待。为了达成节拍,一方面要着眼整条生产线的所有工位,对作业方式进行优化,使其效率最大化;另一方面要对人工及机器人的作业量进行合理分配,力求人工和机器人的作业能够达到均衡化,这里包含了人工与人工,机器人与机器人,人工与机器人的作业均衡化,最终消除等待的浪费。

        作业方式依附于现有的生产方式或生产系统,而着眼于每一步动作,它是完成一道工序所要经历的过程。作业方式的好坏蕴含在作业的顺序以及每一步动作当中。比如为完成一道焊接工序,作业人员在料架旁取件、装件、按按钮夹紧工件、取焊枪进行焊接,焊完后挂焊枪、打开夹具检查焊点,检查完后将工件移到下一工位。这个简单的例子里面包含了作业的顺序及内容,接下来需要考虑如何更方便快捷的完成这些动作,尽量避免诸如弯腰、下蹲、来回移动等附加动作。将上述作业方式进行持续优化,就形成了现有的生产方式。

        作业均衡化是基于作业方式效率最大化的前提下,对作业量的分配进行优化。比如为完成一道工序,作业人员要取几次件,装几次件,按多少步按钮,取放焊枪几次,焊接多少个焊点等,这些数量就体现了作业人员的作业量。同样对作业量的分配进行持续优化,就形成了现有的生产方式。

        而对于一款新车型的焊装工艺规划,则更多是考虑焊点的分布(图7),焊接路径及焊点数量。焊点的分布是在确保可达性的前提下,一方面使分配的焊点更加连续,从而缩小焊接路径;另一方面使分配的焊点更加集中,从而确保相邻焊接无干涉区,从而消除了干涉等待。焊接路径是确定焊点分布的前提下,优化焊接路径,减少进出枪的次数,避免焊枪摆动幅度过大,更要避免焊枪旋转180°打点,从而使得焊接路径最小化。焊点数量是在确定焊点分布和焊接路径的前提下,也就是确保焊接效率最大化的前提下,在工时允许范围内能够焊接的点数,因工时评估存在一定的误差,为避免后期出现节拍不达标的风险,规划点数要比目标点数少1~2个焊点。

 

图7 考虑焊点的分布


4标准化生产
       从焊装工艺规划的角度来考虑这个问题,一方面要降低员工作业强度,减轻作业疲劳,从而保证作业质量,毕竟疲劳作业是做不好的;另一方面还要降低员工作业难度,减少作业过程中出错的风险,使得手工工艺能够易于熟练和掌握。基于这个前提下,推进作业标准化是比较易于实现的。机械手段也是一种非常有效的方法,比如增加焊接导向,提高焊接打点的精准度,或者增加涂胶导向,不仅提高涂胶效率,而且使得胶条更加美观,尤其对于形状复杂的搭接边,效果更加明显。电子手段不仅可以对作业好坏进行识别,而且还能提供报警,使得问题及时发现及时解决,比如使用打点计数器(图8)对焊接打点进行计数和比对,若发生漏焊,可以及时报警,使得漏焊焊点得到及时补焊,从而保证焊点数量的一致性。在此,不得不提自动化及机器人作业,特别是机器人作业,能够代替人工承担高强度、高难度,或更为复杂的作业。因此,一个工厂的自动化水平,也是其产品一致性的重要保证,自动化水平越高,往往产品一致性更好,作业标准化贯彻越彻底。

 

图8使用打点计数器


5安全生产保证
       焊装车间的危险源主要是有毒有害气体、焊接烟尘、电弧辐射、钣金件割伤、机械伤害、重物磕碰等。从工艺规划的角度,应当尽量避免这些伤害或者对危险源进行有效隔离。比如涂点焊胶后需进行点焊,应当尽量考虑由机器人进行焊接,以免焊接过程中胶受热产生有毒有害气体,对员工的身体造成危害。CO2焊接作业会产生大量的烟尘及有害辐射,必须在专门CO2岗位进行焊接,一方面通过除尘系统吸收有害烟尘,防止烟尘吸入肺部对呼吸系统造成伤害;另一方面通过围闭隔绝电弧辐射,以免强光对眼睛造成伤害。CO2焊接部位必须先焊接后涂胶,若先涂胶后焊接不仅胶的性能会发生改变,而且会产生有毒气体,会对人的呼吸系统造成伤害。物流器具的规划要考虑到方便取件和上件,特别是尺寸重量较大的零件应避免空中旋转或翻转,以免零件移动过程中对人造成磕碰或者割伤的风险。如果人与机器人存在交叉作业区域,则必须在人和机器人的入口处设置光栅,防止人进入交叉区域作业时,机器人对人员造成伤害。重物的搬运必须借助搬运工具,10~20kg以内的重物可以采用平衡器进行搬运,20kg以上的重物考虑采用气动葫芦进行吊件,或者采用机器人进行搬件。

6 结束语
       焊装工艺规划是一项复杂而又繁重的工作,不仅要有计划的开展工艺分析与工艺评审,从中提出问题,而且需要上下游多领域通力合作,加强沟通协调。特别在分析问题的时候,不仅要全面考虑规划的要点以及上下游各领域,而且要分层次逐层解决,避免其他问题产生而导致反复。
 

 
 
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