EOP备件柔性焊装线的研究和应用

魏国兴 潘福禄 王刚 孙仁龙 林增宇 张晓龙

（一汽模具制造有限公司，长春 130013）

1 前言

近年来，随着中国汽车工业的飞速发展，国内汽车保有量迅速增加，继2012 年中国乘用车市场保有量超过美国后，中国连续9 年成为全球汽车产销量第一大国[1]。作为全球最具活力的汽车市场，无论是国产企业还是合资企业，市场竞争愈发激烈，市场的竞争归根结底是对顾客的竞争，注重售后服务和质量才能换取顾客的品牌忠诚度；在售后服务中，备件供应作为非常重要的一项内容，尤其对于市场保有量较大的车型，不仅能够带给车企丰厚的利润，提高企业在市场中的口碑，更是企业的责任和义务。随着车型的更新换代，停止量产（End of Production，EOP）车型的备件供应是各大车企亟待解决的问题，焊装作为汽车四大工艺之一，如何以最少的投入，提供多车型的备件产品供应是本次主要研究方向。

2 国内外研究概况

随着国内乘用车市场的不断发展和完善，各类新车型如雨后春笋般纷纷上市，汽车企业不断推出更具备市场竞争力的新车型，车型更新换代的速度加快，现在市场上主流的车型生命周期一般为5～7 年，对于市场反响差的车型，很多刚刚上市就面临停产，因此停产车型的备件供应是汽车企业必须面对的问题。然而国内企业在此问题上的应对普遍较差，配件短缺，维修需要等待等问题普遍存在，甚至存在根本没有备件的情况。对于市场上的主流车型，停产后的备件供应不会受到影响，但对于一些小众车型，备件的供应常常需要预约，向主机厂定制，质量和价格往往不被接受，如何建立有效的停产车型备件供应管理是目前亟待解决的问题。

目前国内的停产车型备件供应大致有2 种方式，一种是保存生产能力法，一种是保存零部件法。保存生产能力法，即保存完整的生产零部件的设计文件、工艺设备、工艺文件等相关资源，在有备件需求时，可以随时进行生产，这种方法的优点是反应速度快，可以快速提供产品，缺点是占地面积大，设备维护成本高，对于备件需求量较大；保存零部件法，需要销售部门根据备件的市场需求进行预测，在车型停产前进行备件储备，此种方法的优点是反应速度快，备件现货供应，缺点是需要对未来市场进行有效预测，并建立庞大的备件中心，给生产、仓储、物流各部分带来较大的压力，同时还要考虑备件的存储环境和条件，任何问题都会导致严重的浪费。

国外的汽车行业起步时间早，对于停产车型的备件供应研究较早。随着汽车市场的竞争不断加剧，汽车的价格日益下探，整车的利润空间不断降低，由于汽车的零整比较高，备件供应会带来非常可观的经济收益，因此得到了国外汽车企业广泛重视。德国大众是世界上最大的汽车企业之一，也是目前世界上备件供应较为先进的企业之一，大众集团在卡塞尔建立了备件中心，该中心集生产、仓储、物流于一体，车型停产后将停产车型的备件转移至备件中心进行生产，最终向全球的用户提供备件供应。

3 EOP备件

车型停产可归结为3 种情况，一是车型更新换代，该车型有了升级版，老车型随着时间和市场环境的变化销量下滑，为保持该车型在市场中的持续竞争力，只能让其停产退出；二是由于车型上市时定位不准确，在细分的车型市场里始终无法打动消费者，最终无奈被市场淘汰；三是汽车企业为了将资源集中在优势产品上，对于弱势产品采取减少损失的措施，主动选择退出市场。

对于停产车型的备件供应，如图1 所示，尤其以车身的外表面覆盖件供应最为重要。外表面覆盖件通常指四门、前后盖等，这些零件的市场需求明显高于其它备件，对于市场保有量大的车型，单一品牌的年需求量通常在几千件甚至上万件。

图1 车身主要外表面覆盖件

3.1 供应年限

根据国家汽车报废标准为9 座(含9 座)以下非营运载客汽车(包括轿车、越野型)使用15年，达到报废标准后要求继续使用的，不需要审批，经检验合格后可延长使用年限，每年定期检验2 次，超过20年的，从第21年起每年定期检验4次。因此汽车零件的供应年限就应以15年为依据来初步制定。

根据整车的折旧率，确定价格较高的备件供应年限，对于某些金额很高的备件，如果更换备件的价格比整车当时的价格还贵，用户就不会选择去更换这些配件，所以对于此类特殊备件，供应的年限要短一些。

根据备件的通用性，确定备件的供应年限。如果此种备件和现有车型能够通用，那么此类备件可以不做考虑。

通常来说，对于汽车白车身而言，一般只提供外覆盖件的备件供应，不提供整个白车身和内部零件的备件供应，如果发生损坏，修理厂自行维修加工即可。

3.2 供应数量

备件的种类和年限确定后，就需要确定备件的供应数量，备件供应数量的预测方法较多，较为常用的为公式（1）[2]。

式中，k为自销售期至统计期的总月数；N(kj)为使用了j月的整车保有量；λ(lj)为与使用时间对应的故障率；Xk为备件供应数量。

其中整车保有量根据该车企实际销售数据可得，故障率的分析是以该车企的4S 店实际维修数据为背景，如图2 所示，该曲线为国内某车企销售部门根据A 车型的市场保有量和故障率对其备件需求量的预测，车型停产后，备件需求量随着年份的增加逐渐减少，符合实际情况。

图2 车型A的备件需求量预测

4 EOP备件柔性焊装线

研究的EOP备件柔性焊装线，大部分设备都采用深度利旧的形式。对于停产车型的原生产线，无论是外购设备还是专用设备，随着使用年限的增长，设备出现的问题会越来越多，对于状态较好能够二次利用的设备，通常会以较低的价格进行销售，对于专用设备例如夹具或者支架，完全没有再利用的价值，会采取直接报废的方式。无论是再次销售还是直接报废，都无法发挥这些设备的剩余价值，以1 台机器人为例，机器人的使用寿命10 年左右，如果保养得好使用寿命可达15 年以上，随着技术的发展，机器人的版本和功能会落后，但是它发挥的作用完全不逊色于1台新机器人。

所以研究的EOP 备件柔性焊装线所使用的机器人、管线包、水气单元、修磨器、自动中频焊钳、换枪盘、涂胶泵、夹具、胎膜以及激光焊等相关设备都是从停产车型的老旧线体中挑选出状态较好的，经过简单的维护和保养，达到可以二次利用的状态，相比于新设备，利旧设备的维护间隔要更短，尽可能延长设备使用寿命。对于一些特殊的设备，如果保养维护的成本和新设备的成本相当甚至高于新设备的成本，此种设备将重新采购，最终实现控制成本、利润最大化。

对于车身的四门两盖以及翼子板等外覆盖件备件供应，焊装线整体的工艺包括焊接，滚边和激光焊，因为研究的焊装线可以容纳8 种不同平台车型的备件生产，柔性化的方式主要体现在料口夹具切换、滚边胎膜切换、抓具小车切换等方式，下面将围绕柔性焊接岛、柔性滚边岛、柔性激光焊、柔性冲铆岛分别展开论述。

4.1 柔性焊接岛

传统的环岛式焊装线，具有生产效率及自动化程度高、产品质量稳定等优点，缺点是柔性化程度低、占地空间和成本投入大。柔性焊接岛则刚好相反，车型适应性强，生产灵活，正适合于产量不大的备件供应项目。

如图3 所示，为后盖内板总成的焊接岛平面布局，能够满足8 款车的后盖内板总成焊接要求，通过对8 款车停产前的工艺比对，每种后盖内板的定位夹具个数均不大于3 个，所以焊接岛的上料口数量设置为3 个是合理的，上料口采用夹具切换的形式，将同种车型的夹具同时切换至料口，料口处安装有RFID 检测设备，可以对夹具进行检测，如果车型不匹配，系统会自动报警，直至匹配到正确的夹具。

图3 后盖内板总成焊接岛

焊接岛中包含5 台焊接机器人，每台机器人带有3 把自动中频焊钳，可以焊接8 个车型的所有焊点，零件的传递通过操作工人搬运到工位器具，由下一个上料口的操作工人继续完成上件操作。待一个车型的后盖内板总成产量足够时，切换到下一个车型继续生产。

对于柔性焊接岛的节拍，根据备件需求量最多时计算可得，因为8 种车型的EOP 时间不一致，将所有车型的各年份需求量列入表中，将备件需求量最多时作为输入条件，车型的节拍的计算见公式（2）。

式中，A为每年工作天数；B为每班工作的小时数；C为每天的班数；D为焊装线的开动率，通常取0.85；E为备件需求量；δ为该车型节拍。

图4 为柔性焊接岛的料口切换设备，包括导向板，举升装置以及锁紧装置，当夹具沿着导向板进入到正确位置后，由举升装置将其顶起至精确位置，锁紧装置将其锁紧固定，保证其始终在正确的焊接位置。

图4 上料口夹具切换设备

对于其他焊接类总成，总体的布局思路和后盖内板总成大体相同，都是采用切换夹具的形式最终实现多车型的焊接件供应。

4.2 柔性滚边岛

机器人滚边技术是近几年来迅速发展并广泛应用的汽车门盖加工工艺，具有成本低、加工精度高、占地面积相对较小、柔性化程度高等优点。机器人滚边就是在机器人六轴上安装1 个滚边的工具，工件通过工装夹紧后，通过控制机器人运动轨迹，使用滚边工具上的滚轮将工件的翻边进行压紧，使产品的内外板压合。

如图5 所示，为四门滚边岛平面布局，能够满足8 款车的14 种车门的滚边要求，由于四门产品的专用性，不同车门需要专用的工装，因此上料口使用夹具切换的形式，滚边胎模和压料板采用天车切换，抓手采用小车切换形式，滚头考虑部分车型共用，车型的工装夹具采用RFID（射频识别）技术区分车型，只有车型匹配正确后线体内设备才能正常运转。

图5 四门线滚边岛

四门滚边岛中包含1 台具有搬运和滚边功能机器人，车型切换时，需要切换抓手和滚头，1 台搬运机器人用于搬运压料板，车型切换时需要切换压料板，2 台滚边机器人，切换车型时通过切换滚头来实现多车型滚边。滚边胎膜的切换采用图6的形式，并且压料板和胎膜作为1 个整体用天车进行切换。待1 个车型的总成产量足够时，切换到下1 个车型继续生产。

图6 为柔性滚边夹具切换机构，包括导向板和燕尾槽形式定位结构，当天车把滚边夹具沿着导向板进入到正确位置后，由燕尾槽形式定位机构保证夹具精确位置，通过夹具的自重保证夹具落到位置固定，保证其始终在正确的工作位置。

图6 滚边夹具切换机构

4.3 柔性激光焊

激光焊接作为1 种优质、高效、精密的束焊连接工艺，特别适合同种及异种金属材料间的连接，当前激光焊接技术已经较为成熟，在传统钢制车身的制造中得到广泛应用。激光焊接有着其他电阻焊、电弧焊等连接工艺无法比拟的优点。较高的焊接速度匹配以小光斑、大能量密度的激光束使得焊接过程拥有更小的热输入，继而带来更小的零件变形和较大的焊接深-宽比。由于热输入量小，焊缝区域的最薄弱环节—热影响区的宽度也将减小，同时被熔化的液态金属也将以较快的冷凝速度形成强韧性较好的焊缝组织，从而获得强度高、外观与内部质量均为优秀的焊缝。对于碳钢而言，大多数激光熔焊接头的强度基本与母材本体的强度处于同一水平甚至高于母材本体的强度[3]。

如图7 所示是四门激光焊的平面布局图，激光焊的激光源和激光房的布局较为灵活，光源的位置较为随意，原则上只要光缆的长度足够即可，将1 个激光房设计成4 个腔体，互相之间通过卷帘门或者金属墙体隔绝，这使得机器人可以在任意1 个腔体内独立的工作，互相之间不受影响，也就是说，当机器人在进行激光焊接的时候，工人可以在其它的上料口进行上件。4 个独立的腔体内分别焊接同1 个车型的4 个车门，布局紧凑，占用空间小。激光焊在车型切换的时候与柔性焊接岛类似。通过将夹具从上料口进行切换，通过上料口的RFID 识别车型信息。

图7 四门激光焊平面布局

4.4 柔性冲铆岛

四门内板单件上有冲铆螺母工艺，螺母用于固定总装线束，由于品牌一致的车型螺母型号都是一致的，所以可以将同类品牌下的多款车型冲铆螺母工艺集成机器人冲铆工作岛内，通过切换机器人抓手满足多车型柔性需求。图8 为本次备件供应项目冲铆螺母工作岛的平面布局，图9 为冲铆工艺的示意。

图8 冲铆螺母工作岛布局

图9 冲铆螺母工艺示意

不同车型的抓具分别安装在各自车型的抓具停放小车上，切换车型时，人工将停放小车推到切换工具上料口处，机器人通过换枪盘切换抓具，然后工人在另一处上料口将工件放置在抓具上，机器人搬运工件至固定冲铆枪处进行冲铆，从而实现多车型的冲铆工艺，融入车型冲铆螺母的型号必须一致，本次项目单个冲铆岛内放置2 台固定冲铆枪，每种枪对应1 种型号螺母，这样增加了不同品牌车型融入的可操作性，图10 为抓具切换小车。

图10 抓具切换小车

5 结束语

随着停产车型的不断增加，保有量大的车型备件供应问题已经成为各大汽车企业必须面对的问题。相对于目前的备件供应方式，提出的EOP备件柔性焊装线具有占地面积小，柔性化程度高，资金投入少，利润率高等优点，从根本上解决了目前的备件供应方式的弊端，对目前国内的各汽车企业具有很好的借鉴意义。