趙宏鵬，陸 明，李 鵬

(天津一汽豐田汽車有限公司 天津300457)

0 引 言

隨著近三十年國內汽車行業(yè)不斷發(fā)展，各車企的造車能力不斷提升，尤其是國產品牌發(fā)展迅速，性能和品質的進步顯著，與合資品牌的差距逐漸縮小，在各個細分市場中展開了激烈的競爭。國產品牌能夠快速發(fā)展的原因除了汽車設計能力和關鍵零部件制造能力顯著提升外，大量引進高精度、高效率的自動化生產設備也是一個關鍵因素，加之更嚴格的生產管理和品質管理，實現(xiàn)了低成本和高質量，大幅提升了產品競爭力，表明企業(yè)大力發(fā)展生產自動化可以實現(xiàn)彎道超車。本文將探討推進生產自動化的意義，說明自動化設備和技術在工廠的實際運用，提出自動化改造的步驟。

1 推進生產自動化的意義

汽車整車廠推進生產自動化的意義主要有：提升產能、降低成本、提升品質、保證安全、消除人的因素影響和面向未來技術發(fā)展。

1.1 提升生產能力

整車廠提升自動化水平的首要意義是大幅提升生產能力，主要表現(xiàn)為以下 2個方面：一是車企為了追求更高的資產利用率而持續(xù)提升生產節(jié)拍，當前各車企中生產普通家用轎車的整車廠生產節(jié)拍普遍低于 60s，部分能達到 55s上下的高節(jié)拍。生產節(jié)拍的提升勢必帶來作業(yè)工數(shù)的增加，在員工工作負荷一定且生產線布局難以改變的前提下，作業(yè)工位制約了整個工廠生產節(jié)拍的提升，為了能夠達到節(jié)拍提升的目標，就必須用效率更高的機器人代替人的作業(yè)。二是車企為了適應多元化的市場而進行的多車型混線生產，當某一車型的市場需求達不到工廠產能的時候，就會考慮多車型混線生產，一般來說是同平臺雙車系多車型，例如豐田某工廠生產 TNGA平臺下的卡羅拉和威馳 2個車系，其中卡羅拉車系包含燃油版、混動版、插電混動版 3個車型，威馳車系包含兩廂版和三廂版2個車型，每一個車型又包含多個配置和內外裝顏色以及不同的排放標準，這就造成了幾百種配置車型(不包含車身顏色)的混線生產，給現(xiàn)場作業(yè)提出了巨大的挑戰(zhàn)。要想實現(xiàn)這種混線生產，既要有強大的生產指示系統(tǒng)作為依托，還要使用高柔性、高效率的自動化設備才能滿足生產要求。

1.2 降低生產成本

一方面是當前汽車制造業(yè)仍然是勞動密集型產業(yè)，隨著我國人口紅利的降低，勞動力成本不斷提升，給整車制造成本控制帶來了巨大的壓力；另一方面是工業(yè)機器人等自動化設備的生產效率不斷提升，價格持續(xù)降低。因此用自動化設備代替人工作業(yè)成為各整車廠降本增效的重要方法。

1.3 提升生產品質

隨著消費者對汽車了解更加全面和成熟，對汽車的可靠性有了更高的要求，整車品質對銷量的影響越來越大，因此各車企對品質管理的重視度越來越高。通過投資引進高精度自動化設備來提升整車品質是一項重要措施。生產自動化帶來的品質提升主要有以下 3個方面：一是相對于人工作業(yè)，自動化設備更徹底地實現(xiàn)標準化作業(yè)，排除了因為工人非標作業(yè)造成的品質波動；二是自動化設備的精度更高，可以達到人工作業(yè)達不到的高品質；三是自動化設備具有高柔性的特點，消除了工人面對復雜的生產狀況時能力不足或一時疏忽造成的作業(yè)失誤。

1.4 保證安全和健康

安全方面主要體現(xiàn)在2個方面：一是人身傷害方面，如人機交叉作業(yè)、人車交叉作業(yè)等都會帶來潛在的安全隱患，甚至造成工人傷亡事故；另一方面是作業(yè)環(huán)境對人身健康的影響，如裝焊車間的粉塵和涂裝車間噴漆室的有毒有害物質，即使實施嚴格的勞動保護也可能會對員工的健康造成影響。因此特殊作業(yè)環(huán)境引入自動化設備是保證員工安全和健康的重要措施。

1.5 消除人的因素影響

人的因素比較復雜，本文從人的需求和當今汽車產業(yè)的關系這個角度進行說明。

根據馬斯洛需求層次理論，人的需求從低到高依次分為生理需求、安全需求、社交需求、尊重需求和自我實現(xiàn)需求，在滿足了低層次需求后會追求更高層次需求。隨著我國社會和經濟的不斷發(fā)展，到2020年已全面建成小康社會，人民的生理需求和安全需求得到普遍滿足。作為汽車企業(yè)員工在追求更高層次需求時就和當前汽車產業(yè)的特點產生矛盾：

一是追求社交需求，需要有足夠的業(yè)余時間進行友誼和愛情的社交活動，而當前汽車產業(yè)整體上工作時間較長，普遍達到10h左右，且整車廠一般都建在遠離城市的開發(fā)區(qū)，每天通勤時間又占用 2h以上，在全部休息時間不足 12h的情況下，社交活動變得異常奢侈，社交需求難以得到滿足。

二是追求尊重需求，汽車行業(yè)普通員工的技能要求不高，勞動附加值不高，可替換性強，這就決定了普通員工很難得到社會和企業(yè)的尊重。這個問題在某些國內車企更加嚴重，加之汽車行業(yè)增速放緩甚至出現(xiàn)下行的態(tài)勢，車企擴張速度放緩，成本壓力不斷提升，人員晉升和加薪受到限制，員工希望通過晉升獲得企業(yè)尊重變得更加困難。

三是追求自我實現(xiàn)，整車廠為了保證車輛品質和實現(xiàn)精益生產，特別注重作業(yè)標準化的實施，希望員工像機器一樣完成規(guī)定的操作，員工每天做的都是枯燥的重復性勞動，很難有機會發(fā)揮個人的主觀能動性。受到每天長時間、高強度工作的限制，大部分基層員工也難以通過業(yè)務改善等方式實現(xiàn)自我價值。

相比于需求多樣、狀態(tài)波動的員工，自動化設備無論是作業(yè)效率還是作業(yè)品質都能保持在同一水準，是消除人的各種不確定狀態(tài)的最佳替代。

1.6 面向未來技術發(fā)展

隨著科學技術的不斷進步，“工業(yè) 4.0”“中國制造 2025”等以“互聯(lián)網+智能制造”為核心的國家戰(zhàn)略變得清晰，現(xiàn)在物聯(lián)網、大數(shù)據等前沿技術在互聯(lián)網領域已經開始廣泛運用，智能工廠被提及的頻度也越來越高，對于一個整車廠來說，如果不能實現(xiàn)全面工業(yè) 3.0(工業(yè)自動化)，智能工廠只能是空中樓閣，沒有根基。為了應對下一個工業(yè)時代，全面推進生產自動化也是勢在必行。

2 整車廠自動化設備和技術的應用

整車廠一般包括沖壓車間、裝焊車間、涂裝車間和總裝車間，以及場內零部件物流系統(tǒng)，應用到的自動化設備和技術主要有 4種：工業(yè)機器人、AGV、RFID和機器視覺檢測。

2.1 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人是一種通過重復編程和自動控制，能夠完成制造過程中某些操作任務的多功能、多自由度的機電一體化自動機械裝備和系統(tǒng)，它結合制造主機或生產線，可以組成單機或多機自動化系統(tǒng)，在無人參與下，實現(xiàn)搬運、焊接、裝配和噴涂等多種生產作業(yè)，具有可編程、擬人化、通用性、機電一體化這4大特點。

整車廠中工業(yè)機器人是應用最廣的自動化設備，基本上所有的車輛搬運都是由機器人或傳送鏈完成，從裝焊車間白車身的焊接到涂裝車間的底盤膠噴涂和底漆面漆噴涂，裝焊和涂裝的大部分工作都是由機器人完成(圖1)。

圖1 豐田某工廠裝焊車間全自動白車身焊接生產線Fig.1 Automatic body-in-white welding production line in welding workshop of a Toyota factory

未來隨著機器人技術的發(fā)展，總裝車間也會逐步引進工業(yè)機器人，用以完成大量的零部件組裝工作。

2.2 AGV

AGV 是(Automated Guided Vehicle)的縮寫，即“自動導引運輸車”，是指裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規(guī)定的導引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車，是一種以電池為動力，裝有非接觸導向裝置的無人駕駛自動化車輛。AGV的運用可以有效節(jié)約物流空間、降低勞動強度及減少運行成本。

整車廠中 AGV主要用于零部件搬運作業(yè)。豐田某工廠運用 AGV部分實現(xiàn)了物流區(qū)內零部件搬運的自動化(圖2)，實現(xiàn)了人車交叉風險80%的遞減和作業(yè)人員 8人的遞減；日產某工廠通過 AGV和SPS(Set Parts Supply，一種單臺份向生產線配送的方式)的結合，實現(xiàn)了總裝車間零部件的同步供給。

未來場內物流將全方位使用 AGV牽引車和AGV 叉車，全面實現(xiàn)零部件的裝卸、搬運、驗收、存儲、上線等全流程的自動化。

圖2 豐田某工廠內物流AGV牽引車運用實例Fig.2 Application example of logistics AGV tractor in a Toyota factory

2.3 RFID

RFID是(Radio Frequency Identification)的縮寫，即“無線射頻識別”，是自動識別技術的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據通信，利用無線射頻方式對記錄媒體(電子標簽或射頻卡)進行讀寫，從而達到識別目標和數(shù)據交換的目的。由于其具有非接觸讀寫、準確性高、可靠性強、環(huán)境耐久等優(yōu)點，如今已廣泛應用到倉儲物流、交通、身份識別、防偽等諸多領域。

整車廠中RFID主要運用在車輛識別中，豐田某工廠涂裝車間運用 RFID技術實現(xiàn)了在惡劣環(huán)境中的車輛識別、搬運控制、噴涂控制和生產追溯的自動化(圖 3)。

圖3 豐田某工廠涂裝車間基于RFID的生產自動化控制系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of production automation control system based on RFID in coating workshop of a Toyota factory

隨著無源 RFID標簽價格的不斷降低，未來RFID會更多地應用于汽車行業(yè)中倉儲物流領域，全面實現(xiàn)零部件自動驗收和自動上線。

2.4 機器視覺檢測

視覺檢測就是用工業(yè)相機代替人眼睛去完成識別、測量、定位等工作，實現(xiàn)產品檢測的功能。機器視覺檢測的特點是提高生產的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產過程中，用人工視覺檢查產品質量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大幅提高生產效率和生產的自動化程度。

圖4 白車身視覺檢測系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagram of body-in-white visual inspection system

整車廠中機器視覺主要運用在白車身的焊接精度檢測上(圖 4)，大眾某工廠通過機器視覺技術實現(xiàn)了車身精度的自動檢測，隨著機器視覺技術的不斷發(fā)展和更高精度視覺傳感器的研制，未來此技術也將會用于各車間的檢查線，全面實現(xiàn)品質檢查的自動化。

3 整車廠自動化升級的步驟

整車廠自動化升級要綜合考慮作業(yè)的危險性、痛苦度、生產和品質的影響度、困難度等方面，制定4步升級方案。

3.1 替換高強度高危險的工作

本著以人為本的原則，第1步要用自動化設備替換高強度、高危險的作業(yè)，如焊裝車間零部件重量大，且粉塵污染、強光污染、噪音污染都直接影響員工健康，涂裝車間噴漆室化學污染大，車輛人工搬運勞動強度大危險性高，這些都應優(yōu)先導入自動化設備，以降低員工勞動強度，保證員工健康和安全。

3.2 替換生產瓶頸或品質要求高的工作

第2步可以用自動化設備替換品質要求高、難度大的工作，這部分工作對員工的要求高，受員工個人能力和狀態(tài)的影響較大，容易出現(xiàn)加工不良。例如總裝車間發(fā)動機總成的安裝需要很高精準度才能成功，手動安裝經常會出現(xiàn)生產延遲和安裝不良，直接影響生產效率和產品品質，這就需要導入自動安裝設備來完成這項工作。

3.3 替換人的參與度低的工作

第 3步可以用自動化設備替代人參與度較低的工作。如總裝的注液工程，在注液開始后工人處于閑置狀態(tài)，可用自動注液設備完成這項工作；再如物流區(qū)單純的零部件遠程搬運工作，工人的作業(yè)只是駕駛牽引車，此時就可以運用 AGV牽引車完成此類作業(yè)。

3.4 替換人的參與度高的工作

第 4步可以用自動化設備替代人工參與度高的工作，如零部件安裝、叉車裝卸貨、零部件驗收、存儲、搬運、上線作業(yè)，車輛品質的檢查等，可以用工業(yè)機器人、AGV叉車、RFID、視覺識別等自動化設備完成此類作業(yè)，這也是當前生產自動化的發(fā)展方向。

4 實現(xiàn)生產自動化應注意的事項

4.1 瓶頸工程要優(yōu)先

在某個工程升級成自動化設備后，經常會大幅提升效率，但其他工程如果保持現(xiàn)狀的話，就會出現(xiàn)自動化工程產能過剩的情況，對工廠整體產能的提升作用有限，所以導入自動化設備一定要優(yōu)先選擇瓶頸工程，彌補短板，提升工廠整體產能。

4.2 生產精度要匹配

在引進自動化設備時要考慮自身整體的生產精度水平，如果工廠本身生產精度一般但引入了某臺高精度的自動化設備，可能會出現(xiàn)由于半成品精度不足而造成新設備頻繁報警停工的情況，這就要求導入的自動化設備要與工廠生產精度相匹配。

4.3 系統(tǒng)防護要重視

工廠生產自動化設備由生產管理系統(tǒng)協(xié)調控制，一個高度自動化的工廠在系統(tǒng)感染病毒或受到黑客攻擊時極有可能導致整個工廠長時間癱瘓，因此系統(tǒng)防護是保證系統(tǒng)和自動化設備正常運行的重中之重，同時要制定完整的應急恢復預案確保系統(tǒng)受到攻擊后能夠盡快恢復生產。

4.4 員工轉型要協(xié)調

在工廠推進自動化的過程中，大量的工人被削減，而企業(yè)最核心的資產不是設備而是人。企業(yè)應該重視這部分遭到削減人員的未來，考慮到工廠將在設備維護和修理方面需要大量的人才，如果能通過培訓教育讓這部分人員轉型為設備維護員，無論對企業(yè)還是員工都將有巨大意義。

4.5 智能制造要銜接

制造業(yè)的未來是以物聯(lián)網和大數(shù)據為基礎的智能制造，因此在引進自動化設備時一定要考慮未來技術發(fā)展方向，選擇能夠銜接未來的自動化設備，避免在即將到來的第四次工業(yè)革命中完全推倒重建而造成大量損失。

5 結 語

當前汽車行業(yè)的競爭是設計、技術、成本、品質和產能的全方位競爭，考慮到整車廠還有大量作業(yè)沒有實現(xiàn)自動化，可以說通過自動化設備的引進仍然是近期提升綜合競爭力的重要手段，也是助力工廠邁進工業(yè)4.0時代的重要準備。相信未來越來越多工廠會加快推進生產自動化進程，提升企業(yè)綜合競爭力。