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造车的四大工艺与汽车工业机器人

新战略机器人网 2017-08-16 11:18:16

[导读] 对汽车工业来说,可以分为欧美和日本两大流派,日系是垂直供应链,以丰田最为典型。丰田旗下的电装、爱信、爱知制钢、丰田纺织、丰田合成、JTEKT都是全球前30大汽车零部件企业,如果不计轮胎业务(个人认为,轮胎属化工范畴,不能算汽车行业),电装与爱信分别在全球汽车零部件企业中排名第二和第四。不仅是上游零部件,像原材料,如钢铁,丰田所属的三井财阀不仅拥有大量铁矿石矿山和强大的远洋运输团队,还拥有全球第一大汽车钢板供应商新日铁住金,这家企业的中国市场占有率超过60%。垂直供应链保证了产品品质和利润率。欧美则是平行供

对汽车工业来说,可以分为欧美和日本两大流派,日系是垂直供应链,以丰田最为典型。丰田旗下的电装、爱信、爱知制钢、丰田纺织、丰田合成、JTEKT都是全球前30大汽车零部件企业,如果不计轮胎业务(个人认为,轮胎属化工范畴,不能算汽车行业),电装与爱信分别在全球汽车零部件企业中排名第二和第四。不仅是上游零部件,像原材料,如钢铁,丰田所属的三井财阀不仅拥有大量铁矿石矿山和强大的远洋运输团队,还拥有全球第一大汽车钢板供应商新日铁住金,这家企业的中国市场占有率超过60%。垂直供应链保证了产品品质和利润率。欧美则是平行供应链,除发动机外几乎所有关键原材料和零部件都外购。而发动机的原材料和零部件自然也是外购,而日系可以做到在一个集团内部完成。

汽油机的门槛实际上是不高的,拥有自主发动机更容易降低整车成本和控制性能,因此中国目前大多数车厂都自主生产发动机,并且进一步延伸,开始自主生产变速箱。进入新能源车时代,由于电机是高度成熟的工业产品,门槛很低,加上新能源车不需要变速箱,这就让新能源造车门槛大幅度降低,所有的关键零部件都可以委托外部开发并采购。

对于整车厂来说,只有四大工艺是其核心内容,这就是冲压、焊接、喷涂和总装。由于冲压工艺简单,标准化程度高,一条冲压线可以多种车型,目前冲压领域也出现了独立厂家,为多个厂家提供冲压件。不过焊接、喷涂和总装生产线定制化程度极高,一条线基本上只能对应一种车型,不大可能出现独立厂家。

汽车领域有个专门的术语叫JPH,可以称之为每小时产量。汽车行业大量使用工业机器人,这样做的好处是高品质与高效率,缺点是缺乏灵活性。简单地说,使用工业机器人越多,效率与品质就越高,以国内德系合资厂而言,JPH大约为48,也就是75秒生产一辆车;日系厂可以做到60,也就是1分钟1辆车;韩系可以做到65,不到1分钟生产一辆车;自主车厂比较差的是30,也就是2分钟1辆车。通常1年工作日是250天,每天工作8小时,JPH30的话,年产能就是6万辆。生产线的最好保养方式是:一直保持适度运转。如果长时间停滞的话,突然投入生产,可以会发生各种种样的故障,如部件老化失效、润滑油泄露、工位调适不当、工人操作失误等带来的一系列问题。所以,一般整车厂即使淡季也要造车,即使明知道库存满手也不得不继续造车

我们以观致汽车为例,下表为观致汽车1-6月产量,观致汽车的生产线为36JPH,也就是说单班制的话,每天生产288台。

很明显,进入2017年后,观致的偶数月产量极低,奇数月为正常生产,偶数月为“保养式”运转。直到今年6月,连这种基本的运转也无力承担了,干脆停产。3-6月,观致只生产了2709辆,也就是说开工不到10天。可是工人4个月的工资,还有五险一金,少一毛钱也不行;还有生产线可没停,生产线的运转成本可是不低的。观致的亏损也就不奇怪了。

所以汽车行业,如果你要使用机器人的话,最低的门槛也是大约年产能5-6万辆。

第一个是冲压车间,冲压是所有工序的第一步。先是把钢板在切割机上切割出合适的大小,这个时候一般只进行冲孔、切边之类的动作,然后进入真正的冲压成形工序。每一个工件都有一个模具,只要把各种各样的模具装到冲压机床上就可以冲出各种各样的工件,模具的作用是非常大的,模具的质量直接决定着工件的质量。冲压工序可分为四个基本工序。

冲裁:使板料实现分离的冲压工序(包括冲孔、落料、修边、剖切等)。

弯曲:将板料沿弯曲线成一定的角度和形状的冲压工序。

拉深:将平面板料变成各种开口空心零件,或把空心件的形状、尺寸作进一步改变的冲压工序。

局部成形:用各种不同性质的局部变形来改变毛坯或冲压成形工序(包括翻边、胀形、校平和整形工序等)。

包括车门、顶盖、侧翼板、立柱、发动机罩等等,车身70%以上的零部件由冲压设备冲压而成。冲压机的压力使钢板发生拉伸或硬压,为钢板开孔,并切掉无用的部分。作为汽车四大工艺之首,冲压线又被称为“印钞线”,属汽车制造装备的关键设备。对于占汽车车身10%的超大型冲压件,一般采用总吨位6000t以上的冲压线;25%左右的大中型冲压件,采用4000t左右冲压线;25%左右的中型冲压件,采用2500t左右冲压线;其余40%左右中小件,基本采用1000t以下生产线。通常采用6序或5序冲压机设置,即一台大吨位冲压机之后交由4到5台小冲压机。

以一汽大众成都厂为例,共有5条冲压线,其中德国米勒万家顿4条,分别为310/320/340/350,其中:310/320/350线同是8100吨大线,均为6序,头台压机公称压力2100吨,后续五台压机公称压力1200吨;340线为5200吨小线,共有5序,头台压机公称压力2000吨,后续四台压机公称压力800吨。330线是济二制造的国产全自动化压机生产线,于2012年8月通过96%功能验证,2013年7月通过终验收。共有5序,头台压机公称压力2100吨,后续4台压机公称压力1200吨。最大整线生产节拍可达15次/分钟,全自动换模时间仅为6分钟。国内除日系和德系厂家,基本都选择济南第二机床厂的冲压机,济南第二机床厂的冲压机丝毫不次于德国的米勒万家顿,高端产品上,价格甚至略高于德国厂家,在北美福特车厂一样是采用济南第二机床厂的冲压机。美系国内厂家几乎全部都是济南第二机床厂的冲压机。日系则多用小松和富士。

在冲压之前,需要对钢板进行清洗、开卷、还原和粗剪。即便是粗剪的精度也有0.1毫米,与一根头发丝直径相当。这就需要SMT清洗机、开卷机和一套进料与传输系统。横杆双臂传输线是目前主流,通常要用到2台六轴机器人和5台七轴机器人。为了保证车间的高整洁度,大厂家会采用无尘室。汽车工业用百万级无尘室就足够了,制药厂通常是十万级无尘室,而半导体最高可达千级。无尘室会增加不少基建成本和运营成本。一条年产量6万辆汽车的冲压生产线投资大约2-2.5亿人民币。

第二个车间是焊接车间,冲压好的车身板件局部加热或同时加热、加压而接合在一起形成车身总成。在汽车车身制造中应用最广的是点焊,焊接的好坏直接影响了车身的强度。汽车车身是由薄板构成的结构件,冲压成形后的板料通过装配和焊接形成车身壳体(白车身),所以装焊是车身成形的关键。装焊工艺是车身制造工艺的主要部分。汽车车身壳体是一个复杂的结构件,它是由百余种、甚至数百种(例如轿车)薄板冲压件经焊接、铆接、机械联结及粘接等方法联结而成的。由于车身冲压件的材料大都是具有良好焊接性能的低碳钢,所以焊接是现代车身制造中应用最广泛的联结方式。

焊接工艺的最后还包括机器人涂胶,一般采用涂胶系统,利用摄像头去监控涂胶位置和宽度,保证涂胶质量。通过在板件之间涂覆密封胶和结构胶能够增强整车的密封性能和结构强度。还有激光检测,采用激光在车身上打出光点,利用摄像头去检测光点的位置,检测出车身相应位置的尺寸是否符合要求。

焊接是机器人使用最多的车间,对国内厂家来说,年产能20万辆的焊接车间,早期通常使用60-80台机器人,如奇瑞A3生产线62台机器人,江淮乘用车79台机器人。2014年后则大幅度提升,如江铃小蓝二期基地为60台(年产能10万辆),吉利宝鸡基地采用128台焊接机器人,广汽菲克广州则高达440台,长城徐水二期基地也是大约300台。国外比例更高,特斯拉Model3的年产能大约25万辆,使用大约420个焊接机器人。长安福特杭州厂产能为25万辆,使用503个日本川崎重工的机器人。宝马铁西工厂,年产能30万辆,使用685个工业机器人,一汽大众佛山厂年产能36万辆,使用842个焊接机器人,效率高达72JPH。广汽菲克的自动化率最高,达98%。

工业机器人领域有ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA四大家族,市场占有率合计超过75%,这其中日本的FANUC全球第一,YASKAWA全球第三。美国没有大的工业机器人制造厂家,因为美国的机械制造也已经呈现空心化,美国对金融和新经济更有兴趣。四大家族中,KUKA以汽车工业为主要市场,全球汽车工业用机器人市场占有率第一,中国的美的是其第二大股东。

 

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汽车领域的工业机器人,除了四大家族外,还有意大利菲亚特克莱斯勒旗下的COMAU(柯马)、日本的NACHI(那智不二越,为奇瑞提供108台机器人)、日本的川崎重工、韩国的现代重工值得一提。柯马在白车身领域全球第二。韩国罗普伺达、阿尔帕也为现代汽车提供机器人。此外日本有些厂家如丰田旗下的电装也有能力自制工业机器人。

机器人生产线缺点就是缺乏灵活性,它的控制系统、夹具、捡具都是专为某一车型定制的,如果车的外型改变,需要先将所有机器人停工,重新设计控制系统、夹具、捡具。如果是ABB的机器人,需要大约半年的时间,甚至时间更长,而这半年内,你仍然要给员工发工资。因为对固定焊装线来说,一旦车身外型要改变,焊装线上的所有点焊工位都须从电极加压系统、气动系统多点焊机使用的液压系统、焊接变压器的二次供电系统——包括焊接变压器的二次侧电缆线焊接变压器的二次侧焊接电流与电压及其它焊接参数的测量系统、所有电极、焊接变压器内部、焊接主电路中的大功率晶闸管等的冷却系统及控制系统(控制箱)须全盘变动,这实上是很困难的,成本相当高。

焊接车间的投资弹性最大,就看你要达到多高的自动化率,当然自动化率越高,产品一致性就越高,质量也越高。实际单纯机器人的价格也不算太贵,最贵的焊接机器人,ABB大约30万一台。但汽车工厂的机器人都要针对某一车型单独开发控制和操作系统,还有夹具、检具、供电系统、电脑网络系统、自动检测系统,还需要厂家培训员工。开发和服务费昂贵。一般来说年产能6万辆,自动化率45%的焊接车间投资大约2亿人民币,自动化率达到75%的话,估计投资需要7-8亿。宝马的铁西工厂焊接自动率达到95%,估计投资在20-25亿人民币左右。

 

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上图为目前比较流行的汽车喷涂工艺流程,也就是3C1B工艺,在电泳涂层后以“湿碰湿”的方式喷涂中涂、金属色漆和罩光清漆,并一次性烘干的工艺称为3C1B的工艺。车身表面喷涂了两层色漆,加厚了色漆厚度,清漆的厚度也有所增加,提高了防腐蚀能力。喷涂系统同样多采用机器人系统,目前全球提供全套系统的主要有德国DURR、瑞士ABB、日本发那科、法国SAMES和日本川崎。机器人喷涂系统主要包括机器人手臂、移动滑轨、高速静电旋杯、集中供调漆及其它辅助控制系统。所能触及(喷涂)的有效尺寸或覆盖范围受机器人各关节自由度及臂长等参数的限制而有所差异,完整的机器人喷涂系统一般由系统集成商对各功能模块进行组合而成。基本上都是针对单一车型定制的。喷涂工艺需要大型传送装置和电泳槽,同时还需要ISO7-8级无尘室,基建成本较高。电泳喷涂消耗电力很高,是汽车四大工艺中电力消耗最高的工艺,平均每辆车在喷涂环节耗电高达900-1200度。是运营成本最高的环节。

日本发那科由于大部分零组件在国内生产,性价比极高,在喷涂机器人领域市场占有率第一。一般喷涂工艺需要使用40-60台机器人,喷涂机器人的价格远比焊接机器人要高,通常是焊接机器人的2-3倍,每个大约50万人民币。长安CS75的喷涂线就使用日本发那科的44台机器人。

喷涂工艺,年产能6万辆的设备投资大约2-2.5亿人民币。

总装工艺所用昂贵设备不多,几乎可以不用机器人,主要设备有地面输送机、悬挂输送机、板式输送机、装调工具、检测设备、AGV车,年产能6万辆的设备投资大约0.5亿人民币。总装工艺设备投入不多,关键是总装车间占地面积比较大。年产能20万辆的总装车间占地面积大约8-9万平方米,是所有车间里占地面积最大的,效率越低的总装车间,占地面积越大。

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