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造車的四大工藝與汽車工業機器人
2017.9.6

  對汽車工業來說 可以分為歐美和日本兩大流派 日系是垂直供應鏈 以豐田最為典型。豐田旗下的電裝、愛信、愛知制鋼、豐田紡織、豐田合成、JTEKT都是全球前30大汽車零部件企業 如果不計輪胎業務(個人認為 輪胎屬化工范疇 不能算汽車行業) 電裝與愛信分別在全球汽車零部件企業中排名第二和第四。不僅是上游零部件 像原材料 如鋼鐵 豐田所屬的三井財閥不僅擁有大量鐵礦石礦山和強大的遠洋運輸團隊 還擁有全球第一大汽車鋼板供應商新日鐵住金 這家企業的中國市場占有率超過60%。垂直供應鏈保證了產品品質和利潤率。歐美則是平行供應鏈 除發動機外幾乎所有關鍵原材料和零部件都外購。而發動機的原材料和零部件自然也是外購 而日系可以做到在一個集團內部完成。  汽油機的門檻實際上是不高的 擁有自主發動機更容易降低整車成本和控制性能 因此中國目前大多數車廠都自主生產發動機 并且進一步延伸 開始自主生產變速箱。進入新能源車時代 由于電機是高度成熟的工業產品 門檻很低 加上新能源車不需要變速箱 這就讓新能源造車門檻大幅度降低 所有的關鍵零部件都可以委托外部開發并采購。  對于整車廠來說 只有四大工藝是其核心內容 這就是沖壓、焊接、噴涂和總裝。由于沖壓工藝簡單 標準化程度高 一條沖壓線可以多種車型 目前沖壓領域也出現了獨立廠家 為多個廠家提供沖壓件。不過焊接、噴涂和總裝生產線定制化程度極高 一條線基本上只能對應一種車型 不大可能出現獨立廠家。  汽車領域有個專門的術語叫JPH。

可以稱之為每小時產量。汽車行業大量使用工業機器人 這樣做的好處是高品質與高效率 缺點是缺乏靈活性。簡單地說 使用工業機器人越多 效率與品質就越高 以國內德系合資廠而言 JPH大約為48 也就是75秒生產一輛車;日系廠可以做到60 也就是1分鐘1輛車;韓系可以做到65 不到1分鐘生產一輛車;自主車廠比較差的是30 也就是2分鐘1輛車。通常1年工作日是250天 每天工作8小時 JPH30的話 年產能就是6萬輛。生產線的最好保養方式是:一直保持適度運轉。如果長時間停滯的話 突然投入生產 可以會發生各種種樣的故障 如部件老化失效、潤滑油泄露、工位調適不當、工人操作失誤等帶來的一系列問題。所以 一般整車廠即使淡季也要造車 即使明知道庫存滿手也不得不繼續造車。  我們以觀致汽車為例 下表為觀致汽車1-6月產量 觀致汽車的生產線為36JPH 也就是說單班制的話 每天生產288臺。  很明顯 進入2017年后 觀致的偶數月產量極低 奇數月為正常生產 偶數月為保養式運轉。直到今年6月 連這種基本的運轉也無力承擔了 干脆停產。3-6月 觀致只生產了2709輛 也就是說開工不到10天。可是工人4個月的工資 還有五險一金 少一毛錢也不行;還有生產線可沒停。

生產線的運轉成本可是不低的。觀致的虧損也就不奇怪了。  所以汽車行業 如果你要使用機器人的話 最低的門檻也是大約年產能5-6萬輛。  第一個是沖壓車間 沖壓是所有工序的第一步。先是把鋼板在切割機上切割出合適的大小 這個時候一般只進行沖孔、切邊之類的動作 然后進入真正的沖壓成形工序。每一個工件都有一個模具 只要把各種各樣的模具裝到沖壓機床上就可以沖出各種各樣的工件 模具的作用是非常大的 模具的質量直接決定著工件的質量。沖壓工序可分為四個基本工序。  沖裁:使板料實現分離的沖壓工序(包括沖孔、落料、修邊、剖切等)。  彎曲:將板料沿彎曲線成一定的角度和形狀的沖壓工序。  拉深:將平面板料變成各種開口空心零件 或把空心件的形狀、尺寸作進一步改變的沖壓工序。  局部成形:用各種不同性質的局部變形來改變毛坯或沖壓成形工序(包括翻邊、脹形、校平和整形工序等)。  包括車門、頂蓋、側翼板、立柱、發動機罩等等 車身70%以上的零部件由沖壓設備沖壓而成。沖壓機的壓力使鋼板發生拉伸或硬壓 為鋼板開孔 并切掉無用的部分。作為汽車四大工藝之首 沖壓線又被稱為印鈔線 屬汽車制造裝備的關鍵設備。對于占汽車車身10%的超大型沖壓件 一般采用總噸位6000t以上的沖壓線;25%左右的大中型沖壓件 采用4000t左右沖壓線;25%左右的中型沖壓件 采用2500t左右沖壓線;其余40%左右中小件 基本采用1000t以下生產線。通常采用6序或5序沖壓機設置 即一臺大噸位沖壓機之后交由4到5臺小沖壓機。  以一汽大眾成都廠為例 共有5條沖壓線 其中德國米勒萬家頓4條 分別為310/320/340/350 其中:310/320/350線同是8100噸大線 均為6序 頭臺壓機公稱壓力2100噸 后續五臺壓機公稱壓力1200噸;340線為5200噸小線 共有5序 頭臺壓機公稱壓力2000噸 后續四臺壓機公稱壓力800噸。330線是濟二制造的國產全自動化壓機生產線 于2012年8月通過96%功能驗證 2013年7月通過終驗收。共有5序 頭臺壓機公稱壓力2100噸 后續4臺壓機公稱壓力1200噸。最大整線生產節拍可達15次/分鐘 全自動換模時間僅為6分鐘。國內除日系和德系廠家 基本都選擇濟南第二機床廠的沖壓機 濟南第二機床廠的沖壓機絲毫不次于德國的米勒萬家頓 高端產品上 價格甚至略高于德國廠家 在北美福特車廠一樣是采用濟南第二機床廠的沖壓機。美系國內廠家幾乎全部都是濟南第二機床廠的沖壓機。日系則多用小松和富士。  在沖壓之前 需要對鋼板進行清洗、開卷、還原和粗剪。即便是粗剪的精度也有0.1毫米 與一根頭發絲直徑相當。這就需要SMT清洗機、開卷機和一套進料與傳輸系統。橫桿雙臂傳輸線是目前主流 通常要用到2臺六軸機器人和5臺七軸機器人。為了保證車間的高整潔度 大廠家會采用無塵室。汽車工業用百萬級無塵室就足夠了隔間牆 制藥廠通常是十萬級無塵室 而半導體最高可達千級。無塵室會增加不少基建成本和運營成本。一條年產量6萬輛汽車的沖壓生產線投資大約2-2.5億人民幣。  第二個車間是焊接車間 沖壓好的車身板件局部加熱或同時加熱、加壓而接合在一起形成車身總成。在汽車車身制造中應用最廣的是點焊 焊接的好壞直接影響了車身的強度。汽車車身是由薄板構成的結構件 沖壓成形后的板料通過裝配和焊接形成車身殼體(白車身) 所以裝焊是車身成形的關鍵。裝焊工藝是車身制造工藝的主要部分。汽車車身殼體是一個復雜的結構件 它是由百余種、甚至數百種(例如轎車)薄板沖壓件經焊接、鉚接、機械聯結及粘接等方法聯結而成的。由于車身沖壓件的材料大都是具有良好焊接性能的低碳鋼 所以焊接是現代車身制造中應用最廣泛的聯結方式。  焊接工藝的最后還包括機器人涂膠 一般采用涂膠系統 利用攝像頭去監控涂膠位置和寬度 保證涂膠質量。通過在板件之間涂覆密封膠和結構膠能夠增強整車的密封性能和結構強度。還有激光檢測 采用激光在車身上打出光點 利用攝像頭去檢測光點的位置 檢測出車身相應位置的尺寸是否符合要求。  焊接是機器人使用最多的車間 對國內廠家來說 年產能20萬輛的焊接車間 早期通常使用60-80臺機器人 如奇瑞A3生產線62臺機器人 江淮乘用車79臺機器人。2014年后則大幅度提升 如江鈴小藍二期基地為60臺(年產能10萬輛)輕隔間 吉利寶雞基地采用128臺焊接機器人 廣汽菲克廣州則高達440臺 長城徐水二期基地也是大約300臺。國外比例更高 特斯拉Model3的年產能大約25萬輛 使用大約420個焊接機器人。長安福特杭州廠產能為25萬輛 使用503個日本川崎重工的機器人。寶馬鐵西工廠 年產能30萬輛 使用685個工業機器人 一汽大眾佛山廠年產能36萬輛 使用842個焊接機器人 效率高達72JPH。廣汽菲克的自動化率最高 達98%。  工業機器人領域有abb、kuka、fanuc、YASKAWA四大家族 市場占有率合計超過75% 這其中日本的FANUC全球第一 YASKAWA全球第三。美國沒有大的工業機器人制造廠家 因為美國的機械制造也已經呈現空心化 美國對金融和新經濟更有興趣。四大家族中 KUKA以汽車工業為主要市場 全球汽車工業用機器人市場占有率第一 中國的美的是其第二大股東。  汽車領域的工業機器人。

除了四大家族外 還有意大利菲亞特克萊斯勒旗下的comau(柯馬)、日本的NACHI(那智不二越 為奇瑞提供108臺機器人)、日本的川崎重工、韓國的現代重工值得一提。柯馬在白車身領域全球第二。韓國羅普伺達、阿爾帕也為現代汽車提供機器人。此外日本有些廠家如豐田旗下的電裝也有能力自制工業機器人。  機器人生產線缺點就是缺乏靈活性 它的控制系統、夾具、撿具都是專為某一車型定制的 如果車的外型改變 需要先將所有機器人停工 重新設計控制系統、夾具、撿具。如果是ABB的機器人 需要大約半年的時間 甚至時間更長 而這半年內 你仍然要給員工發工資。因為對固定焊裝線來說 一旦車身外型要改變 焊裝線上的所有點焊工位都須從電極加壓系統、氣動系統多點焊機使用的液壓系統、焊接變壓器的二次供電系統包括焊接變壓器的二次側電纜線焊接變壓器的二次側焊接電流與電壓及其它焊接參數的測量系統、所有電極、焊接變壓器內部、焊接主電路中的大功率晶閘管等的冷卻系統及控制系統(控制箱)須全盤變動 這實上是很困難的 成本相當高。  焊接車間的投資彈性最大 就看你要達到多高的自動化率 當然自動化率越高 產品一致性就越高 質量也越高。實際單純機器人的價格也不算太貴 最貴的焊接機器人無塵室 ABB大約30萬一臺。但汽車工廠的機器人都要針對某一車型單獨開發控制和操作系統 還有夾具、檢具、供電系統、電腦網絡系統、自動檢測系統 還需要廠家培訓員工。開發和服務費昂貴。一般來說年產能6萬輛 自動化率45%的焊接車間投資大約2億人民幣 自動化率達到75%的話 估計投資需要7-8億。寶馬的鐵西工廠焊接自動率達到95% 估計投資在20-25億人民幣左右。  上圖為目前比較流行的汽車噴涂工藝流程 也就是3C1B工藝 在電泳涂層后以濕碰濕的方式噴涂中涂、金屬色漆和罩光清漆 并一次性烘干的工藝稱為3C1B的工藝。車身表面噴涂了兩層色漆 加厚了色漆厚度 清漆的厚度也有所增加 提高了防腐蝕能力。噴涂系統同樣多采用機器人系統 目前全球提供全套系統的主要有德國DURR、瑞士ABB、日本發那科、法國SAMES和日本川崎。機器人噴涂系統主要包括機器人手臂、移動滑軌、高速靜電旋杯、集中供調漆及其它輔助控制系統。所能觸及(噴涂)的有效尺寸或覆蓋范圍受機器人各關節自由度及臂長等參數的限制而有所差異 完整的機器人噴涂系統一般由系統集成商對各功能模塊進行組合而成。基本上都是針對單一車型定制的。噴涂工藝需要大型傳送裝置和電泳槽 同時還需要ISO7-8級無塵室 基建成本較高。電泳噴涂消耗電力很高 是汽車四大工藝中電力消耗最高的工藝 平均每輛車在噴涂環節耗電高達900-1200度。是運營成本最高的環節。  日本發那科由于大部分零組件在國內生產 性價比極高 在噴涂機器人領域市場占有率第一。一般噴涂工藝需要使用40-60臺機器人 噴涂機器人的價格遠比焊接機器人要高 通常是焊接機器人的2-3倍 每個大約50萬人民幣。長安CS75的噴涂線就使用日本發那科的44臺機器人。  噴涂工藝 年產能6萬輛的設備投資大約2-2.5億人民幣。  總裝工藝所用昂貴設備不多 幾乎可以不用機器人 主要設備有地面輸送機、懸掛輸送機、板式輸送機、裝調工具、檢測設備、AGV車 年產能6萬輛的設備投資大約0.5億人民幣。總裝工藝設備投入不多 關鍵是總裝車間占地面積比較大。年產能20萬輛的總裝車間占地面積大約8-9萬平方米 是所有車間里占地面積最大的 效率越低的總裝車間 占地面積越大。

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