焊裝車間機器人節拍分析及優化設計

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摘要：為了實現焊裝車間降本增效的目標，對焊裝車間自動生產線上機器人的生產節拍進行優化。通過分析機器人的工作時序邏輯，查找機器人不合理的工作時序，進而分析機器人的底層程序，修改程序上的問題，優化工作時序，消除機器人工作時序邏輯不合理產生的等待浪費，提升生產線的生產節拍，從而提高車間的生產效率，最終實現降本增效的目標。

關鍵詞：降本增效;生產節拍;時序邏輯

1前言

現今汽車制造企業多采用柔性化生產，同一生產線共線生產多種車型[1]，在單位時間內多產生加工效益，提高企業的生產效率和競爭力[2]。其中車間的生產節拍直接反應了車間的生產效率[3-5]，所以在生產當中對節拍的優化至關重要。同時隨著技術的進步，在汽車領域焊接機器人得到最廣泛的應用[6]，提高了生產效率和產品質量，而機器人在焊接的過程中，最需要關注的問題也是節拍。在這樣的背景下，研究汽車焊裝自動生產線機器人生產節拍存在的浪費問題，具有重要的現實意義[7]。分析機器人的工作時序邏輯，查找機器人工作時存在的等待浪費，提升機器人的生產節拍，提高生產效率，可以讓企業更好地占領市場份額、控制生產成本[8]，同時對行業內同類生產線節拍問題的優化提供參考。

2優化節拍的背景和需求

某車型的焊裝車間自動生產線主要有機艙線、后地板線、UB下車身線、左右側圍線。以機艙自動線和后地板自動線為例，對機艙線和后地板線的每個工位進行了視頻拍攝和節拍時間記錄，繪制了如圖1、圖2所示的工位節拍統計圖。圖1、圖2中，橫線代表自動線的生產節拍要求（90s），超出橫線代表不滿足要求的工位，未超出橫線代表滿足要求的工位，每個條形柱上的數字代表實際工作時間。焊裝車間自動線的生產節拍要求為90s，機艙線共有13個工位，有6個工位的生產節拍超出了90s，不滿足生產節拍要求的工位達到46%，節拍最大超出6s，如圖1所示。后地板線共有12個工位，有6個工位的生產節拍超出了90s，不滿足生產節拍要求的工位達到50%，節拍最大超出8s，如圖2所示。經過對現場工位節拍的測量分析和統計，焊裝車間的自動生產線不同工位上的節拍分布不均，有些工位工作時間長，有些工位工作時間短，存在大量等待浪費以及作業間不平衡導致的效率損失，存在一定的可優化空間。

3節拍延誤的問題分析

從焊裝自動生產線上，對其中耗時最長的工序進行視頻拍攝和工作時序邏輯分析，通過視頻分析和現場觀察，查找到影響生產節拍的問題，并進行了如下分析。3.1修磨導致等待浪費當機器人帶有固定焊槍需要修磨時，在固定焊槍焊接完成，抓手機器人進行放件，回起始位（Home位）后，抓手機器人等待，擺臂修磨器對固定焊槍進行修磨，然后固定焊槍進行電阻檢測，直到當修磨和電阻檢測完畢后抓手機器人才調用生產程序去抓件，修磨時間有16s，在這16s時間內抓手一直處于等待狀態。現場某工位的固定焊槍修磨如圖3所示，固定焊槍修磨時序邏輯如圖4所示。固定焊槍修磨時，抓手機器人端一直處于等待狀態，造成生產節拍的浪費，存在可優化的空間。3.2換槍盤防塵蓋開合時序邏輯不合理現場某工位的2號焊槍焊接完成，退到起始位（Home位）；給1號防塵蓋發送打開信號，收到完全打開的反饋信號后，機器人將2號焊槍放到2號停放支架，從1號停放支架取槍，回到起始位；等收到2號防塵蓋關閉完成的反饋信號后，機器人開始焊接，如圖5所示，換槍盤防塵蓋開合時序邏輯如圖6所示。在給1號防塵蓋發送打開信號到收到完全打開的反饋信號期間，機器人等待時間有3s，在等收到2號防塵蓋關閉完成的反饋信號期間，機器人等待時間有3s，一次換槍有6s的等待時間，造成生產節拍的浪費，存在可優化空間。3.3機器人放件時序邏輯不合理在機艙060工位，R1、R2兩把焊槍對夾具臺上的工件焊接完成后，機器人R3將工件從夾具臺抓起，到固定焊槍處進行補焊，如圖7所示。在機器人R3將工件從夾具臺上抓起，送到固定焊槍處的這段時間，機器人R0一直在等待，沒有將工件放在空置的夾具臺上，直到機器人R3的件開始補焊，機器人R0才將工件放在夾具臺上，機器人R0等待時間有6s，造成節拍浪費，存在可優化空間。

4節拍優化的詳細方法

基于節拍平衡理論，要使得每個工位的設備利用率、人員負荷程度基本平均合理，就需要每個工位的員工操作時間盡可能接近[9]。對于超過生產節拍要求的瓶頸工位，需要進行節拍優化，減少各個工位之間的時間差，從而達到節拍平衡[10]。針對上述造成節拍浪費的問題制定了如下的優化方案。4.1擺臂修磨同步功能。擺臂修磨與抓手機器人取件異步進行，存在多余等待浪費，造成這種浪費的原因為擺臂修磨程序在抓手機器人程序最后面，只有運行完擺臂修磨程序后，走主程序（MAIN程序），抓手機器人才能進行取件，底層程序如圖8所示。修磨時間需要16s，這16s時間內機器人端不工作一直處于等待，造成生產節拍浪費。為了避免因修磨造成的機器人等待浪費，將修磨與機器人作業同步進行，在機器人抓放件程序中嵌入固定修磨程序，將修磨語句行指令，即修磨電阻檢測（CheckBGTD）、擺臂修磨結束（EndB⁃GTD）、擺臂修磨開始（StartBGTD）放在機器人的程序軌跡當中，只要固定焊槍焊接完成就啟動修磨指令（StartBGTD），這時機器人不等待繼續放件，此時修磨時間全都納入軌跡中，從而節約了修磨等待時間，電阻檢測運行CheckBGTD，等修磨完后運行EndBGTD，此時修磨結束。通過修改機器人底層程序節約了機器人因修磨而產生的等待時間，修改后的機器人底層程序如圖9所示。通過在機器人抓放件程序中嵌入固定修磨程序，使得機器人抓放件與固定修磨同步進行，消除了機器人的等待浪費，優化后固定焊槍修磨時序邏輯如圖10所示，單工位固定修磨節約16s時間，節拍優化率達到47%，固定修磨時序優化前后對比如圖11所示。焊裝車間固定焊總數量為48個，單工位固定修磨節約16s，焊裝車間單次固定修磨可節約768s，極大提高了車間生產效率。4.2換槍盤防塵罩開合時序優化。機器人取放槍與防塵罩開合異步進行，造成等待浪費，原因為防塵蓋開合底層程序存在BUG，在機器人焊槍完成焊接，退回到起始位（Home位）后才運行防塵蓋開合程序，直到程序運行完畢，機器人端才開始放槍、回起始位、取槍、回起始位，并再次運行防塵蓋開合程序，在防塵蓋關閉完成后，機器人開始焊接。換槍盤防塵蓋程序的邏輯問題造成了等待浪費，存在優化空間，具體程序優化方式如圖12所示。優化后的防塵蓋開合底層程序，實現了焊裝自動線換槍工位換槍盤防塵蓋合理的開合時序邏輯，即帶2號焊槍的機器人焊接完成，回到起始位后給1號防塵蓋發送打開信號，然后去2號停放支架進行放槍，機器人端放槍完成后回到起始位，給2號防塵蓋發送關閉信號，并在接收到1號防塵蓋完全打開信號后，去抓1號焊槍，并回到起始位，機器人端在檢測到2號防塵蓋關閉完成信號后開始進行焊接工作。換槍盤防塵蓋優化后開合時序邏輯如圖13所示。優化后的底層程序，實現了機器人取槍前防塵罩已經打開完畢；機器人放槍后，防塵罩馬上關閉，消除了等待浪費。單工位換槍節約6s，節拍優化率達到26%，防塵蓋開合時序優化前后對比如圖14所示。焊裝車間換槍盤總數量為97個，單工位換槍能節約6s，焊裝車間單次換槍能節約582s，提高了車間生產效率。4.3機器人放件時序優化。如圖15所示，機器人R0放件的信號來源于機器人R3固定焊是否開始焊接，時序不合理。通過對機器人底層程序進行優化，在機器人R3抓件離開機器人R0放件的干涉區后，機器人R0開始進行放件。機器人放件時序優化后，能節約等待時間6s，優化前單工位節拍為95s，節拍優化提升6%，提升了生產節拍，提高了車間生產效率。4.43種優化方法總結針對某車型的焊裝車間現場3種影響生產節拍的具體問題，提出3種優化方案，并全車間應用，消除部分等待浪費，提升焊裝車間自動線的線平衡率，提高生產效率。優化方法總結如表1所示。

5結束語

針對國內某車型的焊裝車間自動生產線上機器人設備工作時序邏輯不合理的3個問題，即固定焊槍修磨導致抓手機器人等待、換槍盤防塵蓋開合時序邏輯不合理導致機器人端等待、機器人放件時序邏輯不合理導致機器人端等待，分別分析了機器人的工作時序和底層程序，對程序中存在的漏洞和不合理的邏輯進行了優化，使得擺臂修磨與機器人作業同步進行，換槍盤防塵罩開合時序合理，機器人放件時序合理，解決了機器人工作時序邏輯不合理的3個問題，提升焊裝車間的生產節拍，從而提升車間的生產效率，最終通過降低生產成本提高企業的競爭力。

參考文獻：

[1]孫鳳元.汽車焊裝車間柔性化生產線的應用研究[J].中國設備工程,2019(11):159-160.

[2]高文麗,王建中,彭琰.車身焊裝線柔性化改造在新產品導入中的應用與實踐[J].汽車工藝與材料,2016(7):66-69.

[3]寧宇,韓英淳,李悅.基于數字化工廠的白車身焊裝前期規劃[J].汽車技術,2010(5):58-61.

[4]吳昊,陳新.基于PLC的焊裝生產線分裝區的設計與應用[J].汽車工藝與材料,2020(3):23-27.

[5]陳佳祺,郭為忠.基于生產線仿真分析的關鍵工位診斷與改進設計[J].機械設計與研究,2017,33(1):83-86.

[6]霍厚志,張號,杜啟恒,等.我國焊接機器人應用現狀與技術發展趨勢[J].焊管,2017,40(2):36-42.

[7]尚校,杜海,楊磊,等.焊裝生產線的節拍分析及優化[J].汽車工藝與材料,2013(8):20-26.

[8]何益富.焊裝B平臺地板線往復桿輸送設備鉸鏈四連桿提升機構的優化[J].現代制造技術與裝備,2017(3):35-36.

[9]賈秋紅,肖燕,龔玉潔,等.基于Witness的飛輪生產線生產節拍平衡研究[J].機械設計與制造,2011(11):122-124.

[10]胡明茂,趙锎,李峰,等.基于工序分析的駕駛室焊裝工藝改進[J].機械制造與自動化,2018,47(3):81-84.

作者:陳志雅 宋和平 馬懷振 李延靜 單位:1.寧波吉利汽車研究開發有限公司長興分公司 2.凱悅汽車大部件制造（張家口）有限公司