汽車點焊機器人生產線布局研究與實踐

張映紅，覃軼毅，朱瑞丹

汽車點焊機器人生產線布局研究與實踐

張映紅1，覃軼毅2，朱瑞丹1

（1.柳州職業技術學院，廣西柳州545006；2.廣西中煙工業有限責任公司柳州卷煙廠，廣西柳州545006）

了解汽車點焊機器人生產線工作單元的基本組成和特點，運用生產線布局的原則、類型和設計方法，對汽車A型后地板左右縱梁總成，點焊機器人生產線進行布局設計和研究分析。闡述汽車點焊機器人生產線布局在生產規劃中的重要性和作用，為企業升級改造設備，投資點焊機器人生產線提供鑒借。

汽車；點焊接機器人；生產線布局

汽車點焊機器人生產線具有智能切換、高速輸送、質量控制等諸多功能，能實現多種車型任意順序混流生產，滿足汽車車身生產對高綱領、高節拍、高柔性、自動化、智能化焊裝線的生產需求，提高產品生產效率和質量，縮短生產周期。同時，將汽車焊接工人從勞動強度大、焊接煙塵、焊接飛濺和焊接弧光等惡劣的工作環境解脫出來。汽車點焊機器人生產線成為當今企業智能制造的發展方向之一。

一條汽車點焊機器人生產線的投資大從幾百萬到上億元，對汽車制造企業是筆不小的費用。如何根據汽車產品點焊要求、生產綱領、生產工藝，在企業有限的空間內，科學、合理地設計汽車點焊機器人自動化生產線布置方案，確保汽車點焊機器人生產線的動作最優化，響應時間短、單元緊湊、實現汽車產品點焊高質量、高效率，低成本的生產需求等，是汽車制造企業最關注的問題之一。本文將以一真實設計案例呈予讀者參考。

1 汽車點焊機器人生產線工作單元的基本組成

汽車點焊機器人生產線基本工作單元如圖1所示，主要由點焊機器人系統（機器人系統、焊接設備、電極研磨系統、焊槍交換系統、機器人水氣系統、電控系統）、焊接工裝夾具、物料轉運裝置、安全保護設施（安全護欄、安全光柵、安全門等）四大部分組成[1]。其特點是以點焊機器人系統為中心的綜合性、高集成、多設備協同運動的點焊工作單元的集合。表1為基本的點焊機器人系統組成明細表。

圖1 點焊機器人系統基本構成

表1 點焊機器人系統組成明細表

點焊機器人一般是伺服電機驅動的6軸關節式，由驅動器、傳動機構、機械手臂、關節以及內部傳感器等組成。具有六個自由度，不僅能實現焊槍位置的可達性，還可實現焊槍的角度變化，能精確地保證機械手末端（焊槍）所要求的位置、姿態和運動軌跡。點焊機器人常用的型式為落地式和天井式，常用的承載有：120 kg、150 kg、200 kg三種。

點焊機器人又屬數控立體作業機床，市場有成品供應，而點焊工裝夾具和物料裝置等沒有成品，需要根據產品點焊特點，產品工藝、工件焊點數量、點焊機器人類型、物料轉運方式、產量、生產現場環境等要素進行設計制造，是對汽車點焊機器人生產線系統進行再集成[2]。

2 汽車點焊機器人生產線布局研究

汽車點焊機器人生產線布局研究，就是通過分析汽車點焊產品、工藝、物流等相關要素，決定點焊機器人系統與建筑物，點焊機器人系統之間，點焊機器人系統與焊接工裝夾具、物料裝置、安全保護設施等生產相關設施的位置，在一個有限的生產空間內，科學、合理地設計汽車點焊機器人生產線布局方案的過程，以實現汽車點焊生產的功能，進行焊接產品的質量與成本的控制。同時，也是指導汽車點焊機器人生產線安裝的技術文件。

2.1 汽車點焊機器人生產線布局的原則

汽車點焊機器人生產線布局是遵循精益生產的理念建立生產線布局模型，杜絕浪費、減少庫存、保持物流的順暢。即通過消除生產過程人員、機器、物料、方法、環境各個環節中的浪費，來實現五者最佳結合的布局，以達到生產和管理過程的精簡高效的目標。因此，汽車點焊機器人生產線布局遵循工藝性原則、統一性原則、最短距離原則、物順暢原則、安全滿意原則、環保節能原則、經濟性原則等相結合。

2.2 汽車點焊機器人生產線布局的類型

傳統的生產線布局的基本類型有固定式、功能式、流程式和混合式四種布局類型。而精益生產線布局的基本類型有并聯、串聯、V型、U型和L型等五種布局類型[3]。隨著社會的發展、市場需求的變化，大批量的生產方式將被多品種小批量的生產方式取代，傳統設備布局也隨之發展到精益設備布局。

2.3 汽車點焊機器人生產線布局的設計方法

（1）分析汽車點焊機器人生產線項目的可行性。根據新車型的產能規劃及新車型產品數模，確定工藝路線及生產場地，對點焊工裝夾具和點焊機器人系統等生產相關要素的狀況進行近期及遠期生產可行性地分析。

（2）制定點焊產品工藝圖和確定汽車點焊機器人生產線所需設備的清單。根據產品的數模和焊接工藝，拆分工序，繪出各工序圖，確定各工序圖所需的點焊機器人系統、焊接工裝夾具、物料裝置、安全保護設施、操作人員等清單數量[4]。

（3）設計汽車點焊機器人生產線布局。根據點焊產品工序圖，所提供的點焊機器人系統、焊接工裝夾具等數量清單，遵循精益生產設備布局原則，運用汽車點焊機器人生產線布局的類型，同時，滿足機器人運動學和周邊設備與生產環境對機器人之間的約束要求，進行汽車點焊機器人生產線布局的設計。

（4）運用仿真技術。對所設計的汽車點焊機器人生產線布局進行仿真[5]，避免焊接機器人之間、焊接機器人與周邊設備的碰撞或干涉，減少設計缺陷，通過優化和評估，找到科學、合理的布局方案，縮短安裝、調試周期，提高生產效率。

3 汽車點焊接機器人生產線布局設計與實踐

3.1 生產產品的要求

以汽車A型，后地板左右縱梁總成點焊機器人生產線規劃建設項目為例，進行汽車點焊接機器人生產線布局設計與實踐，項目主要指標要求如下：生產綱領為30JPH，工位節拍≤108 s，右縱梁總成焊點≤140點，左縱梁總成焊點≤148點，設備開動率≥90%，產品精度合格率≥90%，焊接強度無虛焊，生產線不同車型切換，采用切換夾具的方式進行，實現柔性自動化焊裝生產線。

3.2 汽車點焊接機器人生產線布局方案設計

根據汽車A型的后地板左右縱梁總成的結構強度、焊接點應約在≤288和工位節拍≤108 s等要求，結合初選的機器人功能設計工藝路線方案，在考慮不同車型切換因素后，優選其中兩種方案進行點焊機器人生產線方案初步設計，確定與機器人配套工裝夾具品種及數量，建立點焊機器人生產線3D仿真系統并輸入機器人運動參數、焊接過程及工藝參數等，經3D仿真運行并調整后，完成了串聯式和流程式兩種布局方案設計如下：

方案一：生產線布局采用串聯式，占地面積為18 m×20 m，機器人14臺，焊槍數16把，焊鉗16把，工作人員4人，焊接夾具20套，工件上下料搬運采用人工形式。設計汽車點焊接機器人生產線布局方案，如圖2所示，經最后的3D仿真技術評估，基本滿足生產線設計要求。

圖2 點焊接機器人生產線布局圖（方案一）

方案二：生產線布局采用流程式，占地面積：20.5 m×14 m，機器人12臺，焊槍14把；焊鉗14把，工作人員4人，焊接夾具8套，增加了機器人抓手6套，工件焊接上下料搬運主要采用機器人抓取形式。設計汽車點焊接機器人生產線布局方案，如圖3所示，經最后的3D仿真技術評估，基本滿足生產線設計要求。

圖3 點焊接機器人生產線布局圖（方案二）

3.3 汽車點焊接機器人生產線布局設計方案分析比較

對汽車A型，后地板左右縱梁總成點焊機器人生產線布局的兩個方案，將主要內容和數據統計如表2所列。

表2 生產線兩布局方案主要內容和數據統計表

對以上點焊機器人生產線布局方案分析：

方案一采用串聯式布局類型，點焊機器人系統工作單元按物流路線直線布局，將點焊機器人排成兩排，分別按汽車左／右縱梁進行點焊裝配。物流線路在左右點焊機器人中間、有設備通道，方便維修。擴大生產時，只需增加列數即可。不足之處是工件周轉方式單一，工件搬動采用人工形式，自動化程度不高，場地利用率較低。

方案二采用流程式布局類型，點焊機器人系統工作單元按照點焊工藝進行布局，將機器人排成三排，中間一排設計布置6臺點焊機器人，按照點焊工藝進行汽車左/右縱梁點焊裝配，上下工件銜接較好。兩旁設計布置機器人抓手各3臺，工件搬動自動化程度較高。物流安排均在機器人外圍，保障物流暢通性，不足之處是生產線速度取決最慢焊接機器人系統工作單元。

將點焊機器人生產線布局設計方案進行數據統計分析比較：方案二比方案一，減少機器人2臺，減少焊接夾具12套，減少焊接點數2個點，縮短工位節拍4 s，減少占地面積72 m2，取消了切換盤，增加了機器人抓手6套。

綜合以上分析比較，方案二比方案一投入成本低，生產效率高、占地面積小，空間利用率高，自動化程度也較高。最終選擇方案二實施。

4 結束語

在汽車點焊接機器人生產線規劃投資建設項目中，對汽車點焊機器人生產線布局的研究，是一個非常重要的前期準備工作。雖然建設項目有要求指標如焊接產品、生產綱領、工位節拍等，但可根據焊接生產工藝不同，設計不同類型的汽車點焊接機器人生產線布局方案，所需要的機器人、焊槍、焊接夾具、操作人員、物流方式等生產要素的數量也就不同，直接影響汽車點焊機器人生產線投入成本的高低，生產方式等。研究設計優良的汽車點焊機器人生產線布局，可為汽車智能化制造奠定良好的基礎。同時，汽車點焊機器人生產線布局，可直觀地為工程技術人員提供建設項目可行性分析、評審和優化的依據，是提高工作效率的利器。

[1]黃水兒.焊接機器人在車身生產線中的規劃設計[J].機電技術，2004（1）：68-72.

[2]梁琦，陳文平.自動化焊接機器人生產線的相關優化研究[J].焊接技術，2015（7）：47-50.

[3]張映紅.設備管理與預防維修[M].2版．北京：北京理工大學出版社，2015：97-103.

[4]盧本，盧立楷.汽車機器人焊接工程[M].北京：機械工業出版社，2006：23-135.

[5]馬增輝.淺談數字化點焊機器人工作站布局規劃[C]//第八屆中國智能交通年會優秀論文集——軌道交通北京：電子工業出版社，2013：684-687.

Research and Practice on the Production Line Layout of Auto Spot Welding Robot

ZHANG Ying-hong1，QIN Yi-yi2，ZHU Rui-dan1，
（1.Liuzhou Vocational&Technical College，Liuzhou Guangxi 545006，China；2.China Tobacco Guangxi industrial Co.，Ltd.，Liuzhou Cigarette Factory，Liuzhou Guangxi 545006，China）

To understand the basic composition and characteristics of the automobile welding robot production line work unit，application principle，types and design methods of production line layout，the A type car around the floor beam assembly，layout design and analysis of welding robot production line，expounds the importance and role of automobile welding robot production line layout in production planning the upgrading of equipment investment for the enterprise，provide reference for spot welding robot production line.

automobile；point welding robot；production line layout

TP242.2

A

1672-545X（2017）07-0138-03

2017-04-26

2016年校級教育教學改革立項項目《面向”中國制造2025“機電裝備技術創新人才培養研究》

張映紅（1960-），女，廣東興寧人，教授，研究生，研究方向為機電設備維修與管理；覃軼毅（1990－），男，廣西上林人，本科，研究方向為機電一體化設備應用與維護；朱瑞丹（1982－），男，廣東佛山人，講師，碩士研究生，研究方向為機電設備維修與管理。