焊裝車間機器人的節(jié)拍分析及優(yōu)化設計

陳志雅 宋和平 馬懷振 李延靜

（1.寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司長興分公司，湖州 313100；2.凱悅汽車大部件制造（張家口）有限公司，張家口 076150）

1 前言

現(xiàn)今汽車制造企業(yè)多采用柔性化生產(chǎn)，同一生產(chǎn)線共線生產(chǎn)多種車型[1]，在單位時間內多產(chǎn)生加工效益，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和競爭力[2]。其中車間的生產(chǎn)節(jié)拍直接反應了車間的生產(chǎn)效率[3-5]，所以在生產(chǎn)當中對節(jié)拍的優(yōu)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(chǎn)效率和產(chǎn)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(jié)拍。

在這樣的背景下，研究汽車焊裝自動生產(chǎn)線機器人生產(chǎn)節(jié)拍存在的浪費問題，具有重要的現(xiàn)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(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率，可以讓企業(yè)更好地占領市場份額、控制生產(chǎn)成本[8]，同時對行業(yè)內同類生產(chǎn)線節(jié)拍問題的優(yōu)化提供參考。

2 優(yōu)化節(jié)拍的背景和需求

某車型的焊裝車間自動生產(chǎn)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(jié)拍時間記錄，繪制了如圖1、圖2 所示的工位節(jié)拍統(tǒng)計圖。圖1、圖2 中，橫線代表自動線的生產(chǎn)節(jié)拍要求（90 s），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(shù)字代表實際工作時間。

圖1 機艙線節(jié)拍統(tǒng)計

圖2 后地板線節(jié)拍統(tǒng)計

焊裝車間自動線的生產(chǎn)節(jié)拍要求為90 s，機艙線共有13 個工位，有6 個工位的生產(chǎn)節(jié)拍超出了90 s，不滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求的工位達到46%，節(jié)拍最大超出6 s，如圖1 所示。

后地板線共有12 個工位，有6 個工位的生產(chǎn)節(jié)拍超出了90 s，不滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求的工位達到50%，節(jié)拍最大超出8 s，如圖2 所示。

經(jīng)過對現(xiàn)場工位節(jié)拍的測量分析和統(tǒng)計，焊裝車間的自動生產(chǎn)線不同工位上的節(jié)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(yè)間不平衡導致的效率損失，存在一定的可優(yōu)化空間。

3 節(jié)拍延誤的問題分析

從焊裝自動生產(chǎn)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(xiàn)場觀察，查找到影響生產(chǎn)節(jié)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(chǎn)程序去抓件，修磨時間有16 s，在這16 s時間內抓手一直處于等待狀態(tài)。現(xiàn)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。

圖3 某工位固定焊槍修磨

圖4 固定焊槍修磨時序邏輯

固定焊槍修磨時，抓手機器人端一直處于等待狀態(tài)，造成生產(chǎn)節(jié)拍的浪費，存在可優(yōu)化的空間。

3.2 換槍盤防塵蓋開合時序邏輯不合理

現(xiàn)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(fā)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。

圖5 某工位換槍

圖6 換槍盤防塵蓋開合時序邏輯

在給1 號防塵蓋發(fā)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3 s，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3 s，一次換槍有6 s 的等待時間，造成生產(chǎn)節(jié)拍的浪費，存在可優(yōu)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。

圖7 現(xiàn)場機艙060工位布局

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6 s，造成節(jié)拍浪費，存在可優(yōu)化空間。

4 節(jié)拍優(yōu)化的詳細方法

基于節(jié)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(chǎn)節(jié)拍要求的瓶頸工位，需要進行節(jié)拍優(yōu)化，減少各個工位之間的時間差，從而達到節(jié)拍平衡[10]。針對上述造成節(jié)拍浪費的問題制定了如下的優(yōu)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16 s，這16 s 時間內機器人端不工作一直處于等待，造成生產(chǎn)節(jié)拍浪費。

圖8 抓手機器人底層程序

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(yè)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(xù)放件，此時修磨時間全都納入軌跡中，從而節(jié)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(jié)約了機器人因修磨而產(chǎn)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(yōu)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(jié)約16 s 時間，節(jié)拍優(yōu)化率達到47%，固定修磨時序優(yōu)化前后對比如圖11 所示。

圖9 修改后抓手機器人底層程序

圖10 優(yōu)化后固定焊槍修磨時序邏輯

圖11 固定修磨時序優(yōu)化前后對比

焊裝車間固定焊總數(shù)量為48個，單工位固定修磨節(jié)約16 s，焊裝車間單次固定修磨可節(jié)約768 s，極大提高了車間生產(chǎn)效率。

4.2 換槍盤防塵罩開合時序優(yōu)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(yōu)化空間，具體程序優(yōu)化方式如圖12 所示。

優(yōu)化后的防塵蓋開合底層程序，實現(xiàn)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(fā)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(fā)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(yōu)化后開合時序邏輯如圖13 所示。

圖12 防塵蓋開合程序優(yōu)化對比

圖13 換槍盤防塵蓋優(yōu)化后開合時序邏輯

優(yōu)化后的底層程序，實現(xiàn)了機器人取槍前防塵罩已經(jīng)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(jié)約6 s，節(jié)拍優(yōu)化率達到26%，防塵蓋開合時序優(yōu)化前后對比如圖14所示。

圖14 防塵蓋開合時序優(yōu)化前后對比

焊裝車間換槍盤總數(shù)量為97 個，單工位換槍能節(jié)約6 s，焊裝車間單次換槍能節(jié)約582 s，提高了車間生產(chǎn)效率。

4.3 機器人放件時序優(yōu)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(yōu)化，在機器人R3抓件離開機器人R0 放件的干涉區(qū)后，機器人R0 開始進行放件。機器人放件時序優(yōu)化后，能節(jié)約等待時間6 s，優(yōu)化前單工位節(jié)拍為95 s，節(jié)拍優(yōu)化提升6%，提升了生產(chǎn)節(jié)拍，提高了車間生產(chǎn)效率。

圖15 現(xiàn)場機艙060工位布局

4.4 3種優(yōu)化方法總結

針對某車型的焊裝車間現(xiàn)場3 種影響生產(chǎn)節(jié)拍的具體問題，提出3 種優(yōu)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(chǎn)效率。優(yōu)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(chǎn)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(yōu)化，使得擺臂修磨與機器人作業(yè)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(chǎn)節(jié)拍，從而提升車間的生產(chǎn)效率，最終通過降低生產(chǎn)成本提高企業(yè)的競爭力。

表1 3種優(yōu)化方法總結表