汽車焊裝生產線節(jié)拍分析及優(yōu)化

秦志剛 張洪亮

（一汽-大眾汽車有限公司天津分公司，天津300000）

1 前言

汽車制造業(yè)進入標準化流水線作業(yè)模式后，生產節(jié)拍就成為反映車間生產效率的重要指標[1]。節(jié)拍的優(yōu)化提升也成為提升車間生產效率至關重要的工作。傳統(tǒng)的節(jié)拍優(yōu)化一般是在規(guī)劃設計階段，通過工藝布局、工裝設計、仿真驗證來實現[2]。但是設備投產運行后，如果再通過大范圍更改工藝和工裝來提升節(jié)拍，將需要大量的投資。因此，在現有工藝布局和設備的基礎上進行節(jié)拍優(yōu)化的研究，提高企業(yè)的生產效率和競爭力[3]成為新的重要課題。

當前，隨著汽車市場的競爭加劇，各汽車制造企業(yè)通過快速推出新產品和降低人工成本來增加競爭力，因此汽車生產的高柔性[4]、高自動化率已成為汽車生產線的普遍特點。焊裝車間作為汽車生產四大專業(yè)中工藝最復雜的車間，其生產線的高柔性、高自動化率要求更高。而且在智能制造2025的背景下，焊裝車間已經越來越多地采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）[5]、機器人[6]、變頻驅動、傳感器等智能控制手段。同時焊裝車間還集合了點焊、弧焊、涂膠、沖鉚、螺柱焊、搬運、輸送等工藝[7]。因此焊裝生產線節(jié)拍優(yōu)化工作，既要考慮各類智能控制設備的特點，還要考慮各類工藝的原理，結合現場實際綜合實施。

2 確認節(jié)拍瓶頸工位

通過測定每個工位的節(jié)拍，編制節(jié)拍平衡圖（圖1），即可確認瓶頸工位。節(jié)拍測定時可采用由“起點到起點”的方式，即從一個工作循環(huán)中選定一個明顯的特征動作點，作為開始計時點，直到下一個工作循環(huán)中此特征動作點再次到來，停止計時，即可測定一個完整的節(jié)拍。此節(jié)拍將包含設備的動作時間和各動作間互相等待的時間。為了保證連續(xù)生產中節(jié)拍的穩(wěn)定性，可以采集一定數量的工作循環(huán)節(jié)拍，取最小的10個工作循環(huán)節(jié)拍的平均值，作為此工作的實際節(jié)拍。在實際工作中，一般采樣100個工作循環(huán)節(jié)拍，采樣的工作可以通過PLC編程實現。

圖1 節(jié)拍平衡圖

3 優(yōu)化節(jié)拍的方法

設備調試完畢，交付投產時，因為設備調試廠家的目標是達到合同約定的節(jié)拍即可，再加上設備調試人員能力的參差不齊，所以節(jié)拍上往往還有很多可以優(yōu)化提升的空間。結合工作實踐，總結了以下5種節(jié)拍優(yōu)化方法。

3.1 機器人軌跡優(yōu)化

焊裝生產線大量采用機器人，通過機器人來提升節(jié)拍是重中之中。常用的方法有以下5種：

a.優(yōu)化干涉區(qū)。多臺工業(yè)機器人進行協同動作時，工作區(qū)域會存在交互工作區(qū)，彼此交互的工作區(qū)域稱為干涉區(qū)[8]。在保證機器人無碰撞風險的前提下，盡可能的縮短機器人等待進入干涉區(qū)的距離，可減少時間浪費。

b.合并子程序。為了方便控制和調試，工業(yè)機器人程序架構是由主程序進行不同動作或工藝的子程序調用，來實現最終功能。調用子程序越多，機器人工作時間越長，通過合并子程序來減少子程序的調用次數，可實現節(jié)拍優(yōu)化。

c.刪除多余程序信號。編程人員在設備調試時，為了調試方便或適應多種工況，會加入過多的程序信號。譬如在工作現場，涉及程序調用、運動類型變換、執(zhí)行工藝動作等時，機器人程序語句中會編寫warte bis E23（等待人員請求進入）信號。機器人運行到該語句時，會出現明顯的停頓現象。根據現場的實際情況，優(yōu)化此類程序點，可以顯著提升節(jié)拍。

d.刪除多余過渡點。工業(yè)機器人在實際軌跡編程時，為了規(guī)避路徑上的工裝夾具或其他設備等干涉點，會增加一些過渡點，以避免碰撞。機器人在實際運動時，為了經過這些軌跡點，要進行加減速的內部邏輯控制，這會增加機器人的運動時間。通過對具體現場觀察與實驗，可以刪除不必要的過渡點，提升節(jié)拍。

e.優(yōu)化軌跡逼近值。工業(yè)機器人在運動時，到達軌跡點有兩種形式：精確到達和軌跡逼近。如圖2所示，精確到達時，機器人的工具中心點位置（Tool Center Position，TCP）必須精準到達軌跡點坐標，此時機器人會有明顯的停頓。軌跡逼近時，TCP不用精確移動到軌跡點坐標，而是沿著軌跡逼近輪廓運行，此時機器人的運動會平滑流暢。根據現場實際，合理設定軌跡逼近值，可以提高節(jié)拍。

圖2 到達軌跡點的兩種形式

3.2 設備參數優(yōu)化

高自動化率的焊裝生產線是由各類自動化設備構成，這些設備運行速度直接影響節(jié)拍。設備的最高運行速度參數由設備安全和質量安全兩方面決定。

a.在設備安全的前提下，提高設備運行速度。由于設計、調試等因素，設備投產時的速度參數，往往并不是最高速。深入研究各類設備的速度控制原理和設備安全保護原理，可以合理提升設備運行速度。如通過控制焊鉗極臂的開合速度，提高焊鉗運動速度；通過控制輥床、升降機等設備電機的加減速斜坡和適當超頻，提高運行速度；通過調整節(jié)流閥、加大氣管直徑、增加緩沖器等方法，提高夾具氣缸的運行速度；

b.在質量安全的前提下，提高設備運行速度。焊裝車間的許多工藝質量都是跟設備運行速度直接相關的。有經驗的現場工作人員，可以在保證質量的前提下，實現設備的提速。如采用大電流、短時間的焊接規(guī)范，提高點焊速度；通過調整工件的匹配間隙，實現高速激光焊接下的質量穩(wěn)定；通過采用先進的冷金屬過渡焊（Cold Metal Transfer，CMT）弧焊技術，提高薄板長距離釬焊的速度；自動螺柱焊，在每次送釘結束后，會設置延時焊接啟動時間獲得良好的引弧效果，設置合適的延時焊接啟動時間，可以提高節(jié)拍；自動涂膠設備的出膠速度是由機器人的運行速度決定的，通過優(yōu)化膠條的長度和位置，既可保證涂膠質量，又可提高涂膠速度

3.3 設備動作時序優(yōu)化

生產線中的設備都是協同工作，每個單體設備都需要與其他設備“交接”工作，這個“交接”要有序，稱之為時序。合理的規(guī)劃生產線各設備的時序可以減少時間浪費。時序優(yōu)化中最常用的方法就是將串聯時序變成并聯時序。如圖3所示的升降輥床工位，輥床向下一個工位輸送前，需要機器人先離開，再打開定位的勾銷缸，然后輥床上升。機器人離開和打開勾銷缸之間沒有干涉點，可以將機器人離開和打開勾銷缸同步動作，每個節(jié)拍可節(jié)約0.6 s。

圖3 升降輥床工位時序優(yōu)化

3.4 工藝優(yōu)化

焊裝車間主要通過點焊、涂膠、活性氣體保護電弧焊（Metal Active Gas arc welding，MAG）/惰性氣體保護電弧焊（Metal Inert Gas arc welding，MIG）、鉚接等工藝保證車身強度和尺寸要求。合理的優(yōu)化工藝，可以提高節(jié)拍。

a.工藝重布。將超節(jié)拍工位的工藝，移到節(jié)拍富裕的工位，可實現兩個工位都達標。常見的工藝重布包括點焊焊點移動，涂膠膠道移動，MAG焊道移動等；

b.減少冗余工藝。將多余的工藝直接減少，可直接提高節(jié)拍。如，為滿足總裝對不同配置車型的安裝需求，每臺車身都需要焊接所有螺柱。通過精準識別螺柱的作用，結合射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）車型識別技術，只在車身上焊接此車型配置必須的螺柱，可有效減少車身螺柱焊個數，提高節(jié)拍。

c.工藝變更。部分工藝對零件尺寸、加工質量要求很高，限制了工位節(jié)拍的提升，采用替換工藝，可提高節(jié)拍。如，MAG焊對工件的匹配和尺寸有較高的要求，為了保證MAG焊的表面質量和強度，就需要降低MAG焊的焊接速度。將MAG焊改成點焊，可在保證車身強度要求的前提下，提高工位節(jié)拍。

d.工藝順序優(yōu)化。生產中，在一個節(jié)拍內一臺機器人要完成多個工藝點，如有的點焊機器人要完成8個焊點，有的涂膠機器人要完成10道涂膠。為了在各個工藝點之間過渡，機器人會增加一些過渡軌跡。通過優(yōu)化這些工藝點的加工順序，可以減少過渡軌跡，提高節(jié)拍。

3.5 設備改進改造

設備安裝到現場后，會存在使用效果未達到最優(yōu)的現象。運用專業(yè)知識，深入結合現場，對設備進行不同程度的改造，可提高節(jié)拍。如截短送釘類設備送釘管（如螺柱焊，沖鉚等），可節(jié)約送釘時間；將接觸器控制的電機，改為變頻控制，可提升電機速度；實施低成本自動化改進，減少人員上下件和零件轉運的時間等。

4 結束語

在智能制造的背景下，汽車焊裝生產線越來越向無人化、智能化發(fā)展。設備和工藝的復雜性也越來越高，通過深入研究專業(yè)知識、結合豐富的現場經驗，在現有設備的基礎上進行節(jié)拍優(yōu)化的工作，對提高生產效率的作用越來越大。研究分析了識別節(jié)拍瓶頸的方法，并從機器人軌跡優(yōu)化、設備參數優(yōu)化、設備動作時序優(yōu)化，工藝優(yōu)化，設備改進改造等5大方向對節(jié)拍優(yōu)化方法進行了詳細的分析和歸納總結。但不同的汽車焊裝生產線所采用的工藝不同、設備不同、工位布局也不同，因此對不同種類的工藝、設備、工位布局的獨特節(jié)拍優(yōu)化方法進行收集，歸納總結成方法論和案例集進行推廣和實踐，需要持續(xù)進行，助力我國汽車工業(yè)提升制造效率。