工業機器人的動作優化在汽車制造領域中經濟效益淺析

李建東 安同

摘要：近“中國制造2025”和“德國工業4.0” 都是在新一輪科技革命和產業變革背景下針對制造業發展提出的一個重要戰略舉措，在汽車制造領域中大批機器人投入車間中;下部車身UB工位設備運行穩定、故障率較低節拍速度快，而地板和機艙總成工位為分裝線線體，是瓶頸工位會拖慢整體的生產節拍，為實現最大收益勢必要對生產節拍進行優化，通過對機器人的分析;本文以整車制造中焊裝廠的前后地板總成與機艙總成自動線機器人節拍優化為切入點，優化生產節拍從而降低生產成本。

關鍵詞：工業機器人 ?汽車制造焊裝 ?節拍優化 ?降低成本

引言

近年來，中國制造業發展迅猛，工業機器人在汽車制造業更是全面覆蓋，隨著發展，在汽車領域中，碼垛機器人、搬運機器人、電焊、弧焊等機器人的大規模投用，對汽車的要求也是逐年提升，汽車企業大都是同一線體中生產不同的車型，其中在一定時間內的產量多與少，是由最慢的工位決定的，就像一個木桶裝多少水取決于最小的那塊木板，生產節拍在生產中至關重要，它能夠直接反應出車間的生產效率也同時能夠映射出該車企的造車水準。

在這大趨勢下，根據現場環境對自動線體進行改造就極具意義了。分析機器人運行軌跡，以及人工上件工位是否有動作浪費。通過以上幾點方向對生產節拍進行優化，提升生產效率，提高企業的市占率、減少生產成本，以及同時對行業內相關問題進行參考。

第一章原因分析

前期車身工藝規劃，焊裝二線 UB 自動線整體出車節拍為 85 秒，每小時出車 42 臺。因 UB 自動線只有UB10工位為拼接，設備運行穩定、故障率較低。前后地板、機艙自動線為分裝線線體，因板件狀態不穩定導致自動線工藝故障問題頻發，且前后地板、機艙自動線出車節拍無法達到85秒的出車效率，導致機艙、前后地 板NL-3車型出車效率無法滿足UB自動線生產需求，大大降低了生產焊裝自動線整體出車效率。例如以下工位為影響自動線整體出車效率的瓶頸工位：

1.機艙自動線整體節拍94S，其中 ER110工位節拍為瓶頸 工位，節拍為 94 秒，其它剩余工位都在85秒以內。因 ER110 人工上件為兩次，第一次上件完畢員工出工位安全區進行確認操作后才允許進行二次上件作業，且工位夾具滑臺軌道也相對較長，上件工位運行到工作位占用大量的人工工作時間，影響生產效率，降低產量。 ? （圖 1為ER110工位）

2.后地板自動線整體出車節拍為 91秒，其中RF080工位節拍為瓶頸工位，節拍為 91秒，此工位為機器人飛行焊，焊點較多。RF010、RF040、RF060、RF070、RF090、RF110 因焊點分布問題，機器人相互之間存在干涉等待時間，工位節拍均在 85-90 秒。（圖2為 RF080 工位）

3.前地板自動線整體節拍90秒，其中FF040工位節拍為瓶頸工位節拍為90秒，其它剩余工位能夠滿足85秒出車節拍。

總結：綜合以上問題，前后地板、機艙自動線節拍不滿足生產需求，生產效率低。 特別在現在高產階段員工每天工作時間長，無疑增加了員工勞動強度，導致員工抱怨大。提升出車效率為關鍵，可通過優化焊點分布及優化 PLC 邏輯控制歩，部分工位的可以通過優化機器人工作軌跡來達到節拍提升的效果

第二章相關數據

下圖3為改善前各線體節拍統計。可以從圖中明顯看到，機艙、前后地板各個工位的生產節拍，其中超過85s的工位有7個工位。其中ER110/FF040/RF080為重點瓶頸工位。

第三章設定計劃

機艙地板自動線的整體出車 節拍要加快 9 秒以上，整體節拍至少達到 85 秒，才能達到要求。以現場節拍最慢ER110工位和 RF080 為例，ER110 需要進行滑臺、人工、還有紅色線為 UB 線體 85s機器人焊點及PLC等多方面進行調整。RF080R16 機器人焊鉗為固定焊鉗（固定焊鉗有三個風險點：焊接飛濺較大，修磨不干凈，容易產生虛焊），改善的過程中我 們要在完成目標的同時，也要解決掉這些風險點。

第四章項目改造措施

1.前地板具體優化方案：優化FF040 R7機器人提前開始抓件，JG01夾具打開的同時進入Seg1工作歩到夾具正上方等待抓件，JG01夾具完全打開后機器人進入Seg2開始抓件。同時優化FF040工位R4、R5機器人焊點移動4個，2個移至空中補焊位，2個移至FF060工位R14、R8機器人焊接，減少工位焊接時間，預計減少6S。移動焊點如下圖：

機器人與夾具的布置圖：

2.后地板具體優化方案：后地板RF110工位RF90R8機器人上件速度為10s如圖4，按照部門標準常規機器人抓件并離開干涉區，包含抓手氣缸一次動作時間為6s/件;提高機器人速度到6s;生產節拍提升了4s。

后地板RF110R22機器人，在焊接完之后開始打開時點慢，焊接機器人焊接完之后在干涉區外可以提前打開，節拍提升3s。

3.機艙具體優化方案

ER11滑臺運行速度提升到90如圖6所示

人工兩次分別上件更改PLC程序邏輯為一次上件完成后確認工作完成如圖7所示。同時優化R4機器人抓手提前進入抓件程序，夾具打開的同時進入Seg1工作歩等待抓件，等待夾具完全打開后，機器人進入 Seg2 工作歩開始抓件，機艙總體節拍提升了9s。

第五章效果確認總結

經過優化后前后地板、機艙滿足UB自動線整體生產節拍，提高了機艙、前后地板NL-3車型整體出車節拍，減少了UB自動線生產等待時間達到設定目標，圖8數據為當前自動線節拍數據：

1.有形效果

前后地板NL-3系列車型節拍均為94秒，節拍優化后全線NL-3系列車型將為85秒，整體節拍提升9秒。按照2020年產量大綱如圖9，NL-3整車出車150000臺，相當于節省375小時。

節約成產時間：每年節省時間80000*9/3600=200h。

2020年1-10月份根據實際能耗統計，平均單臺能耗成本52.4元，共計節能成本200h*3600s/85*52.4=44.3萬元，

節約人工成本：焊裝自動線總人數200人計算，人工成本16.5元/小時，大約節省200*200*16=66.66萬元。

每年節約人工成本和能耗成本大約55.4萬元+66.66萬元=122.06萬元。

2.成果固化

優化后每小時出車大約37～39臺，整體出車節拍提升9s，生產效率相較于優化前每小時生產效率提升7臺左右。

第六章結束語

隨著工業技術發展在汽車制造領域中，自動化率大幅度提升，機器人大量投用代替人工已成主流。本章通過針對于國內某汽車廠焊裝車間自動線上機器人的焊點挪移和人工工位優化降低生產成本所介紹的方法和思路，其他自動化制造業亦可參考不僅限于汽車領域。

參考文獻：

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[4]胡晟明，王林輝，朱利瑩 工業機器人應用存在人力資本提升效益嗎？

[5]陳志雅，宋和平馬懷鎮，李延靜 焊裝車間機器人的節拍分析及優化設計

作者簡介：

1.李建東（1998—）男，本科，設備維修技術工程師，主要從事設備管理和維護工作。

2.安同（1991-），男，本科江蘇大學，機器人工程師，主要從事機器人維護調試