基于自動化生產線的工藝優化

陸德利 陳梁 黃丹 何柳

上汽通用五菱股份有限公司 廣西柳州市 545000

1 引言

工藝主要為生產制造服務，輔助為技術服務，是生產和技術之間承上啟下的橋梁。為實現產品從設計到高質高效生產而開展各種方法論的制定和接地氣推廣。焊裝車間自動化率高或者黑燈工廠生產線，現場基本上全是自動化設備與機器人，對現場進行改善，提升機器人或者自動化設備利用率將會直接提升生產線產出。針對自動化生產線進行進行工藝優化，將會是工藝設計的重要部分。

2 工藝優化理念

工藝優化的核心目的，以顧客需求為中心，以消除浪費為核心，使企業以最少的投入，獲取最佳的運作效益，并提高對市場的快速反應能力，使產品有高質量、更低成本與更短生產周期。在車企焊裝車間白車身制造過程對生產線進行工藝優化，對自動化生產線進行工藝優化，減少不必要浪費，提升生產線輸出節拍，提高機器人利用率。

3 工藝優化方法

建立工藝優化分析體系，形成工位級、線體級、系統級的從上而下的分析模式（圖1），以工位優化實施帶動線體級得到優化，由線體級優化拉動整個系統得到優化。優化體系建立，避免頭痛醫頭腳痛醫腳的分析模式，從整體著眼，從細節出發，對整個工藝系統進行優化與重整，消除優化死角，提升生產線效率。

圖1 工位級、線體級、系統級的關系

工位級：從精益現有工藝開始，實行工藝標準化，推廣工藝精益化。

線體級：研究線體線平衡，均衡生產線效率，實現更高的勞動生產率，消除不穩定因素。

系統級：對現有的各工藝信息系統進行集成，實現單一數據源，保證互聯互通。

3.1 工位級

工位是生產過程中最基本的單元，針對工位進行工藝優化，夯實生產線優化的基礎。自動化焊接工位，由工裝、焊接機器人、搬運機器人等組成，通過PLC 控制工位動作邏輯（圖2）。

圖2 工位動作邏輯

3.1.1 機器人軌跡分析

采用工時分析軟件（圖3），解析工位內每臺機器人動作，識別機器人焊接軌跡中的多余動作、等待動作、不合理動作順序及工位內時間不均衡等。

圖3 ECRS工藝工時分析軟件

（1）減少多余動作：分析機器人動作合理性，調整機器人不合理的軌跡，減小機器人動作幅度、優化過渡點，縮小焊鉗開口、動作幅度能夠直線解決的就不用弧度。從細節上優化機器人動作軌跡，消除多余動作，從而達到機器人運動效率的提升，并提高機器人焊接能力。

（2）消除等待動作：查看工位內不同機器人聯合動作，同一工位不同焊接機器人之間是否存在干涉等待。通過工位內焊點順序及不同工位焊點位置的調整，消除等待時間，讓機器人利用率提升。

（3）調整不合理焊接順序：機器人任何動作都是占用工位的CT 時間，相同焊點數量與位置不同的焊接順序，同樣會導致節拍不一樣，甚至導致焊接時間超節拍。滿足工位需求的前提下，統一在同一工位焊接，減少焊接姿態的變化次數，讓機器人焊接順序最優化。

（4）改善工位內時間不均衡：工位內機器人之間焊接時間差異大，將會導致焊接時間短的機器人產生等待浪費。通過調整工位內機器人焊點數量均衡焊接時間。如果工位內本身不能夠滿足，則需要通過產線其他工位共同調整焊點，讓工位內達到均衡，讓機器人得到合理利用。

3.1.2 工位邏輯分析

改善工位動作順序邏輯，將串聯動作改為并聯動作。現有的工位的控制邏輯是順序進行，工藝設備完成一個動作后再進行下一個動作：

（1）機器人焊接工位，焊接機器人完成焊接回到HOME 位置，發信號給PLC，工裝開始開夾；

（2）工裝開夾完成后，搬運取件機器人從HOME 位置啟動去取件；

（3）取件機器人取件完成后，發出信號，放件機器人才啟動進行放件動作；

（4）放件完成，放件機器人回到HOME位置之后，工裝關夾；

（5）關夾完成之后，焊接機器人才啟動進行焊接。此動作順序，導致焊接機器人焊接完成后等待時間長。

實際上，焊接機器人焊接過程中，搬運機器人是可以提前到就近非干涉位置等待，而取件機器人離開與焊接機器人干涉位置也可以進行焊接。疊加取、放件與焊接的時間，可以有效提升工位的焊接工藝能力或者提升工位的輸出節拍。

3.2 線體級

線體是由多個工位，以流水線的方式組合起來。線體的分析從整體把握局部，從生產線的輸出節拍分析工位設計是否合理。對比不同工位的CT 時間，分析工藝設計是否最優。在生產線的評估中，經常采用線平衡墻進行分析。

3.2.1 線平衡分析

“生產線工藝平衡”即是對生產的全部工序進行平均化，調整各作業負荷，以使各作業時間盡可能相近。是生產流程設計與作業標準化必須考慮的最重要的問題。生產線工藝平衡的目的是通過平衡生產線使用現場更加容易理解“一個流”的必要性及“小單元生產”的編制方法，它是一切新理論新方法的基礎[3]。建立線平衡墻就是對比線體各工位的均衡性，將不均衡的工位，通過工藝優化的方式進行改善，多個不均衡的改善，有可能優化1 個工位，或者優化多臺機器人，從而實現提速與降本。

對焊點需要移動的工位生產視頻進行詳細的要素（焊點）分析，細化到每一個焊點焊接的起止時間，分析工位節拍時間。

（1）采集現場每個工位的視頻數據，統計各個工位的CT 時間，建立線平衡墻。

（2）畫出生產線的設計節拍時間，對比并計算每個工位與設計時間的差異。

（3）根據線平衡的情況，對不同工位焊接部位進行分析，工位時間超過設計時間的工位減少工位機器人焊點。

（4）工位時間低于設計時間較多的工位，需要適當增加焊點。

（5）結合UG 分析靜態焊鉗焊接的可行性，確定初版工藝優化方案，根據工藝時序標準建立新的工位線平衡分析。

如果多個工位都是低于設計時間，則考慮優化工位內機器人數量或者優化工位數量，從而達到效率提升與設備優化的效果。

3.2.2 仿真分析

機器人模擬仿真的存在，可以讓工藝優化設計方案更加合理，具有更高的可實施性。虛實結合，反向驗證軟件計算的線平衡，對滿足節拍與設計預期的方案進行實施，對不滿足設計預期方案進行問題原因分析，重新制定優化方案。

（1）ROBOGUIDE仿真介紹：ROBOGUIDE中可以調用FANUC所有型號的機器人，同時自帶了多種數模，如圍欄、工作臺、控制柜等，方便模擬仿真。軟件包含搬運、點焊、弧焊、噴涂等工藝模塊，同時可以模擬變位機、機器人七軸等功能，對于應用FAUNC 機器人的生產線，ROBOGUIDE 是一款高效高還原度的仿真軟件[2]。通過建立一個離線的三維環境，在其中模擬現實中的機器人和周邊設備的布局，并且利用TP 示教，進一步模擬它的運動軌跡。通過這樣的模擬可以驗證布局的合理性，工藝方案的可行性同時獲得較準確的周期時間[3]。

（2）工藝優化方案驗證：仿真機器人的軌跡，將工位級機器人軌跡優化內容體現到仿真中，給出當前最優機器人軌跡，并輸出離線程序供現場調試使用。將符合優化要求的方案實施，不符合要求的方案進行修改，提升工作效率與設計質量。

3.3 系統級

生產線的改善并不是單獨的，也不是偶然的，而應該是具有系統邏輯思想的。當工位級與產線級的工藝優化完成后，需要對生產線的改善進行經營總結與標準升級。

3.3.1 工藝優化標準數據庫

（1）標準化的作用：在企業生產活動之加入標準化運行模式一方面可以有利于產品結構的升級，同時還能夠使產品的生產制造更具規模，降低產品的生產成本，提高產品的質量，進而提高產品和企業在市場上的綜合競爭實力。與此同時，標準化生產還 能夠大大降低企業員工的工作強度，縮短生產時間，簡化生產流程，為企業創造更多的經濟效益[4]。

（2）建立工藝優化分析數據庫：將時序、工藝優化改善方案形成經驗總結及標準，提供給新產品工藝方案設計以及新生產線工藝規劃設計，減少設計過程的浪費，提升設計質量。

4 結語

自動化與智能化生產線，通過工藝優化的方法：

（1）簡化工位機器人動作，消除不必要的動作與等待。

（2）調整機器人動作順序，縮減機器人姿態變換次數，減少非增值。

（3）重排工位動作邏輯，從控制系統上優化工位節拍。

（4）均衡生產線CT 時間，讓機器人得到合理的利用，減少工位或者焊接設備投入。

（5）持續工藝優化改善生產效率，迭代工藝時序標準，將改善結果作為常態化實施，為新產品及新產線提供數據支持。