高節拍白車身主拼工位的節拍優化

關鍵詞：汽車焊裝線；高節拍；主拼工位；節拍優化

0引言

焊接車間在汽車的四大工藝車間中是自動化率最高、工藝最為復雜的一個環節。在焊裝車間中，根據汽車的生產工藝和零件搭接順序分為各種產線，例如：地板線、主線、側圍線以及分拼線等。其中，最重要且關乎整個白車身焊接精度的線體當屬主線。而總拼工位是主線乃至焊裝車間最重要的一個工位[1]。

車間的生產節拍直接反映了車間的生產效率[2]。由于總拼工位的可編輯邏輯控制器（PLC）程序復雜、機器人密集并且節拍緊湊，影響著整個主焊線的生產效率，是制約車間效率的重要瓶頸點，所以在生產當中對節拍的優化至關重要[3]。通過優化措施的總結歸納，提升機器人的生產節拍，提高生產效率，可以讓企業更好地占領市場份額，控制生產成本[4]，同時對行業內同類生產線節拍問題的優化提供參考。

在德系的白車身層級中，白車身通常有2個總拼工位：第一個是實現側圍內板、頂蓋橫梁的點定，一般稱之為內總拼工位或一次總拼工位（圖1a）；第二個是實現側圍外板的點定，一般稱之為外總拼工位或二次總拼工位（圖1b）。本文針對國內某車企內總拼工位進行優化，并提出了前期總拼工位工裝時的設計要點。

1總拼工藝簡析

1.1內總拼工位

內總拼工位的工藝內容為實現頂蓋橫梁、左右側圍內板以及下車身的點焊焊接。在高節拍的總拼工位中，普遍采用焊裝總拼單元（OPENGATE）實現線體工藝。OPENGATE框架采用伺服電機驅動，速度快，重復精度良好，廣泛應用于各大汽車主機廠中。在總拼工位前，會先在預裝工位將零件通過搭扣形式搭接在白車身上，再通過主拼工位的主拼框架上大量定位單元以及下部車身的定位，使白車身達到理論的設計精度（圖2）。

內總拼工位的常規3D布局以本條線體為例（圖3），主拼框架采用KUKA公司的OPENGATE轉臺式切換框架，實現多車型主拼夾具的切換。同時，為實現總拼工位能夠焊接盡可能多的焊點，在地面2個切換轉臺中間單側各布置4臺點焊機器人。在二層鋪設鋼結構，采用“鋼結構+下探機器人”的形式布置了6臺下探機器人，以實現該工位最大程度的焊接。

該工位工作時，先由滾床將白車身輸送至該工位下夾具上。隨后側圍定位框架Y向推入對白車身進行定位，總拼框架再對側圍框架進行定位，保證每次側圍夾具推入的一致性。之后由該工位的所有機器人對白車身進行點焊。當點焊完成時，夾具打開，側圍框架Y向推出，滾床將該工位的零件輸送至下一工位。某車企生產線節拍為60JPH，內總拼工位的實際節拍為49.0s，該工位的節拍時序如表1所示。

1.2外總拼工位

外總拼工位的工藝內容為實現左右側圍外板以及一次總拼完成后的總成焊接。從工藝時序上與內總拼相似，但由于一般只上側圍外板，相比于一次總拼需要的焊點要少，工藝上略微簡單。圖4所示為二次總拼及預裝的平面布置，由于空中焊接需求的減少，空中一般布置4臺機器人即可滿足工藝要求。

2總拼工位節拍優化思路及方案

對于工位節拍優化思路應為：通過對比現場實際節拍和理論分析的差異，逐個分析差異點及差異原因，找出瓶頸點，并通過優化措施，使之達到理論設計節拍。由于內總拼的工裝，焊點相較于外總拼均更復雜，所以本文以內總拼作為案例，講解總拼工位的節拍優化思路。根據現場實際調試過程，某車企內總拼工位的問題主要集中在4個部分（圖5）。

2.1工裝夾具的設計優化

總拼定位框架作為總拼工位的工裝核心，對節拍的影響因素巨大。從現場實際的反饋效果來看，總拼工裝的設計前期主要應該注意以下2點。

2.1.1工裝時序步驟應有意識地減少

由表1的節拍時序中可以看出，在該條線高節拍的總拼工位下，純理論狀態總拼側圍工裝的打開和夾緊時間加起來一共僅有10.0s左右。按照氣缸一步動作2.0s來計算，打開和夾緊一共最多只能有5步動作。這其中還不包含一些大型定位翻轉單元，一步動作一般要3.0～3.5s，這對于總拼工裝的設計提出了較高的要求。

因此，設計者應有意識地減少定位單元的時序步驟，并讓不同的定位單元盡可能地同時動作，以減少夾具的動作時間。同時，設計者應該有意識地減少大型翻轉單元，以及滑臺單元的使用，使每一步的夾具動作時間盡可能減少。

以內總拼側圍定位框架為例（圖6），由于定位頂蓋橫梁部分工裝距離框架基板較遠，不可避免地使用了翻轉單元。為滿足工位節拍，夾具在同時動作時都做了刻意回避，保證所有的單元可以同時動作，沒有空間上的干涉（圖7），有效提升了總拼工位的節拍。

2.1.2夾具的氣路控制優化

總拼工位的側圍定位框架是白車身焊裝線中最復雜的工位，其總體表現為氣缸開關數量多，定位復雜。該夾具由閥島進行總體控制，同時相同動作的氣缸由一組閥片進行控制，并通過閥島和上位PLC相連。在通常的夾具中，由于對夾具沒有太高的節拍要求，一組閥片最多可以帶10組甚至更多的氣缸；但由一組閥片控制過多氣缸的代價是，這些氣缸同時工作時動作遲緩，嚴重影響節拍。

通過現場階段的優化改進，一組閥片控制不應超過6個氣缸。在提高閥島數量的情況下，現場夾具的動作速度有了較大規模的改善，基本達到了理論時間。

2.2機器人路徑的優化方案

機器人路徑的優化主要分為2部分：一部分為焊點分配的優化；一部分為現場過程中，機器人干涉區的優化。

2.2.1機器人焊點數量及位置選擇

由表1的節拍時序中可以看出，在該條線高節拍的總拼工位下，留給機器人焊接的時間非常短暫，理論狀態下僅有18.0s。考慮到總拼工位夾具也較為復雜，機器人進出槍較多的情況下，一個機器人最多可以焊接4個點。這對焊點的分配提出了較高的要求。

以該條線生產的其中某車型為例，該總拼工位的焊點分布如圖8所示。通過不同顏色的焊點區分不同的機器人，可以看到在1個機器人焊接4個焊點的前提下，焊點應當相對于白車身盡量均勻。對于頂蓋橫梁，在點定工位一個橫梁最多焊接2個焊點，但應盡量選擇對角，使零件焊接穩定（圖9）。同時在進行焊點分配時，應使各機器人之間減少交叉，以減少機器人相互之間的干涉區。

2.2.2機器人干涉區的有效回避

經過正確的焊點分配后，需進行機器人的仿真和調試，確保機器人能夠對相互之間的干涉區進行有效躲避。其中最為重要的，是焊鉗以及機器人管線包之間的干涉性。如果想滿足1個機器人4個焊點的焊接當量，機器人之間不能存在互相等待的時間，否則會嚴重影響總拼工位的整體節拍。

在前期的機器人仿真工作中，需要重點關注在動態焊接過程中，機器人管線包的干涉性，尤其是機器人六軸管束固定支架（俗稱蒼蠅拍）的位置（圖10）。通過有效的機器人相互避讓，使機器人的焊接時間達到理論節拍。

2.3對標準設備的參數要求

該項主要針對的是滾床供應商。常規滾床在標準間距6000～6500mm的前提下，節拍一般可以滿足12.0s一個循環（舉升3.0s，行走6.0s，下降3.0s）。這可以滿足大多數工位的節拍要求。但對于總拼工位，工位與工位之間需要適應切換轉臺，一般間距最大會達到7500～8500mm（圖11）。如果按照常規的滾床參數，滾床的運動時間會被大幅度拉長，從而影響總拼工位節拍。所以，在前期與滾床供應商溝通時，需要明確要求滾床的基本參數，使滾床的一個循環至少能達到12.0s。

2.4電氣控制程序的優化方案

電氣程序控制的優化對于主拼工位的節拍提升有著重要的作用。通過電氣程序控制，將一些時序進行重疊，提前進入，可以最有效地優化節拍，同時可以為機器人爭取更多的時間用于點焊。

2.4.1使機器人提前進入焊接程序

通常機器人開始工作時，都是從設置的機器人安全位置（home）點開始工作，并以回到home點作為一個工作循環的結束。比如點焊工藝中，機器人的動作包括接近首個焊點位置、點焊操作以及返回原點[5]。但在實際過程中，為了提高機器人的有效焊接程序，通常會使機器人提前進入焊接程序，在不干涉的位置進行焊接等待。這個過程可以在滾床運動，以及在工裝夾具動作的過程中進行。如圖12所示，在車身尚未到位前，機器人已經到達了焊接等待位。通過該項操作，可以在每個循環中節省2.0～3.0s時間，有效提高了節拍。

2.4.2工裝夾具中氣缸的提前打開

在常規時序中，完成焊接工作后機器人回到home點，PLC向夾具發出打開命令，工裝夾具氣缸打開。但當節拍非常緊張，需要額外的方案提升節拍時，可以在機器人已完成焊接工作，在返回home點的過程中選擇一點。該位置已和工裝夾具沒有空間上的干涉性，使夾具提前打開。同時為了更進一步節省節拍，還可以使部分工裝部件先打開，其余部件后打開。這樣可以進一步提升節拍，使有效焊接時間可以達到22.0s左右，減緩了點定焊接的節拍壓力。

3結束語

本文以國內某車企高節拍總拼工位作為案例，闡述了總拼工位的節拍優化方法。通過優化工裝結構，減少工裝時序，提高前期設計質量；通過明確滾床設備速度，提高前期設備選型的準確性；通過優化焊點分配，減少或消除機器人焊接過程中的等待時間；通過PLC程序中對各個不干涉時序的重疊，進一步提高總拼工位的節拍與效率。通過以上措施的實施，提升了主焊線的生產效率，降低了生產成本，也為后續類似主拼工位節拍優化提供了借鑒。