機器人標定單元快速換型優(yōu)化研究

時黨偉

（庫卡機器人制造（上海）有限公司，上海 201614）

由于機器人行業(yè)的客戶化、定制化以及多樣化特性，制造過程工序多、操作時間長、在制品庫存大、生產交期長等問題，在制造過程中標定單元用時過長是瓶頸工序。為了能快速換型或換線，對標定工序優(yōu)化重組，以降低生產交期，提高工時利用率，實現快速換模與高效產出。

生產平衡化是對生產的全部工序進行均衡化，調整作業(yè)負荷，以使各作業(yè)時間盡可能采用相近的技術手段與方法，主要目的是提高作業(yè)人員及設備工裝的工作效率，減少單件產品的工時消耗，減少工序在制品，提高生產應變能力，真正實現“一個流”[1]。人機結合分析法是調查作業(yè)人員作業(yè)時間與機器運轉時間之間的關系，在一人負責多臺機器的情況下，會出現“待工”和空閑時間的浪費，通過分析人機運作狀態(tài)來發(fā)現浪費，并減少這些不良現象[2]。人機結合分析法運用的經典詮釋是快速換型，快速換型是由原日本能效協會新鄉(xiāng)重夫先生開發(fā)的技術，現在已經成為精益生產實施過程的一個重要方法，其英文名稱為Single Minute Exchange of Dies，簡稱SMED，之所以是Single，是因為可以在10 min 以內或10 s 以內實現快速換型[3]。SMED是一種能有效縮短切換時間的理論和方法，它通過作業(yè)過程流水線化來幫助人們了解整個作業(yè)流程。首先是區(qū)分內部操作和外部操作，逐步將內部作業(yè)操作轉化為外部操作，其次是不斷地減少無效操作，優(yōu)化有效的操作，最后是簡化外部作業(yè)，優(yōu)化內部作業(yè)。通過不斷循環(huán)，使操作更靈活，提高了生產力和質量穩(wěn)定性，降低了半成品庫存，優(yōu)化了工作環(huán)境，能快速交付客戶，也提高了員工的工作理念。本文以工業(yè)六軸機器人標定單元作業(yè)為研究對象，運用工序分析法、人機結合法、快速換型法等對其進行深入分析與改進，達到提高生產率、縮短產品交期、提升過程管理水平和提高企業(yè)效益的目的。本文的研究思路可以為同行業(yè)企業(yè)解決類似問題提供參考借鑒。

1 標定單元作業(yè)現狀及問題分析

工業(yè)六軸機器人根據負載、臂長等不同組合相應的型號，根據負載分為五大系列：小機器人、低負荷、中等負荷、高負荷、重負載。為了更好地研究工業(yè)六軸機器人標定單元快速換型并建立適合的快速換型模式，本文以需求量大的低負荷系列機器人為深入研究對象。首先簡單熟悉和認識快速換型項目中用到的工具。

1） 換型時間。換型時間是完成上一個品種的最后一件合格品與下一個品種的合格品之間的時間間隔[4]，主要由內部時間與外部時間構成。內部時間為無論如何也不得不把設備停下來進行轉換作業(yè)的時段，如更換模具或刀具；外部時間為機器運行時可進行活動的時段，如第一次檢測，取原材料或是取放工具為下一次換模設定做準備，包括刀具、模具、工具、材料的準備。換型時間主要研究生產流程與換型流程，關注不同的工序與作業(yè)時間和總的交貨時間的差別，最大程度地去壓縮切換過程的損失，如換模、換件、調修、尋找及其他。

2） ECRS 改善原則。系統地觀察問題的根源，并確定問題重點和改善目標，已經清楚了不經濟、不平衡、不合理的浪費在哪里，如何排除這些問題就需要充分考慮ECRS 改善四原則，即取消、合并、重排、簡化[5]，在此基礎上，制定改善方案，明確地去改進，降低換模時間，提高產出效率，對客戶快速響應。

1.1 標定單元概述

標定單元由測試固定地板、激光追蹤儀、控制柜、配重存放架、加油車、安全系統與防護圍欄、操作監(jiān)控臺組成，見圖1。記錄換型全過程，進行問題點的收集與分類，以便于分析改善。

圖1 改進前的標定單元組成

1.2 標定作業(yè)全過程的觀測記錄

對標定單元操作過程進行工序時間觀測，工序時間見表1。

表1 改進前的標定單元換型工序時間表

由表1 可以看出，從清潔測試固定地板開始到把標定合格的機器人放到包裝的固定托盤上，標定一臺機器人共需要進行20 個步驟，作業(yè)全過程的總時間為167 min。由于機器人標定的特殊性，每一臺標定都為換型作業(yè)，因此本文對標定作業(yè)過程進行問題歸類與分析。

1.3 標定過程問題類別與分析

依據作業(yè)過程及相關數據信息，整個標定過程可以分成檢查、移動、安裝、調試、測試、加油、保存等，標定單元作業(yè)過程分布見第88 頁圖2。

圖2 改進前的標定單元作業(yè)過程分布

根據現場觀測，找出浪費問題點所在，總體歸納為3 類問題。

1） 標定單元設備利用率低。建立一個標定單元一般投入200～300 萬元，價格昂貴，最好的辦法是最大限度地提高設備利用率。而從圖1 標定單元組成來看，標定單元是人機組合作業(yè)，在標定單元間完成全部作業(yè)過程時沒有分內部作業(yè)和外部作業(yè)，導致設備利用率低。從圖2 標定單元作業(yè)過程分布能夠再次驗證，實際測試時間只占45%，其他的安裝、調試、移動檢查等占用了大部分時間，有很大的設備利用率改善空間。

2） 生產工序不平衡。如果把標定單元作業(yè)全過程看成一條生產線，從表1 可知，測試用時為50 min，從當前人機操作工序時間來看，其他的工序都低于50 min，說明標定生產各工序快慢不一，導致工序間人員操作走動較多，換型中有許多工裝工具的更換比較頻繁，測試的方法都是依據工人的經驗操作，這會造成一定的浪費。

3） 標定生產周期過長?？蛻粜枨笥媱潪槊吭?50 臺，按照每月22 天計算，每天需求11.36 臺，一個班次480 min，除去休息時間，有效產出時間為450 min，即客戶需求節(jié)拍時間為：450 min 除以11.36 臺等于39.61 min/臺。按照當前標定作業(yè)時間每臺167 min 計算，如果滿足客戶需要標定單元個數為：167 min 除以39.61 min 等于4.22 個，約等于5 個單元。當前只有一個庫卡機器人負載22 kg（KR22） 產品系列的標定單元，如果安排3 個班次，還差2 個單元，也就是需要重建一個標定單元才能滿足客戶需要。由于當前的標定生產周期過長，因此導致訂單部和客戶抱怨交期長，從而降低了客戶滿意度。

2 換型操作改進

根據標定生產單元換型過程存在的三大類問題，從標定單元布局、作業(yè)過程工序以及標準化作業(yè)3 個方面進行系統的改進。

2.1 標定單元布局優(yōu)化

重新規(guī)劃標定生產單元布局，見圖3，具體調整事項如下。

圖3 改進后的標定單元布局

1） 取消原機器人待標定區(qū)，在現有的空間重新布局，將機器人標定作業(yè)分為機器人測試區(qū)和機器人外部作業(yè)區(qū)，安全系統不變，防護圍欄兩側打通，搭建了機器人軌道線和同步控制柜輸送線。

2） 將加油車、配重存放架以及測試固定地板移出原標定間，根據內部作業(yè)與外部作業(yè)需要重新制作一個測試固定地板和配重配套架等。將測試固定地板固定在機器人軌道線，標定單元兩側各一個。配重配套存放架分別放置于機器人軌道線兩側，便于根據機器人負載范圍選擇對應的配重、測試十字架等測量工具。

標定作業(yè)過程簡單說明：當標定單元右側機器人固定在地板上并連接控制柜，安裝測量工具后啟動左側軌道和輸送線，將左側機器人與控制柜送到標定單元進行測試；在測試時將標定單元左側機器人固定在地板上，連接控制柜，安裝測量工具后，待標定單元測試完成后退回標定單元右側，啟動右側軌道和輸送線，將右側機器人與控制柜送到標定單元進行測試；在測試時完成拆卸左側機器人等相關工作，完成標定。標定單元左右兩側重復操作過程可以大大提高標定單元的利用率。

2.2 作業(yè)過程工序改進

依據SMED 實施進程，對標定生產單元全過程工序做如下調整。

1） 將表1 中的步驟1 到步驟3，步驟5 到步驟6調整到外部作業(yè)區(qū)并合并工序，當鏟車放在固定地板上前完成清潔動作，減少叉車取放時間。

2） 在中央手裝配生產線建立加油系統，將中央手加油作業(yè)移至中央手線上，減少標定單元的作業(yè)時間，將包裝托盤直接移到機器人軌道線邊，下線直接放至托盤上，由包裝人員移到包裝區(qū)進行包裝。

3） 建立掃描系統，可以連接測試系統和數據庫，所有數據和操作通過掃描和程序自動化。例如，連接示教器、控制柜，通過掃描可以直接選取機器人對應的標準測試程序；在配重架上將法蘭盤、測量工具及配重按照機器人型號一一匹配編號存放并可視化，且掃描系統里能夠顯示幾號需要的測量工具；零位測試（含機械零位與電子控制儀器EMD 的電子零位測試）、工具中心點（TCP） 測試、跑合（RUNOFF） 測試自動程序化和數據保存，減少人員操作，大大降低作業(yè)時間等。

通過人機結合、工序改進、作業(yè)優(yōu)化等改善活動，將標定生產作業(yè)由原來的20 個步驟降低到12 個步驟，見表2。

表2 改進后的標定單元換型工序時間表

匯總作業(yè)類別和內外部作業(yè)，各個類別作業(yè)工時分布見圖4。其中內部作業(yè)時間73 min，占總作業(yè)時間的70%。把內部時間看作標定的瓶頸時間，依據1.3 中客戶需求節(jié)拍時間39.61 min/臺，計算改進后需要標定單元數量為：73 min 除以39.61 min等于1.84 個，即只需要1 個標定單元，安排2 個班次就可以滿足標定產能需求。

圖4 改進后的標定單元作業(yè)過程分布

2.3 標準化作業(yè)

1） 結合有經驗的人員實施過程建議和操作，進行標準換型作業(yè)流程梳理并制定新的標定單元外部作業(yè)和標定生產流程和操作指導書，對所有標定人員進行教育培訓，以確保操作符合性一致。

2） 根據標準換型流程，梳理換型過程需要使用的工具并制成點檢清單，每次換型前使用，防止準備不充分，如工具遺漏或工具損壞。

3） 組織每月定期召開的小型研討會，及時找出發(fā)生問題的解決方案并改進，以保證項目持續(xù)改進和閉環(huán)跟進。

3 標定單元優(yōu)化效果評價

通過人機結合改進、工藝過程改進、布局改進、工裝夾具改進、管理改進、標準化改進等，標定單元改進前后對比見表3。

表3 標定單元改進前后匯總表

總體標定作業(yè)時間由原來的167 min 降低到104 min，減少換型時間63 min，大幅度提升了換型效率。標定產能從2.69 臺/班次提升到6.16 臺/班次，降低了標定生產周期和在制品庫存量等。

4 結論

本文以庫卡機器人負載22 kg（KR22） 型號為研究對象，運用IE 的工序分析法、人機結合法、ECRS 改善法以及精益生產SMED 等工具，結合相應的理論與方法，對其標定生產單元快速換型進行了深入的研究，解決了布局不合理、工序不均衡、生產周期長、在制品多、生產效率低等問題。通過本次快速換型優(yōu)化改進，將SMED 項目展開工作的思路匯總如下，以期能對同類問題的解決有一定的參考借鑒。

1） 詳細觀察：要用放大鏡的眼光去現場觀察當前生產的各個過程，確認成員現場職責，觀察換產過程，按照人、機、料、法、環(huán)五維度記錄過程問題點。

2） 廣集問題：問題是改善的源泉，要用廣度的視角去匯總當前生產換線或換型過程的問題點，輸出每個崗位的觀察時間等，建立換型問題庫。

3） 仔細分析：組員內部討論問題，確認生產換線或換型過程的內外部時間是否正確，輸出問題點的分析及對策，匯總輸出改善點。

4） 認真改善：對問題點迅速做出改善動作；對員工生產過程或物料配送過程的動作進行優(yōu)化改善；對物料的齊套性和配送規(guī)則進行優(yōu)化改善。