汽車焊裝生產(chǎn)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(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化流水線作業(yè)模式后，生產(chǎn)節(jié)拍就成為反映車間生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)[1]。節(jié)拍的優(yōu)化提升也成為提升車間生產(chǎn)效率至關(guān)重要的工作。傳統(tǒng)的節(jié)拍優(yōu)化一般是在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，通過工藝布局、工裝設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證來實(shí)現(xiàn)[2]。但是設(shè)備投產(chǎn)運(yùn)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(xiàn)有工藝布局和設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)拍優(yōu)化的研究，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和競(jìng)爭(zhēng)力[3]成為新的重要課題。

當(dāng)前，隨著汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)加劇，各汽車制造企業(yè)通過快速推出新產(chǎn)品和降低人工成本來增加競(jìng)爭(zhēng)力，因此汽車生產(chǎn)的高柔性[4]、高自動(dòng)化率已成為汽車生產(chǎn)線的普遍特點(diǎn)。焊裝車間作為汽車生產(chǎn)四大專業(yè)中工藝最復(fù)雜的車間，其生產(chǎn)線的高柔性、高自動(dòng)化率要求更高。而且在智能制造2025的背景下，焊裝車間已經(jīng)越來越多地采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）[5]、機(jī)器人[6]、變頻驅(qū)動(dòng)、傳感器等智能控制手段。同時(shí)焊裝車間還集合了點(diǎn)焊、弧焊、涂膠、沖鉚、螺柱焊、搬運(yùn)、輸送等工藝[7]。因此焊裝生產(chǎn)線節(jié)拍優(yōu)化工作，既要考慮各類智能控制設(shè)備的特點(diǎn)，還要考慮各類工藝的原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際綜合實(shí)施。

2 確認(rèn)節(jié)拍瓶頸工位

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

圖1 節(jié)拍平衡圖

3 優(yōu)化節(jié)拍的方法

設(shè)備調(diào)試完畢，交付投產(chǎn)時(shí)，因?yàn)樵O(shè)備調(diào)試廠家的目標(biāo)是達(dá)到合同約定的節(jié)拍即可，再加上設(shè)備調(diào)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(jié)合工作實(shí)踐，總結(jié)了以下5種節(jié)拍優(yōu)化方法。

3.1 機(jī)器人軌跡優(yōu)化

焊裝生產(chǎn)線大量采用機(jī)器人，通過機(jī)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(tái)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同動(dòng)作時(shí)，工作區(qū)域會(huì)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(jī)器人無碰撞風(fēng)險(xiǎn)的前提下，盡可能的縮短機(jī)器人等待進(jìn)入干涉區(qū)的距離，可減少時(shí)間浪費(fèi)。

b.合并子程序。為了方便控制和調(diào)試，工業(yè)機(jī)器人程序架構(gòu)是由主程序進(jìn)行不同動(dòng)作或工藝的子程序調(diào)用，來實(shí)現(xiàn)最終功能。調(diào)用子程序越多，機(jī)器人工作時(shí)間越長，通過合并子程序來減少子程序的調(diào)用次數(shù)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)拍優(yōu)化。

c.刪除多余程序信號(hào)。編程人員在設(shè)備調(diào)試時(shí)，為了調(diào)試方便或適應(yīng)多種工況，會(huì)加入過多的程序信號(hào)。譬如在工作現(xiàn)場(chǎng)，涉及程序調(diào)用、運(yùn)動(dòng)類型變換、執(zhí)行工藝動(dòng)作等時(shí)，機(jī)器人程序語句中會(huì)編寫warte bis E23（等待人員請(qǐng)求進(jìn)入）信號(hào)。機(jī)器人運(yùn)行到該語句時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的停頓現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，優(yōu)化此類程序點(diǎn)，可以顯著提升節(jié)拍。

d.刪除多余過渡點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際軌跡編程時(shí)，為了規(guī)避路徑上的工裝夾具或其他設(shè)備等干涉點(diǎn)，會(huì)增加一些過渡點(diǎn)，以避免碰撞。機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了經(jīng)過這些軌跡點(diǎn)，要進(jìn)行加減速的內(nèi)部邏輯控制，這會(huì)增加機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。通過對(duì)具體現(xiàn)場(chǎng)觀察與實(shí)驗(yàn)，可以刪除不必要的過渡點(diǎn)，提升節(jié)拍。

e.優(yōu)化軌跡逼近值。工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，到達(dá)軌跡點(diǎn)有兩種形式：精確到達(dá)和軌跡逼近。如圖2所示，精確到達(dá)時(shí)，機(jī)器人的工具中心點(diǎn)位置（Tool Center Position，TCP）必須精準(zhǔn)到達(dá)軌跡點(diǎn)坐標(biāo)，此時(shí)機(jī)器人會(huì)有明顯的停頓。軌跡逼近時(shí)，TCP不用精確移動(dòng)到軌跡點(diǎn)坐標(biāo)，而是沿著軌跡逼近輪廓運(yùn)行，此時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)會(huì)平滑流暢。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，合理設(shè)定軌跡逼近值，可以提高節(jié)拍。

圖2 到達(dá)軌跡點(diǎn)的兩種形式

3.2 設(shè)備參數(shù)優(yōu)化

高自動(dòng)化率的焊裝生產(chǎn)線是由各類自動(dòng)化設(shè)備構(gòu)成，這些設(shè)備運(yùn)行速度直接影響節(jié)拍。設(shè)備的最高運(yùn)行速度參數(shù)由設(shè)備安全和質(zhì)量安全兩方面決定。

a.在設(shè)備安全的前提下，提高設(shè)備運(yùn)行速度。由于設(shè)計(jì)、調(diào)試等因素，設(shè)備投產(chǎn)時(shí)的速度參數(shù)，往往并不是最高速。深入研究各類設(shè)備的速度控制原理和設(shè)備安全保護(hù)原理，可以合理提升設(shè)備運(yùn)行速度。如通過控制焊鉗極臂的開合速度，提高焊鉗運(yùn)動(dòng)速度；通過控制輥床、升降機(jī)等設(shè)備電機(jī)的加減速斜坡和適當(dāng)超頻，提高運(yùn)行速度；通過調(diào)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(yùn)行速度；

b.在質(zhì)量安全的前提下，提高設(shè)備運(yùn)行速度。焊裝車間的許多工藝質(zhì)量都是跟設(shè)備運(yùn)行速度直接相關(guān)的。有經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)工作人員，可以在保證質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的提速。如采用大電流、短時(shí)間的焊接規(guī)范，提高點(diǎn)焊速度；通過調(diào)整工件的匹配間隙，實(shí)現(xiàn)高速激光焊接下的質(zhì)量穩(wěn)定；通過采用先進(jìn)的冷金屬過渡焊（Cold Metal Transfer，CMT）弧焊技術(shù)，提高薄板長距離釬焊的速度；自動(dòng)螺柱焊，在每次送釘結(jié)束后，會(huì)設(shè)置延時(shí)焊接啟動(dòng)時(shí)間獲得良好的引弧效果，設(shè)置合適的延時(shí)焊接啟動(dòng)時(shí)間，可以提高節(jié)拍；自動(dòng)涂膠設(shè)備的出膠速度是由機(jī)器人的運(yùn)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(zhì)量，又可提高涂膠速度

3.3 設(shè)備動(dòng)作時(shí)序優(yōu)化

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

圖3 升降輥床工位時(shí)序優(yōu)化

3.4 工藝優(yōu)化

焊裝車間主要通過點(diǎn)焊、涂膠、活性氣體保護(hù)電弧焊（Metal Active Gas arc welding，MAG）/惰性氣體保護(hù)電弧焊（Metal Inert Gas arc welding，MIG）、鉚接等工藝保證車身強(qiáng)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)工位都達(dá)標(biāo)。常見的工藝重布包括點(diǎn)焊焊點(diǎn)移動(dòng)，涂膠膠道移動(dòng)，MAG焊道移動(dòng)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(duì)不同配置車型的安裝需求，每臺(tái)車身都需要焊接所有螺柱。通過精準(zhǔn)識(shí)別螺柱的作用，結(jié)合射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）車型識(shí)別技術(shù)，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?jìng)€(gè)數(shù)，提高節(jié)拍。

c.工藝變更。部分工藝對(duì)零件尺寸、加工質(zhì)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(duì)工件的匹配和尺寸有較高的要求，為了保證MAG焊的表面質(zhì)量和強(qiáng)度，就需要降低MAG焊的焊接速度。將MAG焊改成點(diǎn)焊，可在保證車身強(qiáng)度要求的前提下，提高工位節(jié)拍。

d.工藝順序優(yōu)化。生產(chǎn)中，在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)一臺(tái)機(jī)器人要完成多個(gè)工藝點(diǎn)，如有的點(diǎn)焊機(jī)器人要完成8個(gè)焊點(diǎn)，有的涂膠機(jī)器人要完成10道涂膠。為了在各個(gè)工藝點(diǎn)之間過渡，機(jī)器人會(huì)增加一些過渡軌跡。通過優(yōu)化這些工藝點(diǎn)的加工順序，可以減少過渡軌跡，提高節(jié)拍。

3.5 設(shè)備改進(jìn)改造

設(shè)備安裝到現(xiàn)場(chǎng)后，會(huì)存在使用效果未達(dá)到最優(yōu)的現(xiàn)象。運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，深入結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行不同程度的改造，可提高節(jié)拍。如截短送釘類設(shè)備送釘管（如螺柱焊，沖鉚等），可節(jié)約送釘時(shí)間；將接觸器控制的電機(jī)，改為變頻控制，可提升電機(jī)速度；實(shí)施低成本自動(dòng)化改進(jìn)，減少人員上下件和零件轉(zhuǎn)運(yùn)的時(shí)間等。

4 結(jié)束語

在智能制造的背景下，汽車焊裝生產(chǎn)線越來越向無人化、智能化發(fā)展。設(shè)備和工藝的復(fù)雜性也越來越高，通過深入研究專業(yè)知識(shí)、結(jié)合豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)拍優(yōu)化的工作，對(duì)提高生產(chǎn)效率的作用越來越大。研究分析了識(shí)別節(jié)拍瓶頸的方法，并從機(jī)器人軌跡優(yōu)化、設(shè)備參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備動(dòng)作時(shí)序優(yōu)化，工藝優(yōu)化，設(shè)備改進(jìn)改造等5大方向?qū)?jié)拍優(yōu)化方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和歸納總結(jié)。但不同的汽車焊裝生產(chǎn)線所采用的工藝不同、設(shè)備不同、工位布局也不同，因此對(duì)不同種類的工藝、設(shè)備、工位布局的獨(dú)特節(jié)拍優(yōu)化方法進(jìn)行收集，歸納總結(jié)成方法論和案例集進(jìn)行推廣和實(shí)踐，需要持續(xù)進(jìn)行，助力我國汽車工業(yè)提升制造效率。