機(jī)器人型號(hào)及負(fù)載對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍影響的研究

馬立新 劉久月 畢愿江 楊茂舉 潘福祿

摘要：針對(duì)主流品牌機(jī)器人，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，深入分析了生產(chǎn)節(jié)拍影響因素、不同功能、不同型號(hào)機(jī)器人動(dòng)作時(shí)間差異及其對(duì)節(jié)拍的影響、機(jī)器人在靜載和動(dòng)載狀態(tài)下負(fù)載分析方法。通過(guò)理論計(jì)算及實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證結(jié)果為，在相同的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，大負(fù)載機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)間是常規(guī)載機(jī)器人的1.5倍甚至更多。根據(jù)分析給出推薦的重載機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)及機(jī)器人選型負(fù)載冗余設(shè)計(jì)方法，闡述了在機(jī)器人選型過(guò)程中的一些誤區(qū)和應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：焊裝線 機(jī)器人 生產(chǎn)節(jié)拍 型號(hào) 負(fù)載

中圖分類(lèi)號(hào)：U466? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220224

Abstract： Based on the mainstream brand robots and the actual project， this paper deeply analyzed the influencing factors of the production pace， the difference of action time between different functions and different models of robots and their impact on the pace， and the load analysis method of robots under static and dynamic load conditions. Through theoretical calculation and actual project verification， it is concluded that in the same range of motion， the motion time of heavy loaded robot is 1.5 times or more than that of conventional loaded robot. According to the analysis， this paper recommended the motion time standards of heavy-duty robot and the method of load redundancy design for robot selection， and briefly described some misunderstandings and countermeasures in the process of robot selection at the conclusion of this paper.

Key words： Welding line， Robot， Cycle time， Model， Load

1 前言

在焊裝自動(dòng)線規(guī)劃過(guò)程中，生產(chǎn)節(jié)拍需要著重考慮，生產(chǎn)節(jié)拍受工藝分配、機(jī)器人位置、工裝復(fù)雜程度、設(shè)備特性、機(jī)器人型號(hào)因素的影響，因此，在設(shè)計(jì)階段計(jì)算機(jī)器人節(jié)拍時(shí)，需要將各種因素影響都考慮到節(jié)拍計(jì)算中，才能給出相對(duì)準(zhǔn)確的節(jié)拍分析報(bào)告。

機(jī)器人按照功能和產(chǎn)品尺寸分為多種型號(hào)，對(duì)于大多數(shù)常規(guī)型號(hào)的機(jī)器人而言，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)器人動(dòng)作時(shí)間，進(jìn)而得出生產(chǎn)線工位節(jié)拍。但隨著機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景的增加，越來(lái)越多的大負(fù)載機(jī)器人也開(kāi)始應(yīng)用到焊裝線中，以KUKA機(jī)器人為例，負(fù)載500 kg的KR500系列機(jī)器人已經(jīng)成為常規(guī)型號(hào)。在個(gè)別特殊工位，甚至應(yīng)用到了負(fù)載1 t的工業(yè)機(jī)器人。這些大負(fù)載機(jī)器人如果仍然使用常規(guī)機(jī)器人的動(dòng)作時(shí)間計(jì)算節(jié)拍會(huì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際節(jié)拍出現(xiàn)較大偏離。

本文將針對(duì)主流品牌機(jī)器人，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，深入分析不同型號(hào)機(jī)器人動(dòng)作時(shí)間差異以及機(jī)器人在不同負(fù)載下的節(jié)拍狀況，以期為自動(dòng)線節(jié)拍計(jì)算提供更有效的理論依據(jù)。

2 生產(chǎn)節(jié)拍的影響因素

在焊裝線設(shè)計(jì)階段，圍繞生產(chǎn)節(jié)拍的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，主要涉及工藝規(guī)劃、模擬仿真和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3類(lèi)工作[1]。

節(jié)拍設(shè)計(jì)與工藝規(guī)劃是同步進(jìn)行的[1]。隨著工藝及設(shè)備布局的調(diào)整，節(jié)拍也將發(fā)生相應(yīng)變化。例如，調(diào)整某零件的上件位置，則該零件相關(guān)的工藝都需要相應(yīng)變更，相關(guān)工藝設(shè)備的位置和節(jié)拍也需要調(diào)整。

機(jī)器人的位置和連接工藝基本確定后，還需要仿真進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)器人之間的干涉區(qū)，確定是否存在等待時(shí)間浪費(fèi)。同時(shí)，在保證機(jī)器人無(wú)碰撞風(fēng)險(xiǎn)前提下，盡可能縮短機(jī)器人等待進(jìn)入干涉區(qū)距離，減少時(shí)間浪費(fèi)[2]。

工裝動(dòng)作次數(shù)和順序也對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍有一定影響，在夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡可能減少夾具動(dòng)作次數(shù)，降低定位夾緊時(shí)間。

除此以外，工裝動(dòng)作速度、設(shè)備參數(shù)、機(jī)器人路徑都對(duì)節(jié)拍有不同程度影響，在此不再贅述。

3 機(jī)器人型號(hào)及負(fù)載對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍的影響

3.1 機(jī)器人選型

確定機(jī)器人型號(hào)時(shí)，首先是根據(jù)機(jī)器人功能和工作范圍進(jìn)行預(yù)選型，然后將機(jī)器人、機(jī)器人工具、完整工裝導(dǎo)入到仿真軟件中，進(jìn)行詳細(xì)模擬，最后利用負(fù)載計(jì)算軟件，確定機(jī)器人最終負(fù)載。圖1為某品牌機(jī)器人負(fù)載計(jì)算界面。如果預(yù)選型的機(jī)器人不能滿足機(jī)器人的負(fù)載條件，則更換其它型號(hào)機(jī)器人再次驗(yàn)證，直至滿足要求為止。

3.2 不同型號(hào)機(jī)器人對(duì)節(jié)拍的影響

3.2.1 節(jié)拍分析標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

各主機(jī)廠通常都有自己的機(jī)器人節(jié)拍計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，通常是結(jié)合該廠常用的設(shè)備特性、工裝特性和實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)制定，因此該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)考慮設(shè)備特性對(duì)節(jié)拍的影響。

主機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)中一般對(duì)機(jī)器人的各種動(dòng)作和各種工藝都會(huì)給出明確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，編寫(xiě)節(jié)拍表時(shí)，只需要調(diào)用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)條目，即可得到標(biāo)準(zhǔn)的單位時(shí)間，通過(guò)對(duì)機(jī)器人或者工位邏輯動(dòng)作的梳理，將相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)條目串聯(lián)起來(lái)，完成節(jié)拍計(jì)算。

表1中列舉了某主機(jī)廠節(jié)拍計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)條目，該標(biāo)準(zhǔn)中DR01～DR08為機(jī)器人的部分動(dòng)作時(shí)間，可以看出，在設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍時(shí)并沒(méi)有對(duì)機(jī)器人型號(hào)進(jìn)行區(qū)分，默認(rèn)所有型號(hào)機(jī)器人的動(dòng)作時(shí)間是一致的。在其它主機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍表中也是類(lèi)似情況，在此不一一列舉。

3.2.2 不同型號(hào)機(jī)器人對(duì)節(jié)拍的影響

節(jié)拍標(biāo)準(zhǔn)表中的標(biāo)準(zhǔn)單位時(shí)間是根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有一定的指導(dǎo)意義。雖然常規(guī)型號(hào)的機(jī)器人功能不盡相同，如點(diǎn)焊、螺柱焊、涂膠等，但這些機(jī)器人工具通常質(zhì)量小，機(jī)器人的負(fù)載在240 kg以內(nèi)即可滿足使用要求，因此不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)節(jié)拍影響不大。但在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景下，對(duì)機(jī)器人型號(hào)不加以區(qū)分存在相當(dāng)大的問(wèn)題。不同型號(hào)機(jī)器人各軸的運(yùn)動(dòng)角速度不同，將導(dǎo)致不同型號(hào)的機(jī)器人動(dòng)作時(shí)間存在差異，特別是對(duì)于大負(fù)載和超大負(fù)載機(jī)器人來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)角速度相比于常規(guī)型號(hào)的工業(yè)機(jī)器人要慢很多。以KUKA機(jī)器人為例，常用的KR210R2700機(jī)器人各軸角速度見(jiàn)表2，其3軸最快速度可以達(dá)到114（°）/s，6軸最快角速度可以達(dá)到206（°）/s。通過(guò)表3可以看出KR500系列機(jī)器人3軸最快角速度為75（°）/s，6軸最快角速度為130（°）/s，分別為KR210R2700機(jī)器人角速度的66%和63%，且此角速度僅為理論上的最大角速度，考慮到大負(fù)載機(jī)器人一般為搬運(yùn)機(jī)器人，工具的慣性矩一般較大，實(shí)際工作狀態(tài)中KR500系列機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)角速度可能不足KR210系列機(jī)器人的一半。同樣從表4和表5中可以看出，常用的ABB IRB-235/2.65機(jī)器人3軸最快角速度為90（°）/s，6軸最快角速度為190（°）/s，而重載的IRB8700系列，3軸最快角速度僅為60（°）/s，6軸最快角速度為115（°）/s。對(duì)FANUC機(jī)器人來(lái)說(shuō)，常用的R-2000iB/165F機(jī)器人3軸最快角速度為110（°）/s，6軸最快角速度為220（°）/s，而M-900iB系列，3軸最快角速度為80（°）/s，6軸最快角速度為160（°）/s（表6和表7），其它品牌機(jī)器人也大體類(lèi)似。因此，在大負(fù)載機(jī)器人應(yīng)用較多的線體，如側(cè)圍線、主焊線、頂蓋線等，將不同型號(hào)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角速度按一致來(lái)考慮是不正確的，可能造成現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)能無(wú)法達(dá)成等嚴(yán)重后果。

同時(shí)，對(duì)于自動(dòng)弧焊工藝，由于其工具質(zhì)量小，有些主機(jī)廠更傾向于使用專(zhuān)用弧焊機(jī)器人，其占地面積更小小、速度更快，常用的有FANUC M20-iB系列和安川AR系列弧焊機(jī)器人。以FANUC M20系列弧焊機(jī)器人為例，其3軸最快角速度為180（°）/s，6軸最快角速度可以達(dá)到550（°）/s，但由于弧焊機(jī)器人的通用性較差，目前并未得到廣泛應(yīng)用，本文也不做重點(diǎn)研究。

3.3 機(jī)器人負(fù)載狀態(tài)對(duì)節(jié)拍的影響

機(jī)器人負(fù)載的計(jì)算在前文中已經(jīng)提到過(guò)，通常使用負(fù)載計(jì)算軟件完成，通過(guò)輸入工具的質(zhì)量、重心、慣性矩信息，計(jì)算出機(jī)器人各軸負(fù)荷狀態(tài)。但對(duì)于一些質(zhì)量較大的工具，例如側(cè)圍抓手或者類(lèi)似圖2所示重心距離機(jī)器人6軸中心較遠(yuǎn)的偏心抓手，經(jīng)常出現(xiàn)超載情況。有時(shí)，即使工具的靜載質(zhì)量在機(jī)器人的承受范圍內(nèi)，也會(huì)因?yàn)楣ぞ咦ト⌒问降脑?，?dǎo)致機(jī)器人動(dòng)態(tài)超載（圖3），致使機(jī)器人無(wú)法全速運(yùn)行。

機(jī)器人超載最重要的原因就是工具重心的位置距離機(jī)器人法蘭盤(pán)過(guò)大。圖4為KR500系列機(jī)器人負(fù)載圖，從圖中可以看出，該機(jī)器人在負(fù)載440 kg情況下，工具重心在Z方向超過(guò)500 mm時(shí)，就超出了機(jī)器人的負(fù)載能力。同樣的，在XY方向，超過(guò)400 mm時(shí)，也超出了機(jī)器人的負(fù)載能力。因此，機(jī)器人工具的重心位置對(duì)機(jī)器人的負(fù)載能力有重要影響，在設(shè)計(jì)抓手時(shí)，工具重心應(yīng)盡量靠近機(jī)器人6軸法蘭盤(pán)。

機(jī)器人負(fù)載是仿真驗(yàn)證的主要工作之一。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要特別注意重載機(jī)器人動(dòng)載狀態(tài)。同時(shí)，由于理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在一些誤差以及一些變更因素，為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)機(jī)器人載荷不滿足要求的情況，重載機(jī)器人在節(jié)拍上需要預(yù)留一定的余量。圖5為某B級(jí)SUV側(cè)圍抓手，該抓手機(jī)器人由于整體慣性矩大，重心偏心，需要降速10%才能正常工作。

因此，在計(jì)算搬運(yùn)機(jī)器人負(fù)載時(shí)，要充分考慮到一些在工裝上無(wú)法體現(xiàn)的部件質(zhì)量，例如閥島、管線包、換槍盤(pán)、過(guò)渡板等。同時(shí)，在計(jì)算機(jī)器人動(dòng)載荷時(shí)，充分考慮抓取零件的質(zhì)量、重心，對(duì)于需要抓取多個(gè)零件的集成抓手，還需要給出多種場(chǎng)景下不同動(dòng)載荷計(jì)算結(jié)果。在機(jī)器人選型時(shí)，通過(guò)靜載荷和動(dòng)載荷均不宜超過(guò)機(jī)器人負(fù)載的90%。同時(shí)，在設(shè)計(jì)工位節(jié)拍時(shí)，出于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝變更及產(chǎn)品變更的考慮，一般要預(yù)留出5%的設(shè)計(jì)冗余。

3.4 正確節(jié)拍計(jì)算方法和機(jī)器人選型原則

通過(guò)以上分析可知，重載機(jī)器人動(dòng)作角速度確實(shí)與常規(guī)型號(hào)機(jī)器人存在較大差異，因此在計(jì)算節(jié)拍時(shí)，需要與普通機(jī)器人分開(kāi)處理，這樣才能保證節(jié)拍計(jì)算準(zhǔn)確。經(jīng)過(guò)實(shí)際項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，負(fù)載500 kg的機(jī)器人動(dòng)作時(shí)間按常規(guī)機(jī)器人的1.5倍計(jì)算較為合適。以機(jī)器人取放件為例，常規(guī)機(jī)器人單次取件或放件時(shí)間一般按7～8 s設(shè)計(jì)，負(fù)載500 kg的機(jī)器人則需要按10～12 s設(shè)計(jì)，更大負(fù)載機(jī)器人在節(jié)拍設(shè)計(jì)時(shí)需要預(yù)留更多的動(dòng)作時(shí)間。表8為經(jīng)過(guò)優(yōu)化的某項(xiàng)目節(jié)拍計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)表格，實(shí)踐證明優(yōu)化后的重載機(jī)器人單位動(dòng)作時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)基本一致，可以作為節(jié)拍計(jì)算的理論依據(jù)。

在實(shí)際項(xiàng)目中，由于機(jī)器人采購(gòu)周期較長(zhǎng)，很多項(xiàng)目往往需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提前預(yù)估機(jī)器人型號(hào)，在仿真驗(yàn)證并不充分的情況下就提前采購(gòu)。在預(yù)估機(jī)器人型號(hào)時(shí)，通常會(huì)預(yù)留一些安全系數(shù)，因此，選出的機(jī)器人型號(hào)往往偏大，這種用額外成本換取時(shí)間的方法通常只考慮了設(shè)備價(jià)格因素，其實(shí)這種做法對(duì)確定線體節(jié)拍也是不利的。考慮到機(jī)器人型號(hào)對(duì)節(jié)拍影響，在機(jī)器人選型時(shí)，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)標(biāo)類(lèi)似項(xiàng)目，盡量選擇負(fù)載貼近的機(jī)器人，這樣對(duì)提高線體產(chǎn)能有積極作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)節(jié)拍是焊裝線設(shè)計(jì)的重中之重，準(zhǔn)確的節(jié)拍計(jì)算能使機(jī)器人工作效率達(dá)到最優(yōu)。目前，市場(chǎng)上推出的機(jī)器人，最大負(fù)載已經(jīng)達(dá)到2 t以上，以支持更多機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景。協(xié)作機(jī)器人、AGV運(yùn)輸、模塊化生產(chǎn)新工具和新方法也都已經(jīng)陸續(xù)實(shí)施，與此同步，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，以免陷入經(jīng)驗(yàn)主義誤區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張曉龍， 馬立新， 楊磊， 等. 自動(dòng)化焊裝線的節(jié)拍設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 汽車(chē)工藝與材料， 2021（2）： 7-10.

[2] 秦志剛， 張洪亮. 汽車(chē)焊裝生產(chǎn)線節(jié)拍分析及優(yōu)化[J]. 汽車(chē)工藝與材料， 2021（8）： 57-60.