裝焊自動化線體安全區(qū)再分區(qū)在系列化運(yùn)營中的應(yīng)用研究

薄娜 楊軍

摘要：對自動化生產(chǎn)線的安全區(qū)進(jìn)行深入分析，引入安全分區(qū)的概念，意在通過電氣控制架構(gòu)的設(shè)計和邏輯編程，將設(shè)備分成更小的單元。有效合理的分區(qū)可將生產(chǎn)過程中發(fā)生的設(shè)備故障限定在最小影響范圍內(nèi)，達(dá)到最大程度利用現(xiàn)有條件，減少停機(jī)時間。如何在現(xiàn)有成熟規(guī)劃的生產(chǎn)線安全區(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)行再分區(qū)，以挖掘車間產(chǎn)能提升的潛力，同時提升車間OEE和降低HPV，是一個值得探索和實(shí)踐的課題。以生產(chǎn)運(yùn)營中實(shí)際問題為例，詳細(xì)闡述了問題原因分析、安全區(qū)再劃分方案制定及實(shí)施，最后對創(chuàng)新點(diǎn)與收益進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：裝焊規(guī)劃；自動化生產(chǎn)線；安全區(qū)，優(yōu)化改善

《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》指出的重點(diǎn)任務(wù)之一就是“夯實(shí)基礎(chǔ)支撐，構(gòu)筑智能制造新保障”，要以科技為主導(dǎo)，以創(chuàng)新為驅(qū)動力，以高質(zhì)量為奮斗目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)汽車的智能化和數(shù)字化。因而在產(chǎn)品競爭激烈的當(dāng)下，工廠自身的數(shù)字化提升將更多體現(xiàn)在細(xì)節(jié)優(yōu)化和自動化上。

生產(chǎn)線安全區(qū)

基于當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀，多車型共線生產(chǎn)已成為汽車制造工廠的主流方式，柔性自動化系統(tǒng)在汽車生產(chǎn)四大工藝生產(chǎn)線中廣泛應(yīng)用，尤其在焊裝生產(chǎn)線，領(lǐng)先的生產(chǎn)技術(shù)和數(shù)字化工具不斷創(chuàng)新并應(yīng)用。自動化生產(chǎn)線的安全分析是近年來在汽車柔性自動化生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計中要求越來嚴(yán)格的系統(tǒng)工作，其中安全分區(qū)的概念，意在通過電氣控制架構(gòu)的設(shè)計和邏輯編程，將設(shè)備分成更小的單元，將報警進(jìn)行級別和響應(yīng)的劃分，由同一個控制器總體把控各區(qū)域內(nèi)的邏輯，當(dāng)出現(xiàn)報警時，根據(jù)設(shè)定，進(jìn)行分區(qū)控制輸出。在出現(xiàn)非安全或能源（氣、電、液壓）故障時，將故障影響范圍縮小，最大限度地減小對機(jī)床非故障區(qū)域的影響，提升機(jī)床開動率，從而提升生產(chǎn)線JPH（件/小時）。

針對自動化水平較高的裝焊車間線體，整條生產(chǎn)線不會只設(shè)計一個安全區(qū)，而是按照要求設(shè)計符合條件的多個安全區(qū)域，這就產(chǎn)生了對生產(chǎn)線保護(hù)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)。按照使用的性質(zhì)分為自動線工位之間、自動線之間和存儲安全區(qū)。

自動線工位之間的安全分區(qū)，原則上以不同功能的工位作為獨(dú)立的安全區(qū)。例如，升降機(jī)與機(jī)器人工作工位分開，主焊線的上件工位與總拼工位分開，總拼工位與補(bǔ)焊工位分開。原則上相同功能的工位數(shù)量超過3個時，設(shè)立安全區(qū)對其進(jìn)行分割，即最多3個工位為一個安全區(qū)。

在實(shí)際自動化生產(chǎn)線中，一般采用安全裝置（圍欄、安全光柵）對自動線的工位進(jìn)行分割，最大限度地保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備和人身安全。有效合理的分區(qū)可將生產(chǎn)過程中發(fā)生的設(shè)備故障限定在最小影響范圍內(nèi)，達(dá)到最大程度利用現(xiàn)有條件、減少停機(jī)時間的效果。

圖1所示為裝焊車間典型的安全區(qū)分區(qū)示意圖，安全光柵和圍欄1/2/3/4將整個線體分割為5個獨(dú)立區(qū)域，各區(qū)域獨(dú)立生產(chǎn)，互不受其他區(qū)域停線的影響。當(dāng)某個安全區(qū)出現(xiàn)設(shè)備故障時，其他安全區(qū)域設(shè)備依然可以繼續(xù)生產(chǎn)，從而提高自動線的效率和輸出。

再分區(qū)應(yīng)用

1. 項(xiàng)目背景

某車型依據(jù)年產(chǎn)量規(guī)劃，裝焊產(chǎn)能需快速爬坡提升至20JPH。如何在現(xiàn)有成熟規(guī)劃的生產(chǎn)線安全區(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)行再分區(qū)，以挖掘車間產(chǎn)能提升的潛力，同時提升車間OEE和降低HPV，是一個值得探索和實(shí)踐的課題。

其中車間主線Z2.1為車身地板和側(cè)圍內(nèi)板總成-左/右的合拼線，SN31為側(cè)圍內(nèi)板總成-左/右分裝生產(chǎn)線，因此，要求側(cè)圍內(nèi)板總成不間斷供應(yīng)至主線是確保車間持續(xù)輸出的關(guān)鍵。

SN31 ST120為側(cè)圍內(nèi)板總成Buffer工位，如果其由于各種原因故障停線無法按時提供側(cè)圍內(nèi)板總成，車間主線Z2.1將立刻停線，直接影響裝焊車間的日輸出和產(chǎn)量計劃。為確保生產(chǎn)任務(wù)和日產(chǎn)量順利完成，車間需臨時安排加班確保產(chǎn)量計劃達(dá)成，間接增加了車間的HPV。因此，如何減少SN31 ST120工位的停機(jī)以及其對后續(xù)主線產(chǎn)生的停機(jī)風(fēng)險迫在眉睫。

2. 原因分析

首先，SN31線體為側(cè)圍內(nèi)板總成-左/右的生產(chǎn)島，設(shè)計規(guī)劃分為3個獨(dú)立安全區(qū)（見圖2），其中ST120的Buffer和Shuttle輸送工位屬于安全區(qū)090SB120（見圖3）。

進(jìn)一步分析，在此安全區(qū)域內(nèi)有4個工位ST090/100/110/120，總計十臺機(jī)器人，工藝有點(diǎn)焊、螺柱焊、抓件和放件等，具體分布如下表1。

點(diǎn)焊、螺柱焊、抓件/放件等工藝為裝焊車間日常維護(hù)中較易發(fā)生故障的工序點(diǎn)位，當(dāng)ST090（抓件）、ST100（點(diǎn)焊/螺柱焊/抓件）、ST110（點(diǎn)焊/抓件）由于設(shè)備故障、質(zhì)量報警或者生產(chǎn)更換電極帽時，維修人員/生產(chǎn)人員需進(jìn)島處理故障。此時由于ST120工位和其他工位為一個安全區(qū)，在安全邏輯定義下，所有工位ST090/100/110/120都需要停機(jī)等待故障處理。而這時由于ST120工位120RB200無法及時往Shuttle放件，將造成主線Z2.1 ST050工位由于缺少側(cè)圍而停機(jī)，間接造成車間Z2.1主線停機(jī)。

iPortal數(shù)據(jù)匯總分析某時間段一周的生產(chǎn)情況，SN31-2 PLC區(qū)域ST090/ST100/ST110工位，由于螺柱焊報警/修磨報警/機(jī)器人報警/點(diǎn)焊接報警/生產(chǎn)更換電極帽等一周總停機(jī)達(dá)112min，每日平均22.4min，間接造成ST120工位的Buffer機(jī)器人停機(jī)和主線由于缺側(cè)圍總成而停機(jī)22.4min。因此亟需將ST120劃分為獨(dú)立的安全區(qū)以減少其對主線的影響。

3.改善方案

劃分新安全區(qū)：將ST090/100/110和ST120分為2個獨(dú)立的安全區(qū)，這樣ST120安全區(qū)將僅包含2臺抓件機(jī)器人，由于抓件機(jī)器人的工藝相對穩(wěn)定，因此可最大限度地降低設(shè)備停機(jī)的風(fēng)險。圖4所示為計劃最終劃分的安全區(qū)圖。

具體方案：

將配電柜內(nèi)部安全供電拆分為兩部分。

ST120 Shuttle的上件閥島原屬于090SB_120安全區(qū)子安全區(qū)，更改為120SB_120安全區(qū)子安全區(qū)。

120RB100、120SAE001、LMT設(shè)備從原有090SB_120安全區(qū)，分離出來為120SB_120安全區(qū)。

PLC 和機(jī)器人的程序更改和調(diào)試，兩個安全區(qū)互鎖，安全程序及機(jī)器人安全范圍等程序調(diào)試和驗(yàn)證。

經(jīng)過仿真模擬和驗(yàn)證，確定兩個安全區(qū)之間新增圍欄的隔開位置和高度。

將2臺機(jī)器人100RB100和100RB400更改為安全機(jī)器人，安全模塊備件可從維修借用。

經(jīng)過仿真模擬，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有2臺機(jī)器人的三個抓手支架需要移動，以避免干涉：100RB400抓手支架需要移動位置，120RB100的如上兩個抓手支架需要移動位置。

新增ST120 Buffer數(shù)量：在ST120工位新增左/右側(cè)圍10個在制Buffer位，以降低Buffer數(shù)太少對主線Z2.1的間接影響。

4.方案實(shí)施

由于該車型屬于系列生產(chǎn)階段，為不影響改造對生產(chǎn)的影響，制定詳細(xì)假期改造和調(diào)試計劃。本次改造涉及工位多，改造內(nèi)容復(fù)雜，需進(jìn)行自動調(diào)試和干涉區(qū)多次驗(yàn)證，以確保項(xiàng)目最終順利完成和通過質(zhì)量放行。

為避免安全區(qū)和Buffer調(diào)試無法按時完成而對系列化生產(chǎn)的不利影響，前期積極制定風(fēng)險應(yīng)對策略：

1）如果新增Buffer調(diào)試無法按時完成，將臨時對Buffer庫位進(jìn)行鎖定和屏蔽，依然使用原有的Buffer進(jìn)行正常生產(chǎn)。

2）從仿真模擬和空循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)確保安全區(qū)無重大隱患，同時提前將原有程序進(jìn)行備份。若是系列化生產(chǎn)程序出現(xiàn)漏洞無法解決時，可迅速切換回舊程序以保證線體正常生產(chǎn)。

改造方案確定后，實(shí)施過程如下：

1）由于在線體不同工位間新增和安裝安全圍欄，并同時將原有抓手進(jìn)行移動，確保機(jī)器人更換抓手的過程中和圍欄不干涉等。

2）在ST120 Shuttle下面新增線內(nèi)Buffer，左/右側(cè)圍總成各10個，以滿足主線不間斷生產(chǎn)。

3）TSS現(xiàn)場支持進(jìn)行PLC/機(jī)器人程序示教，安全區(qū)再劃分和驗(yàn)證。

4）Gost mode空循環(huán)驗(yàn)證，如圖5所示。待設(shè)備安裝和調(diào)試完成后，進(jìn)行線體空循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)48h，以積極驗(yàn)證程序漏洞。

5）質(zhì)量確認(rèn)和QL2檢查。積極協(xié)助生產(chǎn)QL2對側(cè)圍焊點(diǎn)進(jìn)行超聲波檢查，以確保線體改造和機(jī)器人姿態(tài)變動對焊接質(zhì)量無影響。

Q-release質(zhì)量放行完成。項(xiàng)目嚴(yán)格按照計劃執(zhí)行，最終質(zhì)量和安全區(qū)完全滿足生產(chǎn)要求，順利得到質(zhì)量Q-release放行通過報告。

創(chuàng)新與收益

通過此項(xiàng)目的開展與實(shí)施，完善安全區(qū)劃分，提高了生產(chǎn)線自動化水平，并推動不斷識別瓶頸工位和深挖生產(chǎn)線潛能。對安全區(qū)的優(yōu)化改善創(chuàng)新及收益如下：

根據(jù)現(xiàn)場和實(shí)際，本項(xiàng)目由團(tuán)隊(duì)自主規(guī)劃/設(shè)計/調(diào)試對安全區(qū)進(jìn)行再分區(qū)。新安全區(qū)劃分打破了Daimler ECM Integra標(biāo)準(zhǔn)安全區(qū)劃分，積累的項(xiàng)目改造經(jīng)驗(yàn)可對后續(xù)項(xiàng)目提供借鑒，以提前進(jìn)行規(guī)劃和改進(jìn)。項(xiàng)目全自主立項(xiàng)，合理利用現(xiàn)有備件或設(shè)備對線體進(jìn)行改造和優(yōu)化，節(jié)省了大量投資。運(yùn)用iPortal等工具對節(jié)拍瓶頸工位進(jìn)行分析，迅速找出問題點(diǎn)。

經(jīng)過安全區(qū)的再分區(qū)改造，可直接減少ST090/100/110工位停機(jī)對ST120工位或間接影響主線的22.4min/天，主線AS31節(jié)拍179s，因此計算可在同樣的時間內(nèi)多生產(chǎn)22.4 min/天×60s/179s=7.5臺車/天?；蛘唛g接減少工人加班時間，加班費(fèi)預(yù)估50元/h，一年工作日225天，雙班一年可以節(jié)省加班費(fèi)總計：22.4min/天÷60min/h × 50元/h × 6人/班次 × 225天/年× 2班次 =50400元/年。

改造后SN buffer穩(wěn)定輸出，因側(cè)圍短缺而造成停線的故障大幅度降低，經(jīng)過3個月的運(yùn)營生產(chǎn)數(shù)據(jù)測算，裝焊車間HPV減低0.5，OEE提高2%。

結(jié)語

以柔性自動化裝焊生產(chǎn)線為研究對象，介紹了自動化生產(chǎn)線安全區(qū)的原理，探究了安全再分區(qū)從設(shè)計規(guī)劃到方案流程實(shí)施的整體過程，結(jié)合實(shí)際問題分析其原因及可行性，并結(jié)合業(yè)務(wù)情況分析解決難點(diǎn)使方案得到落地。實(shí)施完成后，因側(cè)圍短缺而造成停線的故障大幅度降低，對裝焊車間降低HPV、提升OEE具有顯著作用。該項(xiàng)目的規(guī)劃和實(shí)施充分證明了自動化生產(chǎn)線安全再分區(qū)改善的可行性和有效性，為后續(xù)其他車型的產(chǎn)能提升提供了很好的參考和借鑒。

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