張曉龍 馬立新 楊磊 李海南 魏國興 尚校

（一汽模具制造有限公司，長春 130013）

1 前言

節(jié)拍是汽車生產(chǎn)的一個關(guān)鍵要素，這是由現(xiàn)代汽車制造業(yè)所采用的準時化生產(chǎn)方式?jīng)Q定的。準時化生產(chǎn)（也稱拉動式生產(chǎn)）要求各生產(chǎn)工序在需要的時候生產(chǎn)需要的產(chǎn)品和需要的數(shù)量來供給下一工序，并盡一切可能實現(xiàn)零庫存。這就對生產(chǎn)線的節(jié)拍提出了嚴格要求，否則任何工序的遲緩都會造成整個生產(chǎn)線的停滯。

在焊裝生產(chǎn)線工藝規(guī)劃過程中，設(shè)計者首先會根據(jù)預(yù)定的生產(chǎn)綱領(lǐng)設(shè)定單節(jié)拍循環(huán)時間，并在確保不超過這一時間的前提下進行各生產(chǎn)工序的工藝規(guī)劃工作。同時，各工序節(jié)拍還需要與設(shè)定節(jié)拍盡可能接近，否則會出現(xiàn)設(shè)備閑置造成資源浪費。由于規(guī)劃過程中需要不斷對各工序的工藝、輔助操作、位置間距等進行調(diào)整，而這些都會導(dǎo)致工序節(jié)拍的變化，因此節(jié)拍分析和優(yōu)化貫穿工藝規(guī)劃工作的始終。為能使各工序的理論計算循環(huán)時間盡可能接近實際，計算機模擬仿真已成為自動化焊裝生產(chǎn)線工藝規(guī)劃過程中不可或缺的技術(shù)手段。

2 自動線節(jié)拍設(shè)計的一般流程

工藝內(nèi)容、布局位置等都對工序節(jié)拍有影響，因此自動化焊裝線節(jié)拍設(shè)計是與工藝規(guī)劃同步進行的。項目過程中，圍繞節(jié)拍設(shè)計和優(yōu)化主要涉及規(guī)劃、仿真和結(jié)構(gòu)設(shè)計3 類工作及技術(shù)人員。圖1所示為節(jié)拍設(shè)計流程。項目前期，規(guī)劃設(shè)計師根據(jù)年生產(chǎn)綱領(lǐng)確定單節(jié)拍循環(huán)時間，并據(jù)此對生產(chǎn)工藝進行布局、分配，形成初版工藝規(guī)劃方案，輸出給仿真設(shè)計師。仿真設(shè)計師根據(jù)初版工藝規(guī)劃方案進行計算機模擬驗證，并將結(jié)果反饋規(guī)劃設(shè)計師，以便其對方案中的超時工位或其它問題工位進行工藝、布局等的調(diào)整，之后再次進行仿真驗證，直至最優(yōu)。仿真驗證通過后的方案經(jīng)過工藝評審后交給結(jié)構(gòu)設(shè)計師進行工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計完成的工裝圖紙還需要經(jīng)過仿真驗證，以便對結(jié)構(gòu)或工藝進行修正，最終在滿足工藝節(jié)拍要求的前提下輸出節(jié)拍分析表，節(jié)拍設(shè)計過程完成。

圖1 節(jié)拍設(shè)計流程

2.1 循環(huán)時間的確定

年生產(chǎn)綱領(lǐng)是指生產(chǎn)線的年產(chǎn)車數(shù)量，是計算單節(jié)拍循環(huán)時間的根本依據(jù)。此外，計算循環(huán)時間時還要考慮生產(chǎn)班次、年工作天數(shù)、生產(chǎn)線開動率等。生產(chǎn)線開動率是生產(chǎn)線各主要設(shè)備無故障概率的乘積，一般項目前期設(shè)備情況不確定，計算循環(huán)時間時可將生產(chǎn)線開動率記為85%或90%。循環(huán)時間計算如公式（1）所示。

式中，T為循環(huán)時間；A為單日班次；H為單班小時數(shù)；D為年工作天數(shù)；K為線體開動率；N為年生產(chǎn)綱領(lǐng)。

例如，生產(chǎn)線綱領(lǐng)為10 萬輛/年，單班工作8 h，每日雙班，年工作250 d，開動率記為85%,則根據(jù)公式（1）計算得循環(huán)時間為122.4 s。

除上述因素外，生產(chǎn)線的工藝輔助時間如焊鉗電極修磨、工裝切換等也對生產(chǎn)線的節(jié)拍有影響，一般可按發(fā)生頻率均攤到若干個循環(huán)時間，具體視生產(chǎn)要求而定。

2.2 工藝規(guī)劃中的節(jié)拍設(shè)計

在工藝規(guī)劃階段，設(shè)計者參考標準節(jié)拍表并結(jié)合自身經(jīng)驗或其它參照進行工藝過程的初步規(guī)劃。標準節(jié)拍表對不同工藝和輔助的操作用時都有較詳細的規(guī)定，設(shè)計者根據(jù)具體情況選用，有時需要依照相關(guān)經(jīng)驗進行一定程度的調(diào)整，表1 為標準節(jié)拍表示例。

表1 標準節(jié)拍表示例

白車身焊裝涉及的連接工藝復(fù)雜多樣，包括點焊、涂膠、弧焊、激光釬焊、壓合等。每1 種連接工藝所需時間不同，且同種連接工藝受設(shè)備、材料、介質(zhì)等因素影響，在不同生產(chǎn)線、不同生產(chǎn)工位、不同零件上的工藝時間也不相同。但機器人完成各種連接工藝的循環(huán)時間均可看作機器人接近目標位置、工藝操作和返回原點3 部分時間的累加。比如點焊，機器人進行該工藝的過程包括接近首個焊點位置、點焊操作以及返回原點3 部分。再比如涂膠工藝，機器人的工作過程包括接近涂膠起點位置、涂膠操作和返回原點3 部分。所謂機器人的原點指機器人的初始狀態(tài)位置，對焊裝生產(chǎn)線來說，機器人的初始狀態(tài)為一固定姿態(tài)和位置，這是由程序設(shè)計等原因決定的。這里提到的點焊操作和涂膠操作是指1 臺機器人在單個節(jié)拍內(nèi)進行的連續(xù)多處點焊或涂膠動作。設(shè)計者在進行節(jié)拍計算時，往往綜合考慮機器人動作軌跡的復(fù)雜程度以及設(shè)備運行速度等因素，預(yù)先設(shè)定工藝操作的平均時間。不同工藝操作平均時間的體現(xiàn)形式不同，點焊的平均時間體現(xiàn)為每焊接1 個點的平均用時，涂膠、弧焊和釬焊等的平均時間體現(xiàn)為每完成100 mm 工藝所需的時間等。工藝平均時間乘以節(jié)拍內(nèi)工藝進行的次數(shù)，再加上機器人接近目標和返回原點的時間，即為單節(jié)拍內(nèi)機器人的循環(huán)工作時間。此外，生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)還包含零件傳輸?shù)裙に囕o助時間，工藝輔助時間與機器人循環(huán)時間共同決定節(jié)拍時間。

2.3 仿真驗證

工藝仿真驗證主要是指通過機仿真軟件模擬機器人或工裝的動作過程來驗證工藝可達性并可分析機器人進行相應(yīng)工藝操作所需時間。圖2 為某仿真軟件的用戶界面。

圖2 某仿真軟件界面

在進行仿真驗證之前，需要在軟件中按照現(xiàn)實條件搭建虛擬生產(chǎn)線，對機器人及其它工裝設(shè)備的位置、所處環(huán)境及狀態(tài)等加以定義，然后進行工藝仿真驗證，從而達到與現(xiàn)實情況十分接近的驗證效果。利用仿真驗證不僅能得到單臺機器人完成規(guī)定動作所需的時間，還能通過生產(chǎn)線聯(lián)動仿真，在考慮機器人及其它設(shè)備在互相避讓、等待的前提下，得出生產(chǎn)線的整體節(jié)拍情況。機器人模擬仿真驗證是自動化焊裝生產(chǎn)線工藝規(guī)劃過程中不可或缺的技術(shù)手段。

3 自動線節(jié)拍優(yōu)化

無論是在設(shè)計階段還是在生產(chǎn)線現(xiàn)場安裝調(diào)試階段，當(dāng)需要對某個工序的節(jié)拍進行優(yōu)化時，可借鑒工業(yè)工程中的“5W1H”提問技術(shù)和“ECRS 四原則”等程序分析方法。

3.1 “5W1H”提問技術(shù)和“ECRS四原則”

“5W1H”提問技術(shù)（表2）是指對問題工序從目的、原因、時間、地點、人員（設(shè)備）、方法上進行提問，為了清楚地發(fā)現(xiàn)問題可以連續(xù)幾次提問，根據(jù)提問的答案，弄清問題所在，并進一步探討改進的可能性。如果問題發(fā)生在現(xiàn)場調(diào)試階段，可先實測各工作過程所需時間，再通過對照設(shè)計輸出的節(jié)拍分析表找出超出預(yù)期時間的工作過程，從而快速找到問題出現(xiàn)的位置及原因等。

表2 5W1H提問技術(shù)

問題改進時通常遵循“ECRS 四原則”。

a.E（Eliminate），即取消。對不必要的動作過程予以取消；

b.C（Combine），即合并。通過合并一些動作或使一些不同設(shè)備的動作同步進行來達到省時的目的；

c.R（Rearrange），即重排。根據(jù)“何人、何事、何時”3 提問進行動作順序重排，使動作順序達到最佳狀態(tài)；

d.S（Simple），即簡化。考慮采用更簡單、快捷的方法來完成動作，如通過增加輔助工具等措施簡化動作過程，提高效率。

3.2 焊裝常用優(yōu)化選項

以下列舉5 種焊裝規(guī)劃設(shè)計及調(diào)試過程中常用的節(jié)拍優(yōu)化方法。

a.調(diào)整工藝分配，通過將節(jié)拍較慢工位的工藝操作轉(zhuǎn)移到節(jié)拍寬松的工位來使之滿足規(guī)定節(jié)拍；

b.優(yōu)化機器人路徑，減少機器人不必要的行程或者調(diào)整動作的先后順序達到省時的目的；

c.縮短設(shè)備等待時間，例如通過減少不同機器人操作的相互等待時間；

d.加快工裝夾具動作速率，夾具的夾緊和打開由氣缸驅(qū)動，而氣缸動作的快慢與壓縮空氣流量有關(guān)，通過加大壓縮空氣流量可使氣缸動作加快。但要注意，壓縮空氣流量不宜過大，否則夾具動作時容易產(chǎn)生噪音或造成零件、氣缸等損壞；

e.優(yōu)化工裝時序，在工藝、空間等允許時，通過使先后進行的動作同步進行等方法可達到省時的目標。

焊裝設(shè)計和調(diào)試過程中可應(yīng)用的節(jié)拍優(yōu)化方法有很多，此處不一一列舉。在條件允許時，也可通過參考相類似的成功案例來獲取優(yōu)化的方法。

4 人工操作工位的節(jié)拍

自動化的焊裝生產(chǎn)線仍然少不了人的參與，例如一些上料、返修工位仍以人工操作為主。與自動工位不同，人工操作工位的節(jié)拍難以通過計算機模擬來計算和優(yōu)化，這時可以借助“MTMAUS”和“動作經(jīng)濟的4 條基本原則”。

4.1 “MTM-AUS”

“MTM-UAS”是方法時間衡量通用分析系統(tǒng)的英文簡稱，是方法時間衡量（MTM）的通用版和簡化版?！癕TM-UAS”分析系統(tǒng)定義了8 項基礎(chǔ)動作，并給每項基礎(chǔ)動作按照不同的距離、難度等設(shè)定了標準時間，這8項基本動作包含取放（A）、放置（P）、使用輔助工具（H）、啟動操作（B）、動作周期（Z）、身體控制（K）、勢力控制（VA）以及操作時間（PT），實際生產(chǎn)操作可看作基礎(chǔ)動作的連續(xù)組合。在MTMUAS分析系統(tǒng)中，符號是由2個希臘字母組成，有需要時還會在后面增加一個數(shù)字，如圖3所示。

圖3 UAS分析符號表達示例

圖4 為某操作過程MTM-UAS 分析展示。

圖4 MTM-UAS分析示例

4.2 動作經(jīng)濟的4條基本原則

動作經(jīng)濟原則是更好地改善動作的原則，是工業(yè)工程領(lǐng)域的重要原則之一，不僅有助于人工操作的節(jié)拍優(yōu)化，還有助于改善人機工程、提高工作效率等。這4 條基本原則如下：

a.減少動作的數(shù)量；

b.雙手同時進行動作；

c.縮短動作的距離；

d.輕松動作。

一些外資或合資車企在焊裝線的方案規(guī)劃和安裝調(diào)試2 個階段會進行2 次專門的工業(yè)工程審核，通過對模擬操作過程或現(xiàn)場實際操作過程進行錄像和分析來核算生產(chǎn)線操作者工作負荷等。此種方法有助于提高勞動生產(chǎn)效率和優(yōu)化人力資源配置，值得自主車企借鑒。

5 結(jié)束語

在當(dāng)前的汽車流水線式生產(chǎn)中，各生產(chǎn)工序工藝時間基本恒定，工藝輔助操作如零件傳輸、工具切換等時間基本不變。但隨著汽車柔性化生產(chǎn)的進一步發(fā)展，離散島或矩陣式生產(chǎn)布局方式逐漸推廣應(yīng)用。在這種生產(chǎn)過程中，不同工藝、不同類型零件的生產(chǎn)在各個生產(chǎn)島之間互相穿插進行，工藝路線和工藝內(nèi)容等都不再固定。新的生產(chǎn)布局方式將會對焊裝生產(chǎn)的節(jié)拍設(shè)計和優(yōu)化方法提出新的要求，需要我們進一步探索和實踐。