陳志雅 宋和平 馬懷振 李延靜

（1.寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司長興分公司，湖州 313100；2.凱悅汽車大部件制造（張家口）有限公司，張家口 076150）

1 前言

現(xiàn)今汽車制造企業(yè)多采用柔性化生產(chǎn)，同一生產(chǎn)線共線生產(chǎn)多種車型[1]，在單位時(shí)間內(nèi)多產(chǎn)生加工效益，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和競爭力[2]。其中車間的生產(chǎn)節(jié)拍直接反應(yīng)了車間的生產(chǎn)效率[3-5]，所以在生產(chǎn)當(dāng)中對節(jié)拍的優(yōu)化至關(guān)重要。同時(shí)隨著技術(shù)的進(jìn)步，在汽車領(lǐng)域焊接機(jī)器人得到最廣泛的應(yīng)用[6]，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而機(jī)器人在焊接的過程中，最需要關(guān)注的問題也是節(jié)拍。

在這樣的背景下，研究汽車焊裝自動生產(chǎn)線機(jī)器人生產(chǎn)節(jié)拍存在的浪費(fèi)問題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[7]。分析機(jī)器人的工作時(shí)序邏輯，查找機(jī)器人工作時(shí)存在的等待浪費(fèi)，提升機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率，可以讓企業(yè)更好地占領(lǐng)市場份額、控制生產(chǎn)成本[8]，同時(shí)對行業(yè)內(nèi)同類生產(chǎn)線節(jié)拍問題的優(yōu)化提供參考。

2 優(yōu)化節(jié)拍的背景和需求

某車型的焊裝車間自動生產(chǎn)線主要有機(jī)艙線、后地板線、UB 下車身線、左右側(cè)圍線。以機(jī)艙自動線和后地板自動線為例，對機(jī)艙線和后地板線的每個(gè)工位進(jìn)行了視頻拍攝和節(jié)拍時(shí)間記錄，繪制了如圖1、圖2 所示的工位節(jié)拍統(tǒng)計(jì)圖。圖1、圖2 中，橫線代表自動線的生產(chǎn)節(jié)拍要求（90 s），超出橫線代表不滿足要求的工位，未超出橫線代表滿足要求的工位，每個(gè)條形柱上的數(shù)字代表實(shí)際工作時(shí)間。

圖1 機(jī)艙線節(jié)拍統(tǒng)計(jì)

圖2 后地板線節(jié)拍統(tǒng)計(jì)

焊裝車間自動線的生產(chǎn)節(jié)拍要求為90 s，機(jī)艙線共有13 個(gè)工位，有6 個(gè)工位的生產(chǎn)節(jié)拍超出了90 s，不滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求的工位達(dá)到46%，節(jié)拍最大超出6 s，如圖1 所示。

后地板線共有12 個(gè)工位，有6 個(gè)工位的生產(chǎn)節(jié)拍超出了90 s，不滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求的工位達(dá)到50%，節(jié)拍最大超出8 s，如圖2 所示。

經(jīng)過對現(xiàn)場工位節(jié)拍的測量分析和統(tǒng)計(jì)，焊裝車間的自動生產(chǎn)線不同工位上的節(jié)拍分布不均，有些工位工作時(shí)間長，有些工位工作時(shí)間短，存在大量等待浪費(fèi)以及作業(yè)間不平衡導(dǎo)致的效率損失，存在一定的可優(yōu)化空間。

3 節(jié)拍延誤的問題分析

從焊裝自動生產(chǎn)線上，對其中耗時(shí)最長的工序進(jìn)行視頻拍攝和工作時(shí)序邏輯分析，通過視頻分析和現(xiàn)場觀察，查找到影響生產(chǎn)節(jié)拍的問題，并進(jìn)行了如下分析。

3.1 修磨導(dǎo)致等待浪費(fèi)

當(dāng)機(jī)器人帶有固定焊槍需要修磨時(shí)，在固定焊槍焊接完成，抓手機(jī)器人進(jìn)行放件，回起始位（Home位）后，抓手機(jī)器人等待，擺臂修磨器對固定焊槍進(jìn)行修磨，然后固定焊槍進(jìn)行電阻檢測，直到當(dāng)修磨和電阻檢測完畢后抓手機(jī)器人才調(diào)用生產(chǎn)程序去抓件，修磨時(shí)間有16 s，在這16 s時(shí)間內(nèi)抓手一直處于等待狀態(tài)。現(xiàn)場某工位的固定焊槍修磨如圖3所示，固定焊槍修磨時(shí)序邏輯如圖4所示。

圖3 某工位固定焊槍修磨

圖4 固定焊槍修磨時(shí)序邏輯

固定焊槍修磨時(shí)，抓手機(jī)器人端一直處于等待狀態(tài)，造成生產(chǎn)節(jié)拍的浪費(fèi)，存在可優(yōu)化的空間。

3.2 換槍盤防塵蓋開合時(shí)序邏輯不合理

現(xiàn)場某工位的2 號焊槍焊接完成，退到起始位（Home 位）；給1 號防塵蓋發(fā)送打開信號，收到完全打開的反饋信號后，機(jī)器人將2號焊槍放到2號停放支架，從1號停放支架取槍，回到起始位；等收到2號防塵蓋關(guān)閉完成的反饋信號后，機(jī)器人開始焊接，如圖5所示，換槍盤防塵蓋開合時(shí)序邏輯如圖6所示。

圖5 某工位換槍

圖6 換槍盤防塵蓋開合時(shí)序邏輯

在給1 號防塵蓋發(fā)送打開信號到收到完全打開的反饋信號期間，機(jī)器人等待時(shí)間有3 s，在等收到2 號防塵蓋關(guān)閉完成的反饋信號期間，機(jī)器人等待時(shí)間有3 s，一次換槍有6 s 的等待時(shí)間，造成生產(chǎn)節(jié)拍的浪費(fèi)，存在可優(yōu)化空間。

3.3 機(jī)器人放件時(shí)序邏輯不合理

在機(jī)艙060 工位，R1、R2 兩把焊槍對夾具臺上的工件焊接完成后，機(jī)器人R3 將工件從夾具臺抓起，到固定焊槍處進(jìn)行補(bǔ)焊，如圖7 所示。

圖7 現(xiàn)場機(jī)艙060工位布局

在機(jī)器人R3 將工件從夾具臺上抓起，送到固定焊槍處的這段時(shí)間，機(jī)器人R0 一直在等待，沒有將工件放在空置的夾具臺上，直到機(jī)器人R3 的件開始補(bǔ)焊，機(jī)器人R0 才將工件放在夾具臺上，機(jī)器人R0 等待時(shí)間有6 s，造成節(jié)拍浪費(fèi)，存在可優(yōu)化空間。

4 節(jié)拍優(yōu)化的詳細(xì)方法

基于節(jié)拍平衡理論，要使得每個(gè)工位的設(shè)備利用率、人員負(fù)荷程度基本平均合理，就需要每個(gè)工位的員工操作時(shí)間盡可能接近[9]。對于超過生產(chǎn)節(jié)拍要求的瓶頸工位，需要進(jìn)行節(jié)拍優(yōu)化，減少各個(gè)工位之間的時(shí)間差，從而達(dá)到節(jié)拍平衡[10]。針對上述造成節(jié)拍浪費(fèi)的問題制定了如下的優(yōu)化方案。

4.1 擺臂修磨同步功能

擺臂修磨與抓手機(jī)器人取件異步進(jìn)行，存在多余等待浪費(fèi)，造成這種浪費(fèi)的原因?yàn)閿[臂修磨程序在抓手機(jī)器人程序最后面，只有運(yùn)行完擺臂修磨程序后，走主程序（MAIN 程序），抓手機(jī)器人才能進(jìn)行取件，底層程序如圖8 所示。修磨時(shí)間需要16 s，這16 s 時(shí)間內(nèi)機(jī)器人端不工作一直處于等待，造成生產(chǎn)節(jié)拍浪費(fèi)。

圖8 抓手機(jī)器人底層程序

為了避免因修磨造成的機(jī)器人等待浪費(fèi)，將修磨與機(jī)器人作業(yè)同步進(jìn)行，在機(jī)器人抓放件程序中嵌入固定修磨程序，將修磨語句行指令，即修磨電阻檢測（CheckBGTD）、擺臂修磨結(jié)束（EndB?GTD）、擺臂修磨開始（StartBGTD）放在機(jī)器人的程序軌跡當(dāng)中，只要固定焊槍焊接完成就啟動修磨指令（StartBGTD），這時(shí)機(jī)器人不等待繼續(xù)放件，此時(shí)修磨時(shí)間全都納入軌跡中，從而節(jié)約了修磨等待時(shí)間，電阻檢測運(yùn)行CheckBGTD，等修磨完后運(yùn)行EndBGTD，此時(shí)修磨結(jié)束。通過修改機(jī)器人底層程序節(jié)約了機(jī)器人因修磨而產(chǎn)生的等待時(shí)間，修改后的機(jī)器人底層程序如圖9 所示。

通過在機(jī)器人抓放件程序中嵌入固定修磨程序，使得機(jī)器人抓放件與固定修磨同步進(jìn)行，消除了機(jī)器人的等待浪費(fèi)，優(yōu)化后固定焊槍修磨時(shí)序邏輯如圖10 所示，單工位固定修磨節(jié)約16 s 時(shí)間，節(jié)拍優(yōu)化率達(dá)到47%，固定修磨時(shí)序優(yōu)化前后對比如圖11 所示。

圖9 修改后抓手機(jī)器人底層程序

圖10 優(yōu)化后固定焊槍修磨時(shí)序邏輯

圖11 固定修磨時(shí)序優(yōu)化前后對比

焊裝車間固定焊總數(shù)量為48個(gè)，單工位固定修磨節(jié)約16 s，焊裝車間單次固定修磨可節(jié)約768 s，極大提高了車間生產(chǎn)效率。

4.2 換槍盤防塵罩開合時(shí)序優(yōu)化

機(jī)器人取放槍與防塵罩開合異步進(jìn)行，造成等待浪費(fèi)，原因?yàn)榉缐m蓋開合底層程序存在BUG，在機(jī)器人焊槍完成焊接，退回到起始位（Home 位）后才運(yùn)行防塵蓋開合程序，直到程序運(yùn)行完畢，機(jī)器人端才開始放槍、回起始位、取槍、回起始位，并再次運(yùn)行防塵蓋開合程序，在防塵蓋關(guān)閉完成后，機(jī)器人開始焊接。換槍盤防塵蓋程序的邏輯問題造成了等待浪費(fèi)，存在優(yōu)化空間，具體程序優(yōu)化方式如圖12 所示。

優(yōu)化后的防塵蓋開合底層程序，實(shí)現(xiàn)了焊裝自動線換槍工位換槍盤防塵蓋合理的開合時(shí)序邏輯，即帶2 號焊槍的機(jī)器人焊接完成，回到起始位后給1 號防塵蓋發(fā)送打開信號，然后去2 號停放支架進(jìn)行放槍，機(jī)器人端放槍完成后回到起始位，給2 號防塵蓋發(fā)送關(guān)閉信號，并在接收到1 號防塵蓋完全打開信號后，去抓1 號焊槍，并回到起始位，機(jī)器人端在檢測到2 號防塵蓋關(guān)閉完成信號后開始進(jìn)行焊接工作。換槍盤防塵蓋優(yōu)化后開合時(shí)序邏輯如圖13 所示。

圖12 防塵蓋開合程序優(yōu)化對比

圖13 換槍盤防塵蓋優(yōu)化后開合時(shí)序邏輯

優(yōu)化后的底層程序，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人取槍前防塵罩已經(jīng)打開完畢；機(jī)器人放槍后，防塵罩馬上關(guān)閉，消除了等待浪費(fèi)。單工位換槍節(jié)約6 s，節(jié)拍優(yōu)化率達(dá)到26%，防塵蓋開合時(shí)序優(yōu)化前后對比如圖14所示。

圖14 防塵蓋開合時(shí)序優(yōu)化前后對比

焊裝車間換槍盤總數(shù)量為97 個(gè)，單工位換槍能節(jié)約6 s，焊裝車間單次換槍能節(jié)約582 s，提高了車間生產(chǎn)效率。

4.3 機(jī)器人放件時(shí)序優(yōu)化

如圖15 所示，機(jī)器人R0 放件的信號來源于機(jī)器人R3 固定焊是否開始焊接，時(shí)序不合理。通過對機(jī)器人底層程序進(jìn)行優(yōu)化，在機(jī)器人R3抓件離開機(jī)器人R0 放件的干涉區(qū)后，機(jī)器人R0 開始進(jìn)行放件。機(jī)器人放件時(shí)序優(yōu)化后，能節(jié)約等待時(shí)間6 s，優(yōu)化前單工位節(jié)拍為95 s，節(jié)拍優(yōu)化提升6%，提升了生產(chǎn)節(jié)拍，提高了車間生產(chǎn)效率。

圖15 現(xiàn)場機(jī)艙060工位布局

4.4 3種優(yōu)化方法總結(jié)

針對某車型的焊裝車間現(xiàn)場3 種影響生產(chǎn)節(jié)拍的具體問題，提出3 種優(yōu)化方案，并全車間應(yīng)用，消除部分等待浪費(fèi)，提升焊裝車間自動線的線平衡率，提高生產(chǎn)效率。優(yōu)化方法總結(jié)如表1 所示。

5 結(jié)束語

針對國內(nèi)某車型的焊裝車間自動生產(chǎn)線上機(jī)器人設(shè)備工作時(shí)序邏輯不合理的3 個(gè)問題，即固定焊槍修磨導(dǎo)致抓手機(jī)器人等待、換槍盤防塵蓋開合時(shí)序邏輯不合理導(dǎo)致機(jī)器人端等待、機(jī)器人放件時(shí)序邏輯不合理導(dǎo)致機(jī)器人端等待，分別分析了機(jī)器人的工作時(shí)序和底層程序，對程序中存在的漏洞和不合理的邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，使得擺臂修磨與機(jī)器人作業(yè)同步進(jìn)行，換槍盤防塵罩開合時(shí)序合理，機(jī)器人放件時(shí)序合理，解決了機(jī)器人工作時(shí)序邏輯不合理的3 個(gè)問題，提升焊裝車間的生產(chǎn)節(jié)拍，從而提升車間的生產(chǎn)效率，最終通過降低生產(chǎn)成本提高企業(yè)的競爭力。

表1 3種優(yōu)化方法總結(jié)表