于光輝 郭東棟 牛振 姚森

摘要：為解決焊裝車間產(chǎn)能不足的問題，通過對生產(chǎn)線產(chǎn)能瓶頸區(qū)域進行分析研究，根據(jù)不同工位所具有的特點使用工藝再平衡和工藝順序優(yōu)化2種方法降低工位節(jié)拍，實施過程中使用影像動作分析法對每個工位進行動作分解，使每一部分的細微步驟都能展現(xiàn)出來，同時過程中借助ECRS原則對優(yōu)化點進行改進優(yōu)化，最終成功對2個點焊工位實施節(jié)拍優(yōu)化，優(yōu)化后有效解決了生產(chǎn)線產(chǎn)能不足的問題。在對點焊技術(shù)的優(yōu)化中沒有進行參數(shù)調(diào)整從而降低了質(zhì)量風險，也為其他類似技術(shù)工位節(jié)拍優(yōu)化提供了另一條途徑。

關(guān)鍵詞：節(jié)拍 工藝再平衡 工藝順序 ECRS原則 生產(chǎn)線平衡

中圖分類號：U468.1? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220229

Abstract： In order to solve the problem of insufficient production capacity in the welding work shop， through the analysis and research on the production line production capacity bottleneck area， 2 process optimization methods， i.e. process rebalancing and process sequence optimization， were applied to reduce the station cycle time according to the characteristics of different stations. In the implementation process， the image motion analysis method was utilized for motion decomposition of each station， to reveal the small steps of every part. At the same time， ECRS principle was used to optimize the optimization points. Finally， the cycle time optimization was successfully implemented for the 2 spot welding stations. The cycle time reduction directly improves the production capacity of the production line. There was no parameter adjustment for the optimization of spot welding process， which provided another approach to reduce the cycle time of similar station.

Key words： Cycle time， Process rebalancing， Process sequence， ECRS principle， Line balance

1 前言

在汽車制造的沖壓、焊裝、涂裝和總裝4大工藝中，焊裝制造工藝通過引入大量的機器人及自動化設(shè)備實現(xiàn)了點焊、弧焊、壓鉚、流鉆、涂膠熱連接、機械連接和膠接的技術(shù)跨越。在不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時也為后續(xù)序列化生產(chǎn)中做精益管理提供機會，其中在不進行新投資的情況下，通過工藝優(yōu)化、設(shè)備優(yōu)化、機器人軌跡優(yōu)化方法實現(xiàn)低成本的產(chǎn)能提升，有很大的改善空間，已經(jīng)被越來越多的車企運用并有了很大的管理突破。對生產(chǎn)線實施工藝再平衡、工藝順序優(yōu)化、冗余工藝減少、工藝變更都屬于工藝優(yōu)化范疇。

2 生產(chǎn)線產(chǎn)能情況及工藝介紹

某車型隨著市場需求的增加，原有的設(shè)計產(chǎn)能已無法滿足要求，需要對生產(chǎn)線的潛能進行挖掘?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)能提升。通過對生產(chǎn)線的產(chǎn)能分析，識別出部分工位為瓶頸區(qū)域，需要對這些區(qū)域進行節(jié)拍優(yōu)化。在設(shè)備綜合開動率不變的情況下，通過節(jié)拍降低實現(xiàn)產(chǎn)能的提升，其中產(chǎn)能與節(jié)拍的關(guān)系如公式（1）所示[1]。

[JPH=（3 600×OEE）/CT]? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[JPH]為單位小時產(chǎn)量；[OEE]為綜合設(shè)備開動率；[CT]為生產(chǎn)線瓶頸節(jié)拍。

其中某生產(chǎn)線TS11為其中的節(jié)拍瓶頸區(qū)域，區(qū)域由4個工位組成，除生產(chǎn)線前后的提升機外，包括點焊補焊工位ST330、點焊補焊工位ST340、點焊補焊工位ST350、人工工位ST360，改善前生產(chǎn)線各工序工時如表1所示，生產(chǎn)線的平衡率[LBR]如公式（2）所示[2-3]。

[LBR=inTjCT×n×100%]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[Tj]是每個工位標準作業(yè)時長；[n]是生產(chǎn)線中工位總數(shù)；[CT]是瓶頸工位節(jié)拍。

TS11生產(chǎn)線的生產(chǎn)線平衡率為97%，為實現(xiàn)該生產(chǎn)線更高的產(chǎn)能輸出，需要對其中的ST330和ST340 2個工位的節(jié)拍進行優(yōu)化，這2個工位完成點焊的補焊工作，單臺機器人完成11點～18點不等的點焊焊接。

3 分析與優(yōu)化

3.1 節(jié)拍不平衡原因分析

按照原有設(shè)計產(chǎn)能要求，上述工位均能滿足節(jié)拍要求，但從生產(chǎn)線潛能和二次產(chǎn)能提升的角度評估，生產(chǎn)線在工藝設(shè)計階段還有進一步改善的空間。出現(xiàn)瓶頸情況的工位中的機器人工作量并不完全均衡，多余的部分工作量成為了產(chǎn)能提升優(yōu)化的重點。所以在后續(xù)的項目設(shè)計中不但要從全局的角度考慮整體生產(chǎn)線的節(jié)拍情況，也要從局部的角度評估島內(nèi)每臺機器人的工作量均衡情況。

3.2 影像動作分析

在TS11生產(chǎn)線的4個工位中，工序時間較長的2個工位是自動化點焊機器人。對自動化率較高的工位進行節(jié)拍分析時，適合使用影像動作分析法[4-5]。根據(jù)視頻記錄將整個過程根據(jù)不同的工藝內(nèi)容劃分為不同部分，對每一部分進行細節(jié)分析，借助ECRS減少等待時間、進行工序調(diào)整和工序重布原則，從而縮短整個工位的節(jié)拍時間[6]。TS11生產(chǎn)線如圖1所示，ST330工位為整條生產(chǎn)線的第2個工位，里面擁有6臺六軸點焊機器人；ST340工位有4臺六軸點焊機器人，這2個工位的零件傳輸采用輥床輸送的方式。

優(yōu)化前對ST330和ST340工位進行視頻錄制，根據(jù)工藝內(nèi)容將整個工作時序時間劃分為3個部分，分別為輥床輸送及定位夾具夾緊、點焊焊接工藝、定位夾具打開及輥床輸送[7]。對這3個部分進行分析，分別統(tǒng)計出各部分的所用時間。工位節(jié)拍分析如圖2所示，ST330工位輥床輸送和定位夾具運行時間為7 s，6臺點焊機器人中ST330RB400和ST330RB300用時最長且都是46 s，所焊接的點數(shù)分別為15個和16個，這2臺機器人是工時優(yōu)化的重點突破口。

其中，ST340工位的機器人中ST340RB300和ST340RB400用時最長。RB300焊接16個焊點用時47 s；RB400焊接14個焊點用時46 s。輥床輸送和定位夾具動作時間和ST340相同，具體各部分所用時間如圖3所示。

結(jié)合影像和PLC信號監(jiān)控分析，對比發(fā)現(xiàn)多組夾具同步運行不存在某些氣缸運動遲滯的現(xiàn)象，且運行速度適中，同時分析輸送輥床水平運動方向和豎直運動方向的時間-速度曲線目前處在較為合適的范圍內(nèi)，不宜再次進行時間壓縮，輸送輥床時間-轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。經(jīng)過分析焊點機器人焊接工藝部分存在很大的優(yōu)化空間。

同時，在核算工位節(jié)拍的過程中因焊點性質(zhì)不一樣，時間也略有不同。一般而言，帶Framer夾具的定位點節(jié)拍為4.5 s，普通定位點節(jié)拍為3 s，普通補焊點節(jié)拍為2.5 s。根據(jù)這些時間進行節(jié)拍優(yōu)化方案的初步制定，而后在現(xiàn)場根據(jù)實際情況進行可實施性驗證和優(yōu)化后的工時測量。

3.3 工藝再平衡

工藝再平衡即對現(xiàn)有工位內(nèi)的工藝進行重新梳理，統(tǒng)計出每臺設(shè)備工作負荷量，將負荷量高的機器人工作內(nèi)容向負荷量低的機器人進行內(nèi)容的轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)不同機器人工作時長的均衡，縮短機器人整體運行時間[8-9]。如對點焊工位ST340工藝梳理獲得機器人負荷，340RB100機器人焊機14個焊點、340RB200機器人焊接14個焊點、340RB300機器人焊接16個焊點、340RB400機器人焊接14個焊點。其中340RB300和340BR400是工位的瓶頸機器人，對這2臺機器人的焊點進行再平衡，經(jīng)過排查在臨近工位ST260的260RB300和260RB400機器人和上述瓶頸機器人工作區(qū)域范圍有重疊，可以進行工藝再平衡方案評估。經(jīng)過測定ST260節(jié)拍為55 s，不是產(chǎn)能瓶頸區(qū)域，分別將340RB300和340RB400機器人的2個焊點移動到260RB300和260RB400機器人中，經(jīng)過驗證2把焊槍均能可達，可以進行焊點再平衡轉(zhuǎn)移。經(jīng)過工藝平衡后2個工位的焊點數(shù)量和節(jié)拍變化情況如表2所示。

工藝再平衡可以通過工作量的轉(zhuǎn)移來解決節(jié)拍的短板效應(yīng)問題，但這種方式也有一定的局限性。首先接受工作內(nèi)容的工位必須有工時余量，增加工作內(nèi)容后節(jié)拍不會超出設(shè)定目標，不能成為新的瓶頸工位；其次工作內(nèi)容轉(zhuǎn)移必須考慮設(shè)備的可達性，只有2個工位的工作范圍有一定的重疊區(qū)才有實施的可能性。在進行ST330工位節(jié)拍優(yōu)化的過程中，其中一版方案也是將其中的2臺機器人部分焊點進行轉(zhuǎn)移，但是因為可達性存在問題，最終無法實施，只能采取其他方案。

3.4 工藝順序優(yōu)化

工藝順序優(yōu)化，即在一個循環(huán)內(nèi)一臺機器人需要完成多個工藝點，不同工藝點借助過渡軌跡先后進行加工，通過調(diào)整工藝點的先后順序優(yōu)化過渡軌跡路徑，減少期間的等待時間，來降低節(jié)拍時間[9]。如在ST330工位無法使用工藝再平衡的方式進行節(jié)拍優(yōu)化的背景下，使用工藝順序優(yōu)化的方式深入分析瓶頸機器人焊點的焊接順序。330RB300和330RB400機器人運行時間最長，是該工位的瓶頸。通過視頻分析發(fā)現(xiàn)，這2臺機器人運行時間長，原因是2臺機器人先后進入與臨近機器人干涉區(qū)內(nèi)，其中330RB300在焊接完第10個焊點后與330RB500干涉，在干涉區(qū)外等待4 s；并且330RB400在焊接完第9個焊點后與330RB600和330RB300干涉，在2個干涉區(qū)外總計等待7 s，需要針對這2個較長的等待時間進行優(yōu)化分析。ST330工位干涉區(qū)等待位置如圖5所示。

對330RB500和330RB600機器人的焊點順序進行優(yōu)化。通過工藝卡確定可以進行焊接順序優(yōu)化的局部區(qū)域，確定原則是根據(jù)過渡軌跡中的等待時間來確定焊點順序移動數(shù)量；同時結(jié)合焊點所處位置，盡量保證被移動的焊點處在同一區(qū)域，減少機器人過渡軌跡路徑，實現(xiàn)更好的節(jié)拍縮減效果。

項目優(yōu)化過程中根據(jù)等待時間和單個焊點的時間，確定對330RB500中3個焊點的焊接順序進行調(diào)整，使330RB500提前對干涉區(qū)進行釋放，330RB300更早進入干涉區(qū)進行焊接，減少等待時間，焊點順序優(yōu)化如圖6所示。對330RB600的1個焊點的焊接順序進行調(diào)整，使干涉區(qū)提前釋放，330RB400更早進入第1個干涉區(qū)，同時隨著330RB300的提前完成，提前釋放第2個干涉區(qū)，330RB400進一步縮短等待時間，焊點順序優(yōu)化如圖7所示。

4 實施與改善

根據(jù)最新的焊點順序移動方案，通過手動操作的方式確定新移動的焊點可達性。在這個過程中可以通過局部焊接程序剪切復(fù)制的方式快速完成新的焊接程序。其中最大的難點及風險點是剪切后連接兩段新程序的過渡點，過渡點需要保證與其他機器人無碰撞風險，盡可能做最小的運動范圍。在驗證過程中如部分焊點無法達到或是過渡軌跡機器人調(diào)整姿態(tài)范圍過大，應(yīng)及時修改方案。

機器人干涉區(qū)驗證[10]，焊點順序調(diào)整過程中盡可能不要打破原有的機器人干涉區(qū)范圍，如必須打破干涉區(qū)范圍，需要添加必要新的干涉區(qū)監(jiān)控信號并重新驗證，保證無碰撞風險。新的機器人程序編輯完畢后手動操作進行驗證，無誤后采取逐漸增速的方式自動驗證。

通過工藝順序優(yōu)化的方式對ST330工位進行優(yōu)化，工位整體節(jié)拍由60 s降低為57 s，優(yōu)化后的節(jié)拍分析如圖8所示。通過工藝再平衡的方式對ST340工位進行優(yōu)化，工位的整體節(jié)拍有了明顯的改善，節(jié)拍時間由原來的61 s降低為58 s，優(yōu)化后的節(jié)拍分析如圖9所示。

5 結(jié)束語

綜上所述，在對工位節(jié)拍優(yōu)化的過程中通過使用工藝優(yōu)化的方法從工藝再平衡和工藝順序優(yōu)化2種思路對自動化機器人展開分析研究，針對現(xiàn)場不同的情況和限制因素，選擇合適的方法優(yōu)化實施，才能有效破解節(jié)拍瓶頸之困局。優(yōu)化實施后整體產(chǎn)線的平衡率提升至99%，產(chǎn)能提高2.6 JPH，有效解決了生產(chǎn)線的產(chǎn)能壓力。

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