陳志毅 李軻冉 畢愿江 劉澤博

關(guān)鍵詞：汽車焊裝線；高節(jié)拍；主拼工位；節(jié)拍優(yōu)化

0引言

焊接車間在汽車的四大工藝車間中是自動(dòng)化率最高、工藝最為復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)。在焊裝車間中，根據(jù)汽車的生產(chǎn)工藝和零件搭接順序分為各種產(chǎn)線，例如：地板線、主線、側(cè)圍線以及分拼線等。其中，最重要且關(guān)乎整個(gè)白車身焊接精度的線體當(dāng)屬主線。而總拼工位是主線乃至焊裝車間最重要的一個(gè)工位[1]。

車間的生產(chǎn)節(jié)拍直接反映了車間的生產(chǎn)效率[2]。由于總拼工位的可編輯邏輯控制器（PLC）程序復(fù)雜、機(jī)器人密集并且節(jié)拍緊湊，影響著整個(gè)主焊線的生產(chǎn)效率，是制約車間效率的重要瓶頸點(diǎn)，所以在生產(chǎn)當(dāng)中對(duì)節(jié)拍的優(yōu)化至關(guān)重要[3]。通過(guò)優(yōu)化措施的總結(jié)歸納，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(chǎng)份額，控制生產(chǎn)成本[4]，同時(shí)對(duì)行業(yè)內(nèi)同類生產(chǎn)線節(jié)拍問(wèn)題的優(yōu)化提供參考。

在德系的白車身層級(jí)中，白車身通常有2個(gè)總拼工位：第一個(gè)是實(shí)現(xiàn)側(cè)圍內(nèi)板、頂蓋橫梁的點(diǎn)定，一般稱之為內(nèi)總拼工位或一次總拼工位（圖1a）；第二個(gè)是實(shí)現(xiàn)側(cè)圍外板的點(diǎn)定，一般稱之為外總拼工位或二次總拼工位（圖1b）。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某車企內(nèi)總拼工位進(jìn)行優(yōu)化，并提出了前期總拼工位工裝時(shí)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1總拼工藝簡(jiǎn)析

1.1內(nèi)總拼工位

內(nèi)總拼工位的工藝內(nèi)容為實(shí)現(xiàn)頂蓋橫梁、左右側(cè)圍內(nèi)板以及下車身的點(diǎn)焊焊接。在高節(jié)拍的總拼工位中，普遍采用焊裝總拼單元（OPENGATE）實(shí)現(xiàn)線體工藝。OPENGATE框架采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，速度快，重復(fù)精度良好，廣泛應(yīng)用于各大汽車主機(jī)廠中。在總拼工位前，會(huì)先在預(yù)裝工位將零件通過(guò)搭扣形式搭接在白車身上，再通過(guò)主拼工位的主拼框架上大量定位單元以及下部車身的定位，使白車身達(dá)到理論的設(shè)計(jì)精度（圖2）。

內(nèi)總拼工位的常規(guī)3D布局以本條線體為例（圖3），主拼框架采用KUKA公司的OPENGATE轉(zhuǎn)臺(tái)式切換框架，實(shí)現(xiàn)多車型主拼夾具的切換。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)總拼工位能夠焊接盡可能多的焊點(diǎn)，在地面2個(gè)切換轉(zhuǎn)臺(tái)中間單側(cè)各布置4臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人。在二層鋪設(shè)鋼結(jié)構(gòu)，采用“鋼結(jié)構(gòu)+下探機(jī)器人”的形式布置了6臺(tái)下探機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)該工位最大程度的焊接。

該工位工作時(shí)，先由滾床將白車身輸送至該工位下夾具上。隨后側(cè)圍定位框架Y向推入對(duì)白車身進(jìn)行定位，總拼框架再對(duì)側(cè)圍框架進(jìn)行定位，保證每次側(cè)圍夾具推入的一致性。之后由該工位的所有機(jī)器人對(duì)白車身進(jìn)行點(diǎn)焊。當(dāng)點(diǎn)焊完成時(shí)，夾具打開，側(cè)圍框架Y向推出，滾床將該工位的零件輸送至下一工位。某車企生產(chǎn)線節(jié)拍為60JPH，內(nèi)總拼工位的實(shí)際節(jié)拍為49.0s，該工位的節(jié)拍時(shí)序如表1所示。

1.2外總拼工位

外總拼工位的工藝內(nèi)容為實(shí)現(xiàn)左右側(cè)圍外板以及一次總拼完成后的總成焊接。從工藝時(shí)序上與內(nèi)總拼相似，但由于一般只上側(cè)圍外板，相比于一次總拼需要的焊點(diǎn)要少，工藝上略微簡(jiǎn)單。圖4所示為二次總拼及預(yù)裝的平面布置，由于空中焊接需求的減少，空中一般布置4臺(tái)機(jī)器人即可滿足工藝要求。

2總拼工位節(jié)拍優(yōu)化思路及方案

對(duì)于工位節(jié)拍優(yōu)化思路應(yīng)為：通過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際節(jié)拍和理論分析的差異，逐個(gè)分析差異點(diǎn)及差異原因，找出瓶頸點(diǎn)，并通過(guò)優(yōu)化措施，使之達(dá)到理論設(shè)計(jì)節(jié)拍。由于內(nèi)總拼的工裝，焊點(diǎn)相較于外總拼均更復(fù)雜，所以本文以內(nèi)總拼作為案例，講解總拼工位的節(jié)拍優(yōu)化思路。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試過(guò)程，某車企內(nèi)總拼工位的問(wèn)題主要集中在4個(gè)部分（圖5）。

2.1工裝夾具的設(shè)計(jì)優(yōu)化

總拼定位框架作為總拼工位的工裝核心，對(duì)節(jié)拍的影響因素巨大。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的反饋效果來(lái)看，總拼工裝的設(shè)計(jì)前期主要應(yīng)該注意以下2點(diǎn)。

2.1.1工裝時(shí)序步驟應(yīng)有意識(shí)地減少

由表1的節(jié)拍時(shí)序中可以看出，在該條線高節(jié)拍的總拼工位下，純理論狀態(tài)總拼側(cè)圍工裝的打開和夾緊時(shí)間加起來(lái)一共僅有10.0s左右。按照氣缸一步動(dòng)作2.0s來(lái)計(jì)算，打開和夾緊一共最多只能有5步動(dòng)作。這其中還不包含一些大型定位翻轉(zhuǎn)單元，一步動(dòng)作一般要3.0～3.5s，這對(duì)于總拼工裝的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。

因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)有意識(shí)地減少定位單元的時(shí)序步驟，并讓不同的定位單元盡可能地同時(shí)動(dòng)作，以減少夾具的動(dòng)作時(shí)間。同時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該有意識(shí)地減少大型翻轉(zhuǎn)單元，以及滑臺(tái)單元的使用，使每一步的夾具動(dòng)作時(shí)間盡可能減少。

以內(nèi)總拼側(cè)圍定位框架為例（圖6），由于定位頂蓋橫梁部分工裝距離框架基板較遠(yuǎn)，不可避免地使用了翻轉(zhuǎn)單元。為滿足工位節(jié)拍，夾具在同時(shí)動(dòng)作時(shí)都做了刻意回避，保證所有的單元可以同時(shí)動(dòng)作，沒(méi)有空間上的干涉（圖7），有效提升了總拼工位的節(jié)拍。

2.1.2夾具的氣路控制優(yōu)化

總拼工位的側(cè)圍定位框架是白車身焊裝線中最復(fù)雜的工位，其總體表現(xiàn)為氣缸開關(guān)數(shù)量多，定位復(fù)雜。該夾具由閥島進(jìn)行總體控制，同時(shí)相同動(dòng)作的氣缸由一組閥片進(jìn)行控制，并通過(guò)閥島和上位PLC相連。在通常的夾具中，由于對(duì)夾具沒(méi)有太高的節(jié)拍要求，一組閥片最多可以帶10組甚至更多的氣缸；但由一組閥片控制過(guò)多氣缸的代價(jià)是，這些氣缸同時(shí)工作時(shí)動(dòng)作遲緩，嚴(yán)重影響節(jié)拍。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)階段的優(yōu)化改進(jìn)，一組閥片控制不應(yīng)超過(guò)6個(gè)氣缸。在提高閥島數(shù)量的情況下，現(xiàn)場(chǎng)夾具的動(dòng)作速度有了較大規(guī)模的改善，基本達(dá)到了理論時(shí)間。

2.2機(jī)器人路徑的優(yōu)化方案

機(jī)器人路徑的優(yōu)化主要分為2部分：一部分為焊點(diǎn)分配的優(yōu)化；一部分為現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中，機(jī)器人干涉區(qū)的優(yōu)化。

2.2.1機(jī)器人焊點(diǎn)數(shù)量及位置選擇

由表1的節(jié)拍時(shí)序中可以看出，在該條線高節(jié)拍的總拼工位下，留給機(jī)器人焊接的時(shí)間非常短暫，理論狀態(tài)下僅有18.0s?？紤]到總拼工位夾具也較為復(fù)雜，機(jī)器人進(jìn)出槍較多的情況下，一個(gè)機(jī)器人最多可以焊接4個(gè)點(diǎn)。這對(duì)焊點(diǎn)的分配提出了較高的要求。

以該條線生產(chǎn)的其中某車型為例，該總拼工位的焊點(diǎn)分布如圖8所示。通過(guò)不同顏色的焊點(diǎn)區(qū)分不同的機(jī)器人，可以看到在1個(gè)機(jī)器人焊接4個(gè)焊點(diǎn)的前提下，焊點(diǎn)應(yīng)當(dāng)相對(duì)于白車身盡量均勻。對(duì)于頂蓋橫梁，在點(diǎn)定工位一個(gè)橫梁最多焊接2個(gè)焊點(diǎn)，但應(yīng)盡量選擇對(duì)角，使零件焊接穩(wěn)定（圖9）。同時(shí)在進(jìn)行焊點(diǎn)分配時(shí)，應(yīng)使各機(jī)器人之間減少交叉，以減少機(jī)器人相互之間的干涉區(qū)。

2.2.2機(jī)器人干涉區(qū)的有效回避

經(jīng)過(guò)正確的焊點(diǎn)分配后，需進(jìn)行機(jī)器人的仿真和調(diào)試，確保機(jī)器人能夠?qū)ο嗷ブg的干涉區(qū)進(jìn)行有效躲避。其中最為重要的，是焊鉗以及機(jī)器人管線包之間的干涉性。如果想滿足1個(gè)機(jī)器人4個(gè)焊點(diǎn)的焊接當(dāng)量，機(jī)器人之間不能存在互相等待的時(shí)間，否則會(huì)嚴(yán)重影響總拼工位的整體節(jié)拍。

在前期的機(jī)器人仿真工作中，需要重點(diǎn)關(guān)注在動(dòng)態(tài)焊接過(guò)程中，機(jī)器人管線包的干涉性，尤其是機(jī)器人六軸管束固定支架（俗稱蒼蠅拍）的位置（圖10）。通過(guò)有效的機(jī)器人相互避讓，使機(jī)器人的焊接時(shí)間達(dá)到理論節(jié)拍。

2.3對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的參數(shù)要求

該項(xiàng)主要針對(duì)的是滾床供應(yīng)商。常規(guī)滾床在標(biāo)準(zhǔn)間距6000～6500mm的前提下，節(jié)拍一般可以滿足12.0s一個(gè)循環(huán)（舉升3.0s，行走6.0s，下降3.0s）。這可以滿足大多數(shù)工位的節(jié)拍要求。但對(duì)于總拼工位，工位與工位之間需要適應(yīng)切換轉(zhuǎn)臺(tái)，一般間距最大會(huì)達(dá)到7500～8500mm（圖11）。如果按照常規(guī)的滾床參數(shù)，滾床的運(yùn)動(dòng)時(shí)間會(huì)被大幅度拉長(zhǎng)，從而影響總拼工位節(jié)拍。所以，在前期與滾床供應(yīng)商溝通時(shí)，需要明確要求滾床的基本參數(shù)，使?jié)L床的一個(gè)循環(huán)至少能達(dá)到12.0s。

2.4電氣控制程序的優(yōu)化方案

電氣程序控制的優(yōu)化對(duì)于主拼工位的節(jié)拍提升有著重要的作用。通過(guò)電氣程序控制，將一些時(shí)序進(jìn)行重疊，提前進(jìn)入，可以最有效地優(yōu)化節(jié)拍，同時(shí)可以為機(jī)器人爭(zhēng)取更多的時(shí)間用于點(diǎn)焊。

2.4.1使機(jī)器人提前進(jìn)入焊接程序

通常機(jī)器人開始工作時(shí)，都是從設(shè)置的機(jī)器人安全位置（home）點(diǎn)開始工作，并以回到home點(diǎn)作為一個(gè)工作循環(huán)的結(jié)束。比如點(diǎn)焊工藝中，機(jī)器人的動(dòng)作包括接近首個(gè)焊點(diǎn)位置、點(diǎn)焊操作以及返回原點(diǎn)[5]。但在實(shí)際過(guò)程中，為了提高機(jī)器人的有效焊接程序，通常會(huì)使機(jī)器人提前進(jìn)入焊接程序，在不干涉的位置進(jìn)行焊接等待。這個(gè)過(guò)程可以在滾床運(yùn)動(dòng)，以及在工裝夾具動(dòng)作的過(guò)程中進(jìn)行。如圖12所示，在車身尚未到位前，機(jī)器人已經(jīng)到達(dá)了焊接等待位。通過(guò)該項(xiàng)操作，可以在每個(gè)循環(huán)中節(jié)省2.0～3.0s時(shí)間，有效提高了節(jié)拍。

2.4.2工裝夾具中氣缸的提前打開

在常規(guī)時(shí)序中，完成焊接工作后機(jī)器人回到home點(diǎn)，PLC向夾具發(fā)出打開命令，工裝夾具氣缸打開。但當(dāng)節(jié)拍非常緊張，需要額外的方案提升節(jié)拍時(shí)，可以在機(jī)器人已完成焊接工作，在返回home點(diǎn)的過(guò)程中選擇一點(diǎn)。該位置已和工裝夾具沒(méi)有空間上的干涉性，使夾具提前打開。同時(shí)為了更進(jìn)一步節(jié)省節(jié)拍，還可以使部分工裝部件先打開，其余部件后打開。這樣可以進(jìn)一步提升節(jié)拍，使有效焊接時(shí)間可以達(dá)到22.0s左右，減緩了點(diǎn)定焊接的節(jié)拍壓力。

3結(jié)束語(yǔ)

本文以國(guó)內(nèi)某車企高節(jié)拍總拼工位作為案例，闡述了總拼工位的節(jié)拍優(yōu)化方法。通過(guò)優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu)，減少工裝時(shí)序，提高前期設(shè)計(jì)質(zhì)量；通過(guò)明確滾床設(shè)備速度，提高前期設(shè)備選型的準(zhǔn)確性；通過(guò)優(yōu)化焊點(diǎn)分配，減少或消除機(jī)器人焊接過(guò)程中的等待時(shí)間；通過(guò)PLC程序中對(duì)各個(gè)不干涉時(shí)序的重疊，進(jìn)一步提高總拼工位的節(jié)拍與效率。通過(guò)以上措施的實(shí)施，提升了主焊線的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，也為后續(xù)類似主拼工位節(jié)拍優(yōu)化提供了借鑒。