汽车焊装生产线节拍分析及优化

秦志刚 张洪亮

（一汽-大众汽车有限公司天津分公司，天津300000）

1 前言

汽车制造业进入标准化流水线作业模式后，生产节拍就成为反映车间生产效率的重要指标[1]。节拍的优化提升也成为提升车间生产效率至关重要的工作。传统的节拍优化一般是在规划设计阶段，通过工艺布局、工装设计、仿真验证来实现[2]。但是设备投产运行后，如果再通过大范围更改工艺和工装来提升节拍，将需要大量的投资。因此，在现有工艺布局和设备的基础上进行节拍优化的研究，提高企业的生产效率和竞争力[3]成为新的重要课题。

当前，随着汽车市场的竞争加剧，各汽车制造企业通过快速推出新产品和降低人工成本来增加竞争力，因此汽车生产的高柔性[4]、高自动化率已成为汽车生产线的普遍特点。焊装车间作为汽车生产四大专业中工艺最复杂的车间，其生产线的高柔性、高自动化率要求更高。而且在智能制造2025的背景下，焊装车间已经越来越多地采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）[5]、机器人[6]、变频驱动、传感器等智能控制手段。同时焊装车间还集合了点焊、弧焊、涂胶、冲铆、螺柱焊、搬运、输送等工艺[7]。因此焊装生产线节拍优化工作，既要考虑各类智能控制设备的特点，还要考虑各类工艺的原理，结合现场实际综合实施。

2 确认节拍瓶颈工位

通过测定每个工位的节拍，编制节拍平衡图（图1），即可确认瓶颈工位。节拍测定时可采用由“起点到起点”的方式，即从一个工作循环中选定一个明显的特征动作点，作为开始计时点，直到下一个工作循环中此特征动作点再次到来，停止计时，即可测定一个完整的节拍。此节拍将包含设备的动作时间和各动作间互相等待的时间。为了保证连续生产中节拍的稳定性，可以采集一定数量的工作循环节拍，取最小的10个工作循环节拍的平均值，作为此工作的实际节拍。在实际工作中，一般采样100个工作循环节拍，采样的工作可以通过PLC编程实现。

图1 节拍平衡图

3 优化节拍的方法

设备调试完毕，交付投产时，因为设备调试厂家的目标是达到合同约定的节拍即可，再加上设备调试人员能力的参差不齐，所以节拍上往往还有很多可以优化提升的空间。结合工作实践，总结了以下5种节拍优化方法。

3.1 机器人轨迹优化

焊装生产线大量采用机器人，通过机器人来提升节拍是重中之中。常用的方法有以下5种：

a.优化干涉区。多台工业机器人进行协同动作时，工作区域会存在交互工作区，彼此交互的工作区域称为干涉区[8]。在保证机器人无碰撞风险的前提下，尽可能的缩短机器人等待进入干涉区的距离，可减少时间浪费。

b.合并子程序。为了方便控制和调试，工业机器人程序架构是由主程序进行不同动作或工艺的子程序调用，来实现最终功能。调用子程序越多，机器人工作时间越长，通过合并子程序来减少子程序的调用次数，可实现节拍优化。

c.删除多余程序信号。编程人员在设备调试时，为了调试方便或适应多种工况，会加入过多的程序信号。譬如在工作现场，涉及程序调用、运动类型变换、执行工艺动作等时，机器人程序语句中会编写warte bis E23（等待人员请求进入）信号。机器人运行到该语句时，会出现明显的停顿现象。根据现场的实际情况，优化此类程序点，可以显著提升节拍。

d.删除多余过渡点。工业机器人在实际轨迹编程时，为了规避路径上的工装夹具或其他设备等干涉点，会增加一些过渡点，以避免碰撞。机器人在实际运动时，为了经过这些轨迹点，要进行加减速的内部逻辑控制，这会增加机器人的运动时间。通过对具体现场观察与实验，可以删除不必要的过渡点，提升节拍。

e.优化轨迹逼近值。工业机器人在运动时，到达轨迹点有两种形式：精确到达和轨迹逼近。如图2所示，精确到达时，机器人的工具中心点位置（Tool Center Position，TCP）必须精准到达轨迹点坐标，此时机器人会有明显的停顿。轨迹逼近时，TCP不用精确移动到轨迹点坐标，而是沿着轨迹逼近轮廓运行，此时机器人的运动会平滑流畅。根据现场实际，合理设定轨迹逼近值，可以提高节拍。

图2 到达轨迹点的两种形式

3.2 设备参数优化

高自动化率的焊装生产线是由各类自动化设备构成，这些设备运行速度直接影响节拍。设备的最高运行速度参数由设备安全和质量安全两方面决定。

a.在设备安全的前提下，提高设备运行速度。由于设计、调试等因素，设备投产时的速度参数，往往并不是最高速。深入研究各类设备的速度控制原理和设备安全保护原理，可以合理提升设备运行速度。如通过控制焊钳极臂的开合速度，提高焊钳运动速度；通过控制辊床、升降机等设备电机的加减速斜坡和适当超频，提高运行速度；通过调整节流阀、加大气管直径、增加缓冲器等方法，提高夹具气缸的运行速度；

b.在质量安全的前提下，提高设备运行速度。焊装车间的许多工艺质量都是跟设备运行速度直接相关的。有经验的现场工作人员，可以在保证质量的前提下，实现设备的提速。如采用大电流、短时间的焊接规范，提高点焊速度；通过调整工件的匹配间隙，实现高速激光焊接下的质量稳定；通过采用先进的冷金属过渡焊（Cold Metal Transfer，CMT）弧焊技术，提高薄板长距离钎焊的速度；自动螺柱焊，在每次送钉结束后，会设置延时焊接启动时间获得良好的引弧效果，设置合适的延时焊接启动时间，可以提高节拍；自动涂胶设备的出胶速度是由机器人的运行速度决定的，通过优化胶条的长度和位置，既可保证涂胶质量，又可提高涂胶速度

3.3 设备动作时序优化

生产线中的设备都是协同工作，每个单体设备都需要与其他设备“交接”工作，这个“交接”要有序，称之为时序。合理的规划生产线各设备的时序可以减少时间浪费。时序优化中最常用的方法就是将串联时序变成并联时序。如图3所示的升降辊床工位，辊床向下一个工位输送前，需要机器人先离开，再打开定位的勾销缸，然后辊床上升。机器人离开和打开勾销缸之间没有干涉点，可以将机器人离开和打开勾销缸同步动作，每个节拍可节约0.6 s。

图3 升降辊床工位时序优化

3.4 工艺优化

焊装车间主要通过点焊、涂胶、活性气体保护电弧焊（Metal Active Gas arc welding，MAG）/惰性气体保护电弧焊（Metal Inert Gas arc welding，MIG）、铆接等工艺保证车身强度和尺寸要求。合理的优化工艺，可以提高节拍。

a.工艺重布。将超节拍工位的工艺，移到节拍富裕的工位，可实现两个工位都达标。常见的工艺重布包括点焊焊点移动，涂胶胶道移动，MAG焊道移动等；

b.减少冗余工艺。将多余的工艺直接减少，可直接提高节拍。如，为满足总装对不同配置车型的安装需求，每台车身都需要焊接所有螺柱。通过精准识别螺柱的作用，结合射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）车型识别技术，只在车身上焊接此车型配置必须的螺柱，可有效减少车身螺柱焊个数，提高节拍。

c.工艺变更。部分工艺对零件尺寸、加工质量要求很高，限制了工位节拍的提升，采用替换工艺，可提高节拍。如，MAG焊对工件的匹配和尺寸有较高的要求，为了保证MAG焊的表面质量和强度，就需要降低MAG焊的焊接速度。将MAG焊改成点焊，可在保证车身强度要求的前提下，提高工位节拍。

d.工艺顺序优化。生产中，在一个节拍内一台机器人要完成多个工艺点，如有的点焊机器人要完成8个焊点，有的涂胶机器人要完成10道涂胶。为了在各个工艺点之间过渡，机器人会增加一些过渡轨迹。通过优化这些工艺点的加工顺序，可以减少过渡轨迹，提高节拍。

3.5 设备改进改造

设备安装到现场后，会存在使用效果未达到最优的现象。运用专业知识，深入结合现场，对设备进行不同程度的改造，可提高节拍。如截短送钉类设备送钉管（如螺柱焊，冲铆等），可节约送钉时间；将接触器控制的电机，改为变频控制，可提升电机速度；实施低成本自动化改进，减少人员上下件和零件转运的时间等。

4 结束语

在智能制造的背景下，汽车焊装生产线越来越向无人化、智能化发展。设备和工艺的复杂性也越来越高，通过深入研究专业知识、结合丰富的现场经验，在现有设备的基础上进行节拍优化的工作，对提高生产效率的作用越来越大。研究分析了识别节拍瓶颈的方法，并从机器人轨迹优化、设备参数优化、设备动作时序优化，工艺优化，设备改进改造等5大方向对节拍优化方法进行了详细的分析和归纳总结。但不同的汽车焊装生产线所采用的工艺不同、设备不同、工位布局也不同，因此对不同种类的工艺、设备、工位布局的独特节拍优化方法进行收集，归纳总结成方法论和案例集进行推广和实践，需要持续进行，助力我国汽车工业提升制造效率。