自动化焊接机器人生产线优化研究

吴章磊

（郑州大学管理学院，河南郑州 450001）

0 引言

制造业作为促进地方经济发展及工业产品质量提升的重要组成部分，在现代化及信息化社会发展趋势下，以自动化焊接机器人为核心的自动化生产线逐渐取代了以人工为主的传统流水生产线。在现有自动化焊接机器人生产线上进行优化与创新，成为广大制造型企业亟待解决的现实问题[1-2]。对此，以自动化焊接机器人生产线优化的研究为讨论方向，旨在为制造业自动化焊接机器人生产线优化提供理论指导与帮助。

1 自动化焊接机器人生产线概述

自动化焊接机器人功能模块处理功能见表1。由焊接与机器人机械生产自动化模块组成。自动焊接机器人技术涵盖自动装载、数据处理、定位、夹持、自动取料、自动焊接、自动搬运、中间缓存等方面，构成自动焊接机器人生产线。

表1 自动化焊接机器人生产线流程

首先，该系统包含多个数字化处理节点，主要作用是实现生产线上各个部件单独生产。自动定位与夹具功能模块包括无设定、无固定、可装配、工作流转移等功能，与CPC 组件一起构成自动化生产线重要组成部分。其次，该自动化焊接机器人包含外部数据交流与处理、生产流程自动规划与优化、工艺参数自动优化、在线检测与自动补偿、错误分析与自动化、智能故障诊断等6 大模块，实现自动化生产线智能化开发。在此基础上，提出基于智能技术自动控制系统，并对其进行全面分析。智能处理模块是对生产线进行优化，并协助生产线进行知识管理。

2 自动化焊接机器人生产线优化

2.1 质量优化

针对目前环卫设备自动焊接机器人在制造过程中出现产品一致性不高的问题，对其焊接技术和工艺参数进行深入分析，分析得出造成这一问题的主要原因，并提出以下改进措施：

2.1.1 提高对技能人员的甄选

自动化焊接机器人生产线由多个工业机器人转换设备组成，其中包含PLC 控制器。实际操作中各类系统都是高度专业化、综合性的，且对员工特定职业技能水平需要求较高。应保证工作人员具有一定理论知识、技术水平，来满足机器人在工作中的工作要求，并为设备研究、防护工作、提高焊接作业效率提供依据[4]。

2.1.2 机器人焊接设备的选择

自动化焊接机器人生产线是由工业机器人、焊接设备、辅助设备等3 个部分构成，其特点和性能、技术指标也各不相同，在生产实践中，需要对其特点进行详细分析，保障企业经济效益最大化。机械焊接设备选用，应根据实际焊接需求，选用适当的焊接工艺，匹配最适合的焊接设备配置。对各类设备进行改善与优化，以达到最大限度利用其价值，并能更好将各类设备进行合理组合，为机器人在制造过程中发挥最佳性能提供更好的环境。

2.1.3 需要深度优化切割和冲压的质量

在焊接机器人焊接作业过程中，既要保证切割机和冲压件的下料精度，又要对裁剪、冲裁工序进行分析，以此才能保证机器人焊接工作顺利实施，从而保证焊接质量。

2.2 生产线优化

焊接机器人比独立机器人成本要低得多，但在投入使用之前要花费大量的时间进行安装调试。对此，无论是冲压还是裁剪，都需要有着严格的质量要求。因此，从各方面来看，在工序复杂的生产过程中，自动焊接是不可或缺的。另外，还要考虑到不同物流方式和不同产品需求，一条可量产8 万台产品的生产线，按照产能来划分，一共有两条生产线，每条生产线产能4 万台，既可降低成本，又可降低风险。在选择物流方式时候，要综合考虑生产线的工作节拍、物流通道的通畅度，根据具体情况，做出相应分析，最好解决办法就是解决工作站和产能分配问题，同时，对不同工作站进行深入研究，可极大提高其灵活性，因此，要进行科学分析，结合实际情况，选择最适合的生产线[5]。

2.2.1 成本分析

针对环卫设备自动焊接机器人生产线遇到工艺瓶颈问题，技术人员进行针对性优化。在生产线上增设一台焊接机器人，配备一名B 级操作员（A 级为技术人员，B 级为指一般技工，C 级为实习生）。比较方案时，分析两个方案执行成本，即训练成本，按照训练时间和零部件需求，每个产品大约0.07 元；该方案效益是提高产量、降低摊销费用、降低直接人工费用，优化方案一的制造费用为每件96.9 元。第二个项目费用是设备投资大约65 000 元；第二个方案效益是提高产量、降低摊销费用、降低直接人工费用，优化方案二的制造费用为93.2 元/件。

2.2.2 关键部件分析

针对环卫设备自动焊接机器人生产线上管线焊接工艺缺陷，技术人员根据钢管加工原理，对其进行工艺优化。选用较大壁厚管材，进行原材料焊接，并配备翻边和预热装置。传统关键部件生产问题见表2。

表2 进气法兰PFMEA

设计图中吸气法兰厚度为10-0.5mm，而不包括凸起情况下，其厚度为14+0.6mm。目前供货商在选用15 mm 厚的钢板进行冲压后，通过铣削加工方式来满足图纸设计尺寸和凸缘平整度要求。经团队分析，建议供应商将钢板厚度减到10 mm，冲裁后进行翻边加工，节约原料的同时，减少PFMEARPN 值，从而消除潜在危险。项目团队利用鱼骨图方法，对各种影响因素进行分析，结果表明，原料拉伸能力已达到极限。因为产品设计尺寸是固定的，改变原材料规格的成本很高，所以期望采用工艺方式来减少它的折损率。从生产实践来看，在翻边之前，对冲压零件进行预热，翻边温度达到40 ℃，可提高产品抗拉强度，具体参数见表3。

表3 优化后进气法兰关键尺寸记录 mm

在上、下两个壳体冲压过程中，无论是通过PFMEA 分析，还是在现场使用检具进行GO/NOGO 测试，均未发现质量问题。通过对上、下半壳体加工过程进行分析，采用三坐标法对其半成品进行测量，并与工艺设计者对预设变形参数进行比较。结果表明，在落料、预成形、冲孔等工序均符合图纸尺寸要求，且尺寸变化发生切割加工后。切割中，上、下两个壳体分离，产生局部应力，使得上、下两个壳体外形产生不可预料变形。加工中，其实就是将氧气传感器和螺帽表面进行平整，因此上一步变形并没有被修正。因此，在生产工艺中可在上、下两个壳体外形设计上添加独立模具，以保证其外形符合设计尺寸要求。

2.3 优化效果

在对环卫设备自动焊接机器人生产线进行优化中，技术人员对优化后生产线进行成本计算、质量状态分析、生产节拍分析和PFMEA 分析。在成本方面，通过优化，每个产品生产成本减少10.57 元，使成本得到明显优化；在焊接机器人质量状况方面，发现其返工率、故障率分别下降12%、1.4%。在生产节拍方面，从152 s 减少到110 s，提高了生产效率。通过PFMEA 方法，极大提高了钢管工艺能力，降低企业生产成本。总体上，对环卫设备自动焊接机器人进行优化，取得了较好效果，提高了经济效益、生产效率、产品质量，促进生产企业可持续发展。

通过对环卫设备自动焊接机器人生产线的改造，对其进行深入分析，找出其存在缺陷。在分析生产线缺陷时，应采用成本计算、质量状态分析、生产节拍分析和PFMEA 分析等方法。在成本核算中，确定各生产环节投入费用，并结合作业节拍分析内容，对影响生产效率因素进行分析，找到降低成本原因，并制订有针对性优化方案。在质量状况分析中，通过对焊接机器人进行焊接实验，研究其熔深、熔宽、品粒度、边倾角等性能指标，并与标准值进行比较，发现焊接机器人焊接工艺存在的问题，并提出相应改进措施。

3 结束语

选取某生产企业环卫设备自动焊接机器人生产线优化为研究案例。根据上述方法确定优化方案，可对优化后生产线进行测试，以检验该优化方案可行性和有效性。针对测试结果存在的缺陷，通过新的改进和优化方法，实现自动焊接机器人生产线的持续优化和提升，从而提高其生产效率和质量，促进其可持续发展。随着焊接工艺技术的不断创新以及机器人制造工艺的日益完善，未来的自动化焊接机器人整体智能化水平将会有质的飞跃。