自动化焊接区域的节拍平衡控制方法

摘 要：本文阐述了自动化焊接生产线较传统人工焊接生产线节拍平衡核算的差异与优势，结合某轻卡白车身焊接生产线开发为实例，对自动化程度高且复杂的地板自动化焊接区域、侧围自动化焊接区域进行节拍平衡控制，实现了机器人利用最大化，达到了较好的区域平衡效果。

关键词：区域节拍平衡;自动化生产线;机器人利用率

1 引言

随着汽车市场竞争激烈化及客户个性化需求的提升，同时企业也面临着用地资源紧张、车型种类增多、更新周期加快等，自动化柔性焊装线生产已成为当前汽车车身焊接的主流趋势。它最显著的优势就是能适应多品种车型、灵活程度高、占地面积集中，大大提高焊装线生产效率，降低人力成本的投入，可更好适应当今汽车市场车型不断更新换代快速化的客观需求[1]。自动化生产线为我们带来了诸多益处，但较传统的手工焊接生产线开发而言复杂性也随之增大。

汽车焊装生产线设计的核心在于优化和改善车间布局和生产线平衡这两个课题，优化工作的重心在于如何提高工装设备及加工设备利用率、平衡操作人员负荷、降低后续产线的维护成本，以此来确保生产线的持久稳定高效的运作[2]。因此如何实现焊接自动化生产线的节拍平衡尤为关键。

2 自动化焊接区域节拍核算差异

生產线平衡通常也被称为工序同期化，指的是通过对生产线上个工位的负荷进行尽可能的均衡调整，以便使得该生产过程各工位的操作时间尽可能的保持相近[3]。传统的人工焊接生产线规划以定人定岗为原则，在满足年产能规划前提下进行开发，单工位的节拍核算较为简单。以某轻卡白车身焊装线开发为例，要求双班年产5万台产能规划，单台节拍按以下公式计算：

R=T/Q

其中，R为生产线的单台节拍，T为年有效作业时间（年工作时间250天，乘以双班单天7.5*2小时，再乘以设备开动率90%，等于12150000秒），Q为年规划完成数量（5万台）。由此可得出R为243S/台。

由于传统手工焊接线需考虑到人工作业安全及人机工程等问题，在设计时须以定人定工位的方式规划。分到每个单工位上的节拍即等于单台节拍，这样在设计时可不用考虑复杂的区域内关系，只要每个工位满足单台节拍就符合开发要求，规划较为简单，但生产线工位众多，每个工位人员实际作业时间不可能刚好为单台节拍时间，很明显带来的是极大的人员成本浪费。

自动化焊接生产线以满足单台节拍为前提，将众多的工位按产品结构划分，如地板区域、侧围区域、机舱区域等。只要这些区域能满足单台节拍即可，而自动化设备如焊接机器人等带来的优势是区域间可夸工位作业，只要机器人与机器人间设置干涉区，在机器人半径能够够到范围都可以进行作业，这样可以小区域平衡掉工位间的作业时差，进而减少等待造成的浪费。区域节拍平衡核算涉及到该区域间所有设备、人员等的同步运行时序，较单工位而言是将该区域内所有相关时序图放置在一起并保证每个单位时间都是同步进行的，然后进行调整控制，牵扯到复杂的条件输入输出等逻辑关系。

3 复杂的自动化焊接区域节拍控制方法

就目前主流的焊接生产线规划方案，须考虑成本投入及投资收益问题，多将主焊线、地板线、侧围线区域布置自动化，采用机器人焊接方式将大的总成件合拼出来，区域间的输送多采用EMS、PICKUP、AGV等方式。其中主焊线多采用单一线为主，节拍核算较为简单。以某轻卡白车身焊装线开发为例，着重介绍地板区域、侧围区域这两块较为复杂的节拍平衡控制方法。

地板自动化焊接区域共设置10台机器人，以人工上件、机器人焊接、工位间机器人转运为主。焊接夹具按产品结构拆分为骨架总成焊接夹具1套、面板总成焊接夹具1套、骨架与面板合拼夹具2套，裙板总成焊接夹具1套。其中骨架总成焊接夹具与面板总成焊接夹具放置在1个转台上，骨架与面板合拼夹具2套放置在1个转台上，裙板总成焊接夹具独立成1套采用滑台结构上件。这样把地板区域拆分成3个小的区域，结合转台、滑台及机器人可夸工位作业等特性，可很好的平衡掉工序间的时差，优化至每个作业因子单台节拍内满时间工作。能实现这样的前提是尽量减少焊接合拼工序，所以在前期白车身开发阶段，减少地板总成结构层级尤为重要。

侧围自动化焊接区域囊括了左右侧围焊接共设置6台机器人，以人工上件、机器人焊接、工位件间机器人转运为主。以单边侧围总成为例拆分为内板总成、外板总成、侧围加强板合拼总成。焊接夹具按产品结构拆分各设置一套，其中侧围内板焊接夹具与侧围外板焊接夹具放置在1个转台上，侧围加强板焊接夹具独立成1套。焊接夹具及机器人对称布置，多采用机器人随行焊接，结合转台及机器人可夸工位作业等特性，左右侧围交替焊接出件，实现了每个作业因子单台节拍内满时间工作。这也是得益于在白车身开发前期减少了侧围总成的结构层级，即可减小工序间的累积误差保证白车身精度质量，也可更好的利用机器人随行焊接平衡工序间的节拍。

4 结论

自动化焊接区域节拍平衡控制是一个复杂的系统工程，在白车身设计开发前期的焊接SE同步工程分析中，综合其他因素尽可能的减少结构层级对后续焊装布局规划及实现自动化区域节拍平衡起着尤为关键的作用。自动化焊接区域利用转台结构、滑台结构、机器人随行抓件焊接方式等对机器人利用率提升及工序间的节拍平衡控制创造了更多的可能。

参考文献：

[1]彭裕磊.汽车自动化柔性焊装线技术探讨[J].装备维修技术，2019（03）：87-88.

[2]杨静.基于焊装生产线节拍平衡的布局优化研究[D].天津大学，2014.

[3]陈和烂.M汽车研发项目绩效管理研究[D].大连理工大学，2016.

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