基于自動(dòng)化生產(chǎn)線的工藝優(yōu)化

陸德利 陳梁 黃丹 何柳

上汽通用五菱股份有限公司 廣西柳州市 545000

1 引言

工藝主要為生產(chǎn)制造服務(wù)，輔助為技術(shù)服務(wù)，是生產(chǎn)和技術(shù)之間承上啟下的橋梁。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到高質(zhì)高效生產(chǎn)而開(kāi)展各種方法論的制定和接地氣推廣。焊裝車(chē)間自動(dòng)化率高或者黑燈工廠生產(chǎn)線，現(xiàn)場(chǎng)基本上全是自動(dòng)化設(shè)備與機(jī)器人，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行改善，提升機(jī)器人或者自動(dòng)化設(shè)備利用率將會(huì)直接提升生產(chǎn)線產(chǎn)出。針對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行進(jìn)行工藝優(yōu)化，將會(huì)是工藝設(shè)計(jì)的重要部分。

2 工藝優(yōu)化理念

工藝優(yōu)化的核心目的，以顧客需求為中心，以消除浪費(fèi)為核心，使企業(yè)以最少的投入，獲取最佳的運(yùn)作效益，并提高對(duì)市場(chǎng)的快速反應(yīng)能力，使產(chǎn)品有高質(zhì)量、更低成本與更短生產(chǎn)周期。在車(chē)企焊裝車(chē)間白車(chē)身制造過(guò)程對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行工藝優(yōu)化，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行工藝優(yōu)化，減少不必要浪費(fèi)，提升生產(chǎn)線輸出節(jié)拍，提高機(jī)器人利用率。

3 工藝優(yōu)化方法

建立工藝優(yōu)化分析體系，形成工位級(jí)、線體級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的從上而下的分析模式（圖1），以工位優(yōu)化實(shí)施帶動(dòng)線體級(jí)得到優(yōu)化，由線體級(jí)優(yōu)化拉動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)得到優(yōu)化。優(yōu)化體系建立，避免頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳的分析模式，從整體著眼，從細(xì)節(jié)出發(fā)，對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與重整，消除優(yōu)化死角，提升生產(chǎn)線效率。

圖1 工位級(jí)、線體級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的關(guān)系

工位級(jí)：從精益現(xiàn)有工藝開(kāi)始，實(shí)行工藝標(biāo)準(zhǔn)化，推廣工藝精益化。

線體級(jí)：研究線體線平衡，均衡生產(chǎn)線效率，實(shí)現(xiàn)更高的勞動(dòng)生產(chǎn)率，消除不穩(wěn)定因素。

系統(tǒng)級(jí)：對(duì)現(xiàn)有的各工藝信息系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源，保證互聯(lián)互通。

3.1 工位級(jí)

工位是生產(chǎn)過(guò)程中最基本的單元，針對(duì)工位進(jìn)行工藝優(yōu)化，夯實(shí)生產(chǎn)線優(yōu)化的基礎(chǔ)。自動(dòng)化焊接工位，由工裝、焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等組成，通過(guò)PLC 控制工位動(dòng)作邏輯（圖2）。

圖2 工位動(dòng)作邏輯

3.1.1 機(jī)器人軌跡分析

采用工時(shí)分析軟件（圖3），解析工位內(nèi)每臺(tái)機(jī)器人動(dòng)作，識(shí)別機(jī)器人焊接軌跡中的多余動(dòng)作、等待動(dòng)作、不合理動(dòng)作順序及工位內(nèi)時(shí)間不均衡等。

圖3 ECRS工藝工時(shí)分析軟件

（1）減少多余動(dòng)作：分析機(jī)器人動(dòng)作合理性，調(diào)整機(jī)器人不合理的軌跡，減小機(jī)器人動(dòng)作幅度、優(yōu)化過(guò)渡點(diǎn)，縮小焊鉗開(kāi)口、動(dòng)作幅度能夠直線解決的就不用弧度。從細(xì)節(jié)上優(yōu)化機(jī)器人動(dòng)作軌跡，消除多余動(dòng)作，從而達(dá)到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率的提升，并提高機(jī)器人焊接能力。

（2）消除等待動(dòng)作：查看工位內(nèi)不同機(jī)器人聯(lián)合動(dòng)作，同一工位不同焊接機(jī)器人之間是否存在干涉等待。通過(guò)工位內(nèi)焊點(diǎn)順序及不同工位焊點(diǎn)位置的調(diào)整，消除等待時(shí)間，讓機(jī)器人利用率提升。

（3）調(diào)整不合理焊接順序：機(jī)器人任何動(dòng)作都是占用工位的CT 時(shí)間，相同焊點(diǎn)數(shù)量與位置不同的焊接順序，同樣會(huì)導(dǎo)致節(jié)拍不一樣，甚至導(dǎo)致焊接時(shí)間超節(jié)拍。滿足工位需求的前提下，統(tǒng)一在同一工位焊接，減少焊接姿態(tài)的變化次數(shù)，讓機(jī)器人焊接順序最優(yōu)化。

（4）改善工位內(nèi)時(shí)間不均衡：工位內(nèi)機(jī)器人之間焊接時(shí)間差異大，將會(huì)導(dǎo)致焊接時(shí)間短的機(jī)器人產(chǎn)生等待浪費(fèi)。通過(guò)調(diào)整工位內(nèi)機(jī)器人焊點(diǎn)數(shù)量均衡焊接時(shí)間。如果工位內(nèi)本身不能夠滿足，則需要通過(guò)產(chǎn)線其他工位共同調(diào)整焊點(diǎn)，讓工位內(nèi)達(dá)到均衡，讓機(jī)器人得到合理利用。

3.1.2 工位邏輯分析

改善工位動(dòng)作順序邏輯，將串聯(lián)動(dòng)作改為并聯(lián)動(dòng)作。現(xiàn)有的工位的控制邏輯是順序進(jìn)行，工藝設(shè)備完成一個(gè)動(dòng)作后再進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作：

（1）機(jī)器人焊接工位，焊接機(jī)器人完成焊接回到HOME 位置，發(fā)信號(hào)給PLC，工裝開(kāi)始開(kāi)夾；

（2）工裝開(kāi)夾完成后，搬運(yùn)取件機(jī)器人從HOME 位置啟動(dòng)去取件；

（3）取件機(jī)器人取件完成后，發(fā)出信號(hào)，放件機(jī)器人才啟動(dòng)進(jìn)行放件動(dòng)作；

（4）放件完成，放件機(jī)器人回到HOME位置之后，工裝關(guān)夾；

（5）關(guān)夾完成之后，焊接機(jī)器人才啟動(dòng)進(jìn)行焊接。此動(dòng)作順序，導(dǎo)致焊接機(jī)器人焊接完成后等待時(shí)間長(zhǎng)。

實(shí)際上，焊接機(jī)器人焊接過(guò)程中，搬運(yùn)機(jī)器人是可以提前到就近非干涉位置等待，而取件機(jī)器人離開(kāi)與焊接機(jī)器人干涉位置也可以進(jìn)行焊接。疊加取、放件與焊接的時(shí)間，可以有效提升工位的焊接工藝能力或者提升工位的輸出節(jié)拍。

3.2 線體級(jí)

線體是由多個(gè)工位，以流水線的方式組合起來(lái)。線體的分析從整體把握局部，從生產(chǎn)線的輸出節(jié)拍分析工位設(shè)計(jì)是否合理。對(duì)比不同工位的CT 時(shí)間，分析工藝設(shè)計(jì)是否最優(yōu)。在生產(chǎn)線的評(píng)估中，經(jīng)常采用線平衡墻進(jìn)行分析。

3.2.1 線平衡分析

“生產(chǎn)線工藝平衡”即是對(duì)生產(chǎn)的全部工序進(jìn)行平均化，調(diào)整各作業(yè)負(fù)荷，以使各作業(yè)時(shí)間盡可能相近。是生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)與作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化必須考慮的最重要的問(wèn)題。生產(chǎn)線工藝平衡的目的是通過(guò)平衡生產(chǎn)線使用現(xiàn)場(chǎng)更加容易理解“一個(gè)流”的必要性及“小單元生產(chǎn)”的編制方法，它是一切新理論新方法的基礎(chǔ)[3]。建立線平衡墻就是對(duì)比線體各工位的均衡性，將不均衡的工位，通過(guò)工藝優(yōu)化的方式進(jìn)行改善，多個(gè)不均衡的改善，有可能優(yōu)化1 個(gè)工位，或者優(yōu)化多臺(tái)機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)提速與降本。

對(duì)焊點(diǎn)需要移動(dòng)的工位生產(chǎn)視頻進(jìn)行詳細(xì)的要素（焊點(diǎn)）分析，細(xì)化到每一個(gè)焊點(diǎn)焊接的起止時(shí)間，分析工位節(jié)拍時(shí)間。

（1）采集現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)工位的視頻數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各個(gè)工位的CT 時(shí)間，建立線平衡墻。

（2）畫(huà)出生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)節(jié)拍時(shí)間，對(duì)比并計(jì)算每個(gè)工位與設(shè)計(jì)時(shí)間的差異。

（3）根據(jù)線平衡的情況，對(duì)不同工位焊接部位進(jìn)行分析，工位時(shí)間超過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)間的工位減少工位機(jī)器人焊點(diǎn)。

（4）工位時(shí)間低于設(shè)計(jì)時(shí)間較多的工位，需要適當(dāng)增加焊點(diǎn)。

（5）結(jié)合UG 分析靜態(tài)焊鉗焊接的可行性，確定初版工藝優(yōu)化方案，根據(jù)工藝時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)建立新的工位線平衡分析。

如果多個(gè)工位都是低于設(shè)計(jì)時(shí)間，則考慮優(yōu)化工位內(nèi)機(jī)器人數(shù)量或者優(yōu)化工位數(shù)量，從而達(dá)到效率提升與設(shè)備優(yōu)化的效果。

3.2.2 仿真分析

機(jī)器人模擬仿真的存在，可以讓工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方案更加合理，具有更高的可實(shí)施性。虛實(shí)結(jié)合，反向驗(yàn)證軟件計(jì)算的線平衡，對(duì)滿足節(jié)拍與設(shè)計(jì)預(yù)期的方案進(jìn)行實(shí)施，對(duì)不滿足設(shè)計(jì)預(yù)期方案進(jìn)行問(wèn)題原因分析，重新制定優(yōu)化方案。

（1）ROBOGUIDE仿真介紹：ROBOGUIDE中可以調(diào)用FANUC所有型號(hào)的機(jī)器人，同時(shí)自帶了多種數(shù)模，如圍欄、工作臺(tái)、控制柜等，方便模擬仿真。軟件包含搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴涂等工藝模塊，同時(shí)可以模擬變位機(jī)、機(jī)器人七軸等功能，對(duì)于應(yīng)用FAUNC 機(jī)器人的生產(chǎn)線，ROBOGUIDE 是一款高效高還原度的仿真軟件[2]。通過(guò)建立一個(gè)離線的三維環(huán)境，在其中模擬現(xiàn)實(shí)中的機(jī)器人和周邊設(shè)備的布局，并且利用TP 示教，進(jìn)一步模擬它的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)這樣的模擬可以驗(yàn)證布局的合理性，工藝方案的可行性同時(shí)獲得較準(zhǔn)確的周期時(shí)間[3]。

（2）工藝優(yōu)化方案驗(yàn)證：仿真機(jī)器人的軌跡，將工位級(jí)機(jī)器人軌跡優(yōu)化內(nèi)容體現(xiàn)到仿真中，給出當(dāng)前最優(yōu)機(jī)器人軌跡，并輸出離線程序供現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試使用。將符合優(yōu)化要求的方案實(shí)施，不符合要求的方案進(jìn)行修改，提升工作效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.3 系統(tǒng)級(jí)

生產(chǎn)線的改善并不是單獨(dú)的，也不是偶然的，而應(yīng)該是具有系統(tǒng)邏輯思想的。當(dāng)工位級(jí)與產(chǎn)線級(jí)的工藝優(yōu)化完成后，需要對(duì)生產(chǎn)線的改善進(jìn)行經(jīng)營(yíng)總結(jié)與標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)。

3.3.1 工藝優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)

（1）標(biāo)準(zhǔn)化的作用：在企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)之加入標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行模式一方面可以有利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的升級(jí)，同時(shí)還能夠使產(chǎn)品的生產(chǎn)制造更具規(guī)模，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而提高產(chǎn)品和企業(yè)在市場(chǎng)上的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。與此同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)還 能夠大大降低企業(yè)員工的工作強(qiáng)度，縮短生產(chǎn)時(shí)間，簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

（2）建立工藝優(yōu)化分析數(shù)據(jù)庫(kù)：將時(shí)序、工藝優(yōu)化改善方案形成經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及標(biāo)準(zhǔn)，提供給新產(chǎn)品工藝方案設(shè)計(jì)以及新生產(chǎn)線工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)過(guò)程的浪費(fèi)，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化與智能化生產(chǎn)線，通過(guò)工藝優(yōu)化的方法：

（1）簡(jiǎn)化工位機(jī)器人動(dòng)作，消除不必要的動(dòng)作與等待。

（2）調(diào)整機(jī)器人動(dòng)作順序，縮減機(jī)器人姿態(tài)變換次數(shù)，減少非增值。

（3）重排工位動(dòng)作邏輯，從控制系統(tǒng)上優(yōu)化工位節(jié)拍。

（4）均衡生產(chǎn)線CT 時(shí)間，讓機(jī)器人得到合理的利用，減少工位或者焊接設(shè)備投入。

（5）持續(xù)工藝優(yōu)化改善生產(chǎn)效率，迭代工藝時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)，將改善結(jié)果作為常態(tài)化實(shí)施，為新產(chǎn)品及新產(chǎn)線提供數(shù)據(jù)支持。