工业机器人的动作优化在汽车制造领域中经济效益浅析

李建东 安同

摘要：近“中国制造2025”和“德国工业4.0” 都是在新一轮科技革命和产业变革背景下针对制造业发展提出的一个重要战略举措，在汽车制造领域中大批机器人投入车间中;下部车身UB工位设备运行稳定、故障率较低节拍速度快，而地板和机舱总成工位为分装线线体，是瓶颈工位会拖慢整体的生产节拍，为实现最大收益势必要对生产节拍进行优化，通过对机器人的分析;本文以整车制造中焊装厂的前后地板总成与机舱总成自动线机器人节拍优化为切入点，优化生产节拍从而降低生产成本。

关键词：工业机器人  汽车制造焊装  节拍优化  降低成本

引言

近年来，中国制造业发展迅猛，工业机器人在汽车制造业更是全面覆盖，随着发展，在汽车领域中，码垛机器人、搬运机器人、电焊、弧焊等机器人的大规模投用，对汽车的要求也是逐年提升，汽车企业大都是同一线体中生产不同的车型，其中在一定时间内的产量多与少，是由最慢的工位决定的，就像一个木桶装多少水取决于最小的那块木板，生产节拍在生产中至关重要，它能够直接反应出车间的生产效率也同时能够映射出该车企的造车水准。

在这大趋势下，根据现场环境对自动线体进行改造就极具意义了。分析机器人运行轨迹，以及人工上件工位是否有动作浪费。通过以上几点方向对生产节拍进行优化，提升生产效率，提高企业的市占率、减少生产成本，以及同时对行业内相关问题进行参考。

第一章原因分析

前期车身工艺规划，焊装二线 UB 自动线整体出车节拍为 85 秒，每小时出车 42 台。因 UB 自动线只有UB10工位为拼接，设备运行稳定、故障率较低。前后地板、机舱自动线为分装线线体，因板件状态不稳定导致自动线工艺故障问题频发，且前后地板、机舱自动线出车节拍无法达到85秒的出车效率，导致机舱、前后地 板NL-3车型出车效率无法满足UB自动线生产需求，大大降低了生产焊装自动线整体出车效率。例如以下工位为影响自动线整体出车效率的瓶颈工位：

1.机舱自动线整体节拍94S，其中 ER110工位节拍为瓶颈 工位，节拍为 94 秒，其它剩余工位都在85秒以内。因 ER110 人工上件为两次，第一次上件完毕员工出工位安全区进行确认操作后才允许进行二次上件作业，且工位夹具滑台轨道也相对较长，上件工位运行到工作位占用大量的人工工作时间，影响生产效率，降低产量。   （图 1为ER110工位）

2.后地板自动线整体出车节拍为 91秒，其中RF080工位节拍为瓶颈工位，节拍为 91秒，此工位为机器人飞行焊，焊点较多。RF010、RF040、RF060、RF070、RF090、RF110 因焊点分布问题，机器人相互之间存在干涉等待时间，工位节拍均在 85-90 秒。（图2为 RF080 工位）

3.前地板自动线整体节拍90秒，其中FF040工位节拍为瓶颈工位节拍为90秒，其它剩余工位能够满足85秒出车节拍。

总结：综合以上问题，前后地板、机舱自动线节拍不满足生产需求，生产效率低。 特别在现在高产阶段员工每天工作时间长，无疑增加了员工劳动强度，导致员工抱怨大。提升出车效率为关键，可通过优化焊点分布及优化 PLC 逻辑控制歩，部分工位的可以通过优化机器人工作轨迹来达到节拍提升的效果

第二章相关数据

下图3为改善前各线体节拍统计。可以从图中明显看到，机舱、前后地板各个工位的生产节拍，其中超过85s的工位有7个工位。其中ER110/FF040/RF080为重点瓶颈工位。

第三章设定计划

机舱地板自动線的整体出车 节拍要加快 9 秒以上，整体节拍至少达到 85 秒，才能达到要求。以现场节拍最慢ER110工位和 RF080 为例，ER110 需要进行滑台、人工、还有红色线为 UB 线体 85s机器人焊点及PLC等多方面进行调整。RF080R16 机器人焊钳为固定焊钳（固定焊钳有三个风险点：焊接飞溅较大，修磨不干净，容易产生虚焊），改善的过程中我 们要在完成目标的同时，也要解决掉这些风险点。

第四章项目改造措施

1.前地板具体优化方案：优化FF040 R7机器人提前开始抓件，JG01夹具打开的同时进入Seg1工作歩到夹具正上方等待抓件，JG01夹具完全打开后机器人进入Seg2开始抓件。同时优化FF040工位R4、R5机器人焊点移动4个，2个移至空中补焊位，2个移至FF060工位R14、R8机器人焊接，减少工位焊接时间，预计减少6S。移动焊点如下图：

机器人与夹具的布置图：

2.后地板具体优化方案：后地板RF110工位RF90R8机器人上件速度为10s如图4，按照部门标准常规机器人抓件并离开干涉区，包含抓手气缸一次动作时间为6s/件;提高机器人速度到6s;生产节拍提升了4s。

后地板RF110R22机器人，在焊接完之后开始打开时点慢，焊接机器人焊接完之后在干涉区外可以提前打开，节拍提升3s。

3.机舱具体优化方案

ER11滑台运行速度提升到90如图6所示

人工两次分别上件更改PLC程序逻辑为一次上件完成后确认工作完成如图7所示。同时优化R4机器人抓手提前进入抓件程序，夹具打开的同时进入Seg1工作歩等待抓件，等待夹具完全打开后，机器人进入 Seg2 工作歩开始抓件，机舱总体节拍提升了9s。

第五章效果确认总结

经过优化后前后地板、机舱满足UB自动线整体生产节拍，提高了机舱、前后地板NL-3车型整体出车节拍，减少了UB自动线生产等待时间达到设定目标，图8数据为当前自动线节拍数据：

1.有形效果

前后地板NL-3系列车型节拍均为94秒，节拍优化后全线NL-3系列车型将为85秒，整体节拍提升9秒。按照2020年产量大纲如图9，NL-3整车出车150000台，相当于节省375小时。

节约成产时间：每年节省时间80000*9/3600=200h。

2020年1-10月份根据实际能耗统计，平均单台能耗成本52.4元，共计节能成本200h*3600s/85*52.4=44.3万元，

节约人工成本：焊装自动线总人数200人计算，人工成本16.5元/小时，大约节省200*200*16=66.66万元。

每年节约人工成本和能耗成本大约55.4万元+66.66万元=122.06万元。

2.成果固化

优化后每小时出车大约37～39台，整体出车节拍提升9s，生产效率相较于优化前每小时生产效率提升7台左右。

第六章结束语

随着工业技术发展在汽车制造领域中，自动化率大幅度提升，机器人大量投用代替人工已成主流。本章通过针对于国内某汽车厂焊装车间自动线上机器人的焊点挪移和人工工位优化降低生产成本所介绍的方法和思路，其他自动化制造业亦可参考不仅限于汽车领域。

参考文献：

[1]杜志忠，刘伟.点焊机器人系统及编程应用.

[2]ABB点焊机器人部携两大最新技术亮相 [M]. 国际金属加工网

[3]ABB机器人手册.3HAC026820-en [M]. ABB公司，2016.

[4]胡晟明，王林辉，朱利莹 工业机器人应用存在人力资本提升效益吗？

[5]陈志雅，宋和平马怀镇，李延静 焊装车间机器人的节拍分析及优化设计

作者简介：

1.李建东（1998—）男，本科，设备维修技术工程师，主要从事设备管理和维护工作。

2.安同（1991-），男，本科江苏大学，机器人工程师，主要从事机器人维护调试