張映紅，覃軼毅，朱瑞丹

汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局研究與實(shí)踐

張映紅1，覃軼毅2，朱瑞丹1

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州545006；2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司柳州卷煙廠，廣西柳州545006）

了解汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線工作單元的基本組成和特點(diǎn)，運(yùn)用生產(chǎn)線布局的原則、類(lèi)型和設(shè)計(jì)方法，對(duì)汽車(chē)A型后地板左右縱梁總成，點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行布局設(shè)計(jì)和研究分析。闡述汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局在生產(chǎn)規(guī)劃中的重要性和作用，為企業(yè)升級(jí)改造設(shè)備，投資點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線提供鑒借。

汽車(chē)；點(diǎn)焊接機(jī)器人；生產(chǎn)線布局

汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線具有智能切換、高速輸送、質(zhì)量控制等諸多功能，能實(shí)現(xiàn)多種車(chē)型任意順序混流生產(chǎn)，滿足汽車(chē)車(chē)身生產(chǎn)對(duì)高綱領(lǐng)、高節(jié)拍、高柔性、自動(dòng)化、智能化焊裝線的生產(chǎn)需求，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期。同時(shí)，將汽車(chē)焊接工人從勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接煙塵、焊接飛濺和焊接弧光等惡劣的工作環(huán)境解脫出來(lái)。汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線成為當(dāng)今企業(yè)智能制造的發(fā)展方向之一。

一條汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線的投資大從幾百萬(wàn)到上億元，對(duì)汽車(chē)制造企業(yè)是筆不小的費(fèi)用。如何根據(jù)汽車(chē)產(chǎn)品點(diǎn)焊要求、生產(chǎn)綱領(lǐng)、生產(chǎn)工藝，在企業(yè)有限的空間內(nèi)，科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線布置方案，確保汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線的動(dòng)作最優(yōu)化，響應(yīng)時(shí)間短、單元緊湊、實(shí)現(xiàn)汽車(chē)產(chǎn)品點(diǎn)焊高質(zhì)量、高效率，低成本的生產(chǎn)需求等，是汽車(chē)制造企業(yè)最關(guān)注的問(wèn)題之一。本文將以一真實(shí)設(shè)計(jì)案例呈予讀者參考。

1 汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線工作單元的基本組成

汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線基本工作單元如圖1所示，主要由點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)（機(jī)器人系統(tǒng)、焊接設(shè)備、電極研磨系統(tǒng)、焊槍交換系統(tǒng)、機(jī)器人水氣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)）、焊接工裝夾具、物料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置、安全保護(hù)設(shè)施（安全護(hù)欄、安全光柵、安全門(mén)等）四大部分組成[1]。其特點(diǎn)是以點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)為中心的綜合性、高集成、多設(shè)備協(xié)同運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)焊工作單元的集合。表1為基本的點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)組成明細(xì)表。

圖1 點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)基本構(gòu)成

表1 點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)組成明細(xì)表

點(diǎn)焊機(jī)器人一般是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的6軸關(guān)節(jié)式，由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成。具有六個(gè)自由度，不僅能實(shí)現(xiàn)焊槍位置的可達(dá)性，還可實(shí)現(xiàn)焊槍的角度變化，能精確地保證機(jī)械手末端（焊槍?zhuān)┧蟮奈恢?、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。點(diǎn)焊機(jī)器人常用的型式為落地式和天井式，常用的承載有：120 kg、150 kg、200 kg三種。

點(diǎn)焊機(jī)器人又屬數(shù)控立體作業(yè)機(jī)床，市場(chǎng)有成品供應(yīng)，而點(diǎn)焊工裝夾具和物料裝置等沒(méi)有成品，需要根據(jù)產(chǎn)品點(diǎn)焊特點(diǎn)，產(chǎn)品工藝、工件焊點(diǎn)數(shù)量、點(diǎn)焊機(jī)器人類(lèi)型、物料轉(zhuǎn)運(yùn)方式、產(chǎn)量、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等要素進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，是對(duì)汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行再集成[2]。

2 汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局研究

汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局研究，就是通過(guò)分析汽車(chē)點(diǎn)焊產(chǎn)品、工藝、物流等相關(guān)要素，決定點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)與建筑物，點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)之間，點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)與焊接工裝夾具、物料裝置、安全保護(hù)設(shè)施等生產(chǎn)相關(guān)設(shè)施的位置，在一個(gè)有限的生產(chǎn)空間內(nèi)，科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局方案的過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)點(diǎn)焊生產(chǎn)的功能，進(jìn)行焊接產(chǎn)品的質(zhì)量與成本的控制。同時(shí)，也是指導(dǎo)汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線安裝的技術(shù)文件。

2.1 汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局的原則

汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局是遵循精益生產(chǎn)的理念建立生產(chǎn)線布局模型，杜絕浪費(fèi)、減少庫(kù)存、保持物流的順暢。即通過(guò)消除生產(chǎn)過(guò)程人員、機(jī)器、物料、方法、環(huán)境各個(gè)環(huán)節(jié)中的浪費(fèi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)五者最佳結(jié)合的布局，以達(dá)到生產(chǎn)和管理過(guò)程的精簡(jiǎn)高效的目標(biāo)。因此，汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局遵循工藝性原則、統(tǒng)一性原則、最短距離原則、物順暢原則、安全滿意原則、環(huán)保節(jié)能原則、經(jīng)濟(jì)性原則等相結(jié)合。

2.2 汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局的類(lèi)型

傳統(tǒng)的生產(chǎn)線布局的基本類(lèi)型有固定式、功能式、流程式和混合式四種布局類(lèi)型。而精益生產(chǎn)線布局的基本類(lèi)型有并聯(lián)、串聯(lián)、V型、U型和L型等五種布局類(lèi)型[3]。隨著社會(huì)的發(fā)展、市場(chǎng)需求的變化，大批量的生產(chǎn)方式將被多品種小批量的生產(chǎn)方式取代，傳統(tǒng)設(shè)備布局也隨之發(fā)展到精益設(shè)備布局。

2.3 汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局的設(shè)計(jì)方法

（1）分析汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線項(xiàng)目的可行性。根據(jù)新車(chē)型的產(chǎn)能規(guī)劃及新車(chē)型產(chǎn)品數(shù)模，確定工藝路線及生產(chǎn)場(chǎng)地，對(duì)點(diǎn)焊工裝夾具和點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)等生產(chǎn)相關(guān)要素的狀況進(jìn)行近期及遠(yuǎn)期生產(chǎn)可行性地分析。

（2）制定點(diǎn)焊產(chǎn)品工藝圖和確定汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線所需設(shè)備的清單。根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)模和焊接工藝，拆分工序，繪出各工序圖，確定各工序圖所需的點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)、焊接工裝夾具、物料裝置、安全保護(hù)設(shè)施、操作人員等清單數(shù)量[4]。

（3）設(shè)計(jì)汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局。根據(jù)點(diǎn)焊產(chǎn)品工序圖，所提供的點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)、焊接工裝夾具等數(shù)量清單，遵循精益生產(chǎn)設(shè)備布局原則，運(yùn)用汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局的類(lèi)型，同時(shí)，滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和周邊設(shè)備與生產(chǎn)環(huán)境對(duì)機(jī)器人之間的約束要求，進(jìn)行汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局的設(shè)計(jì)。

（4）運(yùn)用仿真技術(shù)。對(duì)所設(shè)計(jì)的汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局進(jìn)行仿真[5]，避免焊接機(jī)器人之間、焊接機(jī)器人與周邊設(shè)備的碰撞或干涉，減少設(shè)計(jì)缺陷，通過(guò)優(yōu)化和評(píng)估，找到科學(xué)、合理的布局方案，縮短安裝、調(diào)試周期，提高生產(chǎn)效率。

3 汽車(chē)點(diǎn)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)與實(shí)踐

3.1 生產(chǎn)產(chǎn)品的要求

以汽車(chē)A型，后地板左右縱梁總成點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目為例，進(jìn)行汽車(chē)點(diǎn)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)與實(shí)踐，項(xiàng)目主要指標(biāo)要求如下：生產(chǎn)綱領(lǐng)為30JPH，工位節(jié)拍≤108 s，右縱梁總成焊點(diǎn)≤140點(diǎn)，左縱梁總成焊點(diǎn)≤148點(diǎn)，設(shè)備開(kāi)動(dòng)率≥90%，產(chǎn)品精度合格率≥90%，焊接強(qiáng)度無(wú)虛焊，生產(chǎn)線不同車(chē)型切換，采用切換夾具的方式進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化焊裝生產(chǎn)線。

3.2 汽車(chē)點(diǎn)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線布局方案設(shè)計(jì)

根據(jù)汽車(chē)A型的后地板左右縱梁總成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、焊接點(diǎn)應(yīng)約在≤288和工位節(jié)拍≤108 s等要求，結(jié)合初選的機(jī)器人功能設(shè)計(jì)工藝路線方案，在考慮不同車(chē)型切換因素后，優(yōu)選其中兩種方案進(jìn)行點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線方案初步設(shè)計(jì)，確定與機(jī)器人配套工裝夾具品種及數(shù)量，建立點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線3D仿真系統(tǒng)并輸入機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)、焊接過(guò)程及工藝參數(shù)等，經(jīng)3D仿真運(yùn)行并調(diào)整后，完成了串聯(lián)式和流程式兩種布局方案設(shè)計(jì)如下：

方案一：生產(chǎn)線布局采用串聯(lián)式，占地面積為18 m×20 m，機(jī)器人14臺(tái)，焊槍數(shù)16把，焊鉗16把，工作人員4人，焊接夾具20套，工件上下料搬運(yùn)采用人工形式。設(shè)計(jì)汽車(chē)點(diǎn)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線布局方案，如圖2所示，經(jīng)最后的3D仿真技術(shù)評(píng)估，基本滿足生產(chǎn)線設(shè)計(jì)要求。

圖2 點(diǎn)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線布局圖（方案一）

方案二：生產(chǎn)線布局采用流程式，占地面積：20.5 m×14 m，機(jī)器人12臺(tái)，焊槍14把；焊鉗14把，工作人員4人，焊接夾具8套，增加了機(jī)器人抓手6套，工件焊接上下料搬運(yùn)主要采用機(jī)器人抓取形式。設(shè)計(jì)汽車(chē)點(diǎn)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線布局方案，如圖3所示，經(jīng)最后的3D仿真技術(shù)評(píng)估，基本滿足生產(chǎn)線設(shè)計(jì)要求。

圖3 點(diǎn)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線布局圖（方案二）

3.3 汽車(chē)點(diǎn)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)方案分析比較

對(duì)汽車(chē)A型，后地板左右縱梁總成點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局的兩個(gè)方案，將主要內(nèi)容和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所列。

表2 生產(chǎn)線兩布局方案主要內(nèi)容和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

對(duì)以上點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局方案分析：

方案一采用串聯(lián)式布局類(lèi)型，點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)工作單元按物流路線直線布局，將點(diǎn)焊機(jī)器人排成兩排，分別按汽車(chē)左／右縱梁進(jìn)行點(diǎn)焊裝配。物流線路在左右點(diǎn)焊機(jī)器人中間、有設(shè)備通道，方便維修。擴(kuò)大生產(chǎn)時(shí)，只需增加列數(shù)即可。不足之處是工件周轉(zhuǎn)方式單一，工件搬動(dòng)采用人工形式，自動(dòng)化程度不高，場(chǎng)地利用率較低。

方案二采用流程式布局類(lèi)型，點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)工作單元按照點(diǎn)焊工藝進(jìn)行布局，將機(jī)器人排成三排，中間一排設(shè)計(jì)布置6臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人，按照點(diǎn)焊工藝進(jìn)行汽車(chē)左/右縱梁點(diǎn)焊裝配，上下工件銜接較好。兩旁設(shè)計(jì)布置機(jī)器人抓手各3臺(tái)，工件搬動(dòng)自動(dòng)化程度較高。物流安排均在機(jī)器人外圍，保障物流暢通性，不足之處是生產(chǎn)線速度取決最慢焊接機(jī)器人系統(tǒng)工作單元。

將點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析比較：方案二比方案一，減少機(jī)器人2臺(tái)，減少焊接夾具12套，減少焊接點(diǎn)數(shù)2個(gè)點(diǎn)，縮短工位節(jié)拍4 s，減少占地面積72 m2，取消了切換盤(pán)，增加了機(jī)器人抓手6套。

綜合以上分析比較，方案二比方案一投入成本低，生產(chǎn)效率高、占地面積小，空間利用率高，自動(dòng)化程度也較高。最終選擇方案二實(shí)施。

4 結(jié)束語(yǔ)

在汽車(chē)點(diǎn)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線規(guī)劃投資建設(shè)項(xiàng)目中，對(duì)汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局的研究，是一個(gè)非常重要的前期準(zhǔn)備工作。雖然建設(shè)項(xiàng)目有要求指標(biāo)如焊接產(chǎn)品、生產(chǎn)綱領(lǐng)、工位節(jié)拍等，但可根據(jù)焊接生產(chǎn)工藝不同，設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的汽車(chē)點(diǎn)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線布局方案，所需要的機(jī)器人、焊槍、焊接夾具、操作人員、物流方式等生產(chǎn)要素的數(shù)量也就不同，直接影響汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線投入成本的高低，生產(chǎn)方式等。研究設(shè)計(jì)優(yōu)良的汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局，可為汽車(chē)智能化制造奠定良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，汽車(chē)點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)線布局，可直觀地為工程技術(shù)人員提供建設(shè)項(xiàng)目可行性分析、評(píng)審和優(yōu)化的依據(jù)，是提高工作效率的利器。

[1]黃水兒.焊接機(jī)器人在車(chē)身生產(chǎn)線中的規(guī)劃設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2004（1）：68-72.

[2]梁琦，陳文平.自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線的相關(guān)優(yōu)化研究[J].焊接技術(shù)，2015（7）：47-50.

[3]張映紅.設(shè)備管理與預(yù)防維修[M].2版．北京：北京理工大學(xué)出版社，2015：97-103.

[4]盧本，盧立楷.汽車(chē)機(jī)器人焊接工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：23-135.

[5]馬增輝.淺談數(shù)字化點(diǎn)焊機(jī)器人工作站布局規(guī)劃[C]//第八屆中國(guó)智能交通年會(huì)優(yōu)秀論文集——軌道交通北京：電子工業(yè)出版社，2013：684-687.

Research and Practice on the Production Line Layout of Auto Spot Welding Robot

ZHANG Ying-hong1，QIN Yi-yi2，ZHU Rui-dan1，
（1.Liuzhou Vocational&Technical College，Liuzhou Guangxi 545006，China；2.China Tobacco Guangxi industrial Co.，Ltd.，Liuzhou Cigarette Factory，Liuzhou Guangxi 545006，China）

To understand the basic composition and characteristics of the automobile welding robot production line work unit，application principle，types and design methods of production line layout，the A type car around the floor beam assembly，layout design and analysis of welding robot production line，expounds the importance and role of automobile welding robot production line layout in production planning the upgrading of equipment investment for the enterprise，provide reference for spot welding robot production line.

automobile；point welding robot；production line layout

TP242.2

A

1672-545X（2017）07-0138-03

2017-04-26

2016年校級(jí)教育教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目《面向”中國(guó)制造2025“機(jī)電裝備技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)研究》

張映紅（1960-），女，廣東興寧人，教授，研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電設(shè)備維修與管理；覃軼毅（1990－），男，廣西上林人，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化設(shè)備應(yīng)用與維護(hù)；朱瑞丹（1982－），男，廣東佛山人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電設(shè)備維修與管理。