王海平

（1.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江 杭州 310015；2.亞歐汽車制造(臺(tái)州)有限公司，浙江 臺(tái)州 318057）

隨著中國(guó)制造2025戰(zhàn)略不斷推進(jìn)，制造業(yè)正加速向智能化方向轉(zhuǎn)型。在當(dāng)今自動(dòng)化設(shè)備密集型的制造業(yè)，隨著企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，企業(yè)需要在保證生產(chǎn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)和方法上的創(chuàng)新來(lái)提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本?，F(xiàn)以P公司涂裝車間機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線工藝優(yōu)化為案例，找出影響機(jī)器人噴涂效率的問題，挖掘自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備的潛力，減少生產(chǎn)制造損失，提高自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備的利用率，總結(jié)歸納出一套提升自動(dòng)化生產(chǎn)線的改善方法。

1 約束理論基礎(chǔ)

約束理論(Theory of Constraints，簡(jiǎn)稱TOC)是企業(yè)識(shí)別并消除在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)過程中存在的制約因素(即約束)的管理理念和原則，最早于20世紀(jì)80年代由以色列物理學(xué)家及企業(yè)管理大師Goldratt博士提出[1]。TOC理論的主要功能就是如何消除生產(chǎn)線各工序存在的瓶頸因素，通過對(duì)生產(chǎn)線各瓶頸工序進(jìn)行持續(xù)改善來(lái)提高整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。TOC理論的主要實(shí)施步驟如圖1所示。

圖1 TOC理論的改善步驟Figure 1 Improvement steps of the theory of constraints

2 機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線的工藝流程

機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線是汽車整車涂裝車間中比較關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，整個(gè)流程就是完成對(duì)車身內(nèi)外板油漆的噴涂。目前P公司涂裝車間采用最新的水性免中涂(簡(jiǎn)稱B1B2)工藝，取消了車身中涂層的噴涂，代之以具有中涂層功能的色漆，使整個(gè)噴涂工藝更加環(huán)保和節(jié)能。機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線是一條自動(dòng)化程度為100%的流水線，共計(jì)8個(gè)工作站，每個(gè)工作站的設(shè)備都是按照既定的程序自動(dòng)進(jìn)行作業(yè)并完成生產(chǎn)任務(wù)。具體工藝流程如圖2所示。每個(gè)工作站的設(shè)備數(shù)量及工藝任務(wù)詳見表1。

圖2 機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線的工藝流程Figure 2 Process flowchart of robotic spraying line

表1 各工位的設(shè)備數(shù)量及工藝任務(wù)Table 1 Equipment quantity and process task of each station

3 機(jī)器人噴涂工藝的優(yōu)化

機(jī)器人噴涂工藝的優(yōu)化需要以整條機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線的產(chǎn)能為基礎(chǔ)，即需要均衡整條生產(chǎn)線各工序設(shè)備的生產(chǎn)效率。機(jī)器人噴涂工藝的優(yōu)化基于TOC理論方法對(duì)影響機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線的瓶頸問題進(jìn)行識(shí)別，最大限度地提高瓶頸工序的利用率，通過對(duì)瓶頸問題的解決來(lái)提升機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線效率，然后重返第一步重新對(duì)機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線的瓶頸問題進(jìn)行識(shí)別，再進(jìn)行優(yōu)化改善。通過不斷識(shí)別問題，改善問題，并進(jìn)行持續(xù)改善，最終達(dá)到提升整條生產(chǎn)線效率的目的。

3.1 優(yōu)化模型及流程

對(duì)機(jī)器人噴涂作業(yè)時(shí)間優(yōu)化需要保證車身噴涂膜厚、外觀色差和橘皮等質(zhì)量不能變化，因此在優(yōu)化過程中盡量不調(diào)整機(jī)器人噴涂軌跡和參數(shù)。如果一定要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，必須依據(jù)機(jī)器人噴涂數(shù)學(xué)模型[2]，如式(1)所示。

式中Q為噴涂的涂料流量(單位：mL/min)，δ為干膜厚度(單位：μm)，η為機(jī)器人噴涂的上漆率(單位：%)，wNV為涂料施工固體分(單位：%)，b為機(jī)器人噴幅的寬度(單位：mm)，ν為機(jī)器人噴涂移動(dòng)速率(單位：mm/s)。

優(yōu)化過程主要依據(jù)ECRSI改善原則，即取消(Eliminate)、合并(Combine)、重排(Rearrange)、簡(jiǎn)化(Simplify)和增加(Increase)。對(duì)機(jī)器人噴涂作業(yè)時(shí)間或動(dòng)作進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，要重復(fù)執(zhí)行“ECRSI”改善，通過不斷優(yōu)化、實(shí)踐、分析和再優(yōu)化來(lái)達(dá)到更高的效率[3]。對(duì)機(jī)器人噴涂軌跡和參數(shù)優(yōu)化的流程如圖3所示。

圖3 機(jī)器人噴涂?jī)?yōu)化流程Figure 3 Optimization process of robotic spraying

3.2 瓶頸問題的識(shí)別

機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線的設(shè)備與設(shè)備之間聯(lián)鎖信號(hào)較多，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依靠人員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)無(wú)法做到精確。為了消除人員統(tǒng)計(jì)誤差，更準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)每個(gè)自動(dòng)化設(shè)備的作業(yè)時(shí)間，利用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)原理[4]，統(tǒng)一在設(shè)備的PLC(可編程邏輯控制器)程序中設(shè)定計(jì)時(shí)功能，然后將設(shè)備程序記錄的設(shè)備作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)統(tǒng)一存入設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)里，使用Power BI工具與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，隨時(shí)抓取設(shè)備作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)備作業(yè)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和分析，從設(shè)備作業(yè)開始到結(jié)束，記錄整個(gè)作業(yè)過程中的詳細(xì)數(shù)據(jù)。Power BI工具與設(shè)備控制層數(shù)據(jù)庫(kù)相連，控制層可以直接訪問設(shè)備層的數(shù)據(jù)，具體收集數(shù)據(jù)的方式如圖4所示。

圖4 Power BI工具采集數(shù)據(jù)的方式Figure 4 Data collection mode of the tool Power BI

通過抓取設(shè)備系統(tǒng)相關(guān)機(jī)器人的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)工藝問題進(jìn)行分析，設(shè)備程序中都會(huì)記錄每臺(tái)機(jī)器人的作業(yè)時(shí)間和作業(yè)順序。機(jī)器人噴涂時(shí)連續(xù)完成兩個(gè)產(chǎn)品之間的時(shí)間間隔，即生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品所需要的平均時(shí)間，被稱為機(jī)器人作業(yè)循環(huán)時(shí)間(Cycle time，簡(jiǎn)稱CT)[5]，它等于噴涂時(shí)間加上清洗換色時(shí)間。噴涂時(shí)間是從機(jī)器人開始噴涂到完成噴涂作業(yè)所需的時(shí)間，包括有效噴涂時(shí)間和機(jī)器人噴涂過程中的等待時(shí)間；清洗換色時(shí)間是當(dāng)需要噴涂不同顏色車身時(shí)，從噴涂完成上一臺(tái)車身后，機(jī)器人自動(dòng)開始對(duì)霧化器系統(tǒng)進(jìn)行清洗并更換上下一臺(tái)車所需要噴涂的油漆所需要的時(shí)間。機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線上各工作站設(shè)備的作業(yè)時(shí)間見表2。

表2 機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線產(chǎn)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Productivity data of robotic spraying line

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分類，以每個(gè)工作站實(shí)際輸出的產(chǎn)能作為統(tǒng)一計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)8個(gè)工作站的產(chǎn)能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖5所示?？梢娭萍s機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線產(chǎn)能提升的工作站為BC0外部底漆、BC2外部色漆和CC1外部清漆。按照TOC理論解決問題的步驟，優(yōu)先解決最大的制約因素，即機(jī)器人BC0外部底漆工作站的問題，然后重新對(duì)生產(chǎn)線制約問題進(jìn)行識(shí)別，并進(jìn)行持續(xù)改善，直到影響生產(chǎn)線的制約因素全部解決。解決問題的順序如圖6所示。

圖5 機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)Figure 5 Productivity statistics of robotic spraying line

圖6 機(jī)器人噴涂工藝優(yōu)化流程Figure 6 Optimization flowchart of robotic spraying process

3.3 瓶頸問題的改善分析及解決措施

3.3.1 BC0外部底漆機(jī)器人瓶頸問題的改善分析及解決措施

BC0外部底漆工作站共計(jì)4臺(tái)噴涂機(jī)器人，順序?yàn)長(zhǎng)1→R1→L2→R2，設(shè)備分布如圖7所示。

圖7 BC0外部底漆工作站的機(jī)器人分布Figure 7 Distribution of robots in BC0 exterior primer spraying workstation

從該工作站內(nèi)機(jī)器人的作業(yè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)(見表3)可以發(fā)現(xiàn)，R1和R2機(jī)器人作業(yè)循環(huán)時(shí)間已超出生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間，是該工作站的瓶頸設(shè)備。

表3 BC0外部底漆工作站機(jī)器人作業(yè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 3 Operation time of robots in BC0 exterior primer spraying workstation

3.3.1.1 改善分析

(1) 為了防止機(jī)器人噴涂時(shí)發(fā)生碰撞，在控制程序中通過設(shè)定干涉區(qū)來(lái)防止兩臺(tái)機(jī)器人進(jìn)入同一個(gè)噴涂區(qū)域。R1機(jī)器人噴涂車身后背門時(shí)由于干涉區(qū)存在，導(dǎo)致有4 s的等待時(shí)間，R2機(jī)器人噴涂車身大頂、機(jī)蓋時(shí)有5 s的等待時(shí)間。

(2) R1和R2機(jī)器人噴涂過程存在一些多余的動(dòng)作浪費(fèi)，如噴涂轉(zhuǎn)彎時(shí)、姿勢(shì)調(diào)整時(shí)、清洗換色時(shí)等。

3.3.1.2 解決措施

(1) 調(diào)整機(jī)器人BC0外部底漆工作站機(jī)器人的噴涂分區(qū)，將L1機(jī)器人噴涂作業(yè)內(nèi)容與L2機(jī)器人進(jìn)行互換，通過調(diào)整機(jī)器人噴涂分區(qū)，消除了機(jī)器人相互之間干涉所產(chǎn)生的等待。

(2) 在機(jī)器人仿形程序中對(duì) R1和 R2機(jī)器人噴涂轉(zhuǎn)彎和姿勢(shì)調(diào)整時(shí)多余的動(dòng)作軌跡進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，直接刪除非必要的動(dòng)作。針對(duì)機(jī)器人清洗換色，非必要的動(dòng)作直接刪除，必要的動(dòng)作進(jìn)行速度提升。

3.3.2 BC2外部色漆機(jī)器人瓶頸問題的改善分析及解決措施

BC2外部色漆工作站有 8臺(tái)噴涂機(jī)器人，車身共計(jì)噴涂?jī)杀?，第一遍的作業(yè)順序?yàn)?L1→R1→L2→R2，第二遍的作業(yè)順序?yàn)長(zhǎng)3→R3→L4→R4，設(shè)備分布如圖8所示。

圖8 BC2外部色漆工作站的機(jī)器人分布Figure 8 Distribution of robots in BC2 exterior paint spraying workstation

通過表4可以發(fā)現(xiàn)，R1、R2、R3和R4機(jī)器人的作業(yè)循環(huán)時(shí)間大于生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間，已成為該工作站的瓶頸設(shè)備，需要進(jìn)行優(yōu)化改善。

表4 BC2外部色漆工作站機(jī)器人作業(yè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 4 Operation time of robots in BC2 exterior primer spraying workstation

3.3.2.1 改善分析

(1) 原因與3.3.1.1節(jié)中(1)相同， 由于噴涂干涉區(qū)影響，R1和R3機(jī)器人噴涂車身后背門時(shí)有3 s的等待時(shí)間，R2和R4機(jī)器人噴涂車身大頂、機(jī)蓋時(shí)有4 s的等待時(shí)間。

(2) 為了防止兩側(cè)的機(jī)器人噴涂不同顏色時(shí)會(huì)產(chǎn)生污染，在交互區(qū)域通過設(shè)定不同的移動(dòng)速率來(lái)調(diào)整左右兩側(cè)機(jī)器人的噴涂距離，右側(cè)機(jī)器人(R1、R2、R3和 R4)的移動(dòng)速率比左側(cè)機(jī)器人(L1、L2、L3和 L4)低50 cm/min，因此右側(cè)機(jī)器人的作業(yè)時(shí)間比左側(cè)機(jī)器人長(zhǎng)。

(3) BC2外部色漆機(jī)器人噴涂不同顏色涂料存在清洗不干凈的現(xiàn)象，因此通過延長(zhǎng)清洗時(shí)間來(lái)提高機(jī)器人的清洗效果，然而19 s清洗換色時(shí)間顯得較長(zhǎng)。

3.3.2.2 解決措施

(1) 解決措施與3.3.1.2節(jié)中(1)相同，調(diào)整BC2外部色漆工作站機(jī)器人的噴涂分區(qū)，L1與L2的作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行互換，L3與L4的作業(yè)內(nèi)容互換，以消除機(jī)器人的等待時(shí)間。

(2) 在上述(1)的改善措施基礎(chǔ)上，通過調(diào)整左右兩側(cè)機(jī)器人噴涂軌跡的順序，避免相鄰機(jī)器人之間產(chǎn)生交互區(qū)，對(duì)右側(cè)機(jī)器人的噴涂速率進(jìn)行提升，保證兩側(cè)噴涂速率一致。

(3) 根據(jù)不同顏色涂料的黏度、固體分等參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)開關(guān)閥的順序、開啟時(shí)間、吹掃壓力、流量等進(jìn)行測(cè)試，通過調(diào)試來(lái)確定最優(yōu)的清洗換色時(shí)間。

3.3.3 CC2外部清漆機(jī)器人瓶頸問題的改善分析及解決措施

CC2外部清漆工作站共計(jì) 6臺(tái)機(jī)器人，工藝設(shè)計(jì)與色漆工藝相同，車身需要噴涂?jī)杀椋谝槐榈淖鳂I(yè)順序?yàn)長(zhǎng)1→R1→L2，第二遍為L(zhǎng)3→R3→R4，設(shè)備分布如圖9所示。通過表5可以發(fā)現(xiàn)，CC2工作站內(nèi)所有機(jī)器人的作業(yè)循環(huán)時(shí)間均大于生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間，已成為該工作站的瓶頸設(shè)備，需要進(jìn)行優(yōu)化改善。

表5 CC2外部清漆工作站機(jī)器人作業(yè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 5 Operation time of robots in CC2 exterior varnish spraying workstation

圖9 CC2外部清漆工作站的機(jī)器人分布Figure 9 Distribution of robots in CC2 exterior varnish spraying workstation

3.3.3.1 改善分析

(1) 在仿真軟件發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)速率在450 ~ 650 cm/min之間不等，速率不均衡導(dǎo)致機(jī)器人噴涂效率和利用率較低。

(2) L1、R1、L3和R3機(jī)器人噴涂車身左右兩邊的門框部位時(shí)與L2和R4機(jī)器人之間存在噴涂重疊現(xiàn)象。

(3) L2和R4機(jī)器人在噴涂車身機(jī)蓋和大頂時(shí)的順序是由近到遠(yuǎn)，機(jī)器人噴涂完機(jī)蓋向大頂移動(dòng)的過程中存在動(dòng)作浪費(fèi)的現(xiàn)象。

3.3.3.2 解決措施

(1) 在保證噴涂質(zhì)量的前提下，將機(jī)器人噴涂車身重要部位時(shí)的移動(dòng)速率調(diào)整到500 ~ 600 cm/min，非重要部位的移動(dòng)速率調(diào)整到650 ~ 750 cm/min。通過提高機(jī)器人的移動(dòng)速率，節(jié)省了3 s的噴涂時(shí)間。

(2) 優(yōu)化機(jī)器人在車身左右門框上噴涂時(shí)重疊部位的軌跡，將重疊部位的噴涂由兩次改成一次。

(3) 將L2和R4機(jī)器人的噴涂順序改成由遠(yuǎn)到近，以消除機(jī)器人噴涂過程中的動(dòng)作浪費(fèi)。

3.4 優(yōu)化效果的驗(yàn)證

對(duì)機(jī)器人噴涂工藝進(jìn)行優(yōu)化后，BC0外部底漆、BC2外部色漆和 CC1外部清漆3個(gè)工作站的效率得到了提高，改善效果如圖10所示。

圖10 機(jī)器人噴涂工藝優(yōu)化改善前后的效果對(duì)比Figure 10 Comparison of effect before and after robot spraying process optimization and improvement

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)、智能維修、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)著汽車制造業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，改變了人們對(duì)設(shè)備管理和思維的方式。面對(duì)新形勢(shì)下的機(jī)器人自動(dòng)化設(shè)備，依靠傳統(tǒng)的方法很難找出設(shè)備存在的問題。隨著汽車制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，企業(yè)只能通過提升生產(chǎn)效率、降低制造成本來(lái)提升競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在當(dāng)前新形勢(shì)下，智能化設(shè)備在制造業(yè)中發(fā)揮的作用越來(lái)越重要。面對(duì)高自動(dòng)化的設(shè)備管理，不但需要有快速的反應(yīng)去接受科技創(chuàng)新，還需要能夠結(jié)合實(shí)際需要，找到科學(xué)的方法去提升生產(chǎn)效率和設(shè)備管理水平。