于光輝 郭東棟 牛振 姚森

摘要：為解決焊裝車間產(chǎn)能不足的問題，通過對(duì)生產(chǎn)線產(chǎn)能瓶頸區(qū)域進(jìn)行分析研究，根據(jù)不同工位所具有的特點(diǎn)使用工藝再平衡和工藝順序優(yōu)化2種方法降低工位節(jié)拍，實(shí)施過程中使用影像動(dòng)作分析法對(duì)每個(gè)工位進(jìn)行動(dòng)作分解，使每一部分的細(xì)微步驟都能展現(xiàn)出來，同時(shí)過程中借助ECRS原則對(duì)優(yōu)化點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，最終成功對(duì)2個(gè)點(diǎn)焊工位實(shí)施節(jié)拍優(yōu)化，優(yōu)化后有效解決了生產(chǎn)線產(chǎn)能不足的問題。在對(duì)點(diǎn)焊技術(shù)的優(yōu)化中沒有進(jìn)行參數(shù)調(diào)整從而降低了質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，也為其他類似技術(shù)工位節(jié)拍優(yōu)化提供了另一條途徑。

關(guān)鍵詞：節(jié)拍 工藝再平衡 工藝順序 ECRS原則 生產(chǎn)線平衡

中圖分類號(hào)：U468.1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220229

Abstract： In order to solve the problem of insufficient production capacity in the welding work shop， through the analysis and research on the production line production capacity bottleneck area， 2 process optimization methods， i.e. process rebalancing and process sequence optimization， were applied to reduce the station cycle time according to the characteristics of different stations. In the implementation process， the image motion analysis method was utilized for motion decomposition of each station， to reveal the small steps of every part. At the same time， ECRS principle was used to optimize the optimization points. Finally， the cycle time optimization was successfully implemented for the 2 spot welding stations. The cycle time reduction directly improves the production capacity of the production line. There was no parameter adjustment for the optimization of spot welding process， which provided another approach to reduce the cycle time of similar station.

Key words： Cycle time， Process rebalancing， Process sequence， ECRS principle， Line balance

1 前言

在汽車制造的沖壓、焊裝、涂裝和總裝4大工藝中，焊裝制造工藝通過引入大量的機(jī)器人及自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)焊、弧焊、壓鉚、流鉆、涂膠熱連接、機(jī)械連接和膠接的技術(shù)跨越。在不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)也為后續(xù)序列化生產(chǎn)中做精益管理提供機(jī)會(huì)，其中在不進(jìn)行新投資的情況下，通過工藝優(yōu)化、設(shè)備優(yōu)化、機(jī)器人軌跡優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)低成本的產(chǎn)能提升，有很大的改善空間，已經(jīng)被越來越多的車企運(yùn)用并有了很大的管理突破。對(duì)生產(chǎn)線實(shí)施工藝再平衡、工藝順序優(yōu)化、冗余工藝減少、工藝變更都屬于工藝優(yōu)化范疇。

2 生產(chǎn)線產(chǎn)能情況及工藝介紹

某車型隨著市場(chǎng)需求的增加，原有的設(shè)計(jì)產(chǎn)能已無法滿足要求，需要對(duì)生產(chǎn)線的潛能進(jìn)行挖掘?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)能提升。通過對(duì)生產(chǎn)線的產(chǎn)能分析，識(shí)別出部分工位為瓶頸區(qū)域，需要對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行節(jié)拍優(yōu)化。在設(shè)備綜合開動(dòng)率不變的情況下，通過節(jié)拍降低實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的提升，其中產(chǎn)能與節(jié)拍的關(guān)系如公式（1）所示[1]。

[JPH=（3 600×OEE）/CT]? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[JPH]為單位小時(shí)產(chǎn)量；[OEE]為綜合設(shè)備開動(dòng)率；[CT]為生產(chǎn)線瓶頸節(jié)拍。

其中某生產(chǎn)線TS11為其中的節(jié)拍瓶頸區(qū)域，區(qū)域由4個(gè)工位組成，除生產(chǎn)線前后的提升機(jī)外，包括點(diǎn)焊補(bǔ)焊工位ST330、點(diǎn)焊補(bǔ)焊工位ST340、點(diǎn)焊補(bǔ)焊工位ST350、人工工位ST360，改善前生產(chǎn)線各工序工時(shí)如表1所示，生產(chǎn)線的平衡率[LBR]如公式（2）所示[2-3]。

[LBR=inTjCT×n×100%]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[Tj]是每個(gè)工位標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)；[n]是生產(chǎn)線中工位總數(shù)；[CT]是瓶頸工位節(jié)拍。

TS11生產(chǎn)線的生產(chǎn)線平衡率為97%，為實(shí)現(xiàn)該生產(chǎn)線更高的產(chǎn)能輸出，需要對(duì)其中的ST330和ST340 2個(gè)工位的節(jié)拍進(jìn)行優(yōu)化，這2個(gè)工位完成點(diǎn)焊的補(bǔ)焊工作，單臺(tái)機(jī)器人完成11點(diǎn)～18點(diǎn)不等的點(diǎn)焊焊接。

3 分析與優(yōu)化

3.1 節(jié)拍不平衡原因分析

按照原有設(shè)計(jì)產(chǎn)能要求，上述工位均能滿足節(jié)拍要求，但從生產(chǎn)線潛能和二次產(chǎn)能提升的角度評(píng)估，生產(chǎn)線在工藝設(shè)計(jì)階段還有進(jìn)一步改善的空間。出現(xiàn)瓶頸情況的工位中的機(jī)器人工作量并不完全均衡，多余的部分工作量成為了產(chǎn)能提升優(yōu)化的重點(diǎn)。所以在后續(xù)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中不但要從全局的角度考慮整體生產(chǎn)線的節(jié)拍情況，也要從局部的角度評(píng)估島內(nèi)每臺(tái)機(jī)器人的工作量均衡情況。

3.2 影像動(dòng)作分析

在TS11生產(chǎn)線的4個(gè)工位中，工序時(shí)間較長(zhǎng)的2個(gè)工位是自動(dòng)化點(diǎn)焊機(jī)器人。對(duì)自動(dòng)化率較高的工位進(jìn)行節(jié)拍分析時(shí)，適合使用影像動(dòng)作分析法[4-5]。根據(jù)視頻記錄將整個(gè)過程根據(jù)不同的工藝內(nèi)容劃分為不同部分，對(duì)每一部分進(jìn)行細(xì)節(jié)分析，借助ECRS減少等待時(shí)間、進(jìn)行工序調(diào)整和工序重布原則，從而縮短整個(gè)工位的節(jié)拍時(shí)間[6]。TS11生產(chǎn)線如圖1所示，ST330工位為整條生產(chǎn)線的第2個(gè)工位，里面擁有6臺(tái)六軸點(diǎn)焊機(jī)器人；ST340工位有4臺(tái)六軸點(diǎn)焊機(jī)器人，這2個(gè)工位的零件傳輸采用輥床輸送的方式。

優(yōu)化前對(duì)ST330和ST340工位進(jìn)行視頻錄制，根據(jù)工藝內(nèi)容將整個(gè)工作時(shí)序時(shí)間劃分為3個(gè)部分，分別為輥床輸送及定位夾具夾緊、點(diǎn)焊焊接工藝、定位夾具打開及輥床輸送[7]。對(duì)這3個(gè)部分進(jìn)行分析，分別統(tǒng)計(jì)出各部分的所用時(shí)間。工位節(jié)拍分析如圖2所示，ST330工位輥床輸送和定位夾具運(yùn)行時(shí)間為7 s，6臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人中ST330RB400和ST330RB300用時(shí)最長(zhǎng)且都是46 s，所焊接的點(diǎn)數(shù)分別為15個(gè)和16個(gè)，這2臺(tái)機(jī)器人是工時(shí)優(yōu)化的重點(diǎn)突破口。

其中，ST340工位的機(jī)器人中ST340RB300和ST340RB400用時(shí)最長(zhǎng)。RB300焊接16個(gè)焊點(diǎn)用時(shí)47 s；RB400焊接14個(gè)焊點(diǎn)用時(shí)46 s。輥床輸送和定位夾具動(dòng)作時(shí)間和ST340相同，具體各部分所用時(shí)間如圖3所示。

結(jié)合影像和PLC信號(hào)監(jiān)控分析，對(duì)比發(fā)現(xiàn)多組夾具同步運(yùn)行不存在某些氣缸運(yùn)動(dòng)遲滯的現(xiàn)象，且運(yùn)行速度適中，同時(shí)分析輸送輥床水平運(yùn)動(dòng)方向和豎直運(yùn)動(dòng)方向的時(shí)間-速度曲線目前處在較為合適的范圍內(nèi)，不宜再次進(jìn)行時(shí)間壓縮，輸送輥床時(shí)間-轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。經(jīng)過分析焊點(diǎn)機(jī)器人焊接工藝部分存在很大的優(yōu)化空間。

同時(shí)，在核算工位節(jié)拍的過程中因焊點(diǎn)性質(zhì)不一樣，時(shí)間也略有不同。一般而言，帶Framer夾具的定位點(diǎn)節(jié)拍為4.5 s，普通定位點(diǎn)節(jié)拍為3 s，普通補(bǔ)焊點(diǎn)節(jié)拍為2.5 s。根據(jù)這些時(shí)間進(jìn)行節(jié)拍優(yōu)化方案的初步制定，而后在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行可實(shí)施性驗(yàn)證和優(yōu)化后的工時(shí)測(cè)量。

3.3 工藝再平衡

工藝再平衡即對(duì)現(xiàn)有工位內(nèi)的工藝進(jìn)行重新梳理，統(tǒng)計(jì)出每臺(tái)設(shè)備工作負(fù)荷量，將負(fù)荷量高的機(jī)器人工作內(nèi)容向負(fù)荷量低的機(jī)器人進(jìn)行內(nèi)容的轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)不同機(jī)器人工作時(shí)長(zhǎng)的均衡，縮短機(jī)器人整體運(yùn)行時(shí)間[8-9]。如對(duì)點(diǎn)焊工位ST340工藝梳理獲得機(jī)器人負(fù)荷，340RB100機(jī)器人焊機(jī)14個(gè)焊點(diǎn)、340RB200機(jī)器人焊接14個(gè)焊點(diǎn)、340RB300機(jī)器人焊接16個(gè)焊點(diǎn)、340RB400機(jī)器人焊接14個(gè)焊點(diǎn)。其中340RB300和340BR400是工位的瓶頸機(jī)器人，對(duì)這2臺(tái)機(jī)器人的焊點(diǎn)進(jìn)行再平衡，經(jīng)過排查在臨近工位ST260的260RB300和260RB400機(jī)器人和上述瓶頸機(jī)器人工作區(qū)域范圍有重疊，可以進(jìn)行工藝再平衡方案評(píng)估。經(jīng)過測(cè)定ST260節(jié)拍為55 s，不是產(chǎn)能瓶頸區(qū)域，分別將340RB300和340RB400機(jī)器人的2個(gè)焊點(diǎn)移動(dòng)到260RB300和260RB400機(jī)器人中，經(jīng)過驗(yàn)證2把焊槍均能可達(dá)，可以進(jìn)行焊點(diǎn)再平衡轉(zhuǎn)移。經(jīng)過工藝平衡后2個(gè)工位的焊點(diǎn)數(shù)量和節(jié)拍變化情況如表2所示。

工藝再平衡可以通過工作量的轉(zhuǎn)移來解決節(jié)拍的短板效應(yīng)問題，但這種方式也有一定的局限性。首先接受工作內(nèi)容的工位必須有工時(shí)余量，增加工作內(nèi)容后節(jié)拍不會(huì)超出設(shè)定目標(biāo)，不能成為新的瓶頸工位；其次工作內(nèi)容轉(zhuǎn)移必須考慮設(shè)備的可達(dá)性，只有2個(gè)工位的工作范圍有一定的重疊區(qū)才有實(shí)施的可能性。在進(jìn)行ST330工位節(jié)拍優(yōu)化的過程中，其中一版方案也是將其中的2臺(tái)機(jī)器人部分焊點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，但是因?yàn)榭蛇_(dá)性存在問題，最終無法實(shí)施，只能采取其他方案。

3.4 工藝順序優(yōu)化

工藝順序優(yōu)化，即在一個(gè)循環(huán)內(nèi)一臺(tái)機(jī)器人需要完成多個(gè)工藝點(diǎn)，不同工藝點(diǎn)借助過渡軌跡先后進(jìn)行加工，通過調(diào)整工藝點(diǎn)的先后順序優(yōu)化過渡軌跡路徑，減少期間的等待時(shí)間，來降低節(jié)拍時(shí)間[9]。如在ST330工位無法使用工藝再平衡的方式進(jìn)行節(jié)拍優(yōu)化的背景下，使用工藝順序優(yōu)化的方式深入分析瓶頸機(jī)器人焊點(diǎn)的焊接順序。330RB300和330RB400機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，是該工位的瓶頸。通過視頻分析發(fā)現(xiàn)，這2臺(tái)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，原因是2臺(tái)機(jī)器人先后進(jìn)入與臨近機(jī)器人干涉區(qū)內(nèi)，其中330RB300在焊接完第10個(gè)焊點(diǎn)后與330RB500干涉，在干涉區(qū)外等待4 s；并且330RB400在焊接完第9個(gè)焊點(diǎn)后與330RB600和330RB300干涉，在2個(gè)干涉區(qū)外總計(jì)等待7 s，需要針對(duì)這2個(gè)較長(zhǎng)的等待時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化分析。ST330工位干涉區(qū)等待位置如圖5所示。

對(duì)330RB500和330RB600機(jī)器人的焊點(diǎn)順序進(jìn)行優(yōu)化。通過工藝卡確定可以進(jìn)行焊接順序優(yōu)化的局部區(qū)域，確定原則是根據(jù)過渡軌跡中的等待時(shí)間來確定焊點(diǎn)順序移動(dòng)數(shù)量；同時(shí)結(jié)合焊點(diǎn)所處位置，盡量保證被移動(dòng)的焊點(diǎn)處在同一區(qū)域，減少機(jī)器人過渡軌跡路徑，實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)拍縮減效果。

項(xiàng)目?jī)?yōu)化過程中根據(jù)等待時(shí)間和單個(gè)焊點(diǎn)的時(shí)間，確定對(duì)330RB500中3個(gè)焊點(diǎn)的焊接順序進(jìn)行調(diào)整，使330RB500提前對(duì)干涉區(qū)進(jìn)行釋放，330RB300更早進(jìn)入干涉區(qū)進(jìn)行焊接，減少等待時(shí)間，焊點(diǎn)順序優(yōu)化如圖6所示。對(duì)330RB600的1個(gè)焊點(diǎn)的焊接順序進(jìn)行調(diào)整，使干涉區(qū)提前釋放，330RB400更早進(jìn)入第1個(gè)干涉區(qū)，同時(shí)隨著330RB300的提前完成，提前釋放第2個(gè)干涉區(qū)，330RB400進(jìn)一步縮短等待時(shí)間，焊點(diǎn)順序優(yōu)化如圖7所示。

4 實(shí)施與改善

根據(jù)最新的焊點(diǎn)順序移動(dòng)方案，通過手動(dòng)操作的方式確定新移動(dòng)的焊點(diǎn)可達(dá)性。在這個(gè)過程中可以通過局部焊接程序剪切復(fù)制的方式快速完成新的焊接程序。其中最大的難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)是剪切后連接兩段新程序的過渡點(diǎn)，過渡點(diǎn)需要保證與其他機(jī)器人無碰撞風(fēng)險(xiǎn)，盡可能做最小的運(yùn)動(dòng)范圍。在驗(yàn)證過程中如部分焊點(diǎn)無法達(dá)到或是過渡軌跡機(jī)器人調(diào)整姿態(tài)范圍過大，應(yīng)及時(shí)修改方案。

機(jī)器人干涉區(qū)驗(yàn)證[10]，焊點(diǎn)順序調(diào)整過程中盡可能不要打破原有的機(jī)器人干涉區(qū)范圍，如必須打破干涉區(qū)范圍，需要添加必要新的干涉區(qū)監(jiān)控信號(hào)并重新驗(yàn)證，保證無碰撞風(fēng)險(xiǎn)。新的機(jī)器人程序編輯完畢后手動(dòng)操作進(jìn)行驗(yàn)證，無誤后采取逐漸增速的方式自動(dòng)驗(yàn)證。

通過工藝順序優(yōu)化的方式對(duì)ST330工位進(jìn)行優(yōu)化，工位整體節(jié)拍由60 s降低為57 s，優(yōu)化后的節(jié)拍分析如圖8所示。通過工藝再平衡的方式對(duì)ST340工位進(jìn)行優(yōu)化，工位的整體節(jié)拍有了明顯的改善，節(jié)拍時(shí)間由原來的61 s降低為58 s，優(yōu)化后的節(jié)拍分析如圖9所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)工位節(jié)拍優(yōu)化的過程中通過使用工藝優(yōu)化的方法從工藝再平衡和工藝順序優(yōu)化2種思路對(duì)自動(dòng)化機(jī)器人展開分析研究，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同的情況和限制因素，選擇合適的方法優(yōu)化實(shí)施，才能有效破解節(jié)拍瓶頸之困局。優(yōu)化實(shí)施后整體產(chǎn)線的平衡率提升至99%，產(chǎn)能提高2.6 JPH，有效解決了生產(chǎn)線的產(chǎn)能壓力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任偉， 張銳輝， 吳雙強(qiáng)， 等. JPH改善提升方法淺析[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)， 2019（10）： 236-237+240.

[2] 呂秀杰. 傳動(dòng)軸生產(chǎn)線平衡性分析與改進(jìn)[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2010（13）： 84-84.

[3] XIAO F，? SHAO L. Optimizing Production Line Balance Based on Witness Simulation[C]// The Institute of Electrical and Electronics Engineers， Inc.（IEEE） Conference Proceedings， 2018.

[4] 周凌君. C公司F生產(chǎn)線節(jié)拍平衡優(yōu)化研究[D].上海： 上海交通大學(xué)， 2017.

[5] SHAN H Y， LI L N， YUAN Y， et al. Simulation and Optimization of Production Line in Em-plant Based Assembly Workshop[C]// 2018 IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management （IEEM）， 2018.

[6] 張志強(qiáng)， 周炳海. 基于流程分析法的汽車座椅裝配生產(chǎn)線改善[J]. 機(jī)械制造， 2007， 45（10）： 56-59.

[7] 張曉龍， 馬立新， 楊磊， 等. 自動(dòng)化焊裝線的節(jié)拍設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 汽車工藝與材料， 2021（2）： 7-10.

[8] 秦志剛， 張洪亮. 汽車焊裝生產(chǎn)線節(jié)拍分析及優(yōu)化[J]. 汽車工藝與材料， 2021（8）： 57-60.

[9] 王洪濤， 高琳琳， 尚俊友， 等. 焊接順序?qū)嚿硌b焊工藝的影響[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)， 2016（1）： 119-121.

[10] 王健強(qiáng)， 王華國(guó)， 童育華， 等.汽車白車身機(jī)器人焊裝中的干涉區(qū)控制研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2010， 33（11）： 1623-1626+1633.