吳章磊

（鄭州大學(xué)管理學(xué)院，河南鄭州 450001）

0 引言

制造業(yè)作為促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展及工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量提升的重要組成部分，在現(xiàn)代化及信息化社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)下，以自動(dòng)化焊接機(jī)器人為核心的自動(dòng)化生產(chǎn)線逐漸取代了以人工為主的傳統(tǒng)流水生產(chǎn)線。在現(xiàn)有自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線上進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，成為廣大制造型企業(yè)亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題[1-2]。對(duì)此，以自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線優(yōu)化的研究為討論方向，旨在為制造業(yè)自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線優(yōu)化提供理論指導(dǎo)與幫助。

1 自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線概述

自動(dòng)化焊接機(jī)器人功能模塊處理功能見表1。由焊接與機(jī)器人機(jī)械生產(chǎn)自動(dòng)化模塊組成。自動(dòng)焊接機(jī)器人技術(shù)涵蓋自動(dòng)裝載、數(shù)據(jù)處理、定位、夾持、自動(dòng)取料、自動(dòng)焊接、自動(dòng)搬運(yùn)、中間緩存等方面，構(gòu)成自動(dòng)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線。

表1 自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線流程

首先，該系統(tǒng)包含多個(gè)數(shù)字化處理節(jié)點(diǎn)，主要作用是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上各個(gè)部件單獨(dú)生產(chǎn)。自動(dòng)定位與夾具功能模塊包括無(wú)設(shè)定、無(wú)固定、可裝配、工作流轉(zhuǎn)移等功能，與CPC 組件一起構(gòu)成自動(dòng)化生產(chǎn)線重要組成部分。其次，該自動(dòng)化焊接機(jī)器人包含外部數(shù)據(jù)交流與處理、生產(chǎn)流程自動(dòng)規(guī)劃與優(yōu)化、工藝參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化、在線檢測(cè)與自動(dòng)補(bǔ)償、錯(cuò)誤分析與自動(dòng)化、智能故障診斷等6 大模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線智能化開發(fā)。在此基礎(chǔ)上，提出基于智能技術(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行全面分析。智能處理模塊是對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化，并協(xié)助生產(chǎn)線進(jìn)行知識(shí)管理。

2 自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線優(yōu)化

2.1 質(zhì)量?jī)?yōu)化

針對(duì)目前環(huán)衛(wèi)設(shè)備自動(dòng)焊接機(jī)器人在制造過程中出現(xiàn)產(chǎn)品一致性不高的問題，對(duì)其焊接技術(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行深入分析，分析得出造成這一問題的主要原因，并提出以下改進(jìn)措施：

2.1.1 提高對(duì)技能人員的甄選

自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線由多個(gè)工業(yè)機(jī)器人轉(zhuǎn)換設(shè)備組成，其中包含PLC 控制器。實(shí)際操作中各類系統(tǒng)都是高度專業(yè)化、綜合性的，且對(duì)員工特定職業(yè)技能水平需要求較高。應(yīng)保證工作人員具有一定理論知識(shí)、技術(shù)水平，來滿足機(jī)器人在工作中的工作要求，并為設(shè)備研究、防護(hù)工作、提高焊接作業(yè)效率提供依據(jù)[4]。

2.1.2 機(jī)器人焊接設(shè)備的選擇

自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線是由工業(yè)機(jī)器人、焊接設(shè)備、輔助設(shè)備等3 個(gè)部分構(gòu)成，其特點(diǎn)和性能、技術(shù)指標(biāo)也各不相同，在生產(chǎn)實(shí)踐中，需要對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，保障企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化。機(jī)械焊接設(shè)備選用，應(yīng)根據(jù)實(shí)際焊接需求，選用適當(dāng)?shù)暮附庸に嚕ヅ渥钸m合的焊接設(shè)備配置。對(duì)各類設(shè)備進(jìn)行改善與優(yōu)化，以達(dá)到最大限度利用其價(jià)值，并能更好將各類設(shè)備進(jìn)行合理組合，為機(jī)器人在制造過程中發(fā)揮最佳性能提供更好的環(huán)境。

2.1.3 需要深度優(yōu)化切割和沖壓的質(zhì)量

在焊接機(jī)器人焊接作業(yè)過程中，既要保證切割機(jī)和沖壓件的下料精度，又要對(duì)裁剪、沖裁工序進(jìn)行分析，以此才能保證機(jī)器人焊接工作順利實(shí)施，從而保證焊接質(zhì)量。

2.2 生產(chǎn)線優(yōu)化

焊接機(jī)器人比獨(dú)立機(jī)器人成本要低得多，但在投入使用之前要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行安裝調(diào)試。對(duì)此，無(wú)論是沖壓還是裁剪，都需要有著嚴(yán)格的質(zhì)量要求。因此，從各方面來看，在工序復(fù)雜的生產(chǎn)過程中，自動(dòng)焊接是不可或缺的。另外，還要考慮到不同物流方式和不同產(chǎn)品需求，一條可量產(chǎn)8 萬(wàn)臺(tái)產(chǎn)品的生產(chǎn)線，按照產(chǎn)能來劃分，一共有兩條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線產(chǎn)能4 萬(wàn)臺(tái)，既可降低成本，又可降低風(fēng)險(xiǎn)。在選擇物流方式時(shí)候，要綜合考慮生產(chǎn)線的工作節(jié)拍、物流通道的通暢度，根據(jù)具體情況，做出相應(yīng)分析，最好解決辦法就是解決工作站和產(chǎn)能分配問題，同時(shí)，對(duì)不同工作站進(jìn)行深入研究，可極大提高其靈活性，因此，要進(jìn)行科學(xué)分析，結(jié)合實(shí)際情況，選擇最適合的生產(chǎn)線[5]。

2.2.1 成本分析

針對(duì)環(huán)衛(wèi)設(shè)備自動(dòng)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線遇到工藝瓶頸問題，技術(shù)人員進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化。在生產(chǎn)線上增設(shè)一臺(tái)焊接機(jī)器人，配備一名B 級(jí)操作員（A 級(jí)為技術(shù)人員，B 級(jí)為指一般技工，C 級(jí)為實(shí)習(xí)生）。比較方案時(shí)，分析兩個(gè)方案執(zhí)行成本，即訓(xùn)練成本，按照訓(xùn)練時(shí)間和零部件需求，每個(gè)產(chǎn)品大約0.07 元；該方案效益是提高產(chǎn)量、降低攤銷費(fèi)用、降低直接人工費(fèi)用，優(yōu)化方案一的制造費(fèi)用為每件96.9 元。第二個(gè)項(xiàng)目費(fèi)用是設(shè)備投資大約65 000 元；第二個(gè)方案效益是提高產(chǎn)量、降低攤銷費(fèi)用、降低直接人工費(fèi)用，優(yōu)化方案二的制造費(fèi)用為93.2 元/件。

2.2.2 關(guān)鍵部件分析

針對(duì)環(huán)衛(wèi)設(shè)備自動(dòng)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線上管線焊接工藝缺陷，技術(shù)人員根據(jù)鋼管加工原理，對(duì)其進(jìn)行工藝優(yōu)化。選用較大壁厚管材，進(jìn)行原材料焊接，并配備翻邊和預(yù)熱裝置。傳統(tǒng)關(guān)鍵部件生產(chǎn)問題見表2。

表2 進(jìn)氣法蘭PFMEA

設(shè)計(jì)圖中吸氣法蘭厚度為10-0.5mm，而不包括凸起情況下，其厚度為14+0.6mm。目前供貨商在選用15 mm 厚的鋼板進(jìn)行沖壓后，通過銑削加工方式來滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸和凸緣平整度要求。經(jīng)團(tuán)隊(duì)分析，建議供應(yīng)商將鋼板厚度減到10 mm，沖裁后進(jìn)行翻邊加工，節(jié)約原料的同時(shí)，減少PFMEARPN 值，從而消除潛在危險(xiǎn)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用魚骨圖方法，對(duì)各種影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明，原料拉伸能力已達(dá)到極限。因?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸是固定的，改變?cè)牧弦?guī)格的成本很高，所以期望采用工藝方式來減少它的折損率。從生產(chǎn)實(shí)踐來看，在翻邊之前，對(duì)沖壓零件進(jìn)行預(yù)熱，翻邊溫度達(dá)到40 ℃，可提高產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度，具體參數(shù)見表3。

表3 優(yōu)化后進(jìn)氣法蘭關(guān)鍵尺寸記錄 mm

在上、下兩個(gè)殼體沖壓過程中，無(wú)論是通過PFMEA 分析，還是在現(xiàn)場(chǎng)使用檢具進(jìn)行GO/NOGO 測(cè)試，均未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題。通過對(duì)上、下半殼體加工過程進(jìn)行分析，采用三坐標(biāo)法對(duì)其半成品進(jìn)行測(cè)量，并與工藝設(shè)計(jì)者對(duì)預(yù)設(shè)變形參數(shù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在落料、預(yù)成形、沖孔等工序均符合圖紙尺寸要求，且尺寸變化發(fā)生切割加工后。切割中，上、下兩個(gè)殼體分離，產(chǎn)生局部應(yīng)力，使得上、下兩個(gè)殼體外形產(chǎn)生不可預(yù)料變形。加工中，其實(shí)就是將氧氣傳感器和螺帽表面進(jìn)行平整，因此上一步變形并沒有被修正。因此，在生產(chǎn)工藝中可在上、下兩個(gè)殼體外形設(shè)計(jì)上添加獨(dú)立模具，以保證其外形符合設(shè)計(jì)尺寸要求。

2.3 優(yōu)化效果

在對(duì)環(huán)衛(wèi)設(shè)備自動(dòng)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化中，技術(shù)人員對(duì)優(yōu)化后生產(chǎn)線進(jìn)行成本計(jì)算、質(zhì)量狀態(tài)分析、生產(chǎn)節(jié)拍分析和PFMEA 分析。在成本方面，通過優(yōu)化，每個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)成本減少10.57 元，使成本得到明顯優(yōu)化；在焊接機(jī)器人質(zhì)量狀況方面，發(fā)現(xiàn)其返工率、故障率分別下降12%、1.4%。在生產(chǎn)節(jié)拍方面，從152 s 減少到110 s，提高了生產(chǎn)效率。通過PFMEA 方法，極大提高了鋼管工藝能力，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。總體上，對(duì)環(huán)衛(wèi)設(shè)備自動(dòng)焊接機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化，取得了較好效果，提高了經(jīng)濟(jì)效益、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

通過對(duì)環(huán)衛(wèi)設(shè)備自動(dòng)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線的改造，對(duì)其進(jìn)行深入分析，找出其存在缺陷。在分析生產(chǎn)線缺陷時(shí)，應(yīng)采用成本計(jì)算、質(zhì)量狀態(tài)分析、生產(chǎn)節(jié)拍分析和PFMEA 分析等方法。在成本核算中，確定各生產(chǎn)環(huán)節(jié)投入費(fèi)用，并結(jié)合作業(yè)節(jié)拍分析內(nèi)容，對(duì)影響生產(chǎn)效率因素進(jìn)行分析，找到降低成本原因，并制訂有針對(duì)性優(yōu)化方案。在質(zhì)量狀況分析中，通過對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，研究其熔深、熔寬、品粒度、邊傾角等性能指標(biāo)，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)焊接機(jī)器人焊接工藝存在的問題，并提出相應(yīng)改進(jìn)措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

選取某生產(chǎn)企業(yè)環(huán)衛(wèi)設(shè)備自動(dòng)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線優(yōu)化為研究案例。根據(jù)上述方法確定優(yōu)化方案，可對(duì)優(yōu)化后生產(chǎn)線進(jìn)行測(cè)試，以檢驗(yàn)該優(yōu)化方案可行性和有效性。針對(duì)測(cè)試結(jié)果存在的缺陷，通過新的改進(jìn)和優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線的持續(xù)優(yōu)化和提升，從而提高其生產(chǎn)效率和質(zhì)量，促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展。隨著焊接工藝技術(shù)的不斷創(chuàng)新以及機(jī)器人制造工藝的日益完善，未來的自動(dòng)化焊接機(jī)器人整體智能化水平將會(huì)有質(zhì)的飛躍。