基于自動焊45JPH 提速的焊裝生產線設備節拍規劃

肖 勇

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007）

0 引言

生產線平衡率是保證生產效率的主要指標，影響生產成本的高低[1]，生產線的節拍依靠人和設備，按照規劃的動作時序圖有序實現。其中設備動作時序包括各單體設備的聯動時序和設備自身的節拍，而設備的節拍需要靠設備自身的選型設計實現，選型設計的優劣決定了設備的運行穩定性和節拍能力是否滿足生產線按節拍正常運轉的需求。

某汽車制造廠焊裝生產線在爬坡過程中3 軸自動焊頻繁出現電機過載報警，無法達到節拍，本文以自動焊45JPH 提速為例，闡述生產線設備的節拍規劃方法。

1 自動焊節拍規劃

自動焊的組成部分主要有機械系統、電氣系統、輔助系統（潤滑、防塵等裝置）。其中電氣系統決定設備動作的實現，輔助系統作為設備的后勤保障，但真正決定系統穩定性和性能的主要還是機械系統。自動焊面臨的頻繁過載的主要報警原因屬于典型的機械系統問題，與元器件的選型和裝調質量息息相關。

1.1 電機節拍規劃

自動焊機械系統通用的設計流程見圖1。針對當前自動焊的過載報警問題，主要體現為電機性能達不到節拍提升的要求，這里以電機選型闡述其與節拍匹配的關系，通過45JPH 對自動焊的時間限定來優化電機選型，提升節拍。

圖1 自動焊機械系統通用設計流程

1.2 設計加速度規劃

加速度值不僅關系著自動焊系統的運動穩定性，更是與自動焊的節拍直接相關。

首先設自動焊的生產節拍為XJPH，則每件生產時間為T0=s，效率為η，則有效時間為。

在該工位上，工件的傳輸時間為T1，焊機從初始位置到焊接平面、從焊接平面返回初始位置以及焊機姿態調整的總時間為T2，共有Z 個焊點。由此可以算出每個焊點所需時間T=。每個焊點的焊接時間為T3，則焊點定位時間為T定位=T-T3=（-T3）s。按照勻加減速運動控制模式，相同時間值下，焊點之間距離越大，加速度要求越大。設最大焊點跨距為S，由公式2得最大加速度為[2]：

自動焊實際工作時主要參數：焊接16 點，45JPH 下給定運動時間為38 s，共行走21 步，單步平均距離S=52 mm，T2（起止時刻進出槍+程序處理+誤差）=5 s，T3（焊接42 周波+開關槍0.6）=1.44 s，計算得定位最大允許時間T定位=0.474 3 s，進一步計算得出45JPH 下自動焊的最小加速度a=0.924 7 m/s2。

因整個焊接循環過程中，點與點之間的軌跡不可能完全相同，其運動時間、加速度值、最大速度會存在差異，需要在后期所有機械元器件選型結束后，根據具體的軌跡再次進行節拍校核。

1.3 伺服電機選型

如圖2 所示，展示伺服電機選型過程中主要校核的幾個性能指標。以自動焊X 軸為例，計算當前AB MPL-B220T 0.62 kW伺服電機的各主要選型參數（表1）。可以看出除了最高轉速滿足要求外，慣量比、有效轉矩和最大實際轉矩均超過了額定值，當前電機不滿足45JPH 提升需求。

圖2 伺服電機選型基本流程

表1 AB MPL-B220T 0.62 kW 伺服電機主要參數值計算

1.4 節拍規劃

受采購周期影響，能夠滿足生產爬坡要求的時間節點只有AB MPL-A320P 1kW，以自動焊X 軸為例進行45JPH 節拍規劃，有2 個方案：只使用1 kW 電機，使用1 kW 電機+速比為4 的減速機。結合前文論述的計算方法，計算結果見表2，分析如下。

（1）組數1。運動距離一定、1 kW 電機驅動負載時，慣量比遠遠超標，對于電機啟停時的加減速沖擊很大，電機響應慢，工作很不穩定，故此方案直接淘汰。

（2）組數2。運動距離一定，基于表2 的許可時間、最小加速度，電機的最大速度在超標情況下才可以完成在0.474 3 s 內走完0.052 m 的行程。從組數2 的數據可以看出，電機轉矩還有一定的利用空間，這與加速度有關，而加速度又影響著運動時間，即節拍的提升。

基于既定的機械結構和電機，下面具體探討45JPH 節拍提升的可能性，以及電機的性能極限，作為整個設備組成的一個關鍵部分，這對于整個系統的性能衡量尤為重要。

（3）組數7。運動距離、最大運動時間、加速度如表2 取值，電機的最大轉矩達到許可極限值。對比組數2、3、4、5 的數據，可知加速度值越大電機實際轉矩越大，故此電機配合速比4 的減速機后最大加速度值不允許超過5.035 2 m/s2。

（4）組數3、4、5、6。運動距離、最大運動時間、加速度如表2 取值，電機的最短允許時間為0.386 s，否則最大速度將超標。運動距離一定時，電機在不同加速度情況下有著對應的最小允許運動時間。由組數5、6 得知，對既定電機，加速度提升到一定值后對于節拍的影響提升較小，但對電機性能影響較大，所以在許可范圍內，不是加速度越大速度提升越明顯。綜合系統性能和節拍，推薦使用組數3、4 的數據值，建議不要超過組數5 的數據值。

總結：基于單步序的最大允許動作時間，AB MPL-A320P 1kW+速比4 的減速機，可以滿足45JPH 節拍要求（基于平均跨距0.052 m），實際上還需要用同樣的方法對于表1 中各步序進行最終的節拍校驗，這里不再詳述。

1.5 主要機械組件節拍規劃概述

上文闡述的電機僅僅是整個自動焊機械系統的重要元器件之一，此外還有絲桿、導軌滑塊、軸承、焊鉗等，均需要按照相關設計方法和進行匹配性節拍規劃，限于篇幅不再詳述。

表2 45JPH 各方案節拍規劃計算結果

2 結論

以伺服電機的節拍規劃為例，探討以下內容。

（1）自動焊的節拍規劃和伺服電機的性能評估方法，可用于指導其他相關元器件的匹配性設計，對于組成生產線并實現生產線節拍的各設備的節拍規劃有較大參考意義。

（2）基于以上分析，通過更換伺服電機及減速機后，生產線已實現按照45JPH 穩定運行。