自動化焊接機器人生產線優化研究

吳章磊

（鄭州大學管理學院，河南鄭州 450001）

0 引言

制造業作為促進地方經濟發展及工業產品質量提升的重要組成部分，在現代化及信息化社會發展趨勢下，以自動化焊接機器人為核心的自動化生產線逐漸取代了以人工為主的傳統流水生產線。在現有自動化焊接機器人生產線上進行優化與創新，成為廣大制造型企業亟待解決的現實問題[1-2]。對此，以自動化焊接機器人生產線優化的研究為討論方向，旨在為制造業自動化焊接機器人生產線優化提供理論指導與幫助。

1 自動化焊接機器人生產線概述

自動化焊接機器人功能模塊處理功能見表1。由焊接與機器人機械生產自動化模塊組成。自動焊接機器人技術涵蓋自動裝載、數據處理、定位、夾持、自動取料、自動焊接、自動搬運、中間緩存等方面，構成自動焊接機器人生產線。

表1 自動化焊接機器人生產線流程

首先，該系統包含多個數字化處理節點，主要作用是實現生產線上各個部件單獨生產。自動定位與夾具功能模塊包括無設定、無固定、可裝配、工作流轉移等功能，與CPC 組件一起構成自動化生產線重要組成部分。其次，該自動化焊接機器人包含外部數據交流與處理、生產流程自動規劃與優化、工藝參數自動優化、在線檢測與自動補償、錯誤分析與自動化、智能故障診斷等6 大模塊，實現自動化生產線智能化開發。在此基礎上，提出基于智能技術自動控制系統，并對其進行全面分析。智能處理模塊是對生產線進行優化，并協助生產線進行知識管理。

2 自動化焊接機器人生產線優化

2.1 質量優化

針對目前環衛設備自動焊接機器人在制造過程中出現產品一致性不高的問題，對其焊接技術和工藝參數進行深入分析，分析得出造成這一問題的主要原因，并提出以下改進措施：

2.1.1 提高對技能人員的甄選

自動化焊接機器人生產線由多個工業機器人轉換設備組成，其中包含PLC 控制器。實際操作中各類系統都是高度專業化、綜合性的，且對員工特定職業技能水平需要求較高。應保證工作人員具有一定理論知識、技術水平，來滿足機器人在工作中的工作要求，并為設備研究、防護工作、提高焊接作業效率提供依據[4]。

2.1.2 機器人焊接設備的選擇

自動化焊接機器人生產線是由工業機器人、焊接設備、輔助設備等3 個部分構成，其特點和性能、技術指標也各不相同，在生產實踐中，需要對其特點進行詳細分析，保障企業經濟效益最大化。機械焊接設備選用，應根據實際焊接需求，選用適當的焊接工藝，匹配最適合的焊接設備配置。對各類設備進行改善與優化，以達到最大限度利用其價值，并能更好將各類設備進行合理組合，為機器人在制造過程中發揮最佳性能提供更好的環境。

2.1.3 需要深度優化切割和沖壓的質量

在焊接機器人焊接作業過程中，既要保證切割機和沖壓件的下料精度，又要對裁剪、沖裁工序進行分析，以此才能保證機器人焊接工作順利實施，從而保證焊接質量。

2.2 生產線優化

焊接機器人比獨立機器人成本要低得多，但在投入使用之前要花費大量的時間進行安裝調試。對此，無論是沖壓還是裁剪，都需要有著嚴格的質量要求。因此，從各方面來看，在工序復雜的生產過程中，自動焊接是不可或缺的。另外，還要考慮到不同物流方式和不同產品需求，一條可量產8 萬臺產品的生產線，按照產能來劃分，一共有兩條生產線，每條生產線產能4 萬臺，既可降低成本，又可降低風險。在選擇物流方式時候，要綜合考慮生產線的工作節拍、物流通道的通暢度，根據具體情況，做出相應分析，最好解決辦法就是解決工作站和產能分配問題，同時，對不同工作站進行深入研究，可極大提高其靈活性，因此，要進行科學分析，結合實際情況，選擇最適合的生產線[5]。

2.2.1 成本分析

針對環衛設備自動焊接機器人生產線遇到工藝瓶頸問題，技術人員進行針對性優化。在生產線上增設一臺焊接機器人，配備一名B 級操作員（A 級為技術人員，B 級為指一般技工，C 級為實習生）。比較方案時，分析兩個方案執行成本，即訓練成本，按照訓練時間和零部件需求，每個產品大約0.07 元；該方案效益是提高產量、降低攤銷費用、降低直接人工費用，優化方案一的制造費用為每件96.9 元。第二個項目費用是設備投資大約65 000 元；第二個方案效益是提高產量、降低攤銷費用、降低直接人工費用，優化方案二的制造費用為93.2 元/件。

2.2.2 關鍵部件分析

針對環衛設備自動焊接機器人生產線上管線焊接工藝缺陷，技術人員根據鋼管加工原理，對其進行工藝優化。選用較大壁厚管材，進行原材料焊接，并配備翻邊和預熱裝置。傳統關鍵部件生產問題見表2。

表2 進氣法蘭PFMEA

設計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 厚的鋼板進行沖壓后，通過銑削加工方式來滿足圖紙設計尺寸和凸緣平整度要求。經團隊分析，建議供應商將鋼板厚度減到10 mm，沖裁后進行翻邊加工，節約原料的同時，減少PFMEARPN 值，從而消除潛在危險。項目團隊利用魚骨圖方法，對各種影響因素進行分析，結果表明，原料拉伸能力已達到極限。因為產品設計尺寸是固定的，改變原材料規格的成本很高，所以期望采用工藝方式來減少它的折損率。從生產實踐來看，在翻邊之前，對沖壓零件進行預熱，翻邊溫度達到40 ℃，可提高產品抗拉強度，具體參數見表3。

表3 優化后進氣法蘭關鍵尺寸記錄 mm

在上、下兩個殼體沖壓過程中，無論是通過PFMEA 分析，還是在現場使用檢具進行GO/NOGO 測試，均未發現質量問題。通過對上、下半殼體加工過程進行分析，采用三坐標法對其半成品進行測量，并與工藝設計者對預設變形參數進行比較。結果表明，在落料、預成形、沖孔等工序均符合圖紙尺寸要求，且尺寸變化發生切割加工后。切割中，上、下兩個殼體分離，產生局部應力，使得上、下兩個殼體外形產生不可預料變形。加工中，其實就是將氧氣傳感器和螺帽表面進行平整，因此上一步變形并沒有被修正。因此，在生產工藝中可在上、下兩個殼體外形設計上添加獨立模具，以保證其外形符合設計尺寸要求。

2.3 優化效果

在對環衛設備自動焊接機器人生產線進行優化中，技術人員對優化后生產線進行成本計算、質量狀態分析、生產節拍分析和PFMEA 分析。在成本方面，通過優化，每個產品生產成本減少10.57 元，使成本得到明顯優化；在焊接機器人質量狀況方面，發現其返工率、故障率分別下降12%、1.4%。在生產節拍方面，從152 s 減少到110 s，提高了生產效率。通過PFMEA 方法，極大提高了鋼管工藝能力，降低企業生產成本。總體上，對環衛設備自動焊接機器人進行優化，取得了較好效果，提高了經濟效益、生產效率、產品質量，促進生產企業可持續發展。

通過對環衛設備自動焊接機器人生產線的改造，對其進行深入分析，找出其存在缺陷。在分析生產線缺陷時，應采用成本計算、質量狀態分析、生產節拍分析和PFMEA 分析等方法。在成本核算中，確定各生產環節投入費用，并結合作業節拍分析內容，對影響生產效率因素進行分析，找到降低成本原因，并制訂有針對性優化方案。在質量狀況分析中，通過對焊接機器人進行焊接實驗，研究其熔深、熔寬、品粒度、邊傾角等性能指標，并與標準值進行比較，發現焊接機器人焊接工藝存在的問題，并提出相應改進措施。

3 結束語

選取某生產企業環衛設備自動焊接機器人生產線優化為研究案例。根據上述方法確定優化方案，可對優化后生產線進行測試，以檢驗該優化方案可行性和有效性。針對測試結果存在的缺陷，通過新的改進和優化方法，實現自動焊接機器人生產線的持續優化和提升，從而提高其生產效率和質量，促進其可持續發展。隨著焊接工藝技術的不斷創新以及機器人制造工藝的日益完善，未來的自動化焊接機器人整體智能化水平將會有質的飛躍。