摘要：介绍了用于汽车制造业焊装领域的机器人点焊系统，包括系统构成和设备选型；根据本人在生产准备过程中的经验，重点对设备选型作了详细的介绍。
引 言
进入 21 世纪，国内的汽车制造行业发展迅猛，规模不断扩大。随着人工成本逐年上升，国内汽车制造企业必然像国外发达国家汽车制造企业一样，越来越多的依赖工业机器人。于是，机器人自动化生产线取代人工生产线逐渐成为主流。机器人自动化生产线具有柔性高、自动化率高、生产效率高等诸多优点，但也存在一次性投资大的缺点。为了优化投资，就需要掌握机器人自动化生产线工艺设计方法。本文将主要介绍车身焊接机器人自动化生产线工艺设计分析。
一、工艺设计所需条件
工艺设计所需条件包括年生产纲领、年有效工作日、生产班制、班有效工作时间、设备可动率、装配的产品结构。
（1）年生产纲领：指每年生产的产量，是有效的工作日生产的产量之和，以万辆为单位。需要注意的是每个有效的工作日的产量是一样的。年生产纲领是工艺设计的首要条件。年生产纲领来源于企业对车型产品的市场定位、市场预期。如果定位准确、预期准确，车型投放市场后，生产产量就能满足市场需求；如果市场预期过于乐观，而市场实际反应平淡，就会供大于求，造成产能过剩和浪费，造成初期设备投资浪费；如果市场预期过于悲观，而市场实际反应热烈，就会供不应求，造成产能不足。所以，深入的市场调研和准确的市场预期非常关键。当然，根据市场实际情况，年生产纲领是要及时调整的。需要注意的是，年生产纲领不同于年生产产量，前者是一个设计输入的数据，后者是一年的实际生产量，不作为设计输入。
（2）年有效工作日：指除去国家法定节假日剩余的时间。咱们国家从2008年开始取消了五一长假后，一年的工作日是250天。
（3）生产班制：指1个工作日 24 h 内安排几个班进行生产，通常有两班制、三班制。
（4）班有效工作时间：指在一个班次计划用于生产的时间，以分钟为单位。
（5）日有效工作时间：一日24 h中计划用于生产的时间，以分钟为单位。这个与班次和班有效工作时间有关。因为每个班次的员工都需要休息、吃饭等，一般日有效工作时间达不到 1440min（即 24h）。一般，我们按照下表计算日有效工作时间。
（6）设备可动率：设备开动的实际时间与计划时间的比率，反映的是设备停机情况，有效工作时间利用的效率。指生产线各类设备的综合可动率，不是指某台设备自身的可动率。一般手工线设备数量少，设备可动率按照90%计算，而自动线由于自动化设备数量多，生产线出现停机的概率大，所以设备可动率按照80%计算。设备可动率是一个管理项，随着设备管理水平提升而提升。
（7）装配的产品结构：需要提出装配的产品零件数量、焊点数量。零件数量决定搬运机器人数量，焊点数量则决定焊接机器人数量。
二、生产线机器人数计算
2.1确定生产线设计节拍
生产线设计节拍，指生产线完成一个完整的工作循环所需要的时间，一般以 min/ 辆为单位，由生产线移动时间、机器人焊接时间组成。生产线是由各工位组成的，即各工位的工作都要在生产线设计节拍内完成。生产线设计节拍是一个考虑设备可动率的节拍。根据纲领，生产线设计节拍计算公式如下：
生产线节拍（min/ 辆）= 年有效工时（min）×设备开动率（%）÷最大纲领（辆）
年有效工时（min）= 年有效工作日（d）×日有效工作时间（min/d）
日有效工作时间（min/d）= 班次×每班次有效工作时间（min/ 班）
例如，某车型年生产纲领200000辆，一年250d，2班生产，每班480 min，设备可动率设定为80%，则生产线设计节拍 =250×2×480 × 80%÷ 200000=0.96（min/ 辆）。也就是说，该车型的每个工位的工作都应该在0.96 min 之内完成，这样才能保证200000辆纲领的实现。当生产节拍在1 min左右时，为了更准确地体现时间的概念，我们通常把节拍的
单位由 min/ 辆 换算成 s/ 辆，例如0.96 min/ 辆是57.6 s/辆，一般设计时取整为57s/辆（只有取小才可能实现年生产纲领）。产线设计节拍57s/辆，如果1h 内设备连续运转，没有任何停机，则小时生产量为63辆份。生产线设计节拍用于指导工艺人员进行详细的工艺设计，所有工位的节拍都要小于等于这个时间。从计算公式也可看出，设备可动率作为管理项，是生产线设计时的一个预留量，通过提高设备可动率，增加用于生产的时间，从而提高产量。对于全焊接机器人生产线来说，要注意机器人正常工作以外的辅助时间，例如机器人点焊钳电极修磨，如果工作时间 +修磨时间＞生产线设计节拍，就需要在设计时减少工作内容以降低工作时间。这个在后面会讲解到。
2.2 确定生产线机器人数量
（1）机器人焊接时间
如上文提到的，生产线设计节拍 = 生产线移动时间 + 机器人焊接时间。所以，机器人焊接时间 =生产线设计节拍-生产线移动时间。生产线移动时间是一个搬运过程，机器人是不能焊接的。显然，生产线移动时间越小，用于焊接的时间越多，能够点焊的焊点数就越多。
对于往复杆式输送线，生产线移动时间一般为 10s；对于辊床输送线，生产线移动时间一般为 16s。
（2）机器人焊接时间基数
机器人焊接时间基数，指机器人带点焊钳焊接单个焊点所需要的时间，包括机器人移动时间和焊接时间，不包含等待时间。例如机器人仅带一把点焊钳时：①姿态变换简单，基本使用一个平缓变化的姿态、不需要频繁变换开口行程就能够完成工作内容，气动焊钳的机器人焊接时间基数会比伺服焊钳的更快，前者一般 2.0s 到 2.5s，后者一般 2.5s 到 3.0s。②姿态变换复杂，需要频繁变化姿态、频繁变换开口行程才能完成工作内容，气动焊钳的机器人焊接时间基数就比伺服焊钳的慢，前者一般 5s，后者一般 4s。在理论计算时，取焊点工时基数为 3s。③理论计算时，伺服焊钳和气动焊钳的机器人焊接时间基数按照 3.5s 计算。对于单台机器人带多把焊钳的情况，机器人时间基数就要考虑加入抓焊钳、放焊钳的时间了。
2.3确定机器人数量
焊接机器人数量 = 焊点总数×机器人焊接时间基数÷机器人焊接时间，其中机器人焊接时间 = 生产线设计节拍-生产线移动时间。当遇到机器人数量不是整数时，将取与之最近的大整数。例如，需要设计一条20万辆的车身焊接生产线，生产线设计节拍 57 s/ 辆，生产线移动时间10s，在生产线焊接的车身焊点总数为800点机器人焊接时间基数取 3.5s，则焊接机器人数量 =800×3.5÷（57-10）=59.6（台），取整数为60台。我们来验证一下60台机器人是否能够满足生产线设计节拍：每台焊接机器人所焊焊点数量 =800÷60=13.3，取整为13个焊点。每台焊接机器人焊接时间 =13×3.5=45.5 s，＜47 s。但是60台机器人焊接的总焊点数为 60×13=780个，比800个焊点少20个焊点。这时，可以通过详细的工艺设计来分配这20个焊点于节拍富余的机器人。综上，我们初步确定机器人数量为60台，作为继续生产线设计过程中详细布置的基础。
三、焊接机器人的发展趋势
汽车工业从产生到现在，作为工业国家的一个经济指标，在国民经济发展中具有不可掂量的地位，反映了一个国家的综合工业水平的能力，在国家发展中发挥着十分突出的作用。从历史上看，从工业化中期到完成工业化和现代化，每一个大国都是靠汽车工业的高速发展来带动完成这一过程的。汽车工业可以创造大量的岗位和制造商、提高国民生产总值以及带动相关产业发展、促进新技术发展等，对国家经济发展和社会进步有着关键作用。近年来，随着消费者对车外观的独特见解和个性化追求，汽车制造商的竞争越来越烈，车型（车身）更新换代周期变得越来越短，传统的单一生产线模式已经无法满足新型生产模式的要求，生产模式正在向着小批量、效率化、多样化、个性化发展。汽车制造商若要把握商机，占据市
场有利位置，就必须积极的引进和采用先进的加工制造技术。
从机器人技术的发展方向看，焊接机器人和其他工业机器人具有一样的共性，在提高效率的同时向多样化和智能化方向发展。具体而言，重点表现在以下几个方面：
1）机器人操作结构
通过现代设计的方法，如研发轻质高强度材料等，优化设计其操作结构，解决设备产生动荡和提高汽车车身焊接速度等问题。
2）机器人控制系统
开发开放式结构机器人控制器从而解决对结构封闭的机器人控制器的缺陷；采用模块化结构，优化控制柜的体积，进一步提高控制系统的易操控性和可信赖性；基于计算机标准化、网络化控制器发展。此外可以增加能够控制的轴数，进一步的提高焊点的正确性。
3）机器人传感技术
开发多样化传感器以及实用化传感系统，提高焊点质量实现焊接时焊点自动追踪和车身焊接时各结构的自动定位等从而解决精度问题为确保焊接质量零缺陷达到可能。
4）网络通信功能。随着网络通信技术对控制系统的开发，开发基于网络的机器人控制系统。如采用无线通信技术控制焊接机器人从而减少甚至避免人对焊接条件的恶劣性。
5）虚拟机器人技术
虽然焊接机器人有效的减轻了工人的劳动强度，但是在设计时焊接机器人的末端与工件接触是否正确、运行是否平稳、能否保质保量的完成焊接等是一个关键。虚拟机器人技术是使操作者置身于远端环境中虚拟仿真作业，找出设计的不足，提高焊接机器人在工作过程的能力。
四、结语
随着计算机技术、自动化技术、网络信息技术等高新技术的发展和应用，传统的制造业在生产组织方式上已经发生了巨大的改变，已有的传统制造技术面临着新的格局。焊接机器人的发展就是一个很好的例子，它减轻了劳动工人的强度、提高了工作效率、改善焊点的质量以及焊接的恶劣条件。焊点机器人的发展已有一些历史，但在国内的发展与国外仍然很大差距，大多数先进的车身焊接生产线都是靠国外技术。面对新时期、新挑战，我们要借鉴国外的技术，研发具有自主产权的新型焊接机器人设备。
参考文献：
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[4]机器人在车身焊接生产中的应用[J].邱季，李丽芹，王治富. 轻型汽车技术.2005（03）
论文作者:祝存爱
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/10/1
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