基于自動焊45JPH 提速的焊裝生產(chǎn)線設(shè)備節(jié)拍規(guī)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(chǎn)線平衡率是保證生產(chǎn)效率的主要指標(biāo)，影響生產(chǎn)成本的高低[1]，生產(chǎn)線的節(jié)拍依靠人和設(shè)備，按照規(guī)劃的動作時序圖有序?qū)崿F(xiàn)。其中設(shè)備動作時序包括各單體設(shè)備的聯(lián)動時序和設(shè)備自身的節(jié)拍，而設(shè)備的節(jié)拍需要靠設(shè)備自身的選型設(shè)計實現(xiàn)，選型設(shè)計的優(yōu)劣決定了設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和節(jié)拍能力是否滿足生產(chǎn)線按節(jié)拍正常運(yùn)轉(zhuǎn)的需求。

某汽車制造廠焊裝生產(chǎn)線在爬坡過程中3 軸自動焊頻繁出現(xiàn)電機(jī)過載報警，無法達(dá)到節(jié)拍，本文以自動焊45JPH 提速為例，闡述生產(chǎn)線設(shè)備的節(jié)拍規(guī)劃方法。

1 自動焊節(jié)拍規(guī)劃

自動焊的組成部分主要有機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)（潤滑、防塵等裝置）。其中電氣系統(tǒng)決定設(shè)備動作的實現(xiàn)，輔助系統(tǒng)作為設(shè)備的后勤保障，但真正決定系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能的主要還是機(jī)械系統(tǒng)。自動焊面臨的頻繁過載的主要報警原因?qū)儆诘湫偷臋C(jī)械系統(tǒng)問題，與元器件的選型和裝調(diào)質(zhì)量息息相關(guān)。

1.1 電機(jī)節(jié)拍規(guī)劃

自動焊機(jī)械系統(tǒng)通用的設(shè)計流程見圖1。針對當(dāng)前自動焊的過載報警問題，主要體現(xiàn)為電機(jī)性能達(dá)不到節(jié)拍提升的要求，這里以電機(jī)選型闡述其與節(jié)拍匹配的關(guān)系，通過45JPH 對自動焊的時間限定來優(yōu)化電機(jī)選型，提升節(jié)拍。

圖1 自動焊機(jī)械系統(tǒng)通用設(shè)計流程

1.2 設(shè)計加速度規(guī)劃

加速度值不僅關(guān)系著自動焊系統(tǒng)的運(yùn)動穩(wěn)定性，更是與自動焊的節(jié)拍直接相關(guān)。

首先設(shè)自動焊的生產(chǎn)節(jié)拍為XJPH，則每件生產(chǎn)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(jī)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(jī)姿態(tài)調(diào)整的總時間為T2，共有Z 個焊點(diǎn)。由此可以算出每個焊點(diǎn)所需時間T=。每個焊點(diǎn)的焊接時間為T3，則焊點(diǎn)定位時間為T定位=T-T3=（-T3）s。按照勻加減速運(yùn)動控制模式，相同時間值下，焊點(diǎn)之間距離越大，加速度要求越大。設(shè)最大焊點(diǎn)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(shù)：焊接16 點(diǎn)，45JPH 下給定運(yùn)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(jìn)出槍+程序處理+誤差）=5 s，T3（焊接42 周波+開關(guān)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(jìn)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(huán)過程中，點(diǎn)與點(diǎn)之間的軌跡不可能完全相同，其運(yùn)動時間、加速度值、最大速度會存在差異，需要在后期所有機(jī)械元器件選型結(jié)束后，根據(jù)具體的軌跡再次進(jìn)行節(jié)拍校核。

1.3 伺服電機(jī)選型

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

圖2 伺服電機(jī)選型基本流程

表1 AB MPL-B220T 0.62 kW 伺服電機(jī)主要參數(shù)值計算

1.4 節(jié)拍規(guī)劃

受采購周期影響，能夠滿足生產(chǎn)爬坡要求的時間節(jié)點(diǎn)只有AB MPL-A320P 1kW，以自動焊X 軸為例進(jìn)行45JPH 節(jié)拍規(guī)劃，有2 個方案：只使用1 kW 電機(jī)，使用1 kW 電機(jī)+速比為4 的減速機(jī)。結(jié)合前文論述的計算方法，計算結(jié)果見表2，分析如下。

（1）組數(shù)1。運(yùn)動距離一定、1 kW 電機(jī)驅(qū)動負(fù)載時，慣量比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)，對于電機(jī)啟停時的加減速沖擊很大，電機(jī)響應(yīng)慢，工作很不穩(wěn)定，故此方案直接淘汰。

（2）組數(shù)2。運(yùn)動距離一定，基于表2 的許可時間、最小加速度，電機(jī)的最大速度在超標(biāo)情況下才可以完成在0.474 3 s 內(nèi)走完0.052 m 的行程。從組數(shù)2 的數(shù)據(jù)可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)矩還有一定的利用空間，這與加速度有關(guān)，而加速度又影響著運(yùn)動時間，即節(jié)拍的提升。

基于既定的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)，下面具體探討45JPH 節(jié)拍提升的可能性，以及電機(jī)的性能極限，作為整個設(shè)備組成的一個關(guān)鍵部分，這對于整個系統(tǒng)的性能衡量尤為重要。

（3）組數(shù)7。運(yùn)動距離、最大運(yùn)動時間、加速度如表2 取值，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到許可極限值。對比組數(shù)2、3、4、5 的數(shù)據(jù)，可知加速度值越大電機(jī)實際轉(zhuǎn)矩越大，故此電機(jī)配合速比4 的減速機(jī)后最大加速度值不允許超過5.035 2 m/s2。

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

總結(jié)：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(jī)，可以滿足45JPH 節(jié)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(jìn)行最終的節(jié)拍校驗，這里不再詳述。

1.5 主要機(jī)械組件節(jié)拍規(guī)劃概述

上文闡述的電機(jī)僅僅是整個自動焊機(jī)械系統(tǒng)的重要元器件之一，此外還有絲桿、導(dǎo)軌滑塊、軸承、焊鉗等，均需要按照相關(guān)設(shè)計方法和進(jìn)行匹配性節(jié)拍規(guī)劃，限于篇幅不再詳述。

表2 45JPH 各方案節(jié)拍規(guī)劃計算結(jié)果

2 結(jié)論

以伺服電機(jī)的節(jié)拍規(guī)劃為例，探討以下內(nèi)容。

（1）自動焊的節(jié)拍規(guī)劃和伺服電機(jī)的性能評估方法，可用于指導(dǎo)其他相關(guān)元器件的匹配性設(shè)計，對于組成生產(chǎn)線并實現(xiàn)生產(chǎn)線節(jié)拍的各設(shè)備的節(jié)拍規(guī)劃有較大參考意義。

（2）基于以上分析，通過更換伺服電機(jī)及減速機(jī)后，生產(chǎn)線已實現(xiàn)按照45JPH 穩(wěn)定運(yùn)行。