汽車涂裝噴涂機器人自動化生產(chǎn)線工藝優(yōu)化研究

王海平

（1.浙江大學工程師學院，浙江杭州 310015；2.亞歐汽車制造（臺州）有限公司，浙江臺州 318057）

0 引言

隨著汽車智能制造新技術(shù)的不斷推進，加速了國內(nèi)汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，同時也推動國內(nèi)汽車制造業(yè)不斷地轉(zhuǎn)型升級。隨著汽車制造在科技上不斷進步和創(chuàng)新，對產(chǎn)品的需求也提出了更高的要求。汽車制造業(yè)在經(jīng)歷“新冠疫情”沖擊和“汽車芯片”緊缺的影響后，市場競爭變得更加激烈。在強大的市場競爭壓力下，企業(yè)只能通過提升生產(chǎn)效率、降低制造成本來提升企業(yè)的競爭優(yōu)勢?，F(xiàn)以某新能源A汽車公司B1B2涂裝工藝的機器人自動化噴涂生產(chǎn)線工藝優(yōu)化為例，利用約束理論找出影響噴涂機器人自動化生產(chǎn)線效率的瓶頸問題，通過對其進行改善來提升生產(chǎn)線效率。

1 約束理論方法

約束理論（Theory of Constraints，簡稱“TOC”）是企業(yè)識別并消除在實現(xiàn)目標過程中存在的制約因素（即約束）的管理理念和原則。它是在20世紀80年代由以色列物理學家、企業(yè)管理大師艾利·高德拉特博士（Dr. Eliyahu M. Goldratt）提出的。約束理論是管理活動中關(guān)于進行改進和如何最好地實施的一套管理理念和方法，可以幫助制造企業(yè)識別出自動化生產(chǎn)線在實現(xiàn)目標過程中存在的“瓶頸”，并進一步指出如何實施必要的改進措施來消除這些“瓶頸”，從而更有效地實現(xiàn)企業(yè)目標。約束理論的主要目的就是如何找出自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)瓶頸，并消除生產(chǎn)線各工序存在的瓶頸制約，通過對生產(chǎn)線各瓶頸工序進行持續(xù)改進來提高整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。約束理論的主要實施步驟如圖1所示。

圖1 約束理論改善步驟Figure 1 Improvement steps of TOC theory

2 涂裝車間B1B2機器人噴涂生產(chǎn)線工藝流程

A公司涂裝車間有5條生產(chǎn)線體，分別為：前處理電泳生產(chǎn)線、電泳打磨生產(chǎn)線、機器人涂膠生產(chǎn)線、機器人自動化噴涂生產(chǎn)線和終檢報交返修生產(chǎn)線等。涂裝車間具體工藝流程如圖2所示。

圖2 A公司涂裝車間的工藝流程圖Figure 2 Process flow chart of painting shop of company A

其中噴涂機器人自動化生產(chǎn)線是A公司涂裝車間的一條關(guān)鍵生產(chǎn)主線，整條生產(chǎn)線的設(shè)備程序和工藝控制較復雜，生產(chǎn)工藝全部通過自動化聯(lián)鎖設(shè)備按照設(shè)定的程序完成相應(yīng)的作業(yè)。整條生產(chǎn)線共設(shè)8個工作站，每個工作站設(shè)備都是按照既定的設(shè)備程序自動進行作業(yè)并完成生產(chǎn)任務(wù)。機器人噴涂生產(chǎn)線的具體工藝流程如圖3所示。

圖3 機器人噴涂生產(chǎn)線工藝流程圖Figure 3 Process flow chart of robot spraying production line

機器人噴涂生產(chǎn)線每個工作站的設(shè)備數(shù)量及工藝任務(wù)詳見表1。

表1 機器人噴涂生產(chǎn)線的工藝流程簡介Table 1 Brief introduction of the process flow of robot spraying production line

3 機器人噴涂生產(chǎn)線工藝優(yōu)化

機器人自動化噴涂生產(chǎn)線工藝優(yōu)化的方法及改進步驟具體如下：

（1） 利用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具對機器人自動化噴涂生產(chǎn)線設(shè)備作業(yè)時間進行實時在線統(tǒng)計，通過Power BI工具進行數(shù)據(jù)分析；

（2） 通過約束理論方法去識別制約機器人噴涂生產(chǎn)線效率提升的瓶頸問題點并對其進行分析，找出影響生產(chǎn)線效率提升的瓶頸工序和設(shè)備；

（3） 非瓶頸工序要遷就瓶頸工序，對瓶頸工序進行標記，使用大數(shù)據(jù)工具對識別輸出的瓶頸工序或瓶頸設(shè)備進行實時跟蹤統(tǒng)計，最終鎖定制約生產(chǎn)線效率提升問題的真因；

（4） 利用機器人噴涂優(yōu)化數(shù)學模型和“ECRSI”精益改善原則，即：取消（Eliminate，E）、合并（Combine，C）、重排（Rearrange，R）、簡化（Simplify，S）和增加（Increase，I）。對制約生產(chǎn)線效率提升的瓶頸工序和設(shè)備進行改善，并對實施效果進行跟蹤驗證；

（5） 完成一輪改善循環(huán)后，再回過頭來對生產(chǎn)線制約因素進行重新識別、改善、優(yōu)化等，通過對制約整條生產(chǎn)線的瓶頸問題進行持續(xù)改善，直至達成整條生產(chǎn)線最終改善目標。

3.1 機器人噴涂生產(chǎn)線各工序制約因素識別

機器人自動化噴涂生產(chǎn)線的設(shè)備自動化程度較高，整個生產(chǎn)工藝均通過自動化設(shè)備實現(xiàn)，整條生產(chǎn)線上設(shè)備與設(shè)備之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進行相互連鎖，若其中一臺設(shè)備出現(xiàn)異常不能正常工作，就會導致整條生產(chǎn)線停線，因此，整條生產(chǎn)線上的所有設(shè)備可以看作一個系統(tǒng)整體，即可以將所有連鎖的設(shè)備視作一臺整體大的設(shè)備。為了消除人員統(tǒng)計誤差，更準確地統(tǒng)計出每個自動化設(shè)備的作業(yè)時間，利用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計原理［1］，通過在PLC（Program Logix Controller，可編程控制器）程序中設(shè)置計時功能，使用Power BI數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具進行實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并記錄機器人自動化噴涂生產(chǎn)線過程中的詳細數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)收集采集方式，詳見機器人噴涂生產(chǎn)線數(shù)據(jù)統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)圖（圖4）。

圖4 機器人噴涂生產(chǎn)線數(shù)據(jù)統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)圖Figure 4 Data statistics network diagram of robot spraying production line

機器人噴涂生產(chǎn)線各工序產(chǎn)能統(tǒng)計表見表2。

表2 機器人噴涂生產(chǎn)線各工序產(chǎn)能統(tǒng)計表Table 2 The production capacity statistics of each process of the robot spraying production line

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析找出制約機器人噴涂生產(chǎn)線產(chǎn)能提升的瓶頸工序分別為：BC0機器人工作站、BC2機器人工作站和CC1機器人工作站，這3個工作站的實際產(chǎn)能均低于設(shè)計產(chǎn)能，設(shè)備循環(huán)時間（CC）均大于設(shè)計節(jié)拍時間（TT），具體結(jié)論如下：

（1） 基于約束理論進行第1個循環(huán)分析，找出了機器人噴涂生產(chǎn)線BC0機器人工序是第1個循環(huán)需要改善的“瓶頸”工序，整個工序循環(huán)時間（CT）為105 s，大于設(shè)計節(jié)拍時間（TT）100 s。

（2） 基于約束理論進行第2個循環(huán)分析，找出了機器人噴涂生產(chǎn)線BC2機器人工序是第2個循環(huán)需要改善的“瓶頸”工序，整個工序循環(huán)時間（CT）為103 s，大于設(shè)計節(jié)拍時間（TT）100 s。

（3） 基于約束理論進行第3個循環(huán)分析，找出了機器人噴涂生產(chǎn)線CC2機器人工序是第3個循環(huán)需要改善的“瓶頸”工序，整個工序循環(huán)時間（CT）為102 s，大于設(shè)計節(jié)拍時間（TT）100 s。

3.2 機器人噴涂生產(chǎn)線“瓶頸”工序問題分析

對制約機器人噴涂生產(chǎn)線的瓶頸工序的工藝問題進行分析，其中機器人噴涂生產(chǎn)線設(shè)備循環(huán)時間（CT）的計算公式［2］詳見公式1。

CT=機器人噴涂時間+機器人清洗換色時間 （1）

式（1）中：CT是指機器人從接收到命令開始噴涂至最終完成噴涂作業(yè)所用的時間，包括機器人實際有效噴涂時間和機器人噴涂過程中的等待時間；機器人清洗換色時間是指機器人在噴涂不同顏色車身或工件時，中間需要對霧化器或噴槍進行清洗并更換填充上下各工件需要噴涂的涂料，整個作業(yè)過程的時間。

3.2.1 BC0工作站機器人作業(yè)時間統(tǒng)計分析

對機器人噴涂生產(chǎn)線BC0工作站機器人噴涂工藝進行分析，其中BC0工作站共計4臺噴涂機器人，其噴涂作業(yè)順序為：BL1→BR1→BL2→BR2，機器人噴涂生產(chǎn)線BC0工作站的機器人工藝布局詳見圖5。

圖5 BC0工作站機器人工藝布局圖Figure 5 Process layout of BC0 workstation robots

對機器人噴涂生產(chǎn)線BC0工作站各機器人的噴涂作業(yè)內(nèi)容及作業(yè)時間進行統(tǒng)計，結(jié)果詳見表3。

表3 BC0工作站機器人作業(yè)時間統(tǒng)計表Table 3 Operation time statistics of BC0 workstation robots

由表3可見，噴涂機器人BL1和BR1的循環(huán)時間（CT）超出了設(shè)計節(jié)拍時間（TT），需要對機器人噴涂軌跡及作業(yè)內(nèi)容進行詳細統(tǒng)計分析，并對機器人循環(huán)時間進行優(yōu)化改善。

3.2.2 BC2工作站機器人作業(yè)時間統(tǒng)計分析

對機器人噴涂生產(chǎn)線BC2工作站機器人工藝形式及噴涂作業(yè)時間進行統(tǒng)計分析，其中BC2工作站共設(shè)8臺噴涂機器人，整個車身外板噴涂采用2道成膜的噴涂工藝，即整個車身外表面噴涂色漆共計可以分為2個噴涂工作站，每個噴涂工作站由4臺機器人組成，詳細的機器人噴涂作業(yè)順序如下：

（1） 第1道噴涂工作站的機器人噴涂作業(yè)順序為：BL1→BR1→BL2→BR2；

（2） 第2道噴涂工作站的機器人噴涂作業(yè)順序為：BL3→BR3→BL4→BR4。

BC2工作站機器人噴涂作業(yè)工藝布局形式詳見圖6。

圖6 BC2工作站機器人工藝布局圖Figure 6 Process layout of BC2 workstation robots

對BC2工作站各機器人的噴涂作業(yè)內(nèi)容及作業(yè)時間進行統(tǒng)計，結(jié)果詳見表4。

表4 BC2工作站機器人作業(yè)時間統(tǒng)計Table 4 Operation time statistics of BC2 workstation robots

由表4可見，BL1、BR1、BL3和BR3機器人的循環(huán)時間（CT）超出了設(shè)計節(jié)拍時間（TT），需要對機器人噴涂軌跡及作業(yè)內(nèi)容進行詳細統(tǒng)計分析，并對機器人作業(yè)時間進行優(yōu)化改善。

3.2.3 CC2工作站機器人作業(yè)時間統(tǒng)計分析

對機器人噴涂生產(chǎn)線CC2工作站機器人工藝形式及噴涂作業(yè)時間進行統(tǒng)計分析，其中CC2工作站共設(shè)6臺噴涂機器人，整個車身外板噴涂采用2道成膜的噴涂工藝，即整個車身外表面噴涂清漆共計分為2個清漆噴涂工作站，每個噴涂工作站由3臺機器人組成，詳細的機器人噴涂作業(yè)順序如下：

（1） 第1道噴涂工作站的機器人噴涂作業(yè)順序為：CL1→CR1→CL2；

（2） 第2道噴涂工作站的機器人噴涂作業(yè)順序為：CL3→CR3→CR4。

CC2工作站機器人噴涂作業(yè)工藝布局形式詳見圖7。

圖7 CC2工作站機器人工藝布局圖Figure 7 Process layout of CC2 workstation robots

對CC2工作站各機器人的噴涂作業(yè)內(nèi)容及作業(yè)時間進行統(tǒng)計，結(jié)果詳見表5。

表5 CC2工作站機器人作業(yè)時間統(tǒng)計表Table 5 CC2 workstation robot operation time statistics

由表5可見，CL1、CR1、CL2、CL3、CR3和CR4機器人的循環(huán)時間（CT）均超出了設(shè)計節(jié)拍時間（TT），需要對機器人噴涂軌跡及作業(yè)內(nèi)容進行詳細統(tǒng)計分析，并對機器人作業(yè)時間進行優(yōu)化改善。

3.3 機器人噴涂生產(chǎn)線工藝優(yōu)化改善

3.3.1 機器人噴涂工藝優(yōu)化方法確定

要對機器人噴涂工藝和噴涂軌跡進行優(yōu)化，前提是在確保實際工件的噴涂膜厚、外觀和漆膜質(zhì)量保持不變的基礎(chǔ)上，再對機器人的噴涂時間、噴涂軌跡和噴涂參數(shù)等工藝參數(shù)進行優(yōu)化。為了更科學和精確地實現(xiàn)對機器人噴涂仿形軌跡及機器人噴涂工藝參數(shù)之間的相互優(yōu)化，建立機器人噴涂工藝參數(shù)和機器人噴涂軌跡的數(shù)據(jù)優(yōu)化模型［3］，詳見公式2。

式（2）中：P—噴涂的涂料流量，mL/min；δ—干膜厚度，μm；η—機器人噴涂上漆率，%；NV—涂料施工固體分，%；W—機器人噴幅的寬度，mm；v—機器人噴涂移動速度，mm/s。

對機器人噴涂工藝和噴涂工藝參數(shù)的優(yōu)化，可以根據(jù)機器人噴涂工藝參數(shù)和機器人噴涂軌跡的數(shù)據(jù)優(yōu)化模型進行。在不影響車身外觀質(zhì)量的前提下，提升機器人的噴涂速度，可以提升機器人的噴涂效率。對機器人噴涂工藝的優(yōu)化原則主要依據(jù)“ECRSI”改善原則。對機器人噴涂作業(yè)時間或動作進行優(yōu)化時，要重復執(zhí)行“ECRSI”改善，不斷進行優(yōu)化、實踐、分析和再優(yōu)化來達到更高的效率［4］。

依據(jù)“ECRSI”改善原則和機器人噴涂工藝參數(shù)和機器人噴涂軌跡的數(shù)據(jù)優(yōu)化模型，對機器人噴涂生產(chǎn)線瓶頸工位機器人的噴涂軌跡和噴涂參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化流程詳見圖8。

圖8 機器人噴涂軌跡和工藝參數(shù)優(yōu)化流程Figure 8 Robot spraying trajectory and process parameter optimization process

3.3.2 瓶頸工作站的機器人優(yōu)化效果驗證

對機器人噴涂生產(chǎn)線各工序機器人噴涂工藝進行優(yōu)化后，BC0機器人工作站、BC2機器人工作站和CC2機器人工作站等的生產(chǎn)效率得到了明顯提升，改善后機器人噴涂生產(chǎn)線的產(chǎn)能也相應(yīng)得到提高。機器人噴涂工藝優(yōu)化改善前后效果對比見圖9。

圖9 機器人噴涂工藝優(yōu)化改善前后效果對比Figure 9 Comparison of the effect before and after the optimization and improvement of robot spraying process

4 結(jié)語

隨著中國制造2025戰(zhàn)略不斷推進，正加速制造業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)型，企業(yè)需要在保證生產(chǎn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過在技術(shù)和方法上的創(chuàng)新提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)制造成本。隨著汽車制造業(yè)競爭的加劇，企業(yè)只能通過提升生產(chǎn)效率降低制造成本來提升企業(yè)的競爭優(yōu)勢。在當前新形勢下，智能化設(shè)備在制造業(yè)中發(fā)揮的作用越來越重要，面對高自動化的設(shè)備管理，不但要有快速反應(yīng)去接受科技創(chuàng)新，還要能夠結(jié)合實際需要找到一種科學的方法去提升生產(chǎn)效率和設(shè)備管理水平。