Automobile Technology & Material
汽车焊装生产线节拍分析及优化…………………………………………………………………………………………………秦志刚张洪亮Takt Time Analysis and Optimization of Automotive Welding Line ……………………………………… Qin Zhigang, Zhang Hongliang
（一汽-大众汽车有限公司天津分公司，天津 300000）
摘要：为提升高柔性、高自动化率的汽车焊装车间的生产效率，需要对生产线节拍进行优化。研究分析了通过节拍平衡图识别节拍瓶颈工位的方法，并详细归纳总结了通过优化机器人轨迹、优化设备参数，提高运行速度；通过优化设备动作时序、设备改进等，减少动作浪费；通过优化工艺，提高工艺加工速度等节拍优化方法。通过以上节拍优化方法的实施，有效提高焊装生产线的生产效率，并实现降本增效。
关键词：汽车 焊装生产线 节拍优化方法 生产效率
中图分类号：U466 文献标识码：B 10.19710/J.cnki.1003-8817.20210175
DOI:
1 前言
汽车制造业进入标准化流水线作业模式后，生
产节拍就成为反映车间生产效率的重要指标[1]。节
拍的优化提升也成为提升车间生产效率至关重要的工作。传统的节拍优化一般是在规划设计阶段，
通过工艺布局、工装设计、仿真验证来实现[2]。但是
设备投产运行后，如果再通过大范围更改工艺和工装来提升节拍，将需要大量的投资。因此，在现有工艺布局和设备的基础上进行节拍优化的研究，提
高企业的生产效率和竞争力[3]成为新的重要课题。
当前，随着汽车市场的竞争加剧，各汽车制造
企业通过快速推出新产品和降低人工成本来增加竞争力，因此汽车生产的高柔性[4]、高自动化率已成
为汽车生产线的普遍特点。焊装车间作为汽车生产四大专业中工艺最复杂的车间，其生产线的高柔性、高自动化率要求更高。而且在智能制造2025的背景下，焊装车间已经越来越多地采用可编程逻
辑控制器（Programmable Logic Controller，plc） [5]、机
器人[6]、变频驱动、传感器等智能控制手段。同时焊装车间还集合了点焊、弧焊、涂胶、冲铆、螺柱焊、
搬运、输送等工艺[7]。因此焊装生产线节拍优化工作，既要考虑各类智能控制设备的特点，还要考虑各类工艺的原理，结合现场实际综合实施。
作者简介：秦志刚（1982—），男，工程师，硕士学位，研究方向为汽车厂焊装生产线设备设计及维护管理。
参考文献引用格式：
秦志刚, 张洪亮.汽车焊装生产线节拍分析及优化[J].汽车工艺与材料, 2021（8）：57-60.
QIN Z, ZHANF H. Takt Time Analysis and Optimization of Automotive Welding Line [J]. Automobile Technology & Material, 2021(8): 57-60.
2 确认节拍瓶颈工位
通过测定每个工位的节拍，编制节拍平衡图
1），即可确认瓶颈工位。节拍测定时可采用由
（图“起点到起点”的方式，即从一个工作循环中选定一个明显的特征动作点，作为开始计时点，直到下一个工作循环中此特征动作点再次到来，停止计时，即可测定一个完整的节拍。此节拍将包含设备的动作时间和各动作间互相等待的时间。为了保证连续生产中节拍的稳定性，可以采集一定数
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量的工作循环节拍，取最小的 个工作循环节拍的平均值，作为此工作的实际节拍。在实际工作
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中，一般采样 个工作循环节拍，采样的工作可
PLC
以通过 编程实现。
3 优化节拍的方法
设备调试完毕，交付投产时，因为设备调试厂家的目标是达到合同约定的节拍即可，再加上设备调试人员能力的参差不齐，所以节拍上往往还有很多可以优化提升的空间。结合工作实践，总
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结了以下 种节拍优化方法。
3.1 机器人轨迹优化
焊装生产线大量采用机器人，通过机器人来
5
提升节拍是重中之中。常用的方法有以下 种：
a.优化干涉区。多台工业机器人进行协同动作时，工作区域会存在交互工作区，彼此交互的工
[8]。在保证机器人无碰撞风险
作区域称为干涉区的前提下，尽可能的缩短机器人等待进入干涉区的距离，可减少时间浪费。
b.合并子程序。为了方便控制和调试，工业机
器人程序架构是由主程序进行不同动作或工艺的子程序调用，来实现最终功能。调用子程序越多，机器人工作时间越长，通过合并子程序来减少子程序的调用次数，可实现节拍优化。
c.删除多余程序信号。编程人员在设备调试时，为了调试方便或适应多种工况，会加入过多的程序信号。譬如在工作现场，涉及程序调用、运动类型变换、执行工艺动作等时，机器人程序语句中
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会编写 （等待人员请求进入）信号。机器人运行到该语句时，会出现明显的停顿现象。根据现场的实际情况，优化此类程序点，可以显著提升节拍。
d.删除多余过渡点。工业机器人在实际轨迹
编程时，为了规避路径上的工装夹具或其他设备等干涉点，会增加一些过渡点，以避免碰撞。机器人在实际运动时，为了经过这些轨迹点，要进行加减速的内部逻辑控制，这会增加机器人的运动时间。通过对具体现场观察与实验，可以删除不必要的过渡点，提升节拍。
e.优化轨迹逼近值。工业机器人在运动时，到
达轨迹点有两种形式：精确到达和轨迹逼近。如图
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所示，精确到达时，机器人的工具中心点位置
（Tool Center Position，tcp）必须精准到达轨迹点坐
标，此时机器人会有明显的停顿。轨迹逼近时，
TCP
不用精确移动到轨迹点坐标，而是沿着轨迹逼近轮廓运行，此时机器人的运动会平滑流畅。根据现场实际，合理设定轨迹逼近值，可以提高节拍。
3.2 设备参数优化
高自动化率的焊装生产线是由各类自动化设备构成，这些设备运行速度直接影响节拍。设备的最高运行速度参数由设备安全和质量安全两方面决定。
a.在设备安全的前提下，提高设备运行速度。
由于设计、调试等因素，设备投产时的速度参数，往往并不是最高速。深入研究各类设备的速度控
制原理和设备安全保护原理，可以合理提升设备运行速度。如通过控制焊钳极臂的开合速度，提高焊钳运动速度；通过控制辊床、升降机等设备电机的加减速斜坡和适当超频，提高运行速度；通过调整节流阀、加大气管直径、增加缓冲器等方法，提高夹具气缸的运行速度；
b.在质量安全的前提下，提高设备运行速度。
焊装车间的许多工艺质量都是跟设备运行速度直接相关的。有经验的现场工作人员，可以在保证质量的前提下，实现设备的提速。如采用大电流、短时间的焊接规范，提高点焊速度；通过调整工件的匹配间隙，实现高速激光焊接下的质量稳定；通
过采用先进的冷金属过渡焊（Cold Metal Transfer， CMT）弧焊技术，提高薄板长距离钎焊的速度；自
动螺柱焊，在每次送钉结束后，会设置延时焊接启动时间获得良好的引弧效果，设置合适的延时焊接启动时间，可以提高节拍；自动涂胶设备的出胶速度是由机器人的运行速度决定的，通过优化胶条的长度和位置，既可保证涂胶质量，又可提高涂胶速度
3.3 设备动作时序优化
生产线中的设备都是协同工作，每个单体设备都需要与其他设备“交接”工作，这个“交接”要有序，称之为时序。合理的规划生产线各设备的时序可以减少时间浪费。时序优化中最常用的方法就是将串
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联时序变成并联时序。如图 所示的升降辊床工位，辊床向下一个工位输送前，需要机器人先离开，再打开定位的勾销缸，然后辊床上升。机器人离开和打开勾销缸之间没有干涉点，可以将机器人离开
0.6 s。
和打开勾销缸同步动作，每个节拍可节约3.4 工艺优化焊装车间主要通过点焊、涂胶、活性气体保护电弧焊（Metal Active Gas arc welding，mag）/惰性气
Metal Inert Gas arc welding，mig）、
体保护电弧焊（铆接等工艺保证车身强度和尺寸要求。合理的优化工艺，可以提高节拍。
a.工艺重布。将超节拍工位的工艺，移到节拍
富裕的工位，可实现两个工位都达标。常见的工
艺重布包括点焊焊点移动，涂胶胶道移动，MAG
焊道移动等；
b.减少冗余工艺。将多余的工艺直接减少，可
直接提高节拍。如，为满足总装对不同配置车型的安装需求，每台车身都需要焊接所有螺柱。通
Radio
过精准识别螺柱的作用，结合射频识别（
Frequency Identification，rfid）车型识别技术，只在
车身上焊接此车型配置必须的螺柱，可有效减少车身螺柱焊个数，提高节拍。
c.工艺变更。部分工艺对零件尺寸、加工质量
要求很高，限制了工位节拍的提升，采用替换工
艺，可提高节拍。如，MAG
焊对工件的匹配和尺寸
MAG
有较高的要求，为了保证 焊的表面质量和强
MAG MAG
度，就需要降低 焊的焊接速度。将 焊改成点焊，可在保证车身强度要求的前提下，提高工位节拍。
d.工艺顺序优化。生产中，在一个节拍内一台
机器人要完成多个工艺点，如有的点焊机器人要
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完成 个焊点，有的涂胶机器人要完成 道涂胶。为了在各个工艺点之间过渡，机器人会增加一些过渡轨迹。通过优化这些工艺点的加工顺序，可以减少过渡轨迹，提高节拍。
3.5 设备改进改造
设备安装到现场后，会存在使用效果未达到最优的现象。运用专业知识，深入结合现场，对设备进行不同程度的改造，可提高节拍。如截短送钉类设备送钉管（如螺柱焊，冲铆等），可节约送钉时间；将接触器控制的电机，改为变频控制，可提升电机速度；实施低成本自动化改进，减少人员上下件和零件转运的时间等。
4 结束语
在智能制造的背景下，汽车焊装生产线越来越向无人化、智能化发展。设备和工艺的复杂性
也越来越高，通过深入研究专业知识、结合丰富的现场经验，在现有设备的基础上进行节拍优化的工作，对提高生产效率的作用越来越大。研究分析了识别节拍瓶颈的方法，并从机器人轨迹优化、设备参数优化、设备动作时序优化，工艺优化，设
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备改进改造等 大方向对节拍优化方法进行了详细的分析和归纳总结。但不同的汽车焊装生产线所采用的工艺不同、设备不同、工位布局也不同，因此对不同种类的工艺、设备、工位布局的独特节拍优化方法进行收集，归纳总结成方法论和案例集进行推广和实践，需要持续进行，助力我国汽车工业提升制造效率。
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