摘要：电气设计一般采用需要系数法、单位指标法等进行负荷计算，而各工业设计院大多采用需要系数法。汽车工厂焊装车间多采用此设计方式，而实际上在达到生产线规划产能的情况下，电气实际运行负荷仍远远小于设计负荷（计算负荷），这就要求在计算焊机负荷时，负载持续率、需要系数的取值需要结合实际确定。
关键词：效率提升；焊装；自动线
引言
生产线平衡率是保证生产效率的主要指标，影响生产成本的高低[1]，生产线的节拍依靠人和设备，按照规划的动作时序图有序实现。其中设备动作时序包括各单体设备的联动时序和设备自身的节拍，而设备的节拍需要靠设备自身的选型设计实现，选型设计的优劣决定了设备的运行稳定性和节拍能力是否满足生产线按节拍正常运转的需求。某汽车制造厂焊装生产线在爬坡过程中3轴自动焊频繁出现电机过载报警，无法达到节拍，本文以自动焊45JPH提速为例，阐述生产线设备的节拍规划方法。
一、问题的提出
焊接工艺及设备部门提供的设计依据数据多是设备供应商反馈而来，而设备供应商在提供设备的电气负荷时，都会留有较大的备用余量。例如焊装车间常用的悬挂点焊机DN3-200参数：额定容量200kVA；额定初级电压，单相AC380V，50Hz；额定初级电流526A；负载持续率50%。KR机器人参数：额定容量75kVA；额定初级电压，三相AC380V，50Hz；额定初级电流，无；负载持续率10%。设计院设计时会按照工艺提供的参数进行计算。焊装车间若采用200～300台这样的焊机，计算出的电气负荷将远远大于实际运行负荷，造成大量额外投资。这种现象在很多汽车工厂多次出现。为此，本文以某大型汽车工厂焊装车间的配电为例，其规划生产节拍为30JPH（JPH是JobsPerHour的缩写，表示小时工作量或单位时间工作量），实际生产节拍基本在18~26JPH之间，结合设计规范理论值，对焊机的需要系数取值、变压器负荷情况进行分析，供后续设计参考。
二、负荷分析
（一）生产线负荷分配
某焊装车间规划利用现有生产线进行改造，故焊接配电均利用现有4台变压器，重新分配负荷。本次以15#、16#变压器所带负荷验证负载持续率、需要系数取值。
（二）工频焊机的负载持续率
负载持续率（又称暂载率）是指设备在一定电流下连续工作的能力，为一个工作周期内工作时间t与工作周期T的百分比，用εn表示，即εn=tT×100%。《工业与民用供配电设计手册》（4版，以下简称4版《手册》）表1.4-1提供了点焊机、焊接机器人的需要系数Kx、功率因数cosφ取值：DN3系列悬挂点焊机Kx=0.35，cosφ=0.6；焊接机器人Kx=0.2，cosφ=0.6；而对于汽车行业经常使用的DN3-200、DN3-250等大容量悬挂点焊机的负荷持续率在4版《手册》表12.4-4中并未列出。结合某汽车工厂焊装车间白车身点焊参数推荐库里钢板的预压时间、加压时间、焊接时间、维持时间的标准值综合计算，负载持续率均值εn=20%左右，详见表3。针对每条生产线的钢板的预压时间、加压时间、焊接时间、维持时间的实际值计算，主焊线、下部线、侧围线、后地板、发舱、门盖、主线分装的焊机负载持续率εn分别为18%、19.9%、19.57%、20.43%、19.9%、19.27%、18.66%。故悬挂点焊机、焊接机器人的负载持续率取值为εn=20%左右是比较切合实际的，不建议按设备本身标注的50%取值。
（三）15#、16#变压器负荷理论计算
首先将悬挂点焊机的两相负荷换算为三相负荷，其次，按设计手册中同期系数建议值考虑，有功功率同期系数K∑p可取0.8~0.9，无功功率同期系数K∑p可取0.93~0.97，此处按低值计算，15#、16#变压器的负荷率为57%、72%。15#、16#变压器理论因焊装车间是改造工程，变压器为利旧，负荷率较低；变压器实际运行中，负荷率宜在75%~85%之间，长期负荷率不宜大于85%。
三、自动焊节拍规划
自动焊的组成部分主要有机械系统、电气系统、辅助系统（润滑、防尘等装置）。其中电气系统决定设备动作的实现，辅助系统作为设备的后勤保障，但真正决定系统稳定性和性能的主要还是机械系统。自动焊面临的频繁过载的主要报警原因属于典型的机械系统问题，与元器件的选型和装调质量息息相关。
（一）电机节拍规划
自动焊机械系统通用的设计流程见图1。针对当前自动焊的过载报警问题，主要体现为电机性能达不到节拍提升的要求，这里以电机选型阐述其与节拍匹配的关系，通过45JPH对自动焊的时间限定来优化电机选型，提升节拍。
（二）节拍规划
受采购周期影响，能够满足生产爬坡要求的时间节点只有ABMPL-A320P1kW，以自动焊X轴为例进行45JPH节拍规划，有2个方案：只使用1kW电机，使用1kW电机+速比为4的减速机。结合前文论述的计算方法，计算结果见表2，分析如下。（1）组数1。运动距离一定、1kW电机驱动负载时，惯量比远远超标，对于电机启停时的加减速冲击很大，电机响应慢，工作很不稳定，故此方案直接淘汰。（2）组数2。运动距离一定，基于表2的许可时间、最小加速度，电机的最大速度在超标情况下才可以完成在0.4743s内走完0.052m的行程。从组数2的数据可以看出，电机转矩还有一定的利用空间，这与加速度有关，而加速度又影响着运动时间，即节拍的提升。基于既定的机械结构和电机，下面具体探讨45JPH节拍提升的可能性，以及电机的性能极限，作为整个设备组成的一个关键部分，这对于整个系统的性能衡量尤为重要。（3）组数7。运动距离、最大运动时间、加速度如表2取值，电机的最大转矩达到许可极限值。对比组数2、3、4、5的数据，可知加速度值越大电机实际转矩越大，故此电机配合速比4的减速机后最大加速度值不允许超过5.0352m/s2。（4）组数3、4、5、6。运动距离、最大运动时间、加速度如表2取值，电机的最短允许时间为0.386s，否则最大速度将超标。运动距离一定时，电机在不同加速度情况下有着对应的最小允许运动时间。由组数5、6得知，对既定电机，加速度提升到一定值后对于节拍的影响提升较小，但对电机性能影响较大，所以在许可范围内，不是加速度越大速度提升越明显。综合系统性能和节拍，推荐使用组数3、4的数据值，建议不要超过组数5的数据值。
结束语
以伺服电机的节拍规划为例，探讨以下内容。（1）自动焊的节拍规划和伺服电机的性能评估方法，可用于指导其他相关元器件的匹配性设计，对于组成生产线并实现生产线节拍的各设备的节拍规划有较大参考意义。（2）基于以上分析，通过更换伺服电机及减速机后，生产线已实现按照45JPH稳定运行。
参考文献
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