時連文 王繼榮 鄭宇航 代相伍 楊家岐 李軍

摘要： ?為了解決原有單相載波模塊組裝生產(chǎn)線定位差和場地面積浪費等問題，本文通過分析并總結(jié)用戶需求，構(gòu)建單相載波模塊自動組裝生產(chǎn)線的質(zhì)量屋，獲取該生產(chǎn)線各設(shè)計要素間的技術(shù)沖突，并運用發(fā)明問題決絕理論（theory of the solution of inventive problems，TRIZ）中的技術(shù)矛盾相關(guān)內(nèi)容，解決質(zhì)量屋列出的技術(shù)沖突。同時，綜合運用質(zhì)量功能展開（quality function deployment，QFD）理論與TRIZ理論，對單相載波模塊自動組裝生產(chǎn)線提出新的生產(chǎn)線設(shè)計方案。研究結(jié)果表明，該設(shè)計解決了生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、適用性與功能之間的技術(shù)沖突，避免了使用各種復(fù)雜算法對生產(chǎn)線進(jìn)行布局設(shè)計，達(dá)到了特定場地條件下對單相載波模塊的裝配要求。該生產(chǎn)線的布局有效地節(jié)省了場地面積，部分結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提高了生產(chǎn)線的效率及可靠性。該研究為生產(chǎn)線的布局設(shè)計提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞： ?QFD; TRIZ理論; 單相載波模塊; 生產(chǎn)線布局

中圖分類號： TH122 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

單相載波模塊是一種裝配好的印制電路板（printed circuit board，PCB）組件，其組裝過程包括安裝下盒蓋、貼標(biāo)、放置PCB、安裝上盒蓋、壓緊等步驟。單相載波模塊的自動組裝生產(chǎn)線[1]，實現(xiàn)了上料、定位、傳輸和裝配等一系列功能，但其采用的圓形生產(chǎn)線布局仍有一定缺陷，該類生產(chǎn)線更適用于場地的長和寬尺寸十分接近的情況。而且隨著工位的增多，圓形生產(chǎn)線造成的場地面積浪費也就越多。PCB生產(chǎn)線的設(shè)計[2]采用直線形布局，雖然設(shè)備占地面積減小、場地利用率提高，生產(chǎn)線的長度保證了各檢測設(shè)備及抓取設(shè)備的安放，但考慮該類生產(chǎn)線傳輸方向的單一性，對于某些長度較短的生產(chǎn)場地，隨著工位的增加，若仍采用直線形布局，可能導(dǎo)致設(shè)備超出場地范圍的問題;而P.V.G.N.H.Akhil等人[3]提出的生產(chǎn)線位置選擇與布局方式，影響著生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率的高低;鄧鴻劍等人[4]提出了用仿真迭代思想對車間布局進(jìn)行規(guī)劃，該方案仍需要應(yīng)用系統(tǒng)布置設(shè)計（systematic layout planning，SLP）和遺傳算法等，對于一般設(shè)計人員難度較大，可操作性較差;朱永生等人[5]運用工業(yè)工程（industrial engineering，IE）相關(guān)理論和方法對全自動智能鍛造生產(chǎn)線的設(shè)備布局、工藝動作等方面進(jìn)行了相關(guān)分析研究，提出改善設(shè)備布局方案，但該方法對其他非專業(yè)人員存在一定的難度?？傊?，生產(chǎn)線的設(shè)計不僅要考慮其本身的功能性問題，其在整個設(shè)計過程中的布局方式也應(yīng)得到重視[6];李琴等人[7]以某企業(yè)生產(chǎn)車間為研究對象，采用SLP方法制定了最佳生產(chǎn)線布局方案;杜俊[8]通過分析汽車?yán)壬a(chǎn)車間的現(xiàn)狀，采用SLP方法和工業(yè)工程理論，對其生產(chǎn)線的布局?jǐn)M定方案進(jìn)行優(yōu)化。由于自動化生產(chǎn)線占地面積有限，造型與布局復(fù)雜多樣，在設(shè)計過程中需要兼顧生產(chǎn)線造型、布局、生產(chǎn)成本及效率等因素。在生產(chǎn)線布局過程中，應(yīng)充分考慮加工設(shè)備占地面積與空閑場地的合理性，避免理論布局方案在實際應(yīng)用中無法實現(xiàn)[9]。近年來，發(fā)明問題解決理論是工程技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新進(jìn)步的重要工具，其應(yīng)用越來越廣泛[10]。該理論通過打破思維定式，在原有設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行突破，并進(jìn)行進(jìn)一步創(chuàng)新設(shè)計[11]。因此，針對上述單相載波模塊自動組裝生產(chǎn)線中圓形與直線形布局產(chǎn)生的問題，本文基于QFD與TRIZ理論，對單相載波模塊生產(chǎn)線進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。該生產(chǎn)線滿足特定場地條件下對單相載波模塊的裝配要求。該研究為單相載波模塊自動組裝生產(chǎn)線的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 QFD與TRIZ理論

質(zhì)量功能配置（quality function deployment，QFD）理論是通過分析客戶和市場需求來指導(dǎo)生產(chǎn)設(shè)計要求，其突出特征是使用質(zhì)量屋（the house of quality，HOQ），建立用戶需求與產(chǎn)品設(shè)計要素之間的對應(yīng)關(guān)系[1213]。通過協(xié)調(diào)、分析并整合各部分內(nèi)容設(shè)計出最優(yōu)的產(chǎn)品，從而有效地解決用戶的核心需求。

TRIZ理論是集系統(tǒng)性與創(chuàng)新性于一體，并致力于發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)中存在的矛盾沖突[13]，且能有效擺脫發(fā)明過程中的慣性思維模式[14]，為系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計提供了一條理想途徑。

QFD理論旨在解決“做什么”的問題，TRIZ理論則重在解決“怎么做”的問題，兩者相輔相成，將兩者聯(lián)合運用，有利于簡化設(shè)計流程，并更好地指導(dǎo)設(shè)計與生產(chǎn)。兩個組合原理已應(yīng)用于多個優(yōu)化設(shè)計中，而運用TRIZ和QFD理論建立的仿生模型有效改善了風(fēng)扇風(fēng)量和噪聲的問題[15]。

本文同樣利用TRIZ、QFD和服務(wù)藍(lán)圖方法的集成，開發(fā)并演示一個結(jié)構(gòu)化和實證的服務(wù)設(shè)計[16]。通過將服務(wù)QFD與TRIZ矛盾分析相結(jié)合，導(dǎo)出服務(wù)解決方案。QFD與TRIZ理論聯(lián)合運用流程圖如圖1所示。

2 基于QFD與TRIZ理論的單相載波模塊組裝生產(chǎn)線布局設(shè)計

2.1 單相載波模塊組成及組裝流程

單相載波模塊由上盒蓋、PCB及下盒蓋（內(nèi)側(cè)底面粘有標(biāo)簽）組成，該模塊主要用于家用智能電表，單相載波模塊組成圖如圖2所示[1]，

單相載波模塊裝配流程如圖3所示[1]。在裝配過程中，生產(chǎn)線除了對各零件精確定位外，還應(yīng)對其進(jìn)行位置識別，只有位置正確的零件才可進(jìn)入裝配流程中，而位置不符合要求的零件予以位置調(diào)整。某生產(chǎn)廠家指定單相載波模塊裝配場地為3 m×1.8 m。經(jīng)初步設(shè)計，將上料系統(tǒng)占地面積設(shè)為0.7 m×0.7 m，其它設(shè)備占地面積均設(shè)為0.5 m×0.5 m。在此條件下，自動組裝流水線的布局緊湊合理，不允許生產(chǎn)線整體尺寸超出場地范圍。

2.2 質(zhì)量屋的構(gòu)建

通過分析單相載波模塊各零件間的裝配關(guān)系及生產(chǎn)線設(shè)計要求，得出用戶體驗需求主要包括功能需求和經(jīng)濟(jì)需求。功能需求指標(biāo)為：較高效率、安全可靠、易于維護(hù);經(jīng)濟(jì)需求指標(biāo)為：成本適宜、壽命長久、便于采購（標(biāo)準(zhǔn)件）。根據(jù)質(zhì)量需求展開，除了用戶體驗需求還應(yīng)考慮生產(chǎn)線設(shè)計技術(shù)需求，其技術(shù)指標(biāo)為：定位精準(zhǔn)、布局合理、結(jié)構(gòu)簡單、造型美觀、適用性廣。在QFD理論框架內(nèi)，展開用戶體驗功能及經(jīng)濟(jì)等綜合需求與設(shè)計技術(shù)需求指標(biāo)矩陣，分析功能要素與用戶需求之間的強弱相關(guān)性，建立“用戶需求與設(shè)計要素”關(guān)系矩陣，構(gòu)建的單項載波模塊自動組裝生產(chǎn)線質(zhì)量屋如圖4所示。

2.3 確定生產(chǎn)線設(shè)計中的沖突

當(dāng)優(yōu)化產(chǎn)品某一功能時，若有助于優(yōu)化另一個相對應(yīng)的功能，則表示這兩個技術(shù)要素之間呈正相關(guān);反之，如果惡化另一個功能，則表示這兩個技術(shù)要素之間呈負(fù)相關(guān)，即存在技術(shù)沖突[17];如果對系統(tǒng)某一工程參數(shù)同時具有相反的需求時（例如要求某個工程參數(shù)既厚又薄，既大又?。砻鞔嬖谖锢頉_突。為確定裝配生產(chǎn)線設(shè)計中的沖突，對質(zhì)量屋的技術(shù)要素進(jìn)行如下分析：

1） 當(dāng)采用技術(shù)要素“定位精準(zhǔn)”（下盒蓋定位準(zhǔn)確、下盒蓋與PCB板的裝配準(zhǔn)確，下盒蓋的卡扣要與上盒蓋準(zhǔn)確裝配）以滿足“較高效率”這一需求時，將導(dǎo)致對應(yīng)的定位零部件“結(jié)構(gòu)簡單”這一功能特性發(fā)生惡化，因此“定位精準(zhǔn)”與“結(jié)構(gòu)簡單”之間呈負(fù)相關(guān)，為一對技術(shù)沖突。

2） 當(dāng)采用技術(shù)要素“適用性廣（滿足不同批次、不同規(guī)格的單相載波模塊的定位裝配）”來滿足“成本適宜”時，將導(dǎo)致“結(jié)構(gòu)簡單”這一功能特性惡化，因此“結(jié)構(gòu)簡單”與“適用性廣”之間存在負(fù)相關(guān)，為另一對技術(shù)沖突。

2.4 運用TRIZ理論解決設(shè)計沖突

根據(jù)TRIZ的沖突解決原理，用39個通用工程參數(shù)對產(chǎn)品設(shè)計中的沖突進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化表述。將存在技術(shù)沖突的技術(shù)要素“定位精準(zhǔn)”轉(zhuǎn)化為通用工程參數(shù)“27可靠性”，將“結(jié)構(gòu)簡單”轉(zhuǎn)化為參數(shù)“36系統(tǒng)的復(fù)雜性”，將“適用性廣”轉(zhuǎn)化為參數(shù)“35適應(yīng)性，通用性”。通過查詢沖突矩陣表[18]，得到“40條發(fā)明原理”中相應(yīng)的發(fā)明原理來解決技術(shù)沖突，生產(chǎn)線設(shè)計沖突矩陣表如表1所示。

表1右下側(cè)所列數(shù)字是TRIZ理論推薦的一般性解決方案原理代號，對于裝配生產(chǎn)線這個具體的設(shè)計對象，需要結(jié)合實際情況再進(jìn)行討論[19]。經(jīng)過具體分析后，得出發(fā)明原理“組合合并5”，“多元性6”，“反向作用13”可以有效地解決設(shè)計中的沖突，并且還可以考慮引入“1分割”發(fā)明原理來解決第二對技術(shù)沖突。

各發(fā)明原理及其含義：

1） 1分割原理。將物體分成獨立的部分，或使物體成為可拆卸的，以增加物體的分割程度[12]。

2） 5組合合并原理。在空間上將相同或相近的物體或操作加以組合，在時間上將相關(guān)的物體或操作合并。

3） 6多元性原理。使物體具有復(fù)合功能，以替代其他物體的功能。

4） 13反向作用原理。轉(zhuǎn)換過去解決問題的方法，使物體的狀態(tài)屬性發(fā)生變化，如將活動部分改變?yōu)楣潭ǖ?，讓固定的部分變?yōu)榛顒拥摹?/p>

5） 35性能轉(zhuǎn)換原理。通過改變物理狀態(tài)（濃度或密度）、柔性或靈活程度等，實現(xiàn)性能優(yōu)化或改變。

由發(fā)明原理5“組合合并”和發(fā)明原理6“多元性”可知，將定位塊固定在輸送機構(gòu)上，共同構(gòu)成循環(huán)運輸線，使其在具有最基本的產(chǎn)品傳送功能的同時，還具有對所裝配零部件的定位功能。

由發(fā)明原理13“反向作用”可知，依靠外加輸送機構(gòu)，先將PCB和下盒蓋運至靜止的平臺，再予以裝配方案變換為讓原本靜止的定位塊跟隨運輸線一起運動（由控制系統(tǒng)控制運輸線的靜止、運動狀態(tài)從而進(jìn)行定位裝配）。在完成一輪裝配任務(wù)后，定位塊仍能回到初始位置，參與下一輪裝配。

由發(fā)明原理35“性能轉(zhuǎn)換原理”及發(fā)明原理1“分割原理”可知，將定位塊設(shè)計成可拆分及位置可調(diào)的彈性夾具，通過放置定位零件擠壓彈簧元件，依靠彈簧的形變力，實現(xiàn)對各種型號零件的定位功能。

2.5 確定生產(chǎn)線布局

雖然單相載波模塊的裝配工位只有6個，但是為達(dá)到裝配目的，所布置的設(shè)備卻有9個，分別為上盒蓋振動上料盤及抓取機械手、貼片機、壓緊氣缸、PCB料盤存放區(qū)、PCB抓取機械手、對接其它工位的抓取機械手。生產(chǎn)線布局圖如圖5所示，圖中箭頭為裝配方向，矩形為裝配工位。

由圖5a可以看出，在6個裝配工位外側(cè)各布置一個設(shè)備，由于上盒蓋與下盒蓋裝配工位之間間隔兩個工位，所以其振動上料盤應(yīng)相對布置，其余3個設(shè)備布置于各設(shè)備間的合適位置，通過查閱相關(guān)資料，該類生產(chǎn)線中回轉(zhuǎn)盤直徑不小于0.6 m，則該布局徑向極限距離為0.7×2+0.6=2.0 m>1.8 m;由圖5b可知，其長度方向極限距離為0.7×2+0.5×4=3.4 m>1.8 m。顯然，此處采用圓形布局與直線形布局不合適;圖5c與圖5d的兩種布局方式較為相似，通過對圓形和直線形布局進(jìn)行改進(jìn)，定位夾具仍然固定在與傳送帶連接的滑座上，考慮到參與裝配設(shè)備較多，為避免出現(xiàn)圖5a和圖5b兩種布局方式超出場地規(guī)定范圍的現(xiàn)象，也為避免直線形傳輸布局因傳輸距離遠(yuǎn)及夾具自身重力等因素引起帶的抖動，現(xiàn)將生產(chǎn)線布局改進(jìn)成圖5d的“環(huán)形”形式，將下盒蓋、上盒蓋、振動上料盤布置在環(huán)形軌道的弧形段，夾具固定在同步帶的一側(cè)導(dǎo)軌滑座上，有效解決了帶的抖動與變形問題，該布局兼具圓形與直線形布局的優(yōu)點;圖5d在寬度方向的極限距離為0.7+0.5×2=1.7 m<1.8 m，在長度方向的極限距離為0.7×2+0.5×2=2.4 m<3 m。由計算可知，該布局方式符合規(guī)定的場地范圍;圖5c矩形布局雖然也能適應(yīng)預(yù)先規(guī)定的生產(chǎn)場地，但由于四個拐角的特殊性，在四個拐角各布置一個帶輪后，會增加驅(qū)動機構(gòu)數(shù)量。

綜合以上幾種布局，最終選擇環(huán)形布局方案，單相載波模塊組裝生產(chǎn)線布局如圖6所示。由圖6可以看出，兩自由度機械手只在Y和Z方向運動，其它并無特殊要求，而三個四自由度機械手除對各零件進(jìn)行抓取與搬運外（搬運動作在X、Y、Z方向進(jìn)行），還對所夾的零件進(jìn)行正反調(diào)整。

單相載波模塊零件圖如圖7所示。由圖7可以看出，下盒蓋上兩種類形的卡扣寬度、PCB板兩排針的寬度以及上盒蓋上兩個開孔的長度均不同，因此，下盒蓋、PCB板與上盒蓋都存在正反之分，它們的正反調(diào)節(jié)由機械手的第四個旋轉(zhuǎn)動作保證（Z軸方向），機械手的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)指令依賴于其上面的光纖傳感器（光纖傳感器具有精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點[20]），即當(dāng)機械手抓取零件后，傳感器識別各零件的正反特征，并決定是否要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以調(diào)節(jié)零件的正反位置。

光纖傳感器與機械手間的工作原理如圖8所示。由圖8可以看出，當(dāng)下盒蓋上位后，光纖傳感器以下盒蓋上的卡口B作為識別特征，當(dāng)下盒蓋的方向與預(yù)先定義的方向一致（正向）時，機械手直接將其抓取運送到對應(yīng)裝配位置;當(dāng)下盒蓋的方向與預(yù)先定義的方向不一致（反向）時，機械手要先做一次旋轉(zhuǎn)運動，然后再抓取下盒蓋并運送至對應(yīng)裝配位置。PCB板和上盒蓋的抓取與識別工作原理與之類似。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合QFD與TRIZ理論，通過綜合考慮設(shè)計要求及各種技術(shù)要素的關(guān)系，分析了生產(chǎn)線布局對生產(chǎn)效率與占地面積的影響。同時，構(gòu)建了自動組裝生產(chǎn)線的質(zhì)量屋模型，并運用TRIZ理論中的4個發(fā)明創(chuàng)新原理，對PCB與下盒蓋的定位方案及生產(chǎn)線布局進(jìn)行分析和改進(jìn)設(shè)計，通過用彈簧夾具代替夾緊氣缸，用載具與傳輸帶組合代替其它抓取機構(gòu)，并將零件放到特定位置進(jìn)行裝配的方式，解決了生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、適用性與功能之間的技術(shù)沖突，避免使用各種復(fù)雜算法對生產(chǎn)線進(jìn)行布局設(shè)計。通過改變生產(chǎn)線的造型與設(shè)備布置方式，結(jié)合相關(guān)計算對各方案的可行性進(jìn)行驗證，確定了最終環(huán)形布局方案，達(dá)到了特定場地條件下對單相載波模塊的裝配要求。該研究為今后的設(shè)計及方案改進(jìn)提供了新的思路。

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