曹先雷，胡習之

（1.廣州維思車用部件有限公司，廣州 510460；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641）

0 引言

“中國制造2025”中明確指出，堅持把創(chuàng)新擺在制造業(yè)發(fā)展全局的核心位置，推動各領域各行業(yè)交叉融合協(xié)同創(chuàng)新[1]。創(chuàng)新是引領社會發(fā)展的第一動力[2]。當今世界的競爭，主要是創(chuàng)新能力的競爭；世界各國都在重視科技創(chuàng)新與設計創(chuàng)新，創(chuàng)新設計已成為眾多學者的研究重點。以蘇聯(lián)著名發(fā)明家阿奇舒勒為首的研究機構(gòu)提出了TRIZ發(fā)明問題解決理論，該理論已在國內(nèi)外廣泛應用，對世界產(chǎn)品創(chuàng)新領域產(chǎn)生了深遠影響[3]。胡潔等[4]提出了融合創(chuàng)新設計方法，通過對知識、系統(tǒng)和學科的融合來實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設計，為創(chuàng)新設計提供了理論支撐。祁元明等[5]重視人的因素，提出通過基于用戶體驗行為的產(chǎn)品創(chuàng)新設計激勵方法可獲得更好操作體驗的產(chǎn)品。劉江南等[6]提出了由系統(tǒng)目標向系統(tǒng)內(nèi)部組件逐步遍歷的功能倒推分析法，結(jié)合裁剪法，運用TRIZ問題求解工具，建立了系統(tǒng)重構(gòu)創(chuàng)新設計模型，為創(chuàng)新設計提供了新思路。

以上創(chuàng)新方法給產(chǎn)品設計提供了理論基礎，為了將上述理論更好地應用于設計實踐，針對產(chǎn)品設計中存在的慣性思維及如何尋找理想解問題，本文基于TRIZ理論提出了一種產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計方法，應用該方法完成了乘用車前閱讀燈沖切及冷鉚接設備的創(chuàng)新設計。該設計方法可給設計者提供新的設計思路參考，以系統(tǒng)全面地解決產(chǎn)品創(chuàng)新設計問題。

1 TRIZ核心問題求解方法

1.1 TRIZ理論簡介

TRIZ理論由9大經(jīng)典理論體系構(gòu)成，包括：理想解、40個發(fā)明原理、39個通用技術(shù)參數(shù)和矛盾矩陣、物理矛盾及4大分離原理、物場模型、76個標準解、發(fā)明問題解決算法、八大進化法則、科學效應和現(xiàn)象知識庫等[7]。其中矛盾解決原理已在產(chǎn)品創(chuàng)新設計中得到了廣泛應用。

1.2 TRIZ矛盾解決方法

在設計過程中，產(chǎn)品的設計存在著各種矛盾。因此，TRIZ認為產(chǎn)品創(chuàng)新的核心是解決設計中的矛盾。在問題解決過程中，利用該設計方法把實際工程設計中的矛盾轉(zhuǎn)化為TRIZ理論中的通用化參數(shù)。同時通過查找矛盾矩陣表[8]，得出對應的發(fā)明解決原理，結(jié)合實際問題，選擇符合產(chǎn)品設計的發(fā)明原理，得出產(chǎn)品設計方案。

以上根據(jù)TRIZ矛盾解決原理得到的解往往是離散的，其提供了問題解決方案，解決了主要矛盾；但是其TRIZ理論解如何具體實施、如何克服產(chǎn)品設計中存在的慣性思維及如何尋找理想解問題等受限于設計者的學識與經(jīng)驗。因此期望結(jié)合產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計方法實現(xiàn)理想解。

2 產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計方法

產(chǎn)品創(chuàng)新設計是一個系統(tǒng)工程，若疏忽其中一個子系統(tǒng)，可能對整個產(chǎn)品系統(tǒng)造成缺陷或隱患。因此，設計時需綜合考慮各個子系統(tǒng)的設計、關聯(lián)與平衡。本文從系統(tǒng)學理論[9]角度出發(fā)，為了將復雜的產(chǎn)品創(chuàng)新設計問題簡單化，基于TRIZ理論提出了一種產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計模型，如圖1所示。

其設計過程分8個步驟完成。第1步，先對產(chǎn)品進行總體技術(shù)系統(tǒng)分析，定義產(chǎn)品要實現(xiàn)的功能及技術(shù)要求。第2步，找出核心問題，定義問題矛盾并轉(zhuǎn)換為技術(shù)矛盾或物理矛盾描述。第3步，應用技術(shù)矛盾索引表或分離原理查找對應的發(fā)明原理解。第4步，劃分技術(shù)子系統(tǒng)，根據(jù)各個子系統(tǒng)的功能要求引用模塊化設計方法[10-11]進行功能結(jié)構(gòu)模塊劃分。第5步，采用產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計方法從法律規(guī)范、科學效應與學科知識、結(jié)構(gòu)、場與流、空間、外觀、時間、智能化、成本9個維度進行分析與功能矩陣設計。根據(jù)圖1的設計模型建立九維設計矩陣的數(shù)學表達式如式（1）所示。第6步，融合使用產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計方法、技術(shù)進化路線、系統(tǒng)平衡法進行設計理想度評價與優(yōu)選。第7步，設計方案定型。第8步，使用3D設計軟件建立產(chǎn)品創(chuàng)新設計模型。

圖1 產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計模型

式中：P1～P8為創(chuàng)新設計的8個維度；實際工程應用中，為了精簡設計，提高設計效率，可將其中一個維度進行簡化并與其他維度進行融合，進而演變?yōu)?個維度，例如結(jié)構(gòu)和空間可以融合為1個維度；K11～K88為設計屬性，行表示每個維度包括的設計屬性，列表示對應P1～P8不同維度的設計屬性；δ1～δ8為權(quán)重系數(shù)，根據(jù)產(chǎn)品的功能特性設定。

通過式（1）行與列的組合與優(yōu)化，可得到系統(tǒng)的創(chuàng)新設計方法。

3 應用案例

一款乘用車前閱讀燈在裝配過程中需實現(xiàn)金屬件沖切、冷鉚接與PCB冷鉚接功能，現(xiàn)基于TRIZ理論的產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計方法尋找理想解。前閱讀燈殼體部件分解圖如圖2所示，其中殼體有兩個版本：高配版本，中間無筋位；低配版本，中間有筋位，如圖3所示。殼體材料為PP，適宜于冷鉚接。

圖2 殼體部件分解圖

圖3 殼體

3.1 基于TRIZ理論的產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)分析與創(chuàng)新設計

3.1.1 總體技術(shù)系統(tǒng)分析

3.1.1.1 產(chǎn)品設計的功能及技術(shù)要求

（1）沖切、冷鉚接系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能：金屬件沖切，沖切后連接筋向下彎曲60°±3°，如圖4所示，連接筋共8處；金屬件、PCB與殼體冷鉚接，鉚后尺寸：鉚柱直徑φ2.7(0/-0.2)mm，高度(0.7±0.15)mm，如圖5～6所示，鉚柱共15個；金屬件、PCB與殼體冷鉚接后無松動現(xiàn)象。

圖4 金屬件連接筋沖切

圖5 金屬件與殼體冷鉚接

圖6 PCB與殼體冷鉚接

（2）生產(chǎn)節(jié)拍：小于或等于25 s，或更短的時間。

（3）作業(yè)員配置：1人或無人。

（4）安全性：無安全隱患。

3.1.1.2 問題分析

目前車燈制造廠商關于乘用車前閱讀燈金屬件沖切、冷鉚接與PCB冷鉚接的傳統(tǒng)工藝大多采用分離工序方式完成；其雖然可以控制產(chǎn)品質(zhì)量，但是設備分為2臺，占地面積大，且生產(chǎn)節(jié)拍長，生產(chǎn)效率低；人工勞動強度大。

3.1.1.3 理想解

根據(jù)TRIZ理論設定的最終理想解（IFR）為：（1）在一個工位同時完成沖切、冷鉚接作業(yè)，使設備占地面積最小；（2）生產(chǎn)節(jié)拍更短；（3）具有通用性，可兼容高低配前閱讀燈生產(chǎn)；（4）作業(yè)員配置1人或無人。

3.1.2 定義核心問題矛盾

根據(jù)現(xiàn)有沖切、冷鉚接設備的工藝現(xiàn)狀及理想解，列出希望改善的參數(shù)，并轉(zhuǎn)換為TRIZ理論技術(shù)矛盾中的39個通用工程參數(shù)，如表1所示。

表1 技術(shù)矛盾參數(shù)轉(zhuǎn)化

經(jīng)分析，上述參數(shù)的改善帶來的惡化參數(shù)有：可靠性（No.27）；裝置復雜性（No.36）。

3.1.3 解決核心問題矛盾

根據(jù)系統(tǒng)應改善的參數(shù)及惡化參數(shù)，建立矛盾矩陣，如表2所示。

表2 阿奇舒勒矛盾矩陣

查看阿奇舒勒矛盾矩陣中行列交叉處發(fā)明原理所對應的序號。對以上多個發(fā)明原理進行分析，結(jié)合工程實際，選出以下發(fā)明原理：（1）No.1分離原理；（2）No.10預先作用原理；（3）No.4非對稱原理；（4）No.15動態(tài)原理。如何將以上原理應用到具體設計中，擬結(jié)合產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計方法進行系統(tǒng)分析，以實現(xiàn)理想解。

3.1.4 功能結(jié)構(gòu)模塊劃分

該沖切冷鉚接設備包含以下模塊：（1）上、下料；（2）殼體組件定位模塊；（3）殼體組件夾緊模塊；（4）殼體組件水平傳送模塊；（5）沖壓驅(qū)動模塊；（6）沖切冷鉚接模塊；（7）機架模塊；（8）控制模塊。

3.1.5 九維工程系統(tǒng)分析與功能矩陣設計

采用產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計方法對各功能結(jié)構(gòu)模塊從以下9個維度進行系統(tǒng)分析，并根據(jù)重要程度確定其權(quán)重系數(shù)。

（1）法律·規(guī)范。根據(jù)IATF16949[12]質(zhì)量管理體系要求，需進行防錯設計，以預防錯誤的發(fā)生。應用No.4非對稱原理，利用仿形殼體的不對稱結(jié)構(gòu)進行定位夾具設計可防止殼體裝配方向錯誤。將沖針設計為只有1個方向裝配的結(jié)構(gòu)，可防止沖針裝配方向錯誤而損壞產(chǎn)品。上模具設置1個防錯柱與下模具的防錯孔配合，可提前發(fā)現(xiàn)上、下模具裝配方向錯誤。通過專利檢索，查詢該設備目前的專利狀態(tài)，規(guī)避專利風險。其權(quán)重系數(shù)δ1=5。

（2）科學效應·學科知識。如何保證制造精度，需應用沖壓模具、液壓與氣動、工程力學等學科知識進行結(jié)構(gòu)設計與分析。其權(quán)重系數(shù)δ2=20。

（3）結(jié)構(gòu)，關鍵部件——沖切、冷鉚接模具結(jié)構(gòu)設計。為了防止零件冷鉚接后松動，工作時，需先將金屬件與PCB同時壓緊，再沖切、冷鉚接。由于金屬件、PCB、殼體有一定的尺寸公差與形位公差，為了使金屬件、PCB與殼體的壓緊互不受影響，可應用No.1分離原理和No.15動態(tài)原理將金屬件、PCB分別使用不同彈性壓緊裝置分開壓緊。由于需兼容高低配前閱讀燈通用生產(chǎn)，可應用No.1分離原理將殼體中部支撐件設計為可拆卸的結(jié)構(gòu)，通過快速更換支撐鑲件來適應高低配前閱讀燈生產(chǎn)；避免更換整個工裝，以降低成本?？蓱肗o.10預先作用原理對金屬件先沖切再冷鉚接，以避免沖切力影響鉚接松緊度。可應用有限元分析法，對增壓缸固定板進行應力、應變分析，以設計合理的結(jié)構(gòu)尺寸。

（4）場·流：機械場、液壓流。沖壓模具通過氣液增壓缸[13]在液壓段的推力作用下完成零部件沖切與冷鉚接。其權(quán)重系數(shù)δ3=10。

（5）空間。采用精簡、合并、鉗套等方法進行空間整合，將2個工步合并為1個工步，通過1套模具完成任務，以合理進行空間布局設計，使設備空間最小化?？臻g維度與結(jié)構(gòu)維度融合，其權(quán)重系數(shù)δ4=25。

（6）外觀。應用工業(yè)工程學科知識，綜合考慮形態(tài)、顏色、美學、人機工程學、產(chǎn)品與藝術(shù)結(jié)合等因素使產(chǎn)品外觀設計符合人的審美觀。其權(quán)重系數(shù)δ5=5。

（7）時間。生產(chǎn)節(jié)拍時間更短、產(chǎn)品生命周期預測。其權(quán)重系數(shù)δ6=10。

（8）智能化。為了防止零件錯裝、漏裝，可由傳感器識別殼體版本及檢測金屬件、PCB有無。由于沖針刃口鋒利，長久使用時易變鈍，使沖切質(zhì)量受到影響，因此考慮采用PLC[14]進行計數(shù)，當沖針達到設定的使用壽命后，設備即報警，提示運維人員提前進行檢查維護，以防止生產(chǎn)不正常停機并規(guī)避產(chǎn)品質(zhì)量陷患。其權(quán)重系數(shù)δ7=15。

（9）成本。應用價值工程設計方法以最低的成本實現(xiàn)有效的功能。進行產(chǎn)品生命周期成本預測。其權(quán)重系數(shù)δ8=10。

通過以上九維工程系統(tǒng)分析，從多方位進行功能矩陣設計，結(jié)合九維設計矩陣的數(shù)學表達式（1）與工程實際可行性，列出功能矩陣如表3所示。通過這些功能矩陣可以組合為多個方案。

表3 功能矩陣

3.1.6 設計理想度評價與優(yōu)選

（1）上下料：殼體、PCB可由三軸機械手或六軸機器人上料。但是，由于金屬件形狀不規(guī)則，不易采用振動盤供料；同時，若使用三軸機械手或六軸機器人取金屬件時，沒有合適的夾取位置，易造成自動上料功能失效。因此優(yōu)選人工上下料方式。

（2）殼體組件定位：方案1，采用整體定位方式，則高低配不易兼容，且制造成本高；方案2，采用組合定位方式，將殼體中部支撐件與殼體定位件分離，通過更換支撐鑲件的方式實現(xiàn)高低配產(chǎn)品生產(chǎn)切換。因此優(yōu)選方案2。

（3）殼體組件夾緊：方案1，采用快速夾具夾緊殼體組件，其節(jié)拍時間為2 s，效率較低；方案2，采用電動夾緊方式，其可滿足夾緊功能要求，但是成本高；方案3，采用氣缸夾緊，其節(jié)拍時間為0.5 s，效率高，成本低。因此優(yōu)選方案3。

（4）殼體組件水平傳送：方案1，采用人工推入直線傳送裝置，氣缸推出直線傳送裝置；該動作節(jié)拍為2 s，且人工勞動強度大；方案2，采用電動缸驅(qū)動直線傳送裝置，該動作節(jié)拍為2 s，但是成本較高；方案3，采用氣缸驅(qū)動直線傳送裝置，該動作節(jié)拍為1.5 s，效率高，成本低。因此優(yōu)選方案3。

（5）沖壓驅(qū)動：方案1，采用氣缸驅(qū)動，計算缸徑為φ300 mm，其體積較大；方案2，采用電動缸驅(qū)動，其可實現(xiàn)多個位置與速度控制，但是成本高；方案3，采用氣液增壓缸驅(qū)動，其體積尺寸較小，第一段行程由氣缸壓緊殼體組件，第二段行程由液壓缸輸出增壓力，用于殼體組件沖切與冷鉚接，可滿足功能要求，成本低。因此優(yōu)選方案3。

（6）沖切冷鉚接方式：方案1，使用空間與時間分離原理，采用2個工步，先在工步一區(qū)域完成金屬件沖切作業(yè)，再將殼體組件水平傳送至工步二區(qū)域完成金屬件與PCB冷鉚接作業(yè)，其動作節(jié)拍為7.5 s，模具成本3萬元，占地面積較大，且金屬件在沖切后位置易發(fā)生變化，對鉚接精度產(chǎn)生不利影響；方案2，采用No.1分離原理將上模的金屬件壓緊模塊與PCB壓緊模塊分離，采用1個工步完成金屬件沖切、金屬件與PCB的同時冷鉚接，其動作節(jié)拍為3 s，模具成本2.2萬元。方案2動作節(jié)拍短，占地面積小，成本較低。因此優(yōu)選方案2。

（7）機架：方案1上、下機架均采用鋁型材結(jié)構(gòu)，由于沖壓力較大，當下機架為鋁型材結(jié)構(gòu)時會產(chǎn)生較大的位移，使設備可靠性變差；方案2上機架采用鋁型材結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)強度及外觀符合要求，下機架采用Q235方管焊接結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)設計可以抵抗沖壓產(chǎn)生的位移。因此優(yōu)選方案2。

（8）控制方式：方案1，采用單片機[15]+觸摸屏控制；單片機雖然成本低，但程序調(diào)試不方便，缺乏通用性；方案2，采用PLC+觸摸屏控制，其編程簡易，可進行多個產(chǎn)品的編程控制，通用性強，可靠性高，現(xiàn)場抗干擾能力強。因此優(yōu)選方案2。

3.1.7 設計方案定型

通過對以上功能設計的優(yōu)劣分析與系統(tǒng)整合，擬定以下設計方案：設計1臺沖切冷鉚接設備，配置1名作業(yè)員，由人工上下料；由PLC控制機器完成殼體組件沖切及冷鉚接工作。其操作流程為：人工將殼體組件放入定位工裝→人工雙手觸摸按鈕→氣缸夾緊→下模及殼體組件自動傳送至沖切冷鉚接區(qū)域→氣液增壓缸驅(qū)動上模下壓，上模先分別壓緊金屬件及PCB，再沖切金屬件、冷鉚接殼體→上模上升→氣動直線傳送裝置自動推出→人工取出產(chǎn)品目視檢查合格后傳遞至下工序。

3.2 產(chǎn)品3D建模

3.2.1 總體設計

乘用車前閱讀燈零部件沖切冷鉚接設備總成如圖7所示。其機架包括下機架與保護罩。下機架包括電氣控制系統(tǒng)。

圖7 沖切冷鉚接設備總成

3.2.2 核心部件設計

（1）沖切冷鉚接機構(gòu)設計

沖切冷鉚接機構(gòu)主要給沖切與冷鉚接作業(yè)提供驅(qū)動力。沖切冷鉚接機構(gòu)如圖8所示。

（2）沖切冷鉚接模具設計

沖切冷鉚接下模固定在氣動直線傳送裝置上，主要對殼體組件進行定位、檢測零件有無及夾緊。沖切冷鉚接下模如圖9所示。

圖9 沖切冷鉚接下模

由光纖傳感器檢測殼體組件有無。其中1個激光傳感器檢測殼體版本，另外3個激光傳感器分別檢測金屬件及PCB有無。支撐鑲件可快速拆卸，由接近開關檢測高、低配版本支撐鑲件型號，以防止支撐鑲件使用錯誤造成質(zhì)量缺陷。2個接近開關安裝在定位夾具內(nèi)側(cè)。

沖切冷鉚接上模連接在垂直移動組件上，主要與下模合模定位，先壓緊金屬件與PCB，再完成金屬件的沖切、冷鉚接與PCB冷鉚接的同時作業(yè)。沖切冷鉚接上模如圖10所示。壓緊裝置包括金屬件壓緊裝置與PCB壓緊裝置，2個PCB壓緊裝置鑲鉗在金屬件壓緊裝置內(nèi)，可分別獨立上下滑動。PCB壓緊裝置包括PCB壓板、導柱、等高螺釘、彈簧組件。由氣液增壓缸通過彈簧提供金屬件與PCB的預壓緊力。沖、鉚針裝配結(jié)構(gòu)如圖10（b）所示，其貫穿于壓緊裝置，由沖針對金屬件連接筋進行沖切，使連接筋向下成形60°。由鉚針對金屬件、PCB與殼體進行冷鉚接。

圖10 沖切冷鉚接上模

3.3 實驗結(jié)果

根據(jù)上述設計制造了1臺沖切冷鉚接設備，完成了汽車前閱讀燈的金屬件沖切、冷鉚接與PCB冷鉚接的同時作業(yè)。經(jīng)測量，其生產(chǎn)節(jié)拍為23 s；連接筋沖切角度為59°～60°、鉚柱冷鉚接后直徑為φ2.6～2.7 mm，高度為0.7～0.8 mm；沖切冷鉚接合格。

結(jié)果表明：（1）通過相互分離的柔性模塊可實現(xiàn)多個零部件的沖切及冷鉚接壓緊，以消除各零部件尺寸公差及形位公差的變化對鉚接松緊度的影響，將金屬件先沖切，再將金屬件、PCB與殼體同時冷鉚接，可減少設備數(shù)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；（2）采用不對稱結(jié)構(gòu)設計可防止設備裝配及維護過程中裝配方向錯誤的發(fā)生。

4 結(jié)束語

可持續(xù)發(fā)展的關鍵在于創(chuàng)新，需綜合考慮各種因素，以尋找理想解。如何得到更優(yōu)的解決方案，本文提出了一種基于TRIZ理論的產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計方法，應用該設計方法設計制造了1臺乘用車前閱讀燈零部件沖切冷鉚接設備，達到了設計要求，驗證了該設計方法的有效性。通過以上設計分析與實驗，對其設計方法創(chuàng)新點總結(jié)如下。

（1）設計時先應用TRIZ理論求解核心問題矛盾，再從法律規(guī)范、科學效應與學科知識、結(jié)構(gòu)、場與流、空間、外觀、時間、智能化、成本9個維度進行總體系統(tǒng)分析與設計，并建立九維設計矩陣的數(shù)學表達式，最后應用功能矩陣表通過對比分析得到理想解。該設計方法具有系統(tǒng)性、完整性的特點。

（2）基于TRIZ理論的產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計方法可使產(chǎn)品各個技術(shù)子系統(tǒng)達到協(xié)調(diào)與平衡，以實現(xiàn)總體技術(shù)系統(tǒng)優(yōu)化設計。

（3）基于TRIZ理論的產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設計方法可減少設計失效的發(fā)生，可提高產(chǎn)品開發(fā)效率、降低產(chǎn)品開發(fā)成本。