柔性兩種車型白車身頂蓋的孤島式焊裝區研究及TRIZ的應用

唐穩生 周小川

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266555）

【摘 要】傳統孤島式白車身頂蓋焊裝區柔性生產能力差，占地面積較大。上汽通用五菱汽車股份有限公司N300、N310車型頂蓋焊裝區相鄰布置，無法柔性生產，隨著公司產量的不斷提升，對生產節拍、效率、物料緩存空間的要求也越來越高，此處已經形成瓶頸，嚴重制約了整個生產線的產能升級。文章經過研究分析，并通過TRIZ理論的應用，設計了一種新型工裝夾具布置方式，實現了焊裝拼臺的柔性化功能，對其他類似結構的設計具有一定的參考價值。

【關鍵詞】白車身頂蓋；柔性生產；焊裝拼臺；TRIZ

【中圖分類號】U463.82 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）04-0071-04

1 背景

上汽通用五菱的N310車型是N300車型的升級版本，但白車身改動較大，2種頂蓋的翻邊和型面差異性大。N300生產線進行N310兼容升級改造時，經過分析，無法通過直接改造N300頂蓋工裝夾具的方式來柔性N310頂蓋，最終采用2個獨立的焊裝區分別生產N300、N310 2種車型頂蓋。

N300、N310白車身頂蓋焊裝區平面布局圖如圖1所示。頂蓋焊裝區采用孤島式布局，頂蓋焊合件通過人工轉運至白車身總拼生產線。點狀填充區域為物流通道，由于各生產線所需物料都需要通過此處，因此頂蓋焊裝區不能占用物流通道。焊裝區中間豎直虛線左側為N300車型頂蓋焊裝區，右側為N310車型頂蓋焊裝區，虛線僅為示意，無實物阻隔。頂蓋焊合件轉運路線的空心箭頭表示轉運方向。

（1）N300車型頂蓋焊裝區：由1套N300頂蓋料架、1套N300頂蓋焊合件料架、1套N300頂蓋焊裝拼臺、2套懸掛式電阻點焊機組成。

（2）N310車型頂蓋焊裝區：由1個N310頂蓋料架緩沖區、1套N310頂蓋料架、1套頂蓋輸送自動小車、1套N310頂蓋焊裝拼臺、1套N310頂蓋焊合件料架、1個N310頂蓋焊合件料架緩沖區、2套懸掛式電阻點焊機組成。

N300、N310頂蓋焊裝區共2名操作員工，根據車型切換要求，步行至相應頂蓋焊裝區，啟動懸掛式電阻點焊機并進行試焊，如果切換至N310頂蓋焊裝區，還需啟動頂蓋輸送自動小車。整個車型切換過程時間長，且懸掛式電阻點焊機、頂蓋輸送自動小車啟動過程中可能出現故障，影響生產效率。焊裝N300頂蓋時，操作人員需將頂蓋物料從N300頂蓋料架上抬至N300頂蓋焊裝拼臺，完成焊接工作后，將頂蓋焊合件抬至N300頂蓋焊合件料架，勞動強度較大。因為空間受限，所以N300頂蓋焊裝區無法布置物料緩沖區和焊合件料架緩沖區。

由于市場需求旺盛，產量不斷提升，此處成為生產瓶頸，迫切需要設計1套焊裝拼臺，替代N310頂蓋焊裝拼臺，以實現N300、N310 2種車型頂蓋的柔性生產，共用頂蓋輸送自動小車和懸掛式電阻點焊機，原N300頂蓋焊裝區作為物料緩沖區。

2 分析與設計

2.1 焊裝拼臺結構設計及矛盾分析

由于2種頂蓋的翻邊和型面在X、Y、Z 3個方向都是不同的，且差異較大，所以必須使用2套定位工裝夾具和輔助支撐。

通常采用以下3種方式來實現：{1}上下翻轉切換；{2}2套獨立焊裝拼臺自動切換；{3}工裝夾具合并在同一拼臺。

（1）上下翻轉切換：焊裝拼臺底座有上、下2個安裝面，分別安裝N300頂蓋工裝夾具和N310頂蓋工裝夾具，整個焊裝拼臺由擺動氣缸或擺動液壓缸驅動，可翻轉180°。

存在的問題：{1}焊裝拼臺翻轉半徑大，旋轉軸離地面較高，需要相應更改頂蓋輸送自動小車，改造工作量大；{2}焊接操作高度提高，為滿足人機工程，需增加踏臺，但因為焊裝拼臺翻轉半徑大，踏臺需遠離拼臺，所以操作員工難以靠近焊裝拼臺進行焊裝作業；{3}人員操作范圍與焊裝拼臺翻轉范圍存在重疊的情況，有較大的安全隱患。

（2）2套獨立焊裝拼臺自動切換：制造2套獨立的焊裝拼臺，分別用來焊裝N300、N310頂蓋，1套放置于工位，1套放置于存儲區，切換車型時切換整體焊裝拼臺，對空間、切換設備的要求較高，現場空間無法滿足此形式。

（3）工裝夾具合并在同一拼臺：N300、N310 2種車型頂蓋的工裝夾具較為密集，且N300頂蓋后部必須為整體滑動工裝夾具，合并后，無論采取何種方式，工裝夾具都完全占用焊接設備操作空間，使懸掛式電阻點焊機的焊鉗無法進行焊接作業。

通過以上分析發現，設計過程中產生了技術矛盾。設計目標是焊裝拼臺能柔性制造2種頂蓋，柔性2種頂蓋就需要把2種車型頂蓋的工裝夾具合并到一個焊裝拼臺上，這就導致以下幾個問題：{1}工裝夾具布置密集，操作空間受限；{2}焊裝拼臺、切換裝置體積龐大，占地面積大；{3}焊裝拼臺結構復雜，影響人機工程，存在安全風險。

為了解決矛盾和打破設計中的慣性思維，需要使用一種創新的設計方法——TIRZ。

2.2 TRIZ理論的介紹

發明問題解決理論（theory of inventive problem solving，TRIZ）是一種目前應用較為廣泛的創新理論。理論創立者G.S.Altshuler及其研究者通過對全世界不同時期、不同領域的250萬份發明專利進行分析研究發現，不同時期、不同領域的發明中所用到的原理、方法并不多，同樣的原理、方法被反復使用，且都是經過大量的試驗試錯才最終確定，花費了大量時間、人力、物力和財力[2]。TRIZ理論總結出39個通用技術參數來描述技術矛盾，并總結了40個發明原理[1]來解決這些技術矛盾。

TRIZ理論在結構設計中應用的一般流程如下：首先分析問題，找出技術矛盾，確定要改善的技術參數和惡化的技術參數，然后根據矛盾矩陣[1]確定發明原理和設計方向，最后找出技術問題的具體解決方法。

2.3 TRIZ的應用及柔性頂蓋焊裝區的可行方案

通過上文的分析，在頂蓋焊裝拼臺結構設計中，涉及的參數包含可制造性、可操作性、可維修性、適應性及多用性、裝置的復雜性，改善任一參數都可能造成其他參數的惡化，因此要綜合分析幾個參數。

矛盾矩陣[1]和40個發明原理表[1]的使用方法如下：例如，改善焊裝拼臺的適應性及多用性參數，則焊裝拼臺的結構會變得更復雜，即裝置的復雜性參數會惡化，通過表1，第35行適應性及多用性與36列裝置的復雜性交叉處，得到編號15、29、37、28；通過表2，得到上述編號所對應的發明原理，分別為動態化、氣動和液壓結構、熱膨脹、替代機械系統，這就是解決問題的幾個方向。

通過矛盾矩陣和涉及的技術參數，可以得到頂蓋焊裝拼臺結構設計的幾個方向：分割、抽取、非對稱、合并、嵌套、反過來做、動態化、轉變到新維度、替代機械系統、氣動或液壓結構、改變特性。頂蓋工裝夾具結構設計中主要用到合并、反過來做、動態化、轉變到新維度4個設計原理。{1}合并原理：合并空間上同類的物體，或預定要相鄰操作的物體。{2}反過來做原理：不直接實施問題指出的動作，而是實施一個相反的動作；使物體或外部環境移動的部分靜止，或者使靜止的部分移動；把物體上下顛倒。{3}動態化原理：改變物體或外部環境的特性，以便在操作的每個階段都能提供最佳性能；如果物體不能移動，想辦法讓它移動，讓物體各部分都可以相互移動；把物體分成幾個部分，它們能夠改變彼此的相對位置。{4}轉變到新維度原理：把物體的動作、布局從一維變成二維，二維變成三維，以此類推；利用物體不同等級的組合；將物體傾斜或側放；使用給定表面的另一面[1]。

N300、N310頂蓋工裝夾具主要都集中在后部，將工裝夾具合并在同一拼臺時，可以采用2種頂蓋在焊裝拼臺上反向布置的方式，并適當調整部分輔助支撐、夾具的位置，此時工裝夾具分布均勻適中，焊鉗操作空間充足，解決了2種頂蓋工裝夾具在水平方向（X、Y向）的干涉。2種頂蓋反向布置是這次結構設計中最關鍵的一點，解決了頂蓋工裝夾具中最多的干涉點，是整個焊裝拼臺實現柔性化的基礎。工裝夾具柔性設計的慣性思維，是在原工裝夾具的基礎上增加新車型的定位、支撐裝置，當工裝夾具分布密集時，往往出現無法消除干涉點的問題，而TRIZ理論提供的反過來做原理，提供了一個很好的解決問題的方向。

N310頂蓋內部有2根加強筋，使用4套定位夾具，位于焊裝拼臺中部，剩余工裝夾具都分布在焊裝拼臺邊緣，N300頂蓋工裝夾具都分布在焊裝拼臺邊緣，后部整體滑動工裝可采用避讓方式，放置于頂蓋下方，因此N300頂蓋定位面應高于N310。將N300焊裝操作面提升200 mm后，解決了2種頂蓋工裝夾具在豎直方向（Z向）的干涉。

由于N310焊裝操作面低于N300，為避免N310頂蓋與N300頂蓋工裝夾具干涉，需將N300頂蓋工裝夾具設計成運動切換方式。獨立工裝夾具安裝在氣缸驅動的擺動機構上，擺動角度為30°，整體滑動工裝夾具通過更換長行程氣缸，行程增加30 mm，即可避開N310頂蓋翻邊。

經過研究分析，可實現的頂蓋焊裝拼臺結構如下：工裝夾具合并在同一拼臺，2種車型頂蓋在拼臺上反向布置，N300車型頂蓋定位面高出N310車型頂蓋定位面200 mm，N300車型頂蓋工裝夾具為擺動、滑動切換方式（如圖2所示）。

改造后的頂蓋焊裝拼臺可直接替換原N310頂蓋焊裝拼臺，然后對頂蓋輸送自動小車的吸盤位置進行調整，并增加2個吸盤，使頂蓋輸送自動小車可柔性N300頂蓋，拆除原N300頂蓋焊裝區的懸掛式電阻點焊機，其焊鉗掛在N310焊裝區懸掛式電阻點焊機上。N310上、下線方向及位置不變，N300與其相反。優化后的頂蓋焊裝區平面布局圖如圖3所示，原N300頂蓋焊裝區作為物料緩沖區，原N310頂蓋焊裝區柔性生產N300、N310 2種車型頂蓋，共用頂蓋輸送自動小車和懸掛式電阻點焊機。N300、N310 2種車型頂蓋上、下線方向相反，黑色實心箭頭表示N300車型頂蓋上、下線方向，空心箭頭表示N310車型頂蓋上、下線方向。

3 結語

微型汽車、微型電動汽車白車身在生產過程中，經常用到孤島式焊裝分拼臺，隨著車型的增加，對生產線的柔性程度、占用空間提出了越來越高的要求，本文提供了一個可行的實施方向，使相關汽車企業以較低的成本、簡單的結構實現孤島式焊裝分拼臺的柔性生產。

TRIZ理論作為一種優秀的創新設計理論，可以在設計中打破慣性思維、提供設計方向、縮短研發周期和各項投入，應進行深入地應用和廣泛地推廣。

參 考 文 獻

[1]譚培波，茹海燕，Wenling Babbitt.創新算法——TRIZ、系統創新和技術創造力[M].武漢：華中科技大學出版社，2008：219-225.

[2]趙新軍.技術創新理論（TRIZ）及應用[M].北京：化學工業出版社，2004：12-14.

[3]徐帥帥.介紹一種車身焊裝線簡易定位頂蓋的工裝[J].企業科技與發展，2015（13）：47-50.

[4]唐穩生，周小川，高學成.一種適用多種車型頂蓋的焊裝拼臺[P].中國專利：ZL201520558301.6，2015-02-05.

[責任編輯：陳澤琦]

【作者簡介】唐穩生，男，廣西桂林人，研究生，上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司總經理兼黨委書記；周小川，男，山東濟寧人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司電控主任工程師。