基于QFD與TRIZ單相載波模塊組裝生產線布局改進設計

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線定位差和場地面積浪費等問題，本文通過分析并總結用戶需求，構建單相載波模塊自動組裝生產線的質量屋，獲取該生產線各設計要素間的技術沖突，并運用發明問題決絕理論（theory of the solution of inventive problems，TRIZ）中的技術矛盾相關內容，解決質量屋列出的技術沖突。同時，綜合運用質量功能展開（quality function deployment，QFD）理論與TRIZ理論，對單相載波模塊自動組裝生產線提出新的生產線設計方案。研究結果表明，該設計解決了生產線結構的復雜性、適用性與功能之間的技術沖突，避免了使用各種復雜算法對生產線進行布局設計，達到了特定場地條件下對單相載波模塊的裝配要求。該生產線的布局有效地節省了場地面積，部分結構的改進提高了生產線的效率及可靠性。該研究為生產線的布局設計提供了參考依據。

關鍵詞： ?QFD; TRIZ理論; 單相載波模塊; 生產線布局

中圖分類號： TH122 ?文獻標識碼： 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、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線[1]，實現了上料、定位、傳輸和裝配等一系列功能，但其采用的圓形生產線布局仍有一定缺陷，該類生產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，圓形生產線造成的場地面積浪費也就越多。PCB生產線的設計[2]采用直線形布局，雖然設備占地面積減小、場地利用率提高，生產線的長度保證了各檢測設備及抓取設備的安放，但考慮該類生產線傳輸方向的單一性，對于某些長度較短的生產場地，隨著工位的增加，若仍采用直線形布局，可能導致設備超出場地范圍的問題;而P.V.G.N.H.Akhil等人[3]提出的生產線位置選擇與布局方式，影響著生產成本和生產效率的高低;鄧鴻劍等人[4]提出了用仿真迭代思想對車間布局進行規劃，該方案仍需要應用系統布置設計（systematic layout planning，SLP）和遺傳算法等，對于一般設計人員難度較大，可操作性較差;朱永生等人[5]運用工業工程（industrial engineering，IE）相關理論和方法對全自動智能鍛造生產線的設備布局、工藝動作等方面進行了相關分析研究，提出改善設備布局方案，但該方法對其他非專業人員存在一定的難度。總之，生產線的設計不僅要考慮其本身的功能性問題，其在整個設計過程中的布局方式也應得到重視[6];李琴等人[7]以某企業生產車間為研究對象，采用SLP方法制定了最佳生產線布局方案;杜俊[8]通過分析汽車喇叭生產車間的現狀，采用SLP方法和工業工程理論，對其生產線的布局擬定方案進行優化。由于自動化生產線占地面積有限，造型與布局復雜多樣，在設計過程中需要兼顧生產線造型、布局、生產成本及效率等因素。在生產線布局過程中，應充分考慮加工設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用中無法實現[9]。近年來，發明問題解決理論是工程技術領域創新進步的重要工具，其應用越來越廣泛[10]。該理論通過打破思維定式，在原有設計基礎上進行突破，并進行進一步創新設計[11]。因此，針對上述單相載波模塊自動組裝生產線中圓形與直線形布局產生的問題，本文基于QFD與TRIZ理論，對單相載波模塊生產線進行改進設計。該生產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線的設計提供了理論依據。

1 QFD與TRIZ理論

質量功能配置（quality function deployment，QFD）理論是通過分析客戶和市場需求來指導生產設計要求，其突出特征是使用質量屋（the house of quality，HOQ），建立用戶需求與產品設計要素之間的對應關系[1213]。通過協調、分析并整合各部分內容設計出最優的產品，從而有效地解決用戶的核心需求。

TRIZ理論是集系統性與創新性于一體，并致力于發現和解決系統中存在的矛盾沖突[13]，且能有效擺脫發明過程中的慣性思維模式[14]，為系統最優設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，將兩者聯合運用，有利于簡化設計流程，并更好地指導設計與生產。兩個組合原理已應用于多個優化設計中，而運用TRIZ和QFD理論建立的仿生模型有效改善了風扇風量和噪聲的問題[15]。

本文同樣利用TRIZ、QFD和服務藍圖方法的集成，開發并演示一個結構化和實證的服務設計[16]。通過將服務QFD與TRIZ矛盾分析相結合，導出服務解決方案。QFD與TRIZ理論聯合運用流程圖如圖1所示。

2 基于QFD與TRIZ理論的單相載波模塊組裝生產線布局設計

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（內側底面粘有標簽）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，生產線除了對各零件精確定位外，還應對其進行位置識別，只有位置正確的零件才可進入裝配流程中，而位置不符合要求的零件予以位置調整。某生產廠家指定單相載波模塊裝配場地為3 m×1.8 m。經初步設計，將上料系統占地面積設為0.7 m×0.7 m，其它設備占地面積均設為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，不允許生產線整體尺寸超出場地范圍。

2.2 質量屋的構建

通過分析單相載波模塊各零件間的裝配關系及生產線設計要求，得出用戶體驗需求主要包括功能需求和經濟需求。功能需求指標為：較高效率、安全可靠、易于維護;經濟需求指標為：成本適宜、壽命長久、便于采購（標準件）。根據質量需求展開，除了用戶體驗需求還應考慮生產線設計技術需求，其技術指標為：定位精準、布局合理、結構簡單、造型美觀、適用性廣。在QFD理論框架內，展開用戶體驗功能及經濟等綜合需求與設計技術需求指標矩陣，分析功能要素與用戶需求之間的強弱相關性，建立“用戶需求與設計要素”關系矩陣，構建的單項載波模塊自動組裝生產線質量屋如圖4所示。

2.3 確定生產線設計中的沖突

當優化產品某一功能時，若有助于優化另一個相對應的功能，則表示這兩個技術要素之間呈正相關;反之，如果惡化另一個功能，則表示這兩個技術要素之間呈負相關，即存在技術沖突[17];如果對系統某一工程參數同時具有相反的需求時（例如要求某個工程參數既厚又薄，既大又小），表明存在物理沖突。為確定裝配生產線設計中的沖突，對質量屋的技術要素進行如下分析：

1） 當采用技術要素“定位精準”（下盒蓋定位準確、下盒蓋與PCB板的裝配準確，下盒蓋的卡扣要與上盒蓋準確裝配）以滿足“較高效率”這一需求時，將導致對應的定位零部件“結構簡單”這一功能特性發生惡化，因此“定位精準”與“結構簡單”之間呈負相關，為一對技術沖突。

2） 當采用技術要素“適用性廣（滿足不同批次、不同規格的單相載波模塊的定位裝配）”來滿足“成本適宜”時，將導致“結構簡單”這一功能特性惡化，因此“結構簡單”與“適用性廣”之間存在負相關，為另一對技術沖突。

2.4 運用TRIZ理論解決設計沖突

根據TRIZ的沖突解決原理，用39個通用工程參數對產品設計中的沖突進行標準化表述。將存在技術沖突的技術要素“定位精準”轉化為通用工程參數“27可靠性”，將“結構簡單”轉化為參數“36系統的復雜性”，將“適用性廣”轉化為參數“35適應性，通用性”。通過查詢沖突矩陣表[18]，得到“40條發明原理”中相應的發明原理來解決技術沖突，生產線設計沖突矩陣表如表1所示。

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

各發明原理及其含義：

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，在時間上將相關的物體或操作合并。

3） 6多元性原理。使物體具有復合功能，以替代其他物體的功能。

4） 13反向作用原理。轉換過去解決問題的方法，使物體的狀態屬性發生變化，如將活動部分改變為固定的，讓固定的部分變為活動的。

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

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

由發明原理13“反向作用”可知，依靠外加輸送機構，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（由控制系統控制運輸線的靜止、運動狀態從而進行定位裝配）。在完成一輪裝配任務后，定位塊仍能回到初始位置，參與下一輪裝配。

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

2.5 確定生產線布局

雖然單相載波模塊的裝配工位只有6個，但是為達到裝配目的，所布置的設備卻有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、PCB抓取機械手、對接其它工位的抓取機械手。生產線布局圖如圖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個裝配工位外側各布置一個設備，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相對布置，其余3個設備布置于各設備間的合適位置，通過查閱相關資料，該類生產線中回轉盤直徑不小于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行改進，定位夾具仍然固定在與傳送帶連接的滑座上，考慮到參與裝配設備較多，為避免出現圖5a和圖5b兩種布局方式超出場地規定范圍的現象，也為避免直線形傳輸布局因傳輸距離遠及夾具自身重力等因素引起帶的抖動，現將生產線布局改進成圖5d的“環形”形式，將下盒蓋、上盒蓋、振動上料盤布置在環形軌道的弧形段，夾具固定在同步帶的一側導軌滑座上，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，該布局方式符合規定的場地范圍;圖5c矩形布局雖然也能適應預先規定的生產場地，但由于四個拐角的特殊性，在四個拐角各布置一個帶輪后，會增加驅動機構數量。

綜合以上幾種布局，最終選擇環形布局方案，單相載波模塊組裝生產線布局如圖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行抓取與搬運外（搬運動作在X、Y、Z方向進行），還對所夾的零件進行正反調整。

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，它們的正反調節由機械手的第四個旋轉動作保證（Z軸方向），機械手的旋轉調節指令依賴于其上面的光纖傳感器（光纖傳感器具有精度高、抗干擾能力強等優點[20]），即當機械手抓取零件后，傳感器識別各零件的正反特征，并決定是否要進行旋轉，以調節零件的正反位置。

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，當下盒蓋的方向與預先定義的方向一致（正向）時，機械手直接將其抓取運送到對應裝配位置;當下盒蓋的方向與預先定義的方向不一致（反向）時，機械手要先做一次旋轉運動，然后再抓取下盒蓋并運送至對應裝配位置。PCB板和上盒蓋的抓取與識別工作原理與之類似。

3 結束語

本文結合QFD與TRIZ理論，通過綜合考慮設計要求及各種技術要素的關系，分析了生產線布局對生產效率與占地面積的影響。同時，構建了自動組裝生產線的質量屋模型，并運用TRIZ理論中的4個發明創新原理，對PCB與下盒蓋的定位方案及生產線布局進行分析和改進設計，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，并將零件放到特定位置進行裝配的方式，解決了生產線的結構復雜性、適用性與功能之間的技術沖突，避免使用各種復雜算法對生產線進行布局設計。通過改變生產線的造型與設備布置方式，結合相關計算對各方案的可行性進行驗證，確定了最終環形布局方案，達到了特定場地條件下對單相載波模塊的裝配要求。該研究為今后的設計及方案改進提供了新的思路。

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