TRIZ理論在高頻變壓器繞線生產(chǎn)優(yōu)化中的應(yīng)用

呂 瑩，弓滿鋒，唐高登

（1.嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 湛江 524048；2.廣東省高頻變壓器工程技術(shù)研究中心，廣東 羅定 527200）

1 引言

高頻變壓器作為電源開關(guān)、手機(jī)充電器等電子元件的重要核心部件，是實現(xiàn)能量傳輸和轉(zhuǎn)換的主要構(gòu)件，其體積一般會占到電源開關(guān)總體積的四分之一[1]。在實際生產(chǎn)過程中，為了進(jìn)一步提高高頻變壓器的生產(chǎn)效率，不僅要對變壓器生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，也要對其生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化升級。根據(jù)現(xiàn)有高頻變壓器繞線包膠的生產(chǎn)工藝特征，基于TRIZ理論與綠色制造相結(jié)合，對生產(chǎn)所需的自動繞線包膠生產(chǎn)化設(shè)備進(jìn)一步優(yōu)化，可以有效實現(xiàn)產(chǎn)品產(chǎn)量的提升。

2 TRIZ理論

源于前蘇聯(lián)的TRIZ理論，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，已成為發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)問題的主要科學(xué)原理[2]和理論方法。近年來，國內(nèi)外學(xué)者將綠色制造思想與TRIZ創(chuàng)新方法相結(jié)合，基于綠色性能的多視角需要開展了產(chǎn)品綠色創(chuàng)新制造方法研究與應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]通過采用TRIZ進(jìn)化模式與綠色性能設(shè)計相結(jié)合，采用簡化的生命周期模型實現(xiàn)環(huán)境性能改善。文獻(xiàn)[4]針對主動再制造設(shè)計過程中飯的創(chuàng)新問題，提出TRIZ理論的主動再制造綠色創(chuàng)新設(shè)計方法。文獻(xiàn)[5]針對產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計過程中的創(chuàng)新問題，提出一種集成發(fā)明問題解決理論的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計方法。文獻(xiàn)[6]運用TRIZ沖突消解原理、物質(zhì)-場分析原理以及回收沖突分析原理進(jìn)行家電產(chǎn)品易拆解可回收設(shè)計。文獻(xiàn)[7]實現(xiàn)了一種QFD設(shè)計過程中多種設(shè)計問題的確定與TRIZ創(chuàng)新求解方法，并給出詳細(xì)的操作流程。

本研究結(jié)合生產(chǎn)實際所存在的問題，即變壓器繞線采用半自動繞線機(jī)，以每人一機(jī)，生產(chǎn)一件完整變壓器需要八人才能完成，為更好的提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)合現(xiàn)代化制造模式，以高頻變壓器制造工藝優(yōu)化及制造自動化為依據(jù)，采用TRIZ理論中的串聯(lián)組合創(chuàng)新和綠色設(shè)計、綠色制造方法相結(jié)合，以提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率為目標(biāo)，針對現(xiàn)有高頻變壓器生產(chǎn)工藝方案分析后，對其進(jìn)行分析運算，創(chuàng)新設(shè)計出更加合理可行的制造方案。

3 高頻變壓器繞組繞線及包膠的工藝分析

3.1 繞線、包膠對產(chǎn)品參數(shù)的影響分析

3.1.1 高頻變壓器繞線工藝的影響分析

高頻變壓器的繞組匝數(shù)是影響變壓器產(chǎn)生電容效應(yīng)的關(guān)鍵因素[8]，各層之間由于繞線的不同產(chǎn)生不同的電勢差，形成了繞組層間電容；在實際的生產(chǎn)中，在確定每層繞線數(shù)量、繞線分布的前提下，對生產(chǎn)制造工藝還有如下的要求：繞線需要平整密繞，不可疊線，陷線；繞組引線入槽位位置及扎線腳位不能錯；繞線時纏線高度需保持（1.5～2.0）mm或至少要與膠芯支點平行，預(yù)留緩沖后再進(jìn)行壓針腳，防止銅線崩斷等要求。針對于具體的高頻變壓器根據(jù)磁芯材料、使用對象等又有所不同，其匝繞組計算公式如下：

式中：W1—初級繞組匝數(shù)；W2—次級繞組匝數(shù)；Up1—初級輸入電壓幅值（V）；Bm—工作磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；UP2—次級輸入電壓幅值（V）；Ac—磁芯截面積（cm2）；Ton—初級輸入脈沖電壓寬度（us）

3.1.2 高頻變壓器包膠工藝的影響分析

高頻變壓器的包膠即有著隔離絕緣的作用，提高疊裝精度和接縫精度，從而降低磁芯損傷和減少噪音。變壓器磁芯在實際生產(chǎn)中主要采用包膠機(jī)進(jìn)行包膠作業(yè)，如圖1所示。由于人為、機(jī)械振動或磁芯夾具定位誤差等原因，會產(chǎn)生磁芯錯位不良約10%，偏移中心，從而導(dǎo)致包膠布操作產(chǎn)生錯位，影響電感不穩(wěn)定及外觀達(dá)不到錯位≤0.2mm的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 產(chǎn)品包膠示意圖Fig.1 Product Encapsulation Diagram

3.2 繞線制造工藝要求

現(xiàn)以EE13-00025-1為例，對其初級繞組和次級繞組的腳位順序進(jìn)行，如表1所示。繞組繞制順序、圈數(shù)、進(jìn)出腳位槽位等生產(chǎn)工藝要求，如表2所示。變壓器加工工藝過程優(yōu)化為依托，建立綠色評價功能模塊，設(shè)計及制造新機(jī)構(gòu)，提高設(shè)備優(yōu)化方案，TRIZ理論中機(jī)構(gòu)組合創(chuàng)新將按照工藝要求對于核心環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，以多個工序集中為目的，解決傳統(tǒng)設(shè)備分散的加工方式。例如以減少人工為目的在實現(xiàn)自動上料包膠作業(yè)，設(shè)計過程中產(chǎn)生了相關(guān)專利四項，如變壓器剪飛線裝置、變壓器包膠機(jī)構(gòu)等。

表1 高頻變壓器繞線順序Tab.1 Winding Sequence of High Frequency Transformer

表2 繞線機(jī)繞線的工藝要求Tab.2 Technological Requirements for Winding of Winding Machine

4 TRIZ理論與綠色設(shè)計的綜合應(yīng)用

4.1 TRIZ原理的應(yīng)用分析

TRIZ理論主要解決創(chuàng)新設(shè)計問題，首先通過對高頻變壓器繞線的工序合理連貫運行，明確最佳的生產(chǎn)步調(diào)及要改進(jìn)的設(shè)計屬性，利用關(guān)聯(lián)表將生產(chǎn)高頻變壓器的多種基本裝置轉(zhuǎn)化成沖突矩陣相對應(yīng)的工程參數(shù)，根據(jù)工程參數(shù)獲得創(chuàng)新設(shè)計依據(jù)。即將繞線、包膠、剪線工藝組合后再進(jìn)行有效的分解，組合體的基本裝置保持各自特性、協(xié)調(diào)配合，裝置間可采用氣動機(jī)械臂機(jī)構(gòu)配合使用，實現(xiàn)變壓器的繞線、剪線、包膠一體化的生產(chǎn)目的。

4.2 綠色設(shè)計制造的應(yīng)用案例分析

綠色設(shè)計制造以實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的集成為目標(biāo)；機(jī)械裝備綠色設(shè)計制造是一個技術(shù)綜合集成的過程，綠色制造原則[9-10]：在滿足功能要求，實現(xiàn)零污染，材料消耗少、噪音小的目標(biāo)?，F(xiàn)以高頻變壓器自動骨架上料為例進(jìn)行綠色優(yōu)化設(shè)計。

為了更好的將骨架按照一定順序排列，限定時間放置到指定位置，以現(xiàn)有的加工制造方法及相關(guān)經(jīng)驗為依據(jù)，骨架上料機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案有多種，根據(jù)機(jī)械振動理論和綠色制造理論，將其進(jìn)行分析，如表3所示。

表3 功能分析Tab.3 Functional Analysis

表中：A—人工上料：人工擺放上料，以15為一組。可操作性準(zhǔn)確，自動化程度低；

B—往復(fù)性送料：采用往復(fù)式直線運動推桿直接將骨架放入到指定位置；

C—離心力原理送料：離心慣性力將骨架旋轉(zhuǎn)，利用離心慣性力將其甩到輸送軌道上；再進(jìn)行輸送。

D—離心力與重力原理相互作用送料：離心慣性力將骨架旋轉(zhuǎn)，在放置骨架的位置上做一個限位機(jī)構(gòu)，更準(zhǔn)確的將骨架放在準(zhǔn)確的位置；

E—重力與振動原理相互作用送料：在具有傾斜的限位裝置上，按照一定振動頻率及螺旋軌道將骨架有序排列，實現(xiàn)送料的目的。

F—氣吸式送料：利用氣吸原理分離并上料。

N=Σpigi

式中：N—功能分析總和；p—性能指；g—加權(quán)系數(shù)。

圖2 上料裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Feeding Device

功能分解：將骨架進(jìn)行有序輸送，需要根據(jù)繞線、包膠、剪線的時間來控制骨架有序輸送的時間，根據(jù)功能目標(biāo)完成、可靠性等的分析，最后確定較佳上料方案是E；根據(jù)E方案設(shè)計出骨架上料裝置，如圖2所示。以繞線時間為依據(jù)，配有振動幅度為15mm/s的振動裝置與上料裝置共同完成輸送骨架，并配有旋轉(zhuǎn)的螺旋上料輸送軌道，可實現(xiàn)骨架的自動調(diào)整方位，準(zhǔn)確的輸送，并按照繞線時間進(jìn)行合理的調(diào)整輸送效率。

4.3 自動生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)綠色制造的五個因素分析如下：

（1）生產(chǎn)時間

綠色制造的工藝生產(chǎn)時間，不僅僅是指工藝生產(chǎn)過程的高效率，更強(qiáng)調(diào)由工藝對零件或產(chǎn)品工藝過程，時間因素的影響，如變壓器繞線方式的確定，繞線時間的優(yōu)化等。不考慮產(chǎn)品其他生命階段的時間，如產(chǎn)品設(shè)計時間、使用壽命等等。

（2）產(chǎn)品質(zhì)量

工藝規(guī)劃的質(zhì)量主要考慮產(chǎn)品加工質(zhì)量，如繞線質(zhì)量、合格程度等等。不考慮產(chǎn)品的功能及某些與工藝無關(guān)的產(chǎn)品性能。

（3）產(chǎn)品成本

主要是指產(chǎn)品工藝成本、工藝管理成本、設(shè)備折舊成本、人員費用、零件加工工藝的合理性和裝配工藝，不考慮產(chǎn)品的銷售、使用、處理等的成本消耗。

（4）資源消耗

包括工藝過程中消耗的骨架、膠帶、銅絲等。不考慮產(chǎn)品的能耗和物料消耗。

（5）環(huán)境影響

本生產(chǎn)不存在對生態(tài)環(huán)境的影響，僅存有工作環(huán)境噪音、灰塵等對職業(yè)健康與安全危害等。

以五個決策目標(biāo)為依據(jù)，結(jié)合各具體的工藝規(guī)劃問題將生產(chǎn)線進(jìn)一步的優(yōu)化，通過對自動化生產(chǎn)線組件的拆卸、回收、節(jié)能等方面的設(shè)計屬性與TRIZ工程參數(shù)結(jié)合分析，如表4、表5所示?，F(xiàn)將原有的一人一機(jī)操作的繞線機(jī)工作時間與變壓器點膠、包膠、剪膠的工序順序結(jié)合，確定合理繞線包膠的時間；設(shè)計出繞線一體機(jī)，通過在實際生產(chǎn)中試驗分析后，可確定優(yōu)化方案為：上料機(jī)構(gòu)按照每4s工作2s停頓實現(xiàn)自動上料，每次可實現(xiàn)16個骨架有序排列，采用氣動輸送器將變壓器骨架精準(zhǔn)輸送到繞線一體機(jī)；通過四次自動繞線工藝后，完成變壓器的繞線包膠；具體五位一體自動生產(chǎn)線的工作形式如下描述：自動繞線五站機(jī)能將單站位機(jī)（上料、繞線、包膠）的生產(chǎn)線改造成一條自動化生產(chǎn)線，如圖3所示。自動繞線五站機(jī)采用螺旋振動輸送骨架，實現(xiàn)自行上料，每臺裝置間采用氣動式輸送，每一臺繞線一體機(jī)上下料均采用氣動機(jī)械臂上治具（不同產(chǎn)品將是不同治具）插?。▽τ诓煌尉咴谶@里不逐一介紹）利用機(jī)械臂在站位間傳遞產(chǎn)品，工件的傳遞不需要周轉(zhuǎn)盤或物料車，按照一定時間進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，使生產(chǎn)線整齊劃一，改善員工工作環(huán)境，提高管理效率，具有較好的應(yīng)用前景。

五位一體自動化繞線生產(chǎn)線具有如下優(yōu)勢：

（1）實現(xiàn)了全自動上料，操作人員無需手動上料，只需要監(jiān)視機(jī)器運行，生產(chǎn)自動化程度高。人員需求減少，一條生產(chǎn)線僅需要一個人控制。

（2）自動上料機(jī)與繞線機(jī)之間采用無污染氣動機(jī)構(gòu)傳遞，無需人工操作，降低人工體力勞動；可以有效保障品質(zhì)的提升，減少半成品料盤堆積，不良率由原來的3%，變?yōu)?%。

（3）繞線、剪線、包膠生產(chǎn)效率提高26%。設(shè)備占地面積由30.6m2變?yōu)?27.4m2。

表4 裝置可拆卸回收設(shè)計與TRIZ工程參數(shù)Tab.4 Disassembly and Recycling Design of Equipment and TRIZ Engineering Parameters

表5 裝置節(jié)能設(shè)計與TRIZ工程參數(shù)Tab.5 Energy Saving Design of Equipment and TRIZ Engineering Parameters

圖3 五位一體自動生產(chǎn)線簡圖Fig.3 Sketch of Five-in-One Automatic Production Line

5 結(jié)論

高頻變壓器繞線生產(chǎn)優(yōu)化設(shè)計主要以生產(chǎn)工藝為依托，以功能導(dǎo)向為目的，結(jié)合TRIZ理論和綠色設(shè)計以及制造理論，建立了綠色設(shè)計屬性與TRIZ工程參數(shù)的關(guān)聯(lián)表，將綠色設(shè)計屬性轉(zhuǎn)化為TRIZ工程參數(shù)，縮短綠色創(chuàng)新設(shè)計周期，制造出效率高的五位一體自動化生產(chǎn)線。通過在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，不僅明顯提升生產(chǎn)效率，而且能夠通過自動監(jiān)控系統(tǒng)可有效統(tǒng)籌每日生產(chǎn)量以及對不良率的控制，企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的自動監(jiān)控。對企業(yè)未來建立過程控制系統(tǒng)，實時數(shù)據(jù)平臺，生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)自動數(shù)采率等奠定了基礎(chǔ)。

中小型電子企業(yè)由勞動密集型生產(chǎn)模式向自動化、智能生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變，關(guān)鍵在于企業(yè)創(chuàng)新能力的提升，對于高頻變壓器生產(chǎn)中存在的浸錫、檢測等工藝在今后的生產(chǎn)中也將會逐步進(jìn)行技術(shù)升級。因此，自動化、智能化的生產(chǎn)方式是企業(yè)未來自主創(chuàng)新的主要目標(biāo)。積極推進(jìn)電子行業(yè)智能制造，加強(qiáng)技術(shù)提升，進(jìn)一步提高勞動生產(chǎn)率，是電子行業(yè)升級發(fā)展的重要措施。