基于QFD與TRIZ單相載波模塊組裝生產(chǎn)線布局改進設(shè)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(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)線進行布局設(shè)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(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。總之，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)上進行突破，并進行進一步創(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)線進行改進設(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(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)濟需求。功能需求指標(biāo)為：較高效率、安全可靠、易于維護;經(jīng)濟需求指標(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(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(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)線布局進行分析和改進設(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行驗證，確定了最終環(huán)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(shè)計及方案改進提供了新的思路。

參考文獻：

[1] 鄭宇航. 單相載波模塊自動組裝生產(chǎn)線的設(shè)計[D]. 青島： 青島大學(xué)， 2020.

[2] 蘇明順. PCB生產(chǎn)線布局分析與吸塑盒抓取機械手設(shè)計研究[D]. 青島： 青島大學(xué)， 2018.

[3] Akhil P V G N H， Deepthi Y P. A case study of Spinning Industry plant layout for effective production[J]. Materials Today： Proceedings， 2019， 16（2）： 694698.

[4] 鄧鴻劍， 付建林， 程振， 等. 基于仿真迭代的兩步車間布局規(guī)劃[J]. 制造業(yè)自動化， 2019， 41（11）： 1822.

[5] 朱永生， 王沖沖， 馬向齊， 等. 基于IE技術(shù)的精鍛生產(chǎn)線布局及機器人動作優(yōu)化分析[J]. 拖拉機與農(nóng)用運輸車， 2020， 47（6）： 7073.

[6] Papakostas N， Moneley J O， Hargaden V， et al. Integrated simulationbased facility layout and complex production line design under uncertainty[J]. Cirp Annals， 2018， 67（1）： 451454.

[7] 李琴， 李澤蓉， 文忠波. 基于SLP的某車間設(shè)施布局優(yōu)化設(shè)計[J]. 煤礦機械， 2011， 32（5）： 2527.

[8] 杜俊. 汽車?yán)壬a(chǎn)車間布局與優(yōu)化設(shè)計[D]. 上海： 上海交通大學(xué)， 2011.

[9] 宋濤. 轉(zhuǎn)盤軸承生產(chǎn)線布局優(yōu)化及平衡研究[D]. 大連： 大連交通大學(xué)， 2019.

[10] 吳思， 檀潤華， 古恩鵬， 等. 發(fā)明問題解決理論在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用進展[J]. 醫(yī)學(xué)與哲學(xué)， 2019， 40（22）： 2326， 55.

[11] 周善平. 基于TRIZ理論的云肩在茶葉包裝盒設(shè)計中的創(chuàng)新研究[J]. 鞍山師范學(xué)院學(xué)報， 2020， 22（6）： 6770.

[12] 易雪峰， 游婭娜. 基于QFD和TRIZ的兒童床改良設(shè)計[J]. 包裝工程， 2017， 38（6）： 246251.

[13] 王佳帥， 江牧. 基于QFD和TRIZ的視障者藥品標(biāo)簽器設(shè)計研究[J]. 包裝工程， 2020， 41（12）： 6266.

[14] 張自強， 張恩忠， 劉海峰， 等. TRIZ理論對創(chuàng)新點子產(chǎn)生的推動作用[J]. 中小企業(yè)管理與科技， 2020（9）： 118119.

[15] 陳亮， 竇昊， 魏煌， 等. 基于質(zhì)量功能展開、發(fā)明問題解決理論和仿生學(xué)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計[J]. 中國機械工程， 2020， 31（11）： 12851295.

[16] Wang Y H， Lee C H， Trappey A J C. Service design blueprint approach incorporating TRIZ and service QFD for a meal ordering system： A case study[J]. Computers & Industrial Engineering， 2017， 107： 388400.

[17] 檀潤華. 發(fā)明問題解決理論[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2004.

[18] 王傳友， 歐陽怡山， 王國江. 創(chuàng)新方法TRIZ解讀改進補充完善[M]. 1版. 陜西： 陜西科學(xué)技術(shù)出版社， 2015.

[19] 賀雪梅， 李隆真， 梁金生. TRIZ沖突解決原理在飲水機設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 包裝工程， 2015， 36（14）： 6063.

[20] 張永超， 趙錄懷， 靳錦華， 等. 基于光纖傳感器的彈簧檢長系統(tǒng)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2021， 40（1）： 107109.