尹亮 張震華 胡德超 劉鐵錚 閆亮亮 李林峰

1項(xiàng)目背景及意義

1.1公司簡(jiǎn)介

河南天海電器有限公司始建于1969年，總部坐落在河南鶴壁，全球設(shè)有36個(gè)銷(xiāo)售辦事處和23個(gè)生產(chǎn)基地。主要生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)汽車(chē)電子電器產(chǎn)品共6大類(lèi)20000多個(gè)品種，曾被“50年國(guó)慶閱兵”“60年國(guó)慶閱兵”列為指定配套產(chǎn)品，并獲得“中國(guó)中小型企業(yè)創(chuàng)新100強(qiáng)”“中國(guó)汽車(chē)零部件電機(jī)（連接器）行業(yè)龍頭企業(yè)”“中國(guó)汽車(chē)電子電器電機(jī)行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)”等多個(gè)國(guó)家、省級(jí)政府授予的榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。2018年實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售收入80億人民幣，其中出口2.5億美元。公司2010年導(dǎo)入了六西格瑪、2012年導(dǎo)入TRIZ創(chuàng)新方法，2015年在集團(tuán)成立了“河南天海創(chuàng)新方法研究中心”，目前擁有創(chuàng)新人員690人。

1.2項(xiàng)目背景及意義

汽車(chē)線束加工屬于勞動(dòng)密集型行業(yè)，隨著人力成本的上升和汽車(chē)價(jià)格的下調(diào)，企業(yè)利潤(rùn)空間越來(lái)越小。再加上汽車(chē)線束制造工藝復(fù)雜，質(zhì)量要求嚴(yán)格。傳統(tǒng)的手工作業(yè)急需自動(dòng)化設(shè)備替代（圖1所示）。由于汽車(chē)線束的復(fù)雜性，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有從原材料到線束成品的全自動(dòng)加工一體化設(shè)備，所以實(shí)現(xiàn)最大化多工藝集成，高效率生產(chǎn)的自動(dòng)化設(shè)備是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

全自動(dòng)線束加工中心^[1]是汽車(chē)線束制造的核心裝備（圖2所示）。它將下線、套管、噴碼、穿防水栓、并線、絞合、壓接、插護(hù)套等工藝集于一體，大大節(jié)約了人力資源，提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少了空間占用率。加工中心的工藝執(zhí)行單元和柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)決定了設(shè)備的線束加工工藝能力和生產(chǎn)效率（圖3所示）。然而，全自動(dòng)線束加工中心的生產(chǎn)效率提升受制于核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2項(xiàng)目主要內(nèi)容

2.1項(xiàng)目存在的問(wèn)題矛盾

線束加工中心的執(zhí)行單元上的伺服電機(jī)安裝有帶輪，帶輪通過(guò)同步帶經(jīng)過(guò)兩級(jí)傳動(dòng)使轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤(pán)和轉(zhuǎn)軸通過(guò)軸承裝配在一起，轉(zhuǎn)軸上固定擺臂機(jī)構(gòu)。擺臂機(jī)構(gòu)由絲桿引動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，引動(dòng)器由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂與引動(dòng)器相連可以前、后、左、右移動(dòng)，機(jī)械臂前端安裝有氣缸驅(qū)動(dòng)的夾爪（圖3所示）。擺臂的擺動(dòng)頻率和夾爪抓取速度是影響設(shè)備效率的主要矛盾，也是本項(xiàng)目主要解決的矛盾。

2.2因果分析

通過(guò)因果分析，造成本系統(tǒng)效率低的問(wèn)題點(diǎn)：夾持機(jī)構(gòu)質(zhì)量大：由于抓手需要一定的夾持力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)前部有夾緊氣缸需要大，導(dǎo)致重量大，進(jìn)而使擺臂的整體慣量大，系統(tǒng)執(zhí)行效率低（圖4所示）。

問(wèn)題點(diǎn)：夾持機(jī)構(gòu)質(zhì)量大

問(wèn)題描述：由于抓手重量大，為保證抓手在夾持不同線纜執(zhí)行剝皮動(dòng)作時(shí)不產(chǎn)生打滑，需要增加執(zhí)行氣缸的體積;氣缸體積增大后造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)重心偏移，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)慣量過(guò)大，導(dǎo)致效率低下（圖5所示）。

2.3運(yùn)用小人法對(duì)問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行分析

建立問(wèn)題模型，圖6所示：

紅色小人：機(jī)械臂;

藍(lán)色小人：氣缸;

黃色小人：連桿;

綠色小人：夾爪;

紫色小人：導(dǎo)線。

問(wèn)題描述：氣缸小人通過(guò)連桿小人拉動(dòng)夾爪小人夾緊線束小人，然后擺臂小人轉(zhuǎn)移所有小人。

原因1：抓手前端聚集的小人太多，導(dǎo)致擺臂小人轉(zhuǎn)移困難;

原因2：氣缸小人太弱，需要很多才能夾住線束小人，導(dǎo)致擺臂小人轉(zhuǎn)移困難;

原因3：夾爪小人自己沒(méi)有能力夾住線束小人，需要?dú)飧仔∪说膸兔?

結(jié)果：線束小人被轉(zhuǎn)移速度太慢。

形成方案1：將夾緊氣缸后置

減少前端氣缸小人，氣缸小人放置后方，把氣缸安裝在擺臂后方，減輕前部夾持機(jī)構(gòu)的重量，通過(guò)一種轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)夾爪的縱向傳遞力轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向傳遞力，而不損失氣缸力的大小。

形成方案2：使用一體抓手

夾爪小人自己能夠工作;使夾爪和氣缸成為一體;將之前由氣缸通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)來(lái)傳遞力的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯油ㄟ^(guò)氣缸來(lái)輸出力，直接將夾爪安裝在氣缸上，保證輸出力不變的同時(shí)又減輕了整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)的重量（圖7所示）。

2.4運(yùn)用虛空

問(wèn)題點(diǎn)：夾持機(jī)構(gòu)質(zhì)量大

虛空是非常重要的一種資源，而且可利用的數(shù)量是無(wú)限的?！翱铡焙苋菀着c其它物質(zhì)結(jié)合，形成空心、多孔結(jié)構(gòu)、泡沫材料等物質(zhì)。虛空不一定是真空。

方案3：多孔結(jié)構(gòu)

運(yùn)用虛空或虛空與物質(zhì)的組合，在保證強(qiáng)度的情況下，預(yù)先對(duì)機(jī)構(gòu)的零部件進(jìn)行除材料處理，最大程度降低質(zhì)量（圖8所示）。

2.5物質(zhì)-場(chǎng)分析

運(yùn)用場(chǎng)資源分析，在系統(tǒng)中引入電場(chǎng)或兩個(gè)相互作用的場(chǎng)，替代引入物質(zhì)一電磁場(chǎng)。

方案4：電磁吸合

利用電場(chǎng)磁場(chǎng)的相互轉(zhuǎn)化，使夾爪自己相互吸引，不需要?dú)飧昨?qū)動(dòng)。夾爪在工作時(shí)，通過(guò)安裝在自身上面的電磁鐵實(shí)現(xiàn)張開(kāi)和閉合。當(dāng)磁鐵通電時(shí)，由于磁場(chǎng)原理夾爪吸合實(shí)現(xiàn)閉合;當(dāng)磁鐵斷電時(shí)，由于磁場(chǎng)原理夾爪排斥實(shí)現(xiàn)張開(kāi)（圖9所示）。

2.6物理矛盾

問(wèn)題點(diǎn)：夾持機(jī)構(gòu)質(zhì)量大

通過(guò)物理矛盾分析：為了增加夾持力，氣缸應(yīng)該在執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi);為了不增加慣性，氣缸應(yīng)該在執(zhí)行機(jī)構(gòu)外。

方案5：分離解鎖氣缸

運(yùn)用空間分離，將氣缸安置在執(zhí)行機(jī)構(gòu)工位上，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)^[2]，運(yùn)動(dòng)至對(duì)應(yīng)工位時(shí)，對(duì)應(yīng)工位的氣缸完成夾爪的解鎖（圖10所示）。

2.7物場(chǎng)模型

問(wèn)題點(diǎn)：夾持機(jī)構(gòu)質(zhì)量大

物場(chǎng)模型：引入系統(tǒng)中現(xiàn)有物質(zhì)的變異物，引入夾緊氣缸的變異。

方案6：直線電機(jī)

將氣缸轉(zhuǎn)換成為直線電機(jī)，完成夾持。由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械爪運(yùn)動(dòng)速度更高，可有效縮減每個(gè)工位的運(yùn)行時(shí)間，從而降低整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間，提高整機(jī)的效率（圖11所示）。

2.8方案評(píng)價(jià)

運(yùn)用軟件易維訓(xùn)Pro-Innovator，首先建立方案評(píng)價(jià)模型，分別從可操作性、成本以及方案運(yùn)用效果三個(gè)維度進(jìn)行分析（圖12所示）。

2.9優(yōu)選方案實(shí)施

最佳方案實(shí)施：

綜合方案1（氣缸后置）和方案3（多孔原理）形成最終方案（圖13所示）。

在保證機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的前提下對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行薄壁和空心處理，將前部氣缸移至后部，并將氣缸桿加長(zhǎng)，通過(guò)氣缸桿上的齒形驅(qū)動(dòng)錐齒輪使夾爪實(shí)現(xiàn)張開(kāi)閉合^[3]。此方案減輕了整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣量，提高了效率。

3項(xiàng)目成果與效益

3.1項(xiàng)目成果

該項(xiàng)目形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，已經(jīng)頒布并實(shí)施，已授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)，實(shí)用新型專(zhuān)利4項(xiàng)（表1所示）。

3.2經(jīng)濟(jì)效益分析

通過(guò)對(duì)市場(chǎng)需求、市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)及競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的分析，在中國(guó)汽車(chē)行業(yè)高速發(fā)展的今天，該產(chǎn)品的研制有較高的成本優(yōu)勢(shì)，為公司帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。近3年該產(chǎn)品的銷(xiāo)量數(shù)量為500多臺(tái)，實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售收入近2億多元，并且?guī)?dòng)了1000多萬(wàn)元的備件銷(xiāo)售，并出口世界多個(gè)國(guó)家。

3.3社會(huì)效益

該項(xiàng)目的產(chǎn)品，汽車(chē)線束全自動(dòng)加工中心，目前是引領(lǐng)汽車(chē)線束自動(dòng)化制造設(shè)備行業(yè)，率先在國(guó)內(nèi)汽車(chē)線束制造行業(yè)內(nèi)突破了不同線徑自適應(yīng)夾持系統(tǒng)、不停機(jī)自動(dòng)換型技術(shù)等10多項(xiàng)行業(yè)技術(shù)，并在生產(chǎn)領(lǐng)域得到了驗(yàn)證和推廣。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，通過(guò)天海集團(tuán)線束制造事業(yè)部及集團(tuán)7家線束制造基地的大批量應(yīng)用，一套全自動(dòng)線束加工中心比傳統(tǒng)半自動(dòng)加工模式可節(jié)約8～10個(gè)人。在保證加工效率、降低勞動(dòng)力成本的同時(shí)，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，提升了行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

多年來(lái)，汽車(chē)線束自動(dòng)加工中心進(jìn)行多個(gè)關(guān)鍵部件機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新改進(jìn)，打破國(guó)外同行業(yè)的技術(shù)封鎖和壟斷。目前，該產(chǎn)品處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。本創(chuàng)新項(xiàng)目獲得2018年河南省TRIZ創(chuàng)新方法大賽一等獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)

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