柔性两种车型白车身顶盖的孤岛式焊装区研究及TRIZ的应用

唐稳生 周小川

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 青岛分公司，山东 青岛 266555）

【摘 要】传统孤岛式白车身顶盖焊装区柔性生产能力差，占地面积较大。上汽通用五菱汽车股份有限公司N300、N310车型顶盖焊装区相邻布置，无法柔性生产，随着公司产量的不断提升，对生产节拍、效率、物料缓存空间的要求也越来越高，此处已经形成瓶颈，严重制约了整个生产线的产能升级。文章经过研究分析，并通过TRIZ理论的应用，设计了一种新型工装夹具布置方式，实现了焊装拼台的柔性化功能，对其他类似结构的设计具有一定的参考价值。

【关键词】白车身顶盖；柔性生产；焊装拼台；TRIZ

【中图分类号】U463.82 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）04-0071-04

1 背景

上汽通用五菱的N310车型是N300车型的升级版本，但白车身改动较大，2种顶盖的翻边和型面差异性大。N300生产线进行N310兼容升级改造时，经过分析，无法通过直接改造N300顶盖工装夹具的方式来柔性N310顶盖，最终采用2个独立的焊装区分别生产N300、N310 2种车型顶盖。

N300、N310白车身顶盖焊装区平面布局图如图1所示。顶盖焊装区采用孤岛式布局，顶盖焊合件通过人工转运至白车身总拼生产线。点状填充区域为物流通道，由于各生产线所需物料都需要通过此处，因此顶盖焊装区不能占用物流通道。焊装区中间竖直虚线左侧为N300车型顶盖焊装区，右侧为N310车型顶盖焊装区，虚线仅为示意，无实物阻隔。顶盖焊合件转运路线的空心箭头表示转运方向。

（1）N300车型顶盖焊装区：由1套N300顶盖料架、1套N300顶盖焊合件料架、1套N300顶盖焊装拼台、2套悬挂式电阻点焊机组成。

（2）N310车型顶盖焊装区：由1个N310顶盖料架缓冲区、1套N310顶盖料架、1套顶盖输送自动小车、1套N310顶盖焊装拼台、1套N310顶盖焊合件料架、1个N310顶盖焊合件料架缓冲区、2套悬挂式电阻点焊机组成。

N300、N310顶盖焊装区共2名操作员工，根据车型切换要求，步行至相应顶盖焊装区，启动悬挂式电阻点焊机并进行试焊，如果切换至N310顶盖焊装区，还需启动顶盖输送自动小车。整个车型切换过程时间长，且悬挂式电阻点焊机、顶盖输送自动小车启动过程中可能出现故障，影响生产效率。焊装N300顶盖时，操作人员需将顶盖物料从N300顶盖料架上抬至N300顶盖焊装拼台，完成焊接工作后，将顶盖焊合件抬至N300顶盖焊合件料架，劳动强度较大。因为空间受限，所以N300顶盖焊装区无法布置物料緩冲区和焊合件料架缓冲区。

由于市场需求旺盛，产量不断提升，此处成为生产瓶颈，迫切需要设计1套焊装拼台，替代N310顶盖焊装拼台，以实现N300、N310 2种车型顶盖的柔性生产，共用顶盖输送自动小车和悬挂式电阻点焊机，原N300顶盖焊装区作为物料缓冲区。

2 分析与设计

2.1 焊装拼台结构设计及矛盾分析

由于2种顶盖的翻边和型面在X、Y、Z 3个方向都是不同的，且差异较大，所以必须使用2套定位工装夹具和辅助支撑。

通常采用以下3種方式来实现：{1}上下翻转切换；{2}2套独立焊装拼台自动切换；{3}工装夹具合并在同一拼台。

（1）上下翻转切换：焊装拼台底座有上、下2个安装面，分别安装N300顶盖工装夹具和N310顶盖工装夹具，整个焊装拼台由摆动气缸或摆动液压缸驱动，可翻转180°。

存在的问题：{1}焊装拼台翻转半径大，旋转轴离地面较高，需要相应更改顶盖输送自动小车，改造工作量大；{2}焊接操作高度提高，为满足人机工程，需增加踏台，但因为焊装拼台翻转半径大，踏台需远离拼台，所以操作员工难以靠近焊装拼台进行焊装作业；{3}人员操作范围与焊装拼台翻转范围存在重叠的情况，有较大的安全隐患。

（2）2套独立焊装拼台自动切换：制造2套独立的焊装拼台，分别用来焊装N300、N310顶盖，1套放置于工位，1套放置于存储区，切换车型时切换整体焊装拼台，对空间、切换设备的要求较高，现场空间无法满足此形式。

（3）工装夹具合并在同一拼台：N300、N310 2种车型顶盖的工装夹具较为密集，且N300顶盖后部必须为整体滑动工装夹具，合并后，无论采取何种方式，工装夹具都完全占用焊接设备操作空间，使悬挂式电阻点焊机的焊钳无法进行焊接作业。

通过以上分析发现，设计过程中产生了技术矛盾。设计目标是焊装拼台能柔性制造2种顶盖，柔性2种顶盖就需要把2种车型顶盖的工装夹具合并到一个焊装拼台上，这就导致以下几个问题：{1}工装夹具布置密集，操作空间受限；{2}焊装拼台、切换装置体积庞大，占地面积大；{3}焊装拼台结构复杂，影响人机工程，存在安全风险。

为了解决矛盾和打破设计中的惯性思维，需要使用一种创新的设计方法——TIRZ。

2.2 TRIZ理论的介绍

发明问题解决理论（theory of inventive problem solving，TRIZ）是一种目前应用较为广泛的创新理论。理论创立者G.S.Altshuler及其研究者通过对全世界不同时期、不同领域的250万份发明专利进行分析研究发现，不同时期、不同领域的发明中所用到的原理、方法并不多，同样的原理、方法被反复使用，且都是经过大量的试验试错才最终确定，花费了大量时间、人力、物力和财力[2]。TRIZ理论总结出39个通用技术参数来描述技术矛盾，并总结了40个发明原理[1]来解决这些技术矛盾。

TRIZ理论在结构设计中应用的一般流程如下：首先分析问题，找出技术矛盾，确定要改善的技术参数和恶化的技术参数，然后根据矛盾矩阵[1]确定发明原理和设计方向，最后找出技术问题的具体解决方法。

2.3 TRIZ的应用及柔性顶盖焊装区的可行方案

通过上文的分析，在顶盖焊装拼台结构设计中，涉及的参数包含可制造性、可操作性、可维修性、适应性及多用性、装置的复杂性，改善任一参数都可能造成其他参数的恶化，因此要综合分析几个参数。

矛盾矩阵[1]和40个发明原理表[1]的使用方法如下：例如，改善焊装拼台的适应性及多用性参数，则焊装拼台的结构会变得更复杂，即装置的复杂性参数会恶化，通过表1，第35行适应性及多用性与36列装置的复杂性交叉处，得到编号15、29、37、28；通过表2，得到上述编号所对应的发明原理，分别为动态化、气动和液压结构、热膨胀、替代机械系统，这就是解决问题的几个方向。

通过矛盾矩阵和涉及的技术参数，可以得到顶盖焊装拼台结构设计的几个方向：分割、抽取、非对称、合并、嵌套、反过来做、动态化、转变到新维度、替代机械系统、气动或液压结构、改变特性。顶盖工装夹具结构设计中主要用到合并、反过来做、动态化、转变到新维度4个设计原理。{1}合并原理：合并空间上同类的物体，或预定要相邻操作的物体。{2}反过来做原理：不直接实施问题指出的动作，而是实施一个相反的动作；使物体或外部环境移动的部分静止，或者使静止的部分移动；把物体上下颠倒。{3}动态化原理：改变物体或外部环境的特性，以便在操作的每个阶段都能提供最佳性能；如果物体不能移动，想办法让它移动，让物体各部分都可以相互移动；把物体分成几个部分，它们能够改变彼此的相对位置。{4}转变到新维度原理：把物体的动作、布局从一维变成二维，二维变成三维，以此类推；利用物体不同等级的组合；将物体倾斜或侧放；使用给定表面的另一面[1]。

N300、N310顶盖工装夹具主要都集中在后部，将工装夹具合并在同一拼台时，可以采用2种顶盖在焊装拼台上反向布置的方式，并适当调整部分辅助支撑、夹具的位置，此时工装夹具分布均匀适中，焊钳操作空间充足，解决了2种顶盖工装夹具在水平方向（X、Y向）的干涉。2种顶盖反向布置是这次结构设计中最关键的一点，解决了顶盖工装夹具中最多的干涉点，是整个焊装拼台实现柔性化的基础。工装夹具柔性设计的惯性思维，是在原工裝夹具的基础上增加新车型的定位、支撑装置，当工装夹具分布密集时，往往出现无法消除干涉点的问题，而TRIZ理论提供的反过来做原理，提供了一个很好的解决问题的方向。

N310顶盖内部有2根加强筋，使用4套定位夹具，位于焊装拼台中部，剩余工装夹具都分布在焊装拼台边缘，N300顶盖工裝夹具都分布在焊装拼台边缘，后部整体滑动工装可采用避让方式，放置于顶盖下方，因此N300顶盖定位面应高于N310。将N300焊装操作面提升200 mm后，解决了2种顶盖工装夹具在竖直方向（Z向）的干涉。

由于N310焊装操作面低于N300，为避免N310顶盖与N300顶盖工装夹具干涉，需将N300顶盖工装夹具设计成运动切换方式。独立工装夹具安装在气缸驱动的摆动机构上，摆动角度为30°，整体滑动工装夹具通过更换长行程气缸，行程增加30 mm，即可避开N310顶盖翻边。

经过研究分析，可实现的顶盖焊装拼台结构如下：工装夹具合并在同一拼台，2种车型顶盖在拼台上反向布置，N300车型顶盖定位面高出N310车型顶盖定位面200 mm，N300车型顶盖工装夹具为摆动、滑动切换方式（如图2所示）。

改造后的顶盖焊装拼台可直接替换原N310顶盖焊装拼台，然后对顶盖输送自动小车的吸盘位置进行调整，并增加2个吸盘，使顶盖输送自动小车可柔性N300顶盖，拆除原N300顶盖焊装区的悬挂式电阻点焊机，其焊钳挂在N310焊装区悬挂式电阻点焊机上。N310上、下线方向及位置不变，N300与其相反。优化后的顶盖焊装区平面布局图如图3所示，原N300顶盖焊装区作为物料缓冲区，原N310顶盖焊装区柔性生产N300、N310 2种车型顶盖，共用顶盖输送自动小车和悬挂式电阻点焊机。N300、N310 2种车型顶盖上、下线方向相反，黑色实心箭头表示N300车型顶盖上、下线方向，空心箭头表示N310车型顶盖上、下线方向。

3 结语

微型汽车、微型电动汽车白车身在生产过程中，经常用到孤岛式焊装分拼台，随着车型的增加，对生产线的柔性程度、占用空间提出了越来越高的要求，本文提供了一个可行的实施方向，使相关汽车企业以较低的成本、简单的结构实现孤岛式焊装分拼台的柔性生产。

TRIZ理论作为一种优秀的创新设计理论，可以在设计中打破惯性思维、提供设计方向、缩短研发周期和各项投入，应进行深入地应用和广泛地推广。

参 考 文 献

[1]谭培波，茹海燕，Wenling Babbitt.创新算法——TRIZ、系统创新和技术创造力[M].武汉：华中科技大学出版社，2008：219-225.

[2]赵新军.技术创新理论（TRIZ）及应用[M].北京：化学工业出版社，2004：12-14.

[3]徐帅帅.介绍一种车身焊装线简易定位顶盖的工装[J].企业科技与发展，2015（13）：47-50.

[4]唐稳生，周小川，高学成.一种适用多种车型顶盖的焊装拼台[P].中国专利：ZL201520558301.6，2015-02-05.

[责任编辑：陈泽琦]

【作者简介】唐稳生，男，广西桂林人，研究生，上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司总经理兼党委书记；周小川，男，山东济宁人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司电控主任工程师。