某車型頂蓋單件隔離自動化上料的工位器具設(shè)計

王洪磊 陳華娟

【摘 要】工位器具是指在產(chǎn)品的制造過程中，用于對成品、半成品及毛坯進(jìn)行集合式裝載、轉(zhuǎn)運、存放的一種工具，也是在加工、裝配、包裝零部件時使用的操作平臺。在某項目中，頂蓋工位器具因受到工作環(huán)境的特殊要求及零件的特殊性的影響，經(jīng)過8次方案設(shè)計修改及10次實物改造，最終設(shè)計出滿足車身車間、沖壓生產(chǎn)及沖壓物流三方要求的工位器具。文章總結(jié)該項目的經(jīng)驗，望能拋磚引玉，有助于以后項目中工位器具的設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】自動化上料；單件隔離；人機工程改善

【中圖分類號】U468 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）07-0088-03

1 工位器具的設(shè)計原則

工位器具的設(shè)計沒有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)參照，只能依據(jù)工藝裝備的一般設(shè)計原則并結(jié)合實際情況進(jìn)行。工位器具設(shè)計的一般原則[1]如下：①工位器具的結(jié)構(gòu)應(yīng)首先考慮零件的大小、重量、形狀和表面質(zhì)量要求，使存放的零件不變形和相互碰撞。②工位器具要便于零件的取放，使操作者取放零件省時、省力。③結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。④儲存零件用的工位器具應(yīng)考慮多層存放。⑤工位器具的結(jié)構(gòu)便于存放物品的計數(shù)，使工作人員一眼便能看出所裝零件的數(shù)量。⑥焊縫必須牢固可靠，整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能滿足要求。⑦工位器具通用型的技術(shù)要求見《某項目工位器具SOR》[2]。

2 某車型頂蓋工位設(shè)計過程

2.1 第一次圖紙設(shè)計（如圖1所示）

問題：只滿足設(shè)計的一般原則，沒有結(jié)合實際情況。不滿足車身車間使用要求?，F(xiàn)項目車身車間頂蓋焊接引進(jìn)了自動化設(shè)備，設(shè)計圖紙借鑒以往項目設(shè)計的工位器具不能滿足設(shè)備自動化抓取需求。

經(jīng)驗總結(jié)：沒有結(jié)合實際情況，對客戶需求進(jìn)行充分收集，僅僅是按照以前經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計，導(dǎo)致進(jìn)行實物驗證時才發(fā)現(xiàn)不滿足客戶使用要求，造成資源浪費，并影響項目的進(jìn)度。

客戶需求分析：因現(xiàn)車型頂蓋后部形狀特殊，有一個5 cm的向內(nèi)凹的凸臺，如不能實現(xiàn)單件隔離，自動化設(shè)備將無法實現(xiàn)抓取功能。圖1中的零件裝筐方案是5件一摞，自動化抓取時，因零件后部凸臺環(huán)環(huán)相扣、相互干涉，所以無法抓取成功。通過現(xiàn)場實際考察，并和車身設(shè)備人員、一線員工、側(cè)圍項目負(fù)責(zé)人員一起頭腦風(fēng)暴，總結(jié)出車身車間對現(xiàn)車型頂蓋的3個方面要求：零件單件隔離；零件在工位器具中存放的高度為0.44～1.35 m；零件抬起時隔離鍵自動升起。

2.2 第二次圖紙設(shè)計（如圖2所示）

問題：和工位器具供應(yīng)商設(shè)計人員沒有充分溝通，設(shè)計人員僅僅考慮了車身車間的使用要求，忽略了沖壓車間生產(chǎn)使用的要求。頂蓋工位器具高度為1 150 mm，生產(chǎn)現(xiàn)場使用的零件傳輸皮帶機高度為880 mm，員工裝筐時人機工程嚴(yán)重。并且單個工位器具容量僅為13件，對沖壓物流配送系統(tǒng)也是一個挑戰(zhàn)。

經(jīng)驗總結(jié)：設(shè)計人員沒有現(xiàn)場經(jīng)驗，需要項目負(fù)責(zé)人主動和其充分溝通，將現(xiàn)場各方面需求的一手資料反饋給供應(yīng)商設(shè)計人員。

內(nèi)部客戶需求分析：按照設(shè)計方案2，假設(shè)現(xiàn)車型頂蓋的節(jié)拍是7.5 SPM（以往車型經(jīng)驗參考），那么1.7 min就配送一筐，按照現(xiàn)在的工藝布局，生產(chǎn)頂蓋時物流配送一個輪回最少需3 min，D線線尾使用皮帶機傳送方式，線尾可擺4筐，基本能滿足叉車入庫要求。車身車間節(jié)拍按照40 JPH，那么1 h需要配送4筐，其中1筐做物料緩存，需要增加1名叉車工負(fù)責(zé)現(xiàn)車型頂蓋沖壓件的配送。綜合分析結(jié)果，工位器具容量不少于13件/筐，高度不得高于1 000 mm，裝筐時隔離件不用人工搬下[3]。

2.3 客戶需求分析小結(jié)，明確設(shè)計方向

經(jīng)過2次圖紙設(shè)計及2次實物驗證，對客戶就現(xiàn)車型頂蓋工位器具的要求進(jìn)行小結(jié)。

外部客戶（車身車間）：零件單件隔離；零件在工位器具中存放的高度為0.44～1.35 m；零件抬起時隔離鍵自動升起；工位器具前端高度不得超過900 mm；現(xiàn)車型頂蓋轉(zhuǎn)運Dolly小車的4個輪子是萬向輪。

內(nèi)部客戶（沖壓車間）：工位器具高度不得超過1 000 mm；工位器具容量不少于13件/筐；裝筐時隔離件不用人工搬下；工位器具結(jié)構(gòu)強度滿足4層堆垛；現(xiàn)車型頂蓋轉(zhuǎn)運Dolly小車后部2個輪子是定向輪。

通過上述總結(jié)，明確后續(xù)設(shè)計需要解決的問題：①內(nèi)外部客戶第三條要求的矛盾點；②內(nèi)外部客戶第五條要求的矛盾點；③內(nèi)外部客戶第一條、第二條要求的矛盾點。

2.4 針對問題進(jìn)行設(shè)計方案的論證

2.4.1 解決問題①

針對問題①，嘗試創(chuàng)新的隔離方式，設(shè)計方向定為用聯(lián)動的隔離方式。第一次嘗試使用如圖3中的聯(lián)動板方式，結(jié)果現(xiàn)場使用時發(fā)現(xiàn)，這種聯(lián)動方式對制作工裝及誤差要求比較高，很容易因為制作誤差造成聯(lián)動板不聯(lián)動的現(xiàn)象，而且容易出現(xiàn)2塊聯(lián)動板相互卡滯的現(xiàn)象，對生產(chǎn)不實用。

經(jīng)和沖壓D線員工、班組長、工段長溝通，以及現(xiàn)場驗證及頭腦風(fēng)暴，確定最終方案為在圖3方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將圖3中標(biāo)識的部分換用與隔離鍵一體的配重塊，明確聯(lián)動板間距為60 mm（見表1）。間距過緊，零件后部凸臺會相互擠壓變形。

經(jīng)實物驗證，最終方案滿足三方客戶需求，問題{1}解決。

2.4.2 解決問題②

問題②參考KD業(yè)務(wù)中Dolly小車的設(shè)計方式，直接確定設(shè)計方案。后部2個輪子采用定向萬向可以轉(zhuǎn)換的輪子。經(jīng)實物驗證，滿足內(nèi)外部客戶需求，并且很大程度地改善了車身車間轉(zhuǎn)移整筐頂蓋物料時的人機工程。

2.4.3 解決問題③

問題③主要解決的是工位器具高度與裝筐數(shù)量的矛盾。工位器具高度包括叉車用通道高度、零件存放高度（即支撐柱高度）、堆垛預(yù)留高度（至少比零件高度高），工位器具高度見表2。

（1）叉車用通道高度是取以往的經(jīng)驗，已是能做到的最低值，已無改進(jìn)空間。

（2）支撐柱高度是依據(jù)單件隔離聯(lián)動板計算出來的，能降低的可能性就是最下層隔離聯(lián)動板降低。通過現(xiàn)場實物論證，能向下降低10 mm。

（3）解決問題的突破集中在堆垛預(yù)留高度上，如何能把此段距離降低，那么工位器具的高度將變成170 mm+770 mm=940 mm，滿足內(nèi)外部客戶要求。對此問題，發(fā)動沖壓車間全體員工進(jìn)行改進(jìn)，最終篩選出2個可行性方案。

方案一：將堆垛用機構(gòu)改為從中間進(jìn)行折疊。經(jīng)過實物驗證：能滿足客戶的基本要求，但這種機構(gòu)使用時過于煩瑣，制約生產(chǎn)效率的提升，同時煩瑣的機構(gòu)使用起來容易出現(xiàn)故障，需要經(jīng)常預(yù)防性維修。結(jié)論：此種方案不實用，不考慮。

方案二：推翻沖壓件常用工位器具的外形，堆垛機構(gòu)直接用可折疊的4根立柱，導(dǎo)向機構(gòu)仍保留（如圖4所示）。這是一個突破性的方案。

經(jīng)實物驗證：此種改革方案，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，適合長時間高頻次使用。同時，員工操作簡單、快捷，只需輕輕將立柱放到位置即可。在此基礎(chǔ)上，將導(dǎo)向柱改為框狀機構(gòu)，裝筐時，員工就不用將零件抬起，而是直接從皮帶機上拉到筐中即可（如圖5所示）。在導(dǎo)向柱旁增加限位柱，員工只需將堆垛立柱放到限位柱位置即可滿足生產(chǎn)要求，員工不用彎腰，改善了人機工程（標(biāo)識區(qū)域是人機工程改善點）。

3 某車型頂蓋工位器具設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)

本文主要介紹了某車型因后工序使用的工藝環(huán)境改變后帶來的一系列設(shè)計問題，并通過全員頭腦風(fēng)暴創(chuàng)新實現(xiàn)了具有推廣意義的工位器具的聯(lián)動機構(gòu)、可折疊堆垛立柱結(jié)構(gòu)及人機工程改進(jìn)的限位結(jié)構(gòu)。通過工位器具方案設(shè)計的經(jīng)驗積累，尤其是該項目頂蓋工位器具的創(chuàng)新設(shè)計，總結(jié)以下幾點和大家分享：{1}一切脫離客戶需求的設(shè)計都是失敗的；{2}要善于利用團(tuán)隊的智慧，一個積極性被激發(fā)的團(tuán)隊，會有無窮的創(chuàng)新力，此車型頂蓋工位器具的問題解決中，收到來自一線員工的意見和建議近百條；{3}開放思維，當(dāng)大家都在一個方向?qū)ふ页隹跁r，有人卻把目光放到了別的區(qū)域進(jìn)行借鑒。此車型頂蓋工位器具的創(chuàng)新靈感就來自發(fā)動機的存放料架。此次設(shè)計創(chuàng)新后，在上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司內(nèi)各基地得到廣泛的推廣應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]焦金瑞.議汽車零部件的包裝系統(tǒng)設(shè)計[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2012（6）.

[2]朱峰，李建江.工位器具的作用與設(shè)計[J].金屬加工：冷加工，2009（13）.

[3]曾敏剛，朱佳.汽車零部件運輸包裝尺寸標(biāo)準(zhǔn)化研究[J].工業(yè)工程與管理，2013（2）.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]