曹先雷，胡習(xí)之

（1.廣州維思車用部件有限公司，廣州 510460；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

“中國(guó)制造2025”中明確指出，堅(jiān)持把創(chuàng)新擺在制造業(yè)發(fā)展全局的核心位置，推動(dòng)各領(lǐng)域各行業(yè)交叉融合協(xié)同創(chuàng)新[1]。創(chuàng)新是引領(lǐng)社會(huì)發(fā)展的第一動(dòng)力[2]。當(dāng)今世界的競(jìng)爭(zhēng)，主要是創(chuàng)新能力的競(jìng)爭(zhēng)；世界各國(guó)都在重視科技創(chuàng)新與設(shè)計(jì)創(chuàng)新，創(chuàng)新設(shè)計(jì)已成為眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)。以蘇聯(lián)著名發(fā)明家阿奇舒勒為首的研究機(jī)構(gòu)提出了TRIZ發(fā)明問(wèn)題解決理論，該理論已在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用，對(duì)世界產(chǎn)品創(chuàng)新領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[3]。胡潔等[4]提出了融合創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)知識(shí)、系統(tǒng)和學(xué)科的融合來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了理論支撐。祁元明等[5]重視人的因素，提出通過(guò)基于用戶體驗(yàn)行為的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)激勵(lì)方法可獲得更好操作體驗(yàn)的產(chǎn)品。劉江南等[6]提出了由系統(tǒng)目標(biāo)向系統(tǒng)內(nèi)部組件逐步遍歷的功能倒推分析法，結(jié)合裁剪法，運(yùn)用TRIZ問(wèn)題求解工具，建立了系統(tǒng)重構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新思路。

以上創(chuàng)新方法給產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，為了將上述理論更好地應(yīng)用于設(shè)計(jì)實(shí)踐，針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的慣性思維及如何尋找理想解問(wèn)題，本文基于TRIZ理論提出了一種產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用該方法完成了乘用車前閱讀燈沖切及冷鉚接設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法可給設(shè)計(jì)者提供新的設(shè)計(jì)思路參考，以系統(tǒng)全面地解決產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1 TRIZ核心問(wèn)題求解方法

1.1 TRIZ理論簡(jiǎn)介

TRIZ理論由9大經(jīng)典理論體系構(gòu)成，包括：理想解、40個(gè)發(fā)明原理、39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)和矛盾矩陣、物理矛盾及4大分離原理、物場(chǎng)模型、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明問(wèn)題解決算法、八大進(jìn)化法則、科學(xué)效應(yīng)和現(xiàn)象知識(shí)庫(kù)等[7]。其中矛盾解決原理已在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 TRIZ矛盾解決方法

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)存在著各種矛盾。因此，TRIZ認(rèn)為產(chǎn)品創(chuàng)新的核心是解決設(shè)計(jì)中的矛盾。在問(wèn)題解決過(guò)程中，利用該設(shè)計(jì)方法把實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的矛盾轉(zhuǎn)化為TRIZ理論中的通用化參數(shù)。同時(shí)通過(guò)查找矛盾矩陣表[8]，得出對(duì)應(yīng)的發(fā)明解決原理，結(jié)合實(shí)際問(wèn)題，選擇符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)明原理，得出產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

以上根據(jù)TRIZ矛盾解決原理得到的解往往是離散的，其提供了問(wèn)題解決方案，解決了主要矛盾；但是其TRIZ理論解如何具體實(shí)施、如何克服產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的慣性思維及如何尋找理想解問(wèn)題等受限于設(shè)計(jì)者的學(xué)識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。因此期望結(jié)合產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)理想解。

2 產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，若疏忽其中一個(gè)子系統(tǒng)，可能對(duì)整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)造成缺陷或隱患。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、關(guān)聯(lián)與平衡。本文從系統(tǒng)學(xué)理論[9]角度出發(fā)，為了將復(fù)雜的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題簡(jiǎn)單化，基于TRIZ理論提出了一種產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型，如圖1所示。

其設(shè)計(jì)過(guò)程分8個(gè)步驟完成。第1步，先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行總體技術(shù)系統(tǒng)分析，定義產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能及技術(shù)要求。第2步，找出核心問(wèn)題，定義問(wèn)題矛盾并轉(zhuǎn)換為技術(shù)矛盾或物理矛盾描述。第3步，應(yīng)用技術(shù)矛盾索引表或分離原理查找對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理解。第4步，劃分技術(shù)子系統(tǒng)，根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)的功能要求引用模塊化設(shè)計(jì)方法[10-11]進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)模塊劃分。第5步，采用產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法從法律規(guī)范、科學(xué)效應(yīng)與學(xué)科知識(shí)、結(jié)構(gòu)、場(chǎng)與流、空間、外觀、時(shí)間、智能化、成本9個(gè)維度進(jìn)行分析與功能矩陣設(shè)計(jì)。根據(jù)圖1的設(shè)計(jì)模型建立九維設(shè)計(jì)矩陣的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）所示。第6步，融合使用產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、技術(shù)進(jìn)化路線、系統(tǒng)平衡法進(jìn)行設(shè)計(jì)理想度評(píng)價(jià)與優(yōu)選。第7步，設(shè)計(jì)方案定型。第8步，使用3D設(shè)計(jì)軟件建立產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型。

圖1 產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型

式中：P1～P8為創(chuàng)新設(shè)計(jì)的8個(gè)維度；實(shí)際工程應(yīng)用中，為了精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，可將其中一個(gè)維度進(jìn)行簡(jiǎn)化并與其他維度進(jìn)行融合，進(jìn)而演變?yōu)?個(gè)維度，例如結(jié)構(gòu)和空間可以融合為1個(gè)維度；K11～K88為設(shè)計(jì)屬性，行表示每個(gè)維度包括的設(shè)計(jì)屬性，列表示對(duì)應(yīng)P1～P8不同維度的設(shè)計(jì)屬性；δ1～δ8為權(quán)重系數(shù)，根據(jù)產(chǎn)品的功能特性設(shè)定。

通過(guò)式（1）行與列的組合與優(yōu)化，可得到系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。

3 應(yīng)用案例

一款乘用車前閱讀燈在裝配過(guò)程中需實(shí)現(xiàn)金屬件沖切、冷鉚接與PCB冷鉚接功能，現(xiàn)基于TRIZ理論的產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法尋找理想解。前閱讀燈殼體部件分解圖如圖2所示，其中殼體有兩個(gè)版本：高配版本，中間無(wú)筋位；低配版本，中間有筋位，如圖3所示。殼體材料為PP，適宜于冷鉚接。

圖2 殼體部件分解圖

圖3 殼體

3.1 基于TRIZ理論的產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)分析與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1.1 總體技術(shù)系統(tǒng)分析

3.1.1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的功能及技術(shù)要求

（1）沖切、冷鉚接系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能：金屬件沖切，沖切后連接筋向下彎曲60°±3°，如圖4所示，連接筋共8處；金屬件、PCB與殼體冷鉚接，鉚后尺寸：鉚柱直徑φ2.7(0/-0.2)mm，高度(0.7±0.15)mm，如圖5～6所示，鉚柱共15個(gè)；金屬件、PCB與殼體冷鉚接后無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象。

圖4 金屬件連接筋沖切

圖5 金屬件與殼體冷鉚接

圖6 PCB與殼體冷鉚接

（2）生產(chǎn)節(jié)拍：小于或等于25 s，或更短的時(shí)間。

（3）作業(yè)員配置：1人或無(wú)人。

（4）安全性：無(wú)安全隱患。

3.1.1.2 問(wèn)題分析

目前車燈制造廠商關(guān)于乘用車前閱讀燈金屬件沖切、冷鉚接與PCB冷鉚接的傳統(tǒng)工藝大多采用分離工序方式完成；其雖然可以控制產(chǎn)品質(zhì)量，但是設(shè)備分為2臺(tái)，占地面積大，且生產(chǎn)節(jié)拍長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低；人工勞動(dòng)強(qiáng)度大。

3.1.1.3 理想解

根據(jù)TRIZ理論設(shè)定的最終理想解（IFR）為：（1）在一個(gè)工位同時(shí)完成沖切、冷鉚接作業(yè)，使設(shè)備占地面積最小；（2）生產(chǎn)節(jié)拍更短；（3）具有通用性，可兼容高低配前閱讀燈生產(chǎn)；（4）作業(yè)員配置1人或無(wú)人。

3.1.2 定義核心問(wèn)題矛盾

根據(jù)現(xiàn)有沖切、冷鉚接設(shè)備的工藝現(xiàn)狀及理想解，列出希望改善的參數(shù)，并轉(zhuǎn)換為TRIZ理論技術(shù)矛盾中的39個(gè)通用工程參數(shù)，如表1所示。

表1 技術(shù)矛盾參數(shù)轉(zhuǎn)化

經(jīng)分析，上述參數(shù)的改善帶來(lái)的惡化參數(shù)有：可靠性（No.27）；裝置復(fù)雜性（No.36）。

3.1.3 解決核心問(wèn)題矛盾

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)改善的參數(shù)及惡化參數(shù)，建立矛盾矩陣，如表2所示。

表2 阿奇舒勒矛盾矩陣

查看阿奇舒勒矛盾矩陣中行列交叉處發(fā)明原理所對(duì)應(yīng)的序號(hào)。對(duì)以上多個(gè)發(fā)明原理進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)際，選出以下發(fā)明原理：（1）No.1分離原理；（2）No.10預(yù)先作用原理；（3）No.4非對(duì)稱原理；（4）No.15動(dòng)態(tài)原理。如何將以上原理應(yīng)用到具體設(shè)計(jì)中，擬結(jié)合產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)分析，以實(shí)現(xiàn)理想解。

3.1.4 功能結(jié)構(gòu)模塊劃分

該沖切冷鉚接設(shè)備包含以下模塊：（1）上、下料；（2）殼體組件定位模塊；（3）殼體組件夾緊模塊；（4）殼體組件水平傳送模塊；（5）沖壓驅(qū)動(dòng)模塊；（6）沖切冷鉚接模塊；（7）機(jī)架模塊；（8）控制模塊。

3.1.5 九維工程系統(tǒng)分析與功能矩陣設(shè)計(jì)

采用產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法對(duì)各功能結(jié)構(gòu)模塊從以下9個(gè)維度進(jìn)行系統(tǒng)分析，并根據(jù)重要程度確定其權(quán)重系數(shù)。

（1）法律·規(guī)范。根據(jù)IATF16949[12]質(zhì)量管理體系要求，需進(jìn)行防錯(cuò)設(shè)計(jì)，以預(yù)防錯(cuò)誤的發(fā)生。應(yīng)用No.4非對(duì)稱原理，利用仿形殼體的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位夾具設(shè)計(jì)可防止殼體裝配方向錯(cuò)誤。將沖針設(shè)計(jì)為只有1個(gè)方向裝配的結(jié)構(gòu)，可防止沖針裝配方向錯(cuò)誤而損壞產(chǎn)品。上模具設(shè)置1個(gè)防錯(cuò)柱與下模具的防錯(cuò)孔配合，可提前發(fā)現(xiàn)上、下模具裝配方向錯(cuò)誤。通過(guò)專利檢索，查詢?cè)撛O(shè)備目前的專利狀態(tài)，規(guī)避專利風(fēng)險(xiǎn)。其權(quán)重系數(shù)δ1=5。

（2）科學(xué)效應(yīng)·學(xué)科知識(shí)。如何保證制造精度，需應(yīng)用沖壓模具、液壓與氣動(dòng)、工程力學(xué)等學(xué)科知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。其權(quán)重系數(shù)δ2=20。

（3）結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵部件——沖切、冷鉚接模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了防止零件冷鉚接后松動(dòng)，工作時(shí)，需先將金屬件與PCB同時(shí)壓緊，再?zèng)_切、冷鉚接。由于金屬件、PCB、殼體有一定的尺寸公差與形位公差，為了使金屬件、PCB與殼體的壓緊互不受影響，可應(yīng)用No.1分離原理和No.15動(dòng)態(tài)原理將金屬件、PCB分別使用不同彈性壓緊裝置分開(kāi)壓緊。由于需兼容高低配前閱讀燈通用生產(chǎn)，可應(yīng)用No.1分離原理將殼體中部支撐件設(shè)計(jì)為可拆卸的結(jié)構(gòu)，通過(guò)快速更換支撐鑲件來(lái)適應(yīng)高低配前閱讀燈生產(chǎn)；避免更換整個(gè)工裝，以降低成本。可應(yīng)用No.10預(yù)先作用原理對(duì)金屬件先沖切再冷鉚接，以避免沖切力影響鉚接松緊度。可應(yīng)用有限元分析法，對(duì)增壓缸固定板進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，以設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)尺寸。

（4）場(chǎng)·流：機(jī)械場(chǎng)、液壓流。沖壓模具通過(guò)氣液增壓缸[13]在液壓段的推力作用下完成零部件沖切與冷鉚接。其權(quán)重系數(shù)δ3=10。

（5）空間。采用精簡(jiǎn)、合并、鉗套等方法進(jìn)行空間整合，將2個(gè)工步合并為1個(gè)工步，通過(guò)1套模具完成任務(wù)，以合理進(jìn)行空間布局設(shè)計(jì)，使設(shè)備空間最小化?？臻g維度與結(jié)構(gòu)維度融合，其權(quán)重系數(shù)δ4=25。

（6）外觀。應(yīng)用工業(yè)工程學(xué)科知識(shí)，綜合考慮形態(tài)、顏色、美學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、產(chǎn)品與藝術(shù)結(jié)合等因素使產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)符合人的審美觀。其權(quán)重系數(shù)δ5=5。

（7）時(shí)間。生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間更短、產(chǎn)品生命周期預(yù)測(cè)。其權(quán)重系數(shù)δ6=10。

（8）智能化。為了防止零件錯(cuò)裝、漏裝，可由傳感器識(shí)別殼體版本及檢測(cè)金屬件、PCB有無(wú)。由于沖針刃口鋒利，長(zhǎng)久使用時(shí)易變鈍，使沖切質(zhì)量受到影響，因此考慮采用PLC[14]進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)沖針達(dá)到設(shè)定的使用壽命后，設(shè)備即報(bào)警，提示運(yùn)維人員提前進(jìn)行檢查維護(hù)，以防止生產(chǎn)不正常停機(jī)并規(guī)避產(chǎn)品質(zhì)量陷患。其權(quán)重系數(shù)δ7=15。

（9）成本。應(yīng)用價(jià)值工程設(shè)計(jì)方法以最低的成本實(shí)現(xiàn)有效的功能。進(jìn)行產(chǎn)品生命周期成本預(yù)測(cè)。其權(quán)重系數(shù)δ8=10。

通過(guò)以上九維工程系統(tǒng)分析，從多方位進(jìn)行功能矩陣設(shè)計(jì)，結(jié)合九維設(shè)計(jì)矩陣的數(shù)學(xué)表達(dá)式（1）與工程實(shí)際可行性，列出功能矩陣如表3所示。通過(guò)這些功能矩陣可以組合為多個(gè)方案。

表3 功能矩陣

3.1.6 設(shè)計(jì)理想度評(píng)價(jià)與優(yōu)選

（1）上下料：殼體、PCB可由三軸機(jī)械手或六軸機(jī)器人上料。但是，由于金屬件形狀不規(guī)則，不易采用振動(dòng)盤供料；同時(shí)，若使用三軸機(jī)械手或六軸機(jī)器人取金屬件時(shí)，沒(méi)有合適的夾取位置，易造成自動(dòng)上料功能失效。因此優(yōu)選人工上下料方式。

（2）殼體組件定位：方案1，采用整體定位方式，則高低配不易兼容，且制造成本高；方案2，采用組合定位方式，將殼體中部支撐件與殼體定位件分離，通過(guò)更換支撐鑲件的方式實(shí)現(xiàn)高低配產(chǎn)品生產(chǎn)切換。因此優(yōu)選方案2。

（3）殼體組件夾緊：方案1，采用快速夾具夾緊殼體組件，其節(jié)拍時(shí)間為2 s，效率較低；方案2，采用電動(dòng)夾緊方式，其可滿足夾緊功能要求，但是成本高；方案3，采用氣缸夾緊，其節(jié)拍時(shí)間為0.5 s，效率高，成本低。因此優(yōu)選方案3。

（4）殼體組件水平傳送：方案1，采用人工推入直線傳送裝置，氣缸推出直線傳送裝置；該動(dòng)作節(jié)拍為2 s，且人工勞動(dòng)強(qiáng)度大；方案2，采用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)直線傳送裝置，該動(dòng)作節(jié)拍為2 s，但是成本較高；方案3，采用氣缸驅(qū)動(dòng)直線傳送裝置，該動(dòng)作節(jié)拍為1.5 s，效率高，成本低。因此優(yōu)選方案3。

（5）沖壓驅(qū)動(dòng)：方案1，采用氣缸驅(qū)動(dòng)，計(jì)算缸徑為φ300 mm，其體積較大；方案2，采用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，其可實(shí)現(xiàn)多個(gè)位置與速度控制，但是成本高；方案3，采用氣液增壓缸驅(qū)動(dòng)，其體積尺寸較小，第一段行程由氣缸壓緊殼體組件，第二段行程由液壓缸輸出增壓力，用于殼體組件沖切與冷鉚接，可滿足功能要求，成本低。因此優(yōu)選方案3。

（6）沖切冷鉚接方式：方案1，使用空間與時(shí)間分離原理，采用2個(gè)工步，先在工步一區(qū)域完成金屬件沖切作業(yè)，再將殼體組件水平傳送至工步二區(qū)域完成金屬件與PCB冷鉚接作業(yè)，其動(dòng)作節(jié)拍為7.5 s，模具成本3萬(wàn)元，占地面積較大，且金屬件在沖切后位置易發(fā)生變化，對(duì)鉚接精度產(chǎn)生不利影響；方案2，采用No.1分離原理將上模的金屬件壓緊模塊與PCB壓緊模塊分離，采用1個(gè)工步完成金屬件沖切、金屬件與PCB的同時(shí)冷鉚接，其動(dòng)作節(jié)拍為3 s，模具成本2.2萬(wàn)元。方案2動(dòng)作節(jié)拍短，占地面積小，成本較低。因此優(yōu)選方案2。

（7）機(jī)架：方案1上、下機(jī)架均采用鋁型材結(jié)構(gòu)，由于沖壓力較大，當(dāng)下機(jī)架為鋁型材結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的位移，使設(shè)備可靠性變差；方案2上機(jī)架采用鋁型材結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及外觀符合要求，下機(jī)架采用Q235方管焊接結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以抵抗沖壓產(chǎn)生的位移。因此優(yōu)選方案2。

（8）控制方式：方案1，采用單片機(jī)[15]+觸摸屏控制；單片機(jī)雖然成本低，但程序調(diào)試不方便，缺乏通用性；方案2，采用PLC+觸摸屏控制，其編程簡(jiǎn)易，可進(jìn)行多個(gè)產(chǎn)品的編程控制，通用性強(qiáng)，可靠性高，現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)。因此優(yōu)選方案2。

3.1.7 設(shè)計(jì)方案定型

通過(guò)對(duì)以上功能設(shè)計(jì)的優(yōu)劣分析與系統(tǒng)整合，擬定以下設(shè)計(jì)方案：設(shè)計(jì)1臺(tái)沖切冷鉚接設(shè)備，配置1名作業(yè)員，由人工上下料；由PLC控制機(jī)器完成殼體組件沖切及冷鉚接工作。其操作流程為：人工將殼體組件放入定位工裝→人工雙手觸摸按鈕→氣缸夾緊→下模及殼體組件自動(dòng)傳送至沖切冷鉚接區(qū)域→氣液增壓缸驅(qū)動(dòng)上模下壓，上模先分別壓緊金屬件及PCB，再?zèng)_切金屬件、冷鉚接殼體→上模上升→氣動(dòng)直線傳送裝置自動(dòng)推出→人工取出產(chǎn)品目視檢查合格后傳遞至下工序。

3.2 產(chǎn)品3D建模

3.2.1 總體設(shè)計(jì)

乘用車前閱讀燈零部件沖切冷鉚接設(shè)備總成如圖7所示。其機(jī)架包括下機(jī)架與保護(hù)罩。下機(jī)架包括電氣控制系統(tǒng)。

圖7 沖切冷鉚接設(shè)備總成

3.2.2 核心部件設(shè)計(jì)

（1）沖切冷鉚接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

沖切冷鉚接機(jī)構(gòu)主要給沖切與冷鉚接作業(yè)提供驅(qū)動(dòng)力。沖切冷鉚接機(jī)構(gòu)如圖8所示。

（2）沖切冷鉚接模具設(shè)計(jì)

沖切冷鉚接下模固定在氣動(dòng)直線傳送裝置上，主要對(duì)殼體組件進(jìn)行定位、檢測(cè)零件有無(wú)及夾緊。沖切冷鉚接下模如圖9所示。

圖9 沖切冷鉚接下模

由光纖傳感器檢測(cè)殼體組件有無(wú)。其中1個(gè)激光傳感器檢測(cè)殼體版本，另外3個(gè)激光傳感器分別檢測(cè)金屬件及PCB有無(wú)。支撐鑲件可快速拆卸，由接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)高、低配版本支撐鑲件型號(hào)，以防止支撐鑲件使用錯(cuò)誤造成質(zhì)量缺陷。2個(gè)接近開(kāi)關(guān)安裝在定位夾具內(nèi)側(cè)。

沖切冷鉚接上模連接在垂直移動(dòng)組件上，主要與下模合模定位，先壓緊金屬件與PCB，再完成金屬件的沖切、冷鉚接與PCB冷鉚接的同時(shí)作業(yè)。沖切冷鉚接上模如圖10所示。壓緊裝置包括金屬件壓緊裝置與PCB壓緊裝置，2個(gè)PCB壓緊裝置鑲鉗在金屬件壓緊裝置內(nèi)，可分別獨(dú)立上下滑動(dòng)。PCB壓緊裝置包括PCB壓板、導(dǎo)柱、等高螺釘、彈簧組件。由氣液增壓缸通過(guò)彈簧提供金屬件與PCB的預(yù)壓緊力。沖、鉚針裝配結(jié)構(gòu)如圖10（b）所示，其貫穿于壓緊裝置，由沖針對(duì)金屬件連接筋進(jìn)行沖切，使連接筋向下成形60°。由鉚針對(duì)金屬件、PCB與殼體進(jìn)行冷鉚接。

圖10 沖切冷鉚接上模

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)制造了1臺(tái)沖切冷鉚接設(shè)備，完成了汽車前閱讀燈的金屬件沖切、冷鉚接與PCB冷鉚接的同時(shí)作業(yè)。經(jīng)測(cè)量，其生產(chǎn)節(jié)拍為23 s；連接筋沖切角度為59°～60°、鉚柱冷鉚接后直徑為φ2.6～2.7 mm，高度為0.7～0.8 mm；沖切冷鉚接合格。

結(jié)果表明：（1）通過(guò)相互分離的柔性模塊可實(shí)現(xiàn)多個(gè)零部件的沖切及冷鉚接壓緊，以消除各零部件尺寸公差及形位公差的變化對(duì)鉚接松緊度的影響，將金屬件先沖切，再將金屬件、PCB與殼體同時(shí)冷鉚接，可減少設(shè)備數(shù)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；（2）采用不對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可防止設(shè)備裝配及維護(hù)過(guò)程中裝配方向錯(cuò)誤的發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵在于創(chuàng)新，需綜合考慮各種因素，以尋找理想解。如何得到更優(yōu)的解決方案，本文提出了一種基于TRIZ理論的產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)制造了1臺(tái)乘用車前閱讀燈零部件沖切冷鉚接設(shè)備，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。通過(guò)以上設(shè)計(jì)分析與實(shí)驗(yàn)，對(duì)其設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下。

（1）設(shè)計(jì)時(shí)先應(yīng)用TRIZ理論求解核心問(wèn)題矛盾，再?gòu)姆梢?guī)范、科學(xué)效應(yīng)與學(xué)科知識(shí)、結(jié)構(gòu)、場(chǎng)與流、空間、外觀、時(shí)間、智能化、成本9個(gè)維度進(jìn)行總體系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，并建立九維設(shè)計(jì)矩陣的數(shù)學(xué)表達(dá)式，最后應(yīng)用功能矩陣表通過(guò)對(duì)比分析得到理想解。該設(shè)計(jì)方法具有系統(tǒng)性、完整性的特點(diǎn)。

（2）基于TRIZ理論的產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法可使產(chǎn)品各個(gè)技術(shù)子系統(tǒng)達(dá)到協(xié)調(diào)與平衡，以實(shí)現(xiàn)總體技術(shù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）基于TRIZ理論的產(chǎn)品九維工程系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法可減少設(shè)計(jì)失效的發(fā)生，可提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率、降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。