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【摘 要】工位器具是指在产品的制造过程中，用于对成品、半成品及毛坯进行集合式装载、转运、存放的一种工具，也是在加工、装配、包装零部件时使用的操作平台。在某项目中，顶盖工位器具因受到工作环境的特殊要求及零件的特殊性的影响，经过8次方案设计修改及10次实物改造，最终设计出满足车身车间、冲压生产及冲压物流三方要求的工位器具。文章总结该项目的经验，望能抛砖引玉，有助于以后项目中工位器具的设计。
【关键词】自动化上料；单件隔离；人机工程改善
【中图分类号】U468 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）07-0088-03
1 工位器具的设计原则
工位器具的设计没有现成的标准参照，只能依据工艺装备的一般设计原则并结合实际情况进行。工位器具设计的一般原则[1]如下：①工位器具的结构应首先考虑零件的大小、重量、形状和表面质量要求，使存放的零件不变形和相互碰撞。②工位器具要便于零件的取放，使操作者取放零件省时、省力。③结构紧凑，占地面积小。④储存零件用的工位器具应考虑多层存放。⑤工位器具的结构便于存放物品的计数，使工作人员一眼便能看出所装零件的数量。⑥焊缝必须牢固可靠，整体结构力学性能满足要求。⑦工位器具通用型的技术要求见《某项目工位器具SOR》[2]。
2 某车型顶盖工位设计过程
2.1 第一次图纸设计（如图1所示）
问题：只满足设计的一般原则，没有结合实际情况。不满足车身车间使用要求。现项目车身车间顶盖焊接引进了自动化设备，设计图纸借鉴以往项目设计的工位器具不能满足设备自动化抓取需求。
经验总结：没有结合实际情况，对客户需求进行充分收集，仅仅是按照以前经验进行设计，导致进行实物验证时才发现不满足客户使用要求，造成资源浪费，并影响项目的进度。
客户需求分析：因现车型顶盖后部形狀特殊，有一个5 cm的向内凹的凸台，如不能实现单件隔离，自动化设备将无法实现抓取功能。图1中的零件装筐方案是5件一摞，自动化抓取时，因零件后部凸台环环相扣、相互干涉，所以无法抓取成功。通过现场实际考察，并和车身设备人员、一线员工、侧围项目负责人员一起头脑风暴，总结出车身车间对现车型顶盖的3个方面要求：零件单件隔离；零件在工位器具中存放的高度为0.44～1.35 m；零件抬起时隔离键自动升起。
2.2 第二次图纸设计（如图2所示）
问题：和工位器具供应商设计人员没有充分沟通，设计人员仅仅考虑了车身车间的使用要求，忽略了冲压车间生产使用的要求。顶盖工位器具高度为1 150 mm，生产现场使用的零件传输皮带机高度为880 mm，员工装筐时人机工程严重。并且单个工位器具容量仅为13件，对冲压物流配送系统也是一个挑战。
经验总结：设计人员没有现场经验，需要项目负责人主动和其充分沟通，将现场各方面需求的一手资料反馈给供应商设计人员。
内部客户需求分析：按照设计方案2，假设现车型顶盖的节拍是7.5 SPM（以往车型经验参考），那么1.7 min就配送一筐，按照现在的工艺布局，生产顶盖时物流配送一个轮回最少需3 min，D线线尾使用皮带机传送方式，线尾可摆4筐，基本能满足叉车入库要求。车身车间节拍按照40 JPH，那么1 h需要配送4筐，其中1筐做物料缓存，需要增加1名叉车工负责现车型顶盖冲压件的配送。综合分析结果，工位器具容量不少于13件/筐，高度不得高于1 000 mm，装筐时隔离件不用人工搬下[3]。
2.3 客户需求分析小结，明确设计方向
经过2次图纸设计及2次实物验证，对客户就现车型顶盖工位器具的要求进行小结。
外部客户（车身车间）：零件单件隔离；零件在工位器具中存放的高度为0.44～1.35 m；零件抬起时隔离键自动升起；工位器具前端高度不得超过900 mm；现车型顶盖转运Dolly小车的4个轮子是万向轮。
内部客户（冲压车间）：工位器具高度不得超过1 000 mm；工位器具容量不少于13件/筐；装筐时隔离件不用人工搬下；工位器具结构强度满足4层堆垛；现车型顶盖转运Dolly小车后部2个轮子是定向轮。
通过上述总结，明确后续设计需要解决的问题：①内外部客户第三条要求的矛盾点；②内外部客户第五条要求的矛盾点；③内外部客户第一条、第二条要求的矛盾点。
2.4 针对问题进行设计方案的论证
2.4.1 解决问题①
针对问题①，尝试创新的隔离方式，设计方向定为用联动的隔离方式。第一次尝试使用如图3中的联动板方式，结果现场使用时发现，这种联动方式对制作工装及误差要求比较高，很容易因为制作误差造成联动板不联动的现象，而且容易出现2块联动板相互卡滞的现象，对生产不实用。
经和冲压D线员工、班组长、工段长沟通，以及现场验证及头脑风暴，确定最终方案为在图3方案的基础上进行改进，将图3中标识的部分换用与隔离键一体的配重块，明确联动板间距为60 mm（见表1）。间距过紧，零件后部凸台会相互挤压变形。
经实物验证，最终方案满足三方客户需求，问题{1}解决。
2.4.2 解决问题②
问题②参考KD业务中Dolly小车的设计方式，直接确定设计方案。后部2个轮子采用定向万向可以转换的轮子。经实物验证，满足内外部客户需求，并且很大程度地改善了车身车间转移整筐顶盖物料时的人机工程。
2.4.3 解决问题③
问题③主要解决的是工位器具高度与装筐数量的矛盾。工位器具高度包括叉车用通道高度、零件存放高度（即支撑柱高度）、堆垛预留高度（至少比零件高度高），工位器具高度见表2。
（1）叉车用通道高度是取以往的经验，已是能做到的最低值，已无改进空间。 （2）支撑柱高度是依据单件隔离联动板计算出来的，能降低的可能性就是最下层隔离联动板降低。通过现场实物论证，能向下降低10 mm。
（3）解决问题的突破集中在堆垛预留高度上，如何能把此段距离降低，那么工位器具的高度将变成170 mm+770 mm=940 mm，满足内外部客户要求。对此问题，发动冲压车间全体员工进行改进，最终筛选出2个可行性方案。
方案一：将堆垛用机构改为从中间进行折叠。经过实物验证：能满足客户的基本要求，但这种机构使用时过于烦琐，制约生产效率的提升，同时烦琐的机构使用起来容易出现故障，需要经常预防性维修。结论：此种方案不实用，不考虑。
方案二：推翻冲压件常用工位器具的外形，堆垛机构直接用可折叠的4根立柱，导向机构仍保留（如图4所示）。这是一个突破性的方案。
经实物验证：此种改革方案，不仅结构简单，而且结构稳定性高，适合长时间高频次使用。同时，员工操作简单、快捷，只需轻轻将立柱放到位置即可。在此基础上，将导向柱改为框状机构，装筐时，员工就不用将零件抬起，而是直接从皮带机上拉到筐中即可（如图5所示）。在导向柱旁增加限位柱，员工只需将堆垛立柱放到限位柱位置即可满足生产要求，员工不用弯腰，改善了人机工程（标识区域是人机工程改善点）。
3 某车型顶盖工位器具设计经验总结
本文主要介绍了某车型因后工序使用的工艺环境改变后带来的一系列设计问题，并通过全员头脑风暴创新实现了具有推广意义的工位器具的联动机构、可折叠堆垛立柱结构及人机工程改进的限位结构。通过工位器具方案设计的经验积累，尤其是该项目顶盖工位器具的创新设计，总结以下几点和大家分享：{1}一切脱离客户需求的设计都是失败的；{2}要善于利用团队的智慧，一个积极性被激發的团队，会有无穷的创新力，此车型顶盖工位器具的问题解决中，收到来自一线员工的意见和建议近百条；{3}开放思维，当大家都在一个方向寻找出口时，有人却把目光放到了别的区域进行借鉴。此车型顶盖工位器具的创新灵感就来自发动机的存放料架。此次设计创新后，在上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司内各基地得到广泛的推广应用。
参 考 文 献
[1]焦金瑞.议汽车零部件的包装系统设计[J].企业科技与发展，2012（6）.
[2]朱峰，李建江.工位器具的作用与设计[J].金属加工：冷加工，2009（13）.
[3]曾敏刚，朱佳.汽车零部件运输包装尺寸标准化研究[J].工业工程与管理，2013（2）.
[责任编辑：钟声贤]
【关键词】自动化上料；单件隔离；人机工程改善
【中图分类号】U468 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）07-0088-03
1 工位器具的设计原则
工位器具的设计没有现成的标准参照，只能依据工艺装备的一般设计原则并结合实际情况进行。工位器具设计的一般原则[1]如下：①工位器具的结构应首先考虑零件的大小、重量、形状和表面质量要求，使存放的零件不变形和相互碰撞。②工位器具要便于零件的取放，使操作者取放零件省时、省力。③结构紧凑，占地面积小。④储存零件用的工位器具应考虑多层存放。⑤工位器具的结构便于存放物品的计数，使工作人员一眼便能看出所装零件的数量。⑥焊缝必须牢固可靠，整体结构力学性能满足要求。⑦工位器具通用型的技术要求见《某项目工位器具SOR》[2]。
2 某车型顶盖工位设计过程
2.1 第一次图纸设计（如图1所示）
问题：只满足设计的一般原则，没有结合实际情况。不满足车身车间使用要求。现项目车身车间顶盖焊接引进了自动化设备，设计图纸借鉴以往项目设计的工位器具不能满足设备自动化抓取需求。
经验总结：没有结合实际情况，对客户需求进行充分收集，仅仅是按照以前经验进行设计，导致进行实物验证时才发现不满足客户使用要求，造成资源浪费，并影响项目的进度。
客户需求分析：因现车型顶盖后部形狀特殊，有一个5 cm的向内凹的凸台，如不能实现单件隔离，自动化设备将无法实现抓取功能。图1中的零件装筐方案是5件一摞，自动化抓取时，因零件后部凸台环环相扣、相互干涉，所以无法抓取成功。通过现场实际考察，并和车身设备人员、一线员工、侧围项目负责人员一起头脑风暴，总结出车身车间对现车型顶盖的3个方面要求：零件单件隔离；零件在工位器具中存放的高度为0.44～1.35 m；零件抬起时隔离键自动升起。
2.2 第二次图纸设计（如图2所示）
问题：和工位器具供应商设计人员没有充分沟通，设计人员仅仅考虑了车身车间的使用要求，忽略了冲压车间生产使用的要求。顶盖工位器具高度为1 150 mm，生产现场使用的零件传输皮带机高度为880 mm，员工装筐时人机工程严重。并且单个工位器具容量仅为13件，对冲压物流配送系统也是一个挑战。
经验总结：设计人员没有现场经验，需要项目负责人主动和其充分沟通，将现场各方面需求的一手资料反馈给供应商设计人员。
内部客户需求分析：按照设计方案2，假设现车型顶盖的节拍是7.5 SPM（以往车型经验参考），那么1.7 min就配送一筐，按照现在的工艺布局，生产顶盖时物流配送一个轮回最少需3 min，D线线尾使用皮带机传送方式，线尾可摆4筐，基本能满足叉车入库要求。车身车间节拍按照40 JPH，那么1 h需要配送4筐，其中1筐做物料缓存，需要增加1名叉车工负责现车型顶盖冲压件的配送。综合分析结果，工位器具容量不少于13件/筐，高度不得高于1 000 mm，装筐时隔离件不用人工搬下[3]。
2.3 客户需求分析小结，明确设计方向
经过2次图纸设计及2次实物验证，对客户就现车型顶盖工位器具的要求进行小结。
外部客户（车身车间）：零件单件隔离；零件在工位器具中存放的高度为0.44～1.35 m；零件抬起时隔离键自动升起；工位器具前端高度不得超过900 mm；现车型顶盖转运Dolly小车的4个轮子是万向轮。
内部客户（冲压车间）：工位器具高度不得超过1 000 mm；工位器具容量不少于13件/筐；装筐时隔离件不用人工搬下；工位器具结构强度满足4层堆垛；现车型顶盖转运Dolly小车后部2个轮子是定向轮。
通过上述总结，明确后续设计需要解决的问题：①内外部客户第三条要求的矛盾点；②内外部客户第五条要求的矛盾点；③内外部客户第一条、第二条要求的矛盾点。
2.4 针对问题进行设计方案的论证
2.4.1 解决问题①
针对问题①，尝试创新的隔离方式，设计方向定为用联动的隔离方式。第一次尝试使用如图3中的联动板方式，结果现场使用时发现，这种联动方式对制作工装及误差要求比较高，很容易因为制作误差造成联动板不联动的现象，而且容易出现2块联动板相互卡滞的现象，对生产不实用。
经和冲压D线员工、班组长、工段长沟通，以及现场验证及头脑风暴，确定最终方案为在图3方案的基础上进行改进，将图3中标识的部分换用与隔离键一体的配重块，明确联动板间距为60 mm（见表1）。间距过紧，零件后部凸台会相互挤压变形。
经实物验证，最终方案满足三方客户需求，问题{1}解决。
2.4.2 解决问题②
问题②参考KD业务中Dolly小车的设计方式，直接确定设计方案。后部2个轮子采用定向万向可以转换的轮子。经实物验证，满足内外部客户需求，并且很大程度地改善了车身车间转移整筐顶盖物料时的人机工程。
2.4.3 解决问题③
问题③主要解决的是工位器具高度与装筐数量的矛盾。工位器具高度包括叉车用通道高度、零件存放高度（即支撑柱高度）、堆垛预留高度（至少比零件高度高），工位器具高度见表2。
（1）叉车用通道高度是取以往的经验，已是能做到的最低值，已无改进空间。 （2）支撑柱高度是依据单件隔离联动板计算出来的，能降低的可能性就是最下层隔离联动板降低。通过现场实物论证，能向下降低10 mm。
（3）解决问题的突破集中在堆垛预留高度上，如何能把此段距离降低，那么工位器具的高度将变成170 mm+770 mm=940 mm，满足内外部客户要求。对此问题，发动冲压车间全体员工进行改进，最终筛选出2个可行性方案。
方案一：将堆垛用机构改为从中间进行折叠。经过实物验证：能满足客户的基本要求，但这种机构使用时过于烦琐，制约生产效率的提升，同时烦琐的机构使用起来容易出现故障，需要经常预防性维修。结论：此种方案不实用，不考虑。
方案二：推翻冲压件常用工位器具的外形，堆垛机构直接用可折叠的4根立柱，导向机构仍保留（如图4所示）。这是一个突破性的方案。
经实物验证：此种改革方案，不仅结构简单，而且结构稳定性高，适合长时间高频次使用。同时，员工操作简单、快捷，只需轻轻将立柱放到位置即可。在此基础上，将导向柱改为框状机构，装筐时，员工就不用将零件抬起，而是直接从皮带机上拉到筐中即可（如图5所示）。在导向柱旁增加限位柱，员工只需将堆垛立柱放到限位柱位置即可满足生产要求，员工不用弯腰，改善了人机工程（标识区域是人机工程改善点）。
3 某车型顶盖工位器具设计经验总结
本文主要介绍了某车型因后工序使用的工艺环境改变后带来的一系列设计问题，并通过全员头脑风暴创新实现了具有推广意义的工位器具的联动机构、可折叠堆垛立柱结构及人机工程改进的限位结构。通过工位器具方案设计的经验积累，尤其是该项目顶盖工位器具的创新设计，总结以下几点和大家分享：{1}一切脱离客户需求的设计都是失败的；{2}要善于利用团队的智慧，一个积极性被激發的团队，会有无穷的创新力，此车型顶盖工位器具的问题解决中，收到来自一线员工的意见和建议近百条；{3}开放思维，当大家都在一个方向寻找出口时，有人却把目光放到了别的区域进行借鉴。此车型顶盖工位器具的创新灵感就来自发动机的存放料架。此次设计创新后，在上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司内各基地得到广泛的推广应用。
参 考 文 献
[1]焦金瑞.议汽车零部件的包装系统设计[J].企业科技与发展，2012（6）.
[2]朱峰，李建江.工位器具的作用与设计[J].金属加工：冷加工，2009（13）.
[3]曾敏刚，朱佳.汽车零部件运输包装尺寸标准化研究[J].工业工程与管理，2013（2）.
[责任编辑：钟声贤]