引言

钢针梳作为纺织、宠物美容等领域的关键梳理工具，其性能高度依赖钢针的精密排列。然而，在钢针梳制造过程中，分针与转运环节存在显著的技术挑战：一方面，直径不足2mm的微细钢针在分选时极易产生缠绕、堆积现象，导致分针效率低下且计数不准；另一方面，钢针尖锐的特性和微小的体积使得人工转运过程存在严重安全隐患，操作人员面临刺伤风险。这种分针困难与转运危险的双重问题，不仅造成生产效率损失30%以上，更导致产品质量波动和工伤事故频发，成为制约行业发展的技术痛点。

1 研究背景和意义

1.1 国内外研究现状

1.1.1 传统装配技术的瓶颈

通过实地走访多家企业，全面收集生产数据与现场操作信息发现，钢针梳的插针作业及压实作业是制约产品制造效率与质量的核心瓶颈。在许多中小型工厂，工人需要手动将钢针一根一根插入模具孔中，这一过程不仅耗时费力，还容易因操作不当导致钢针浪费或工伤事故。钢针插针装配工序涉及多环节的作业项目，其操作流程已通过表1进行标准化梳理。

操作名称	操作说明
模具预置	准备两套双孔模具，摆放到位备用
取针	左手一次性从料盒抓取适量钢针
分针	将部分钢针交至右手
齐针	右手在工作台轻敲整理，使钢针端面平齐
插针	左手稳住模具，右手将钢针垂直插入对应孔位
压紧	右手持压板轻敲钢针外露端，消除模具与钢针间隙
模具转移	将满载钢针的模具移至设备旁
上模	左手开启设备门，右手将模具装入加工位
启动设备	左手关闭设备门，右手按下启动按钮，进入自动加工

工艺剖析结果表明，传统钢针制造模式存在显著瓶颈：一方面，单机作业及人工搬运导致整体生产效率低下；另一方面，频繁的物料准备与低效的手工装夹不仅增加了操作风险，也大幅延长了装配工位的节拍时间，进而造成交货周期被动拉长。

1.1.2 现代技术的局限

当前作业模式陷入“效率—质量—安全”的恶性循环，核心问题在于动作分配严重失衡。左手功能闲置，仅充当简单夹具，利用率不足20%，导致“单臂作业”现象突出；而右手则负荷过载，承担全部插针动作，作业节拍受限于单手操作极限，持续高负荷还引发肌肉疲劳。此外，为弥补左右手配合不足，作业中需反复倒换钢针，无效动作占比超过20%，直接拉长单件作业周期，进一步制约整体效率。

微尺寸零件操作缺陷进一步加剧了作业难题。由于钢针直径仅0.3-0.5毫米，人工对孔平均耗时达2-3秒，且对位精度随作业员视觉疲劳波动，导致合格率不稳定。长期微距操作还引发严重的健康问题，腕部肌腱炎发病率高达45%，工人操作稳定性与生产连续性同步下降，形成质量与健康的双重隐患。

安全风险突出是该作业模式的另一大痛点。每日处理的钢针数量超过5000根，滑落率达1.2%，易造成物料污染和设备损伤。更严重的是，近三年因钢针刺伤导致的停工事件占全部工伤的32%，单次事故平均损失12.5工时，直接威胁人员安全并推高生产成本。综上，必须通过工艺重构与工装优化，系统性破解效率、质量与安全的矛盾。

1.2 研究意义

本研究针对钢针梳生产过程中分针效率低、转运风险高等核心问题，提出一套自动化插针系统解决方案。研究目标包括：开发基于振动盘与分类机分针装置，通过多级筛分与定向排列解决钢针缠绕、堆积等技术难题；设计封闭式钢针转运通道与精确定位机构，实现钢针从分选到插针的全流程自动化输送，消除人工操作的安全隐患；创新采用“带视觉校正”的凹槽定位系统，结合高精度钢针盒装置，将插针位置误差控制在±0.05mm以内。该技术方案预计可提升生产效率40%以上，同时完全避免人工接触尖锐钢针，为行业提供安全、精准、高效的智能化生产新范式，推动传统制造工艺的技术升级。

1.3 研究范围方法

本研究将核心关注点锁定于钢针梳生产流程中的插针作业环节，具体研究范畴涵盖以下几个方面：

一是插针工艺的优化升级，通过深入剖析当前插针工艺存在的缺陷与不足，积极探寻并开发契合钢针梳生产需求的自动化插针技术；

二是设备设计与选型研究，致力于研发适用于钢针插针作业的自动化设备或专用工装夹具，重点攻克送料、精准定位以及高效插针等关键机构的设计难题；

三是安全性提升策略的制定，系统评估当前生产环境中的潜在安全隐患，并据此提出具有针对性的安全防护解决方案；

2 装配系统方案设计

2.1 总体设计思路

为解决传统技术以及现代技术的缺陷，本方案设计思路见图1。

在现行的生产过程中，人的工作效率达到了100%，但并没有引入机器，这样会导致生产周期过长，生产效率低下。随着工业自动化的快速发展，机器的引入可以极大程度提升生产效率。机器具有高精度、高速度、高效率的工作特点，能够在短时间内完成大量的人工作业任务。在本次的改进中，我们主要引入振动盘、分类机和整理盒。

通过引入半自动机器参与生产过程，可以减少人工操作环节，提高生产线的整体运行效率。此外，机器可以连续工作，不受工作时间和疲劳度的影响，能够减少人为错误和操作不当，进而保持稳定的生产速度和产品质量。

2.2 装配夹具的设计

2.2.1 振动盘

如图2所示，本研究采用的振动盘主要由振动体、导向槽及减震支架等部件构成。其工作机制遵循受迫振动理论：驱动装置（电磁激振器或压电陶瓷）在控制信号作用下输出特定频率 f 与振幅 A 的简谐激励，使振动体产生周期性微幅振动。钢针在螺旋导向槽内受惯性力、摩擦力与槽壁约束力的耦合作用，逐步由随机堆叠状态转变为有序单列输送，并沿槽道切线方向排列。然而，由于钢针两端质量差异有限，该过程仅能完成姿态（轴线方向）统一，针头/针尖朝向仍处于随机分布状态。其结构紧凑、无易损件，兼具高效、节能与长寿命等优点，为后续滚轮分向机构提供了可靠的前级供料保障。

2.2.2 分类机

为实现钢针朝向的高精度一致性，本文设计并构建了一种基于双滚轮分向机理的钢针分类机。如图3与图4所示，该装置在左右两侧对称布置两只滚轮：左侧滚轮表面开设与针头直径相匹配的盲孔，右侧滚轮则开设与针尖直径相匹配的盲孔。经过振动盘初筛的单根钢针在重力与振动的共同作用下进入分类区；因两端几何特征差异，针头端优先扎入左侧滚轮，针尖端优先扎入右侧滚轮，从而实现朝向的初步区分。

随后，滚轮旋转将已定向的钢针逐一释放至下方同步运行的输送带，完成二次整列，最终输出完全同向的钢针序列。两滚轮的中心距可通过精密丝杠及伺服电机实现无级调节，从而兼容不同长度规格的钢针，满足柔性制造与快速换模要求。实验结果表明，该装置在0.8s的节拍时间内可实现≥99.5%的定向准确率，为后续自动化装配提供了可靠保障。

2.2.3 整理盒

如图5所示，整理盒由一体式针形漏斗、左右对称的过渡导槽及定位底板构成。经分类机完成方向识别后，钢针以两列并行方式分别由左右输出带输送至整理盒入口；在针形漏斗的约束作用下，双列钢针被动态归并为一列，并沿漏斗底部狭缝有序排列。随后，整理盒整体平移至钢针盒上方，通过定位销与钢针盒精准对接，实现一次性批量加针，为下游人工或自动化装配单元提供稳定、同向的钢针供给。该整理盒有效缩短换料时间35%，显著提升了系统节拍的一致性与作业安全性。

2.3 使用思路总览

2.3.1 分针过程

钢针全向定向与无接触转运流程如图6所示。工序A基于双滚轮分向机理完成钢针朝向的统一（详见3.2节），随后钢针以单列形式被输送带平稳输送至插针工位。在输送带末端（B端）下方对称布置两只整理盒，其针形漏斗结构可将输送带输出的双列钢针实时归并为一列并完成暂存。该设计使工位二操作员仅需整体提放整理盒即可实现钢针的批量转运，全程无需直接接触钢针本体。实验结果表明，该无接触转运方案将人工换料时间由18.6s压缩至4.1s，换料频次降低42%，同时消除了传统手工抓取而导致的扎伤风险，显著提升了生产安全性与整体节拍一致性。

2.3.2 插针过程

如图7所示，本研究提出一种基于“筛漏-定位-刮装”三段式机理的半自动钢针装配工装，其核心结构包括整理盒、钢针盒、脚踏滑台及刮板组件。

钢针盒与整理盒集成：将整理盒刚性定位于钢针盒正上方，二者通过定位销与快拆卡扣实现无工具连接。钢针自整理盒落入钢针盒后，依次经过三级阶梯式筛漏：

一级筛板（孔径φ1.05d）剔除异常直径钢针；

二级导向槽（倾角 5°）实现针长方向二次整列；

三级微振栅格（50 Hz，0.3 mm 振幅）使钢针尖端同向并精准定位于出针口。

脚踏滑台与零件定位：钢针盒固定于线性滑台，操作者踩下脚踏板即可驱动滑台按40mm节距步进；滑台末端设有V型定位块，保证零件重复定位精度≤0.05mm。

刮板双程装配：操作者将首个零件置于定位块，手持刮板自钢针盒出针口一次性将钢针刮入零件孔位；滑台步进后，第二零件进入装配位，执行第二次刮装动作。

该流程可在86s内完成两件零件的钢针装配，装配成功率99.6%，较传统人工插针效率提升2.7倍，且全程无需直接接触钢针，显著降低工伤风险。

3 效果分析

3.1 钢针分针工位改善效果

3.1.1 钢针分针工夹具改善效果对比

在改善前的钢针分拣工序中，工人仅仅依靠海绵这个工具从料盒中挑拣钢针，缺少合适的工夹具，不能保证每次取出的钢针数量相同。改善后分拣钢针采用全自动化无需人工参与，保证了分拣钢针工序的质量和效率，同时避免了钢针刺入衣物对工人造成伤害，工夹具效果对比如图8、图9。

3.1.2 钢针分针工作方法改善效果对比

工位一负责完成将加工完成后堆放在料箱的钢针分拣整齐。在改善之前，整个流程完全采用人工，使用MOD法研究后确定完成10根钢针分拣的标准时间为10.78s。在改善后，所有挑选分拣工作均使用自动化机器完成，每秒可分拣出4根钢针，整体效率大大提升。将时间平均到每根针上后，比较改善前后分拣1根钢針的时间如图10。

3.2 钢针插针的效果对比

3.2.1 钢针储存改善效果

在钢针储存方面的改善，基于低成本自动的思想设计钢针整理盒，钢针放入整理盒的设计巧妙避免工人在拿取钢针时将物料盒碰倒的情况，也避免左手拿钢针卸力导致的钢针散落，起到防错的作用。有整理盒后不需要再向物料盒里反复抓取钢针。让左手不再保持同一姿势，并且让左手加入作业过程，实现双手作业。前后对比如图11、图12。

3.2.2 钢针的放入效果

钢针的放入改善前：缺少完整的作业流程，工人左手握住钢针，右手独臂作业，造成时间浪费。右手接过左手的钢针后捏成一排，在桌子上磕几次整理好后才能放入零件孔内，钢针进入零件孔时右手工作速度明显变慢，影响生产效率，如图13。工作过程中钢针可能会掉落在工人的身上或地上，威胁工人人身安全。

钢针的放入改善后：钢针盒代替左手储蓄钢针，钢针盒内部结构保证钢针朝向相同。钢针盒出口滑动经过凹槽自动落下钢针，有序排列在各个凹槽，凹槽和零件对齐，用刮板将钢针刮入零件内，完成钢针放入操作。装置避免钢针在工作时掉落，确保工人工作时的准确性，减少在手部动作上投入的注意力，减轻工人的疲劳。这样的设计充分考虑到人的因素，符合人因工程的同时也达到让工人轻松作业，提高工人的工作积极性，如图14。

3.3 改善前后成本对比

工厂成本主要为员工工资、电费、场地租赁费用以及原料费用，在改善后还需要考虑将购买设备的费用折算到寿命内每月计费。因为改善前后场地租赁费用以及原料费用不变，所以接下来的成本比较不予计算。综上，改善后成本计算如表2、图15。

开支种类	单位价格	数量
振动盘	1500		1
钢制分类机	658		1
整理盒	47		5
传送带	260		1
钢针盒	218		2
凹槽	85		2
刮板	65		2
座椅	30		5
总计	3539

经过计算，工厂需采购设备具体支出如表2所示。采购支出共计3539元，所需资金较少。在改善后所需工人数量从7人减少到5人，每月人工方面减少支出10000元，但自动化机器增加的同时电费有少量上涨，工厂耗电从每月4800度上升到5000度，每月多支出200元。每月总体支出减少9800元。采购新设备支出将在第一个月后收回。

3.4 改善前后时间对比

对比改善前后生产相同数量的钢针梳所用时间，改善前发现工人完成一个工件用时127秒，改善后完成一个工件用时43秒，时间大幅度减少，其中实现人机结合、双手作业，缩短了工作时间，工作效率整体提高，利用低成本获得高利润。综上，图16为生产一件钢针梳所用时间柱状图。

3.5 柔性生产对比

柔性生产是一种灵活且适应性强的生产管理策略，目的在于迅速响应市场和客户需求的变化。它通过一系列关键策略实现，包括模块化设计以快速调整生产模块，培训多技能员工以提高人力资源的灵活性，以及设计可快速重新配置的灵活生产线。而我们则是通过为不同型号的钢针梳制定了不同型号的刮板、钢针盒和凹槽，通过使用不同型号的工夹具去达到快速换模、柔性生产的效果，如图17所示，这些策略共同作用，使企业能够提升生产系统的灵活性，有效应对市场波动，满足多样化的客户需求，增强市场竞争力和盈利能力。

4 总结

本研通过精准实施低成本自动化改善方案，取得了令人瞩目的成效。在车间布局优化环节，团队以产线平衡率为核心重构布局，成功将原有的迂回式物流路径改造为直列式，使得搬运距离大幅缩短42.6%。与此同时，在制品库存显著降低38%，车间空间利用率提升27%，为生产效率提升奠定了坚实基础。

在工序流程精修方面，经过系统性优化，产线平衡率从原先的67%大幅提升至86%。其中，分针工序效率实现4倍增长，单件产品总加工节拍从127秒大幅压缩至43秒。在产能与成本管控上成效尤为显著，月产能提升3倍，直接人工成本下降31%，实现了产能与成本的双向优化。

自制工夹具的创新应用成为效率提升的另一关键突破口，插针工位作业时间降幅高达77%，推动整体生产时间压缩率达到66.1%。质量管控同样收获佳绩，一次交检合格率从94%稳步提升至99.2%，实现了效率与质量的同步提升。

本研究有力验证了低成本自动化与工业工程方法在离散型小零件装配场景的高度适用性，充分证实通过较低投入即可实现生产效率的显著提升。实践结果表明，布局－流程－工装三位一体的系统化改善路径，能够精准打破生产瓶颈、有效消除过程浪费。通过离散事件仿真进一步验证，该改善方案在不同订单波动情境下均能保持稳健运行状态，充分彰显了策略的可复制性与推广价值，为同类制造企业的效率提升提供了极具参考意义的实践范例。

参考文献：

1. [1] 刘铭,毛清华,王秋雨.精益生产[M].北京:机械工业出版社,2023.
2. [2] 易树平,郭伏.基础工业工程[M].北京:机械工业出版社,2022.
3. [3] 闫恩雪,李少波.精益生产在钢铁企业的实施分析[J].价值工程,2024,43(02):8-10.
4. [4] 陈林.基于精益生产的SJ公司生产流程改进研究[D].东北财经大学,2023.
5. [5] 徐杰.基于精益生产理论的AD公司复牵车间效率提升研究[D].山东理工大学,2023.
6. [6] 李宇婷.基于MFCA与LCIA对TX酒业环境成本核算问题的研究[D].东北大学,2020.