第5章 现代生产与管理模式

现代制造技术2010年9月电子课件第五章现代生产与管理模式5.1成组技术5.2计算机辅助工艺过程设计5.3精益生产5.4敏捷制造5.5并行工程5.6虚拟制造5.1成组技术5.1.1成组技术的原理与相似性市场竞争日益激烈，产品更新换代越来越快。多品种、中小批生产方式约占75%—80%，产品的生产效率低、成本高、市场竞争能力差。如何用规模生产方式组织中小批产品的生产——成组技术就是针对这种需求而发展起来的一种先进技术。充分利用事物间的相似性，将许多具有相似信息的研究对象归并成组，并用大致相同的方法去解决相似组中的生产技术问题，以达到规模生产的效果，这种技术统称为成组技术。5.1成组技术5.1.1成组技术的原理与相似性1.成组技术原理成组技术的基本原理就是充分挖掘和利用零件之间的“相似性”，如图5-1所示。2.零件相似性前联邦德国的奥匹兹教授等人首先对零件相似性进行了系统研究，阿亨工业大学的机床与生产工程实验室在他领导下，对机床、发动机、矿山机械、仪表、纺织机械等26个产品中的45000种零件进行了统计分析，得出了有关零件相似性的几个重要规律。5.1.1成组技术的原理与相似性（1）在机械制造业中，尽管产品功能、结构要素、几何尺寸等各不相同，但组成产品的各种零部件都可分为特殊件、相似件和标准件三大类。其中相似件约占零件种类的70%，是实施成组技术的主要零件。（2）每类零件在同类产品中所占的数量存在一定稳定性，即零件种类与其数量的相关性。（3）在一定时期内，同类零件的最大尺寸不会有大的变动。5.1.1成组技术的原理与相似性1.零件分类编码系统的作用（1）利用零件分类编码系统能够得出企业生产零件的频谱和特征信息，为企业进行生产合理化改造和制定技改、技措方针等提供重要的原始资料。（2）零件分类编码系统提供了十分有效的零件检索手段，能够使大量己有的、并被证明十分可靠的资料，得到重复利用；为计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工艺设计（CAPP）提供技术支持。（3）零件分类编码系统是实现设计－工艺标准化的基础。通过整理零件分类编码，能汇集出相似结构、或相似工艺的零件组。5.1.2零件的分类编码系统（4）零件分类编码系统的推广应用有利于实现专业化生产，成组技术是真正实现企业间、甚至行业间横向联系的可靠纽带，可以带来有效的经济效益和社会效益。（5）零件分类编码系统的应用有助于生产信息管理和使用的合理化。2.零件分类编码系统的结构1）零件分类编码系统的总体结构（1）整体式结构。整个系统为一整体，中间不分段。通常功能单一，码位较少的分类编码系统常用这种结构形式。（2）分段式结构。整个系统按码位所表示的特征性质不同，分成2～3段，通常有主辅码分段式和子系统分段式两种形式。分段式结构的分类编码系统在使用上具有较好的灵活性，能适应不同的应用需要。5.1.2零件的分类编码系统2）零件分类编码系统码位之间的结构分类编码系统各码位间的结构有三种形式。（1）树式结构（图5-2(a)）5.1.2零件的分类编码系统（2）链式结构（图5-2(b)），也称为并列结构或矩阵结构。（3）混合式结构（图5-2(c)），指系统中同时存在以上所说的两种结构。3.常见零件分类编码系统国内外公开发表的分类编码系统多达百余种，其形式和内容也是多种多样，码位从3位到80位不等。目前，国内外制造业中应用比较广泛的零件分类编码系统分别是OPITZ系统、KK－3系统和JLBM－1系统。5.1.2零件的分类编码系统1）OPITZ系统总体结构如图5-3所示，由9位十进制数字代码组成。前5位为几何码（又称主码），分别代表零件的种类、基本形状、回转表面加工、平面加工、辅助孔、轮齿、型面加工。后4位为辅助码，分别代表主要尺寸（直径或边长）、材料类型、毛坯形状、加工精度。每一码位有10个特征码。该代码对回转体形状描叙比较完善，但对非回转体及零件外部尺寸的描述比较粗糙，尤其是对工艺特征描叙不够。使用这种编码系统可能会使一部分零件的代码具有不确定性。5.1.2零件的分类编码系统5.1.2零件的分类编码系统5.1.2零件的分类编码系统5.1.2零件的分类编码系统2）KK－3系统由21位十进制数字代码组成，代码含义比较明确，但位数太多，编码困难。采用手工编码几乎不可能完成。3）JLBM－1系统JLBM－1系统是我国机械工业部门为在机械加工中推行成组技术而开发的一种零件分类系统，它采用混合式代码结构（图5-4），由15位代码组成。第1、2位码代表零件名称类别；第3~9位是形状与加工码（为主码）；第10~15位代码为辅助码，分别代表材料、毛坯原始形态、热处理、主要尺寸、加工精度；每一码位有10个特征码。该编码系统吸收了以上两个编码系统的优点，但存在位数偏多的缺点。5.1.2零件的分类编码系统5.1.2零件的分类编码系统4.企业零件分类编码系统的建立一般有以下三种方法：1）企业自主研发只适用于资金和技术力量都比较雄厚的大企业，一般的中小型企业用这种方法并不经济实用。2）采用商品化的系统需要比较大的投资，但比企业自主研发投入的时间要少些，它使企业能够迅速、可靠地应用零件分类编码系统。3）改进公开出版的系统很多企业都采用这种方式来开发自己的分类编码系统。5.1.2零件的分类编码系统主要有视检法、生产流程分析法和编码分类法三类，其他方法大都是以上三种类型的衍生物。1.视检法（目测法）由具有一定经验的人员直接观测零件图或实际零件以及零件的制造过程，并依靠其经验作出判断，对零件进行分类成组。这种方法十分简单，在生产零件品种不多的情况下，可取得成功。但当零件种数比较多时，由于受人的观测和判断能力的限制，往往难以获得满意的结果。据国外资料报导，当零件种数大于200时，要取得完全成功是比较困难的。5.1.3零件分类成组2.生产流程分析法以零件的加工工艺过程为依据，把工艺过程相近似的零件归为一类，形成加工族，并安排在一个加工单元内加工。应用生产流程分析法进行零件的分类成组时，首先要定义分类成组零件的范围和数量，是生产的所有零件还是一些典型零件需要分类？一旦确定了零件的范围，就可以按照下述步骤来进行分类：（1）数据收集；（2）工艺路线分类；（3）绘制机床－零件相关矩阵；（4）分类成组；（5）检查并平衡机床负荷。5.1.3零件分类成组3.编码分类法首先要确定一个零件分类编码系统，并利用该系统对需要分类的零件进行编码。然后制定各零件族的相似性标准，根据这一相似性标准进行零件的归组。为制定零件族相似性标准，又有特征码位法、码域法和特征位码域法三种方法。1）特征码位法（表5-1）5.1.3零件分类成组5.1.3零件分类成组2）码域法（表5-2）5.1.3零件分类成组3）特征码位码域法（表5-3）5.1.3零件分类成组1.产品设计方面产品的“三化”（标准化、系列化、通用化）是减少重复设计、减少基本零件种数的基本方法。成组技术的思想与产品“三化”的目标不谋而合。成组技术要求在新产品设计中尽量采用已有产品的零件，减少零件形状、零件上的功能要求以及尺寸的离散性。成组技术要求各种产品间的零件尽可能相似，尽可能重复使用，不仅在同系列产品之中如此，在不同系列产品之间也尽可能如此。5.1.4成组技术的应用2.制造工艺方面成组技术最早用于成组工序，即把加工方法、安装方式和机床调整相近的零件归结为零件组，设计出适用于全组零件加工的成组工序。这样，只要能按零件组安排生产调度计划，就可以大大减少由于零件品种更换所需要的机床调整时间。此外，由于零件组内诸零件的安装方式和尺寸相近，可设计出应用于成组工序的公用夹具——成组夹具。只要进行少量的调整或更换某些零件，成组夹具就能适用于全组零件的工序。为此，应将零件按工艺过程相似性分类以形成加工族，然后针对加工族设计成组工艺过程。成组工艺过程是成组工序的集合，能保证按标准化的工艺路线采用同一组机床加工同组内的各零件。以成组技术指导的工艺设计合理化和标准化为基础，不难实现计算机辅助工艺过程设计（CAPP）及计算机辅助成组夹具设计。5.1.4成组技术的应用3.生产组织与管理方面将零件按工艺相似性分类形成加工组，加工同一组零件有其相应的一组机床设备。因此，成组生产系统要求按模块化原理组织生产，即采取成组生产单元的生产组织形式。在一个生产单元内由一组工人操作一组设备，生产一个或若干个相近的加工组，在此生产单元内可完成各零件全部或部分生产。零件成组后，成组批量比原来的批量扩大很多，因此可以经济、有效地采用可调的高效机床或数控机床进行加工，迅速提高生产效率。另外，成组技术同时也是计算机辅助管理系统的基础之一。5.1.4成组技术的应用4.成组技术与FMS、CIMS关系以成组技术思想建立FMS，既使系统能加工足够多的零件品种，又可简化系统的结构。因此可以把成组技术作为建立FMS的基础。同时，在成组技术基础上建立的FMS相当于一个生产单元。这种FMS的生产单元实现了工艺过程的全部柔性自动化，从而把成组技术的实施提高到一个新的水平。CIMS是通过企业的信息集成以取得企业整体效益的计算机综合应用系统，信息集成是实施CIMS的基础。企业的信息包括从产品设计制造到生产经营与管理的所有信息，为了实现范围如此广泛的信息的集成，需要对信息进行分类编码。可以应用成组技术的基本原理建立面向企业的信息分类编码系统，从而把系统中的有关环节连接到一起。我国CIMS实验工程及各CIMS应用工程都在不同层次上应用了成组技术，并取得了一定的经济效益。5.1.4成组技术的应用5.成组技术的效益在多品种、中小批生产企业实施成组技术所能获得的经济效益是多方面的。据国内外的研究表明，实施成组技术的综合技术经济经济效益如图5-5所示。5.1.4成组技术的应用5.2计算机辅助工艺过程设计5.2.1CAPP的概念尽管CAPP系统的种类很多，但其基本结构都离不开零件信息的输入、工艺决策、工艺数据/知识库、人机界面与工艺文件管理等五大部分。1.零件信息的输入计算机目前还不能像人一样识别零件图上的所有信息，所以在计算机内部必须有一个专门的数据结构来对零件信息进行描述。如何描述和输入零件信息是CAPP最关键的问题之一。2.工艺决策工艺决策是整个系统的指挥中心。它的作用是以零件信息为依据，按预先规定的顺序或逻辑，调用有关工艺数据或规则，进行必要的比较、计算和决策，生成零件的工艺规程。3.工艺数据/知识库工艺数据/知识库是系统的支撑工具。它包含了工艺设计所需要的所有工艺数据（如加工方法、切削用量、机床、刀具、夹具、量具、辅具以及材料、工时、成本核算等多方面的信息）和规则（包括工艺决策逻辑、工艺经验等，如加工方法选择规则、排序规则）。如何表示工艺数据和知识，使知识库便于扩充和维护，并适用于各种不同的企业和产品，是CAPP系统需要迫切解决的问题。5.2.1CAPP的概念4.人机界面人机界面是用户的工作平台。包括系统菜单、工艺设计的界面、工艺数据知识的输入和管理界面，以及工艺文件的显示、编辑、打印输出等。5.工艺文件管理一个系统可能有上千个工艺文件，如何管理和维护这些文件是CAPP系统的重要内容。5.2.1CAPP的概念1.零件分类编码法零件分类编码法是派生式CAPP系统采用的主要方法。其缺点是即使采用较长码位的分类编码系统，也只能达到“分类”的目的。对于一个零件究竞由多少形状要素组成，各个形状要素的本身尺寸及相互位置尺寸、精度要求，分类编码法都无法解决。因此，如果需要对零件进行详细描述，就必须采用其他描述方法。2.零件表面元素描述法任何一个零件都被看成是由一个或若干个表面元素所组成，这些表面元素可以是圆柱面、圆锥面、螺纹面……。5.2.2CAPP系统中零件信息的描述3.零件特征描述法把单个特征表示为以形状特征为核心，由尺寸、公差和其他非几何属性共同构成的信息实体。针对机械加工工艺过程设计，我们可以把零件特征定义为：机械零件上具有特定结构形状和特定工艺属性的几何外形域，它与特定的加工过程集合相对应。零件信息模型是计算机内部对零件信息的一种描述与表达方式，该模型利用计算机进行零件图绘制、工艺决策和推