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第4章 成组技术第4章 成组技术本章导读多品种、中小批生产方式在目前和未来的机械制造业中占有重要的地位，成组技术是一门特别适用于这种生产方式的工程技术科学。实践证明应用成组技术对提高中小工厂的技术水平和经济效益十分显著。因此，学习成组技术的科学原理及其应用方法，使学生能够理解成组技术的基本概念及原理、基本方法，正确掌握基本类型零件的描述、对零件进行分类编码，为学生学习后继课程打下坚实的基础。本章重点：成组技术的基本概念及原理，基本方法，基本类型零件的描述本章难点：进行零件分类编码教学建议：本章只是介绍成组技术中一些必要的基本概念，为后续课程进一步学习成组技术打下理论基础。鼓励学生查阅成组技术的发展案例及发展趋势，在教师的指导下进行一些零件的分类编码，并建议配有多媒体或录像教学资源，并提供一定量的教学实物教具。讲授课程1学时。4.1 成组技术概述成组技术（Group Technology，GT）并不是自动生产的技术策略，而是一种理念，一种适合于中小批量生产方式的制造理念。市场竞争日趋激烈，产品更新换代越来越快，产品品种增多，而每种产品的生产数量却并不很多。世界上7580的机械产品是以这种中小批生产方式制造的，中小批生产在机械工业的地位日益重要，而且，现代的制造环境还将面临一系列的问题和挑战，它包括： 为满足不同用户的需要，要求产品具有不同的规格和选项； 要求产品具有高可靠性，以及零件具有高精度； 需要处理极为广泛的工件材料，包括不同的金属材料、塑性材料、陶瓷材料以及复合材料； 要求将产品的设计与制造紧密地结合起来。与大量生产企业相比，中小批生产企业的劳动生产率低，生产周期长，产品成本高，管理困难，市场竞争能力差。能否把大批量生产的先进工艺和高效设备以及生产方式用于组织中小批量产品的生产，一直是国际生产工程界广为关注的重大研究课题。针对生产中的这种需求，需要一种生产和管理相结合的科学，它就是成组技术。成组技术的基本原理是充分利用事物之间构成要素的相似性，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来解决这一组研究对象的生产技术问题，这样就可以发挥规模生产的优势，达到提高生产效率、降低生产成本的目的。在机械制造工程中，成组技术是计算机辅助制造的基础，将成组哲理用于设计、制造和管理的整个生产系统，通过改变多品种小批量的生产方式获得最大的经济效益，为提高经济效益开辟了一条途径。成组技术也是一门涉及多种学科的综合性技术，其理论基础是相似性，核心是成组工艺。零件的相似性，包括零件在产品中的作用相似性和与结构相似性。作用相似性可依据零件间的装配关系及零件图纸的某些信息来推断，而零件的结构相似性则可根据零件图的信息来确定。零件相似性又可划分为结构的、材料的和工艺的三个类别。成组技术不仅用于零件加工、装配等制造工艺方面，而且还用于产品零件设计、工艺设计、工厂设计、市场预测、劳动量测定、生产管理和工资管理等各个领域，成为企业生产全过程的综合性技术。4.2零件分类编码系统4.2.1 分类编码系统概述零件分类编码系统已经成为成组技术原理的重要组成部分，也是有效实施成组技术的重要手段，因此在实施成组技术的过程中，建立相应的零件分类编码系统，也就成为一项首要的准备工作。1. 分类编码系统的定义零件的分类编码就是按照一定的规则，用一组字符（数值、字母或符号），对零件的有关特征进行描述和标别。这些编码规则称为零件编码法则，所编制出的零件代码又叫GT码。例如，图4.5 a) 所示零件的VUOSO码为3820，其各码位的数字分别表示零件的类、级、组、型特征：类码为“3”表示该零件为回转体类零件且中心线上有通孔；级码为“8”表示直径大于200mm，且长经比小于3；组码为“2”表示中心线以外有孔；型码为“0”表示材料为普通碳素钢。在实施成组技术进行零件分类编码系统时，不但要解决零件有关特征的识别和检索问题，也要解决相似零件的分类问题。因此， 对零件编码系统提出以下基本要求： 建立编码系统的目标和使用部门（设计、工艺和管理等）的需求相一致； 描述的信息应尽可能包括企业所有产品零件的各有关CAPP特征； 描述的特征应具有一定的永久性和扩充性，以适应产品更换和生产条件的改变，使之满足企业的不断发展； 每个代码的含义要保证唯一性； 分类编码系统结构应尽量简单，便于使用。2. 分类编码系统的结构形式：在成组技术中，码的结构有三种形式：树式结构、链式结构以及混合式结构。图4-1 分类编码系统的结构形式（树式结构） 树式结构（分级结构） 码位之间是隶属关系，即除第一码位内的特征码外，其它各码位的确切含义都要根据前一码位来确定，如图4-1所示。树形结构的分类编码系统所包含的特征信息量较多，能对零件特征进行较详细的描述，但其结构复杂，编码和识别代码不太方便。VUOSO为10进4位的树式结构编码系统。 链式结构 也称为并列结构或矩阵结构，每个码位内的特征码具有独立的含义，与前后位无关，如图4-2所示。链式结构所包含的特征信息量比树式结构少，但结构简单，编码和识别也比较方便。OPITZ系统的辅助码就属于链式结构形式。 混合式结构 编码系统中同时存在以上所说的两种结构，而大多数分类编码系统都用混合式结构，如图4-3所示。例如OPITZ系统、KK系统等。图4-2分类编码系统的结构形式（链式结构） 图4-3分类编码系统的结构形式（混合式）4.2.2 分类编码系统实例到目前为止，人们已研制出了各种各样的零件分类编码系统百余种，其中有以零件形状结构特征为基础的编码系统；有同时以零件形状结构和加工工艺为基础的编码系统。有代表性的是：原捷克斯洛伐克VUOSO系统、德国的OPITZ系统、日本的KK-3系统和我国的JLBM-1系统。一、VUOSO零件分类编码系统VUOSO零件分类编码系统是成组技术中最早出现的零件分类编码系统。它是原捷克斯洛伐克金属切削机床研究所为机床行业制订的，10进制4位码结构的系统（它的基本结构如图4-4所示）。目前现有的零件分类编码系统一般都继承了VUOSO的一些特点。VUOSO系统有四个分类环节，第一个横向分类环节称为“类”，主要用来区分：回转体类零件、非回转体类零件，以及用非机械加工工艺方法(如：弯曲、焊接、成型等)所获得的零件；第二个横向分类环节称为“级”，主要用来区分零件的大小和质量，借此也同时描述零件的基本形状；第三个横向分类环节称为“组”，主要是在上述两个横向分类环节所确定的零件基本形状的基础上，进一步描述零件结构形状的细节；第四个横向分类环节称为“型”，主要用来表示零件所用的材料和毛坯种类。VUOSO系统的主要特点： 该系统的结构简单，使用方便，容易记忆。 在通用分类标志上，采用了多层次的综合分类标志，因而便能减少分类环节，使系统的结构比较紧凑。 对于回转体类零件采用D与L/D作为尺寸标志，既反映了这类零件尺寸大小的概念，又刻画出这类零件的基本形状。 对于大型零件考虑重量作为分类标志也很有意义。 系统中首先采用了“三要素完全组合”的编排分类标志的原理。 系统的不足之处在于横向分类环节数量少，因而所容纳的纵向分类环节少，以致对零件的描述较粗。下面是采用VUOSO分类编码系统对零件进行分类编码的实例：图4-5a)是一个回转类零件，图4-5b)是一个非回转类零件，图中均只标注了零件的主要尺寸。图4-6是所示零件的编码结果。图4-5分类编码的示例零件a）回转体类零件 b）非回转体类零件a）b）图4-6 按VUOSO系统分类编码的结果a）图4.5a)的回转体类零件编码 b）图4.5b)的非回转体类零件二、OPITZ零件分类编码系统OPITZ系统是世界上最著名的系统，它是由西德阿亨大OPITZ教授开发。该系统简单方便、实用，已被国内外很多单位或公司采纳，作为他们的编码系统，有些编码系统则是OPTIZ系统为基础发展而来的。1OPITZ分类编码系统的结构图4-7 OPITZ分类编码系统结构示意OPITZ码（如图4-7所示）由9位数字组成，前15位数字用于描述零件的形状，69用于描述零件的尺寸、精度和材料。在这9位码之后，用户还可根据自己的需要设计扩充若干码位（一般不超过4位），用于表示零件的生产操作类型和顺序等。2类型码 OPTIZ分类编码系统的第一位是类型码，用于描述零件的总体类型。对于回转类零件，第一位数的代码用于15表示回转类零件零件的长径比范围，即回转类零件的长径比L/D分类（L表示零件的最大长度，D表示零件的最大直径），代码具体的含义如下：代码L/D零件类型00.5用于表示盘形件10.5L/D3用于表示短轴件23用于表示长轴件32用于表示长形偏异回转体5 备用对于非回转转类零件，第一位的代码是69，它们是按零件长、宽、高的不同比例加以区分的。若长宽高分别用A、B、C表示，则用A/B与A/C（ABC）来区分杆状、板状和块状类零件。3形状码 OPTIZ编码系统第一位码只是对零件进行了粗略分类，第二第五码位用于对零件各主要形状特征作进一步的描述。回转体零件第二位的代码用于描述零件外部的主要形状，如零件外表面是否带有台阶，是一端有台阶还是两端都有台阶，是否带有圆锥表面台阶表面上是否还有其他形状要素等。第三位数字表示零件的内表面形状，其内容与外表面的内容大致相似，即是否有台阶孔、台阶孔的方向以及是否有圆锥孔等。第四位数字表示零件是否有平面和槽。第五位数字表示零件上是否有辅助孔和齿形等。至于非加转体零件的第二、三、四、五位数字，分别用来表示零件的外形、主要孔及其他回转表面、平面加工、辅助孔及齿形加工等特征。4辅助码 OPTIZ编码系统的第六位至第九位数字是辅助码。第六位数字用来表示零件的基本尺寸，它有10个代码（09），分别代表10个由小到大排列的尺寸间隔。第七位数字表示零件的材料（10类）、第八位数字表示零件毛坯的形状（10类）、第九位位数字表示零件上高精度加工要求（IT7和Ra0.8以上）所在的形状码位。5示例 下面举例说明如何用OPTIZ分类编码系统对零件进行分类编码。图4-6a)是一个回转类零件，图4-6b)是一个非回转类零件。图4-8是所示零件的编码结果。6Opitz系统的特点可以归纳如下： 系统的结构较简单，便于记忆和手工分类。 系统的分类标志虽然形式上偏重零件结构特征，但是实际上隐含着工艺信息。例如，零件的尺寸标志，既反映零件在结构上的大小，同时也反映零件在加工中所用的机应和工艺设备的规格大小。 虽然系统考虑了精度标志，但只用一位码来标识是不够充分的。 系统的分类标志尚欠严密和准确。 系统从总体结构上看，虽属简单，但从局部结构看，则仍旧十分复杂。图4-8 Opitz编码结果三、KK-3零件分类编码系统KK-3系统是由日本通产省机械技术研究所提出的草案，复经日本机械振兴协会成组技术研究会下属的零件分类编码系统分会多次讨论修改而成。它是一个供大型企业使用的十进位制21位代码混合结构分类编码系统。四、JLBM-1零件分类编码系统JLBM-1系统是我国原机械工业部为在机械加工中推广成组技术而开发的一种零件分类编码系统，这个系统先后经过4次修订，于1984年作为我国机械工业系统的技术指导性文件颁布。JLBM-1系统是在分析了OPITZ系统和KK-3系统的基础上，吸取了两系统的优点，克服了OPITZ系统分类标志不全和KK3系统环节过多的缺点，并根据我国机械产品的情况研制的一个十进制十五位代码的混合结构分类编码系统。它的基本结构如图4-9所示。4.3 零件分类成组的方法以上讨论了成组技术的核心问题：利用事物的相似性，将相似的问题归类成组以便提出统一的最佳解决方案。而寻求零件的相似性，将相似的零件归并为零件族，正是实施成组技术的基础。目前，零件的分类成组的分发有三种：视检法、生产流程分析法、编码分类法。图4-9 JLBM-1分类编码系统的基本结构4.3.1 视检法视检法是由有经验的工艺师根据零件图样或实际零件及其制造过程，凭经验判断零件的相似性并对零件分类成组。这种方法简单，是粗分类的有效方法。例如将零件划分成回转体类、箱体类、杆件类等。因做详细分类困难而应用较少。该方法的使用效果主要取决于个人的生产经验，多少带有主观性和片面性。4.3.2 生产流程分析法生产流程法（PFAProduction Flow Analysis）是以零件分类编码系统为基础，通过分析车间中零件的工艺流程（工艺过程）来确定零件族的一种零件分类成组方法。利用它将具有相同或相似工艺流程的零件归入同一组，再根据所分的零件组的特征来设计布置车间的制造环境。应用PFA着重分析生产过程中从原材料到产品的物料流程，研究最佳的物料流程系统。因此，生产流程分析可应用于工厂规划和设计、物流科学管理等方面。由于PFA主要是根据零件的加数据来划分零件族的，因此具备两个优点：第一，可以将基本几何数据不相同而工艺路线相同或相似的零件归入一个零件族，第二，可以将几何数据相似而工艺路线不同的零件归入一个零件族。PFA的不足之处是，因为生产流程法所采用的数据来源于加工工艺过程，而加工工艺过程一般是不同的工艺设计师完成的，且这种加工路线不一定是最优的，结果导致了分组的不合理性，而且也导致了加工组或加工单元的分组、配置不是最合理，目前是通过CAPP来基本解决这一弊端。4.3.3编码分类法为实行编码分类法，首先需要各零件族零件的相似性判断标准，以便对零件进行分选、归属于相应的零件族。编码分类法实质就是让零件编码与各零件族特征矩阵逐个地匹配比较，若零件编码与某零件族特征矩阵相匹配，则该零件就归属于该族。合理制定各零件族相似性标准是取得满意的分类结果的关键。相似性标准与分类的目的密切相关，是基于分类目的考虑零件族相似属性的内涵和相似程度的，而设计者与加工族对相似属性认识是存在差别，前者注重零件结构功能等方面；后者除结构属性以外，还考虑到加工相似属性。好的编码分类发一般是不断成熟的：应根据试分类结果，对制定的分类相似性标准进行检验，并做必要的修正。4.4 成组工艺过程设计一、成组工艺成组工艺是在典型工艺的基础上发展起来的一种工艺设计标准化方法。虽然成组工艺和典型工艺都希望实现工艺设计标准化，但是在具体的做法上却各不相同。典型工艺着眼于零件的整个工艺过程的标准化，而成组工艺首先着眼于缩小工艺标准化的范围，从构成零件工艺过程的一道道工序出发，实现工序标准化：它不强求零件的结构形状必须属于同一型，而只要一群零件的某道工序能在同一型号设备上、采用相同的工艺装备和调整方法进行加工，则这群零件在这道工序上便可归并成组。这样，成组工艺就跳出了典型工艺标准化的框框。如图4-10所示的两个零件，图a)所示的花键轴在其未滚花键以前的形状和图b)的光轴形状完全一样，根据成组工艺的概念，便可归并成一个加工组，实现了两者车削工序准化。由此可以清楚地看出，典型工艺是从统一零件的工艺过程出发，而成组工艺则是从统一零件的个别工序出发。前者即属工艺过程标准化，后者则属工序标准化。显然，工序标准化不仅比工艺过程标准化容易得多，而且也应用得广多。二、成组工艺设计方法实现成组工艺的基础和关键是零件的分组，即对多种产品的不同零件按工艺过程的相似性分成零件组。成组工艺过程是针对一个零件组设计并适用于零件组内的每一个零件。制订零件的成组加工工艺的方法主要有以下两种：1、复合零件法复合零件法，顾名思义是利用一种所谓的复合零件来设计成组工艺的方法。复合零件既可以是零件组中实际存在的某个具体零件，也可以是一个实际上并不存在而纯属人为虚拟的假想零件。不论它是实有的代表零件，还是虚拟的假想零件，作为复合零件都必须拥有同组零件的全部待加工的表面要素。由于组内其它零件所具有的待加工表面要素都比复合零件少，所以按复合零件设计的成组工艺一定能够适用于加工组内所有的零件（对组内零件只是从成组工艺中删除无用的工序或工步内容）。图4-11表示了由四种零件所组成的一个零件组及其复合零件。组内的四个零件共有5种加工表面要素，中央图形为一个虚拟的零件，是该组的复合零件。它含了该组零件的全部（五种）加工表面要素。所以，该零件组的成组工艺是根据这个虚拟的复合零件设计的。图4-11 零件组及其复合零件1外圆柱面 2一键槽 3一功能槽 4一平面 5一辅助孔2、复合路线法对于回转体类的形状规则、型体对称的零件而言，采用复合零件方法不存在困难。然而，对于非回转体类零件来说，因为形状的极不规则，要虚拟和采用复合零件法便十分困难。因此设计非回转体类零件一般不用复合零件法，而采用复合路线法。虽然复合路线法不及复合零件法来得直观，但是两者的实质仍然是一样的。复合路线法是在零件分类成组的基础上，把同组零件的工艺过程卡收集在一起，然后从中先选出组内最复杂，也就是最长的工艺路线作为代表，再将此代表路线与组内其它零件的工艺路线相比较，将其它零件有的而此代表路线没有的工序逐一添入，便终得到能满足全组零件要求的成组工艺。4.5 成组生产的组织形式成组生产可以有多种组织形式，其中成组生产单元是最基本的组织形式，而成组生产单元是按一个（或）几个零件组的共同工艺流程布置设备，它是能完成类似零件全部工序的一种封闭式生产组织形式，它有以下几种类型：1成组加工单机成组单机是成组技术中生产组织最简单形式。车间的机床布置仍然是机群式，其加工特点是围绕一台机床组织一组或几组工艺相似零件的加工。它是在一台机床上实施成组技术，如果一组零件的全部工艺过程可以在一台机床上完成就称为单机封闭。一般六角车床和单轴六角自动机床是典型的成组单机，加工中心就是实现单机封闭形式的理想机床。2成组加工单元图4-12 加工单元与机群式的车间布置方式a)b)在生产中单工序零件所占数量是有限的，大部分零件需在不同机床上进行若干道工序加工方可完成其工艺过程。成组加工单元（机床单元）是实施成组技术时为多工序零件提出来的一种生产组织形式。在用生产流程分析法划分工艺相似的零件组时，同时也可得到对应的机床组。成组加工单元是在车间一定的生产场地上，配置一组机床和一组生产工人，用以完成一定的零件组的全部工艺过程。单元中的机床按工艺过程的顺序布置，相似零件不一定通过所有工序或机床，允许有“跳动”。当改变加工对象时，只须对夹具和刀具作适当调整便可进行加工。成组加工单元的布置要考虑每台机床的合理负荷。如条件许可应采用数据控机床、加工中心代替普通机床等。加工单元与机群式的车间布置相比，如图4-12。可缩短工序间的工件运输距离，减少在制品库存量，缩短零件生产周期，降低生产成本。成组加工单元是高度自动化的柔性制造系统的雏形，是富有生命力的组织形式，是成组加工中的一种中级形式。3成组流水线成组流水线与一般流水线的区别在于流水线上所加工的不是一种零件而是一组零件。这组零件的工艺相似程度很高，而且产量也较大。就组内每种零件则言，其在线上的加工节拍只是近似相等，因此不一定要按强迫输送方式注动，但零件在线上的流动应是单向的，不能有反向或跳跃。成组流水线是一种高级生产组织形式，其优点是可以获得近似大批大量生产的经济效益。4自动化成组生产单元它是成组流水线高一级的形式，实现了成组生产单元生产的自动化，故亦可称为柔性自动生产线(FML)。近代迅速发展的柔性制造系统(FMS)实质上就是自动化成组生产单元。它是由计算机控制管理的若干台数控机床(包括各种类型的加工中心)和物料存储及输送设备所组成的成组生产单元。自动化成组生产单元具有较大的柔性，既能生产多种工艺相似的零件，还有较高的设备利用率。成组生产系统应采用适当类型的成组生产组织形式，为此，与之应对生产纲领、零件相似性、设备负荷以及工厂企业发展规划等方面需要做综合析。根据需要，在生产中可以同时选用几种类型的成组生产单元；也可以保留机床按机群式布置的、传统的生产组织（如一个班组、工段或车间），以便加工不能归类成组的其余的零件，或应付特殊加工任务。4.6 成组技术的技术经济效益在多品种、小批量生产方式中推广应用成组技术，使生产组织和生产技术发生了很大的变化，在实际应用中取得了较好的效果。实施成组技术得到的综合技术经济效益如图4-13所示。它定性地说明了成组技术在产品设计、生产准备、制造、管理等领域内的经济效益。图4-14定性地说明成组技术获益的时间表。企业竞争能力成本计算准确性预算可靠性生产效率自动化程度设备利用率工装利用率产品设计质量产品三化程度新产品研制周期总成本总投入生产周期废品率劳动强度辅助时间生产准备周期产品设计周期成组技术设计、制造、管理的合理化传统的多品种中小批生产企业可提高可降低图4-13 实施成组技术的经济效益1. 提高劳动生产率 由于成组技术是采用成组地处理相似零件组在生产领域中的各种问题，因而可以节省大量的时间，从而提高劳动生产率。例如成组加工时，采用成组设备或成组工艺装备，可使调整时间缩短69。又由于形成较大的成组生产量，有可能采用大批生产的高效设备，使辅助时间和加工时间缩短。德国科隆KHD公司对五缸和六缸曲轴采用成组加工，使生产率提高300。2. 保证产品质量 采用成组技术后，由于消除了相似零件工艺上不必要的多样性，加工族选择了合理的工艺方案，使工件质量稳定、可靠；生产工人编制在生产单元或流水线上，工序专业化程度提高，即提高了工人的劳动熟练程度；在成组生产单元内从组长到工人对零件质量全面负责，增强了生产责任心；采用自动化程度高的设备与工艺装备，减少人为因素对加工质量的影响，使废品率下降；减少零件的磕、碰、划伤。以上种种因素都促使零件废品率降低，产品质量得以提高。图4-14 成组技术获益的时间表有某公司统计采用成组技术前后的废品率数据，采用成组技术后，废品率由原来的12.4。下降废品率为0.62，废品减少了95。3. 缩短生产技术准备周期 由图4-14可知，推行成组技术最先得益的项目是改进设计。借助于分类编码系统，新产品大部分零件可以沿用原有图纸，减少设计工作量，从而缩短设计周期。由于设计上提高了新、老产品的继承性，因而必然带来工艺设计与制造上的继承性。从而大大简化新产品的技术准备工作缩短了生产技术准备周期。英国赫伯特公司采用成组技术后，新产品周期由原来的1218个