现代制造系统(v4.1)4 成组技术

z 4.1 单元制造系统 z 4.2 产品设计中的成组技术 z 4.3 生产管理中的成组技术
4.1 单元制造系统
z 定义：单元制造系统（cell manufacturing CMS）是依据成组技术原理，将机床布置成特定的 工作单元，一组相似的零件在单元内完成全部或 大部分加工任务。 z 广义上，单元制造系统指主要由制造单元（第2.2 节）这种形式组成的制造系统； z 狭义上，单元制造系统是一个较新的概念，需要 其中的制造单元达到较封闭成组单元阶段（本节 面介绍），同时也经常使用柔性设备，也是柔性 造系统（参考第5.1节），称为柔性制造单元 （flexible manufacturing cell，FMC）。
z 单元制造系统的优点——技术角度：
{ （1）减少了零件物流时间， z因为物料都在单元内搬运； { （2）减少了生产准备和结束时间， z因为所加工的零件都相似； { （3）简化了辅助工作时间， z因为调度、质检、在制品保管由单元内部管理； { （4）提高了生产效率和零件质量， z因为长期加工同类零件，熟能生巧； { （5）有利于提高针对需求量变化的快速反应能力， z因为方便采取看板系统等先进制造模式。
VUOSO分类编码系统的码表
回转体零件
类
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
轴线上有 无孔 0 盲孔 1 Dmax < 40 通孔 2
有齿形、花键 轴线上有 无孔 3 （L/D）max < 1 1 ~ 6 > 6 < 1 通孔 4
级
41 ~ 80 81 ~ 200 > 80 > 200 其它
1 ~ 4 > 4 < 3 > 3 < 3 > 30
z 回顾单元级制造系统的类型有哪些？ {答案： z工作中心、制造单元。
1 2 3
A
B
z 对于工作中心与制造单元两种形式， z 其中生产效率相对较高、管理较简单的是哪个？ {答案：制造单元。 z 那可不可以全部采用制 造单元的形式？
z 思想：单元制造系统， z 方法：成组技术。
第4章 单元制造系统与成组技术
虚拟成组单元 准成组单元 封闭成组单元 流水成组单元
z 制造单元的设计阶段： z （１）虚拟成组单元， {为逻辑单元，不移动机床的物理位置。 z （２）准成组单元， {为物理单元，但其中有部分设备不进行分组。 {一方面可能是因为这些设备可以加工多个零件 族，不好进行分组。 {另一方面可能是因为市场需求还不明确，企业 预留些可以灵活指派的设备来应对市场变化。
z 单元制造系统的优点——管理角度：
{ （1）有助于提高员工的责任感， z因为单元内员工既是劳动者，又是管理者； { （2）有利于培养员工的“一专多能”， z因为单元内存在各种不同工序； { （3）有助于提高员工的群体意识， z因为单元内各工序紧密相关， • 迫使员工加强协作和联系； { （4）有利于实行生产承包制，明确责任， z因为一种零件的全部或大部分工序都在同一单元内生产。
z 成组技术的两个部分：
z 一是在产品设计阶段划分零件族， { 通常情况下零件种类远远大于设备数量， { 不可能为每种零件都划分一个制造单元， { 只能将工艺路线相同或相似的零件合成零件族。 { 主要方法有（1）直观分析法；（2）分类编码法。 z 二是在生产管理环节划分制造单元， { 尽量让每个零件族对应一个制造单元， { 不同制造单元之间允许存在少量公用设备， { 但应尽量减少公用设备的数量。 { 主要方法为生产流程分析法，其中按处理手段又可分为 （1）矩阵变换法；（2）数学规划法。
组
非金属 灰铸铁 球铁或铸钢 有色金属 普通探钢 优 渗炭钢 质 淬硬钢 和 热处理钢 合 金 钢 其它合金钢 有色金属
VUOSO分类编码系统中的特征举例： z 光滑或台阶：
z 轴线上有螺纹：
z 轴线外有孔：
VUOSO分类编码系统的编码图例：
M 18
115
图2 轴
75
材料：45
50
材料：QT400–17 40
现代制造系统
第4章 单元制造系统与成组技术（1-3） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz@
第4章 单元制造系统与成组技术
z 看板系统能够提高生产效率， {但不是所有制造系统都能适用看板系统。 {回顾看板系统适用的车间类型： z流水车间。 z 为了提高生产效率， {有没有办法将作业车间变成流水车间？ {成组技术将在产品设计和生产管理两个阶段解 决这个问题。
{ 共80台设备；其中15台划分成一个制造单元用于生产一种 需求量最大的零件；其中部分能力富裕的设备偶尔还会生 产其它产品；其余设备划分成7个工作中心，用于其它零 件生产。
z 实现单元制造系统的主要方法： {即为成组技术（group technology，GT）。 z 成组技术的发展历程： {基本思想产生于上世纪20-30年代。 {50年代由前苏联学者米特洛凡诺系统地提出， z开始苏联推广应用， z随后又推广到欧洲、美国和日本。 {60年代引入中国，曾译作成组加工或成组工艺。 {目前全世界各国都有应用，但细节方法各不相 同，其中的分类编码系统已有数百种。
z 例题1，解： {第一步， z将每行数据看作一个二进制数， z转化为十进制，写在行末。
零件 1 机床 1 2 3 4 0 1 0 1 2 1 0 1 0 3 0 1 0 1 4 1 0 1 0 5 1 0 0 0 11 20 10 20
z 插述，二进制与十进制的相互转化方法： z 二进制Æ十进制，除2的各次幂为权重，求和。 {例如：二进制数1101对应的 {十进制数=1×23+1×22+0×21+1×20 { =8+4+0+1=13。 z 十进制Æ二进制，除2取余，逆序排列。 {例如：十进制数13对应的二进制数计算过程： {13除2得6余1，6除2得3余0， {3除2得1余1，1除2得0余1， {逆序排列余数得1101。
工序相似性
相似性的评价标准举例：
材料相似性 结构相似性 精度相似 尺寸相似
热处理相似 毛坯形式相 似 材料种类相 似
零件相似性
其布置相似 形状要素及 基本形状相 似 形状 相似
z 划分零件族举例： {齿轮减速箱的 z零件分组示意图。
z 为了支持成组技术的应用， z 设计领域提出了模块化设计（block-based design） 的思想，其内容包括 {<1>系列产品，是指在某个确定的应用范围内 按照一定的规律划分其参数等级，用相同的方 法实现相同功能的技术对象（整机、部件或零 件），这些技术对象应该用尽可能相同的制造 方法进行制造。 {<2>组合产品，是指用不同的结构块（或称积 木块）通过合理的组合而实现不同功能的技术 对象（整机、部件或零件）。组合产品是系列 产品的进一步细化。
z 回顾制造单元的划分模式， {可分为哪两种？ z答案：物理单元、逻辑单元。 {两者的关键区分点是什么？ z答案：是否具有固定的物理区域。 {两者中重构难度较低的是那种？ z答案：逻辑单元。 {两者中物料运输方便的是那种？ z答案：物理单元。
z 制造单元的设计阶段： {因为逻辑单元重构成本低， z因此在设计制造单元时， • 总是先设计逻辑单元进行实验； z确定设计合理后， • 再改成物理单元，以方便物料运输； z若设计不合理，可低成本重构逻辑单元。 {同时，设计制造单元时总是先处理主要设备， z再处理不好划分的个别设备。 {因此，上述制造单元设计流程可进一步分为
VUOSO分类编码系统的码表（续）
型
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 铸 件 圆 有花键 其它 轴线上有螺纹 柱 齿 轴线外有孔 有槽或平面 1+2 1+3 2+3 1+2+3 锥面 异形 圆 锥 齿 蜗 轮 多 联 齿 其 它 有花键 其它 有花键 其它 有花键 其它 有花键 其它 各 种 型 板 线 材 和 锻 件 光滑或台阶
模块化工业汽轮机汽缸组合原理图：
利用不同模块组合而成的工业汽轮机汽缸：
模块化的工业汽轮机部件：
z 产品设计中的成组技术： z （2）零件分类编码技术 z 代表方法有德国的OPITZ、前苏联MNTPOФAHOB、 英国的Brisch、日本的KK-3、美国的CODE、荷兰 的MICLASS等。 z 本课件介绍最为简单的VUOSO，这是原捷克斯洛伐 克金属切削机床研究所为机床行业制订的一个系 统，属于10进制4位码。
第4章 单元制造系统与成组技术
z 4.1 单元制造系统 z 4.2 产品设计中的成组技术 z 4.3 生产管理中的成组技术
4.3 生产管理中的成组技术
z 首先为相对简单的（1）矩阵变换法， {使用关联矩阵表达零件与机床之间的对应关系， {通过矩阵变换（整行或整列移动）获得对角矩阵， {按对角矩阵分块，每块即成为一个制造单元。
零 件 1 机 床 2 3 4 列 键能 1 1 1 1 0 1 2 1 1 1 3 4 1 1 1 5 6 1 行 键能 零 件 1 2 机 床 4 1 3 列 键能 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 1 2 4 6
矩阵 变换
行 键能 2 1 2 2 12
z （1.1）排序聚类算法（rank order cluster, ROC） {将矩阵的行序视为一个二进制数序,并转换成十 进制数, 然后将行按其值大小排序； {同理，再将矩阵的列排序；列排序后，可能会改 变原来的行序，故重新将行排序； {如此循环往复，直至行（列）序不再改变为止。
z 制造单元的设计阶段： z （３）封闭成组单元， {为物理单元，并且各个制造单元独立生产， {制造单元之间不存在公用设备。 z （４）流水成组单元， {为物理单元，在封闭成组的基础上进一步要求 元内零件族的工艺路线一致，形成流水生产线。
z 制造单元的设计阶段总结：
虚拟成组单 准成组单 封闭成组单 流水成组单