面向制造單元的成組工藝設計研究

成武冬 張慧東 郭曉煒 潘 靜

(西安飛行自動控制研究所，陜西西安 710065)

產品需求的多樣化促使了多品種、中小批量生產成為了機械制造領域不可阻擋的潮流。從國內外機械制造企業所做的探索來看，公認能有效改變多品種、中小批量生產落后面貌具有戰略意義的，則是成組技術［1］。

筆者單位作為典型的多品種、小批量研制生產型單位，多年來，為解決生產瓶頸，在生產技術和管理方面進行了許多探索和研究。近年來，所里倡導了以單元化推進為契機的生產流程改進。以期通過以成組技術為支撐，以單元化生產為載體，有效改變了產品制造效率低下的問題。

零件族作為支持多品種、小批量零件生產的重要技術手段，已經成為支撐單元化生產的重要技術之一［2］。該技術基于零件相似性，按零件類別組織工藝編制和生產，使得一類相似零件的加工工藝具有了高度相似性。

作為筆者單位機箱、電動舵機、傳感器等零組件主要的承制交付單位，利用同類零件具有高度相似性這一特點，筆者部門業已按照零件族典型零件加工要求選擇機床并組織實施生產單元。工藝人員作為加工制造的技術引領者和生產流程的設計者，筆者認為，在單元化生產條件下，如何有效利用成組技術做好單元內零件分族管理、降低工藝維度、增強工藝收斂性、固化優秀工藝成果，是工藝人員需要關注和研究的重要問題。

1 現階段工藝設計存在的問題

隨著專業生產單元的建立，生產資源的專屬性特征愈加明顯。目前，制造單元規劃研究的內容主要還是集中在生產計劃管理方面，對基于成組技術而展開的工藝技術研究還不夠重視，現階段工藝設計長期存在以下問題:

(1)工藝設計工作的重復性:由于一直沿用效率低下對眾多零件進行單獨工藝設計的方法，使得工藝員不得不把主要精力消耗在逐件制定工藝規程等重復性工作中，以致無力改進現有工藝或研究與單元化生產匹配的工藝設計方法。

(2)同類零件的工藝多樣性:原本相同生產條件下，同類零件本該采用相同工藝，由于工藝員之間的個性化差異等多種因素制約，使得實際上存在許多截然不同的工藝。導致原本應歸屬同一指定單元的零件不得不跨單元作業。

此外，工藝設計的多樣性，不僅使大量已經生產實踐而證明有效的工藝信息，無法顯性化予以繼承，在零件發生變化時，造成操作者需要重新掌握新的加工方法，配置新的加工方案，無形中造成工藝裝備的多樣化，增加了生產組織和物料管理的復雜程度。

2 面向單元的零件模塊化導入

筆者部門業已按照典型產品屬性組建了如機箱、結構件等三個加工單元。資源規劃與建設的完成，實際上是以一種典型產品的加工流程為路徑基準形成的設備新布局，建成后的單元將承擔著持續拓展產品譜系或種類的任務，以提高單元價值創造比。因此在各單元內部，為了實現以較少的內部資源支持盡可能多且合理的外部多樣性，滿足多種產品的生產，需要按照成組技術要求，對其他結構相似的零件，對照核心零件工藝路線，梳理歸納并聚集為族，持續導入到相應的生產單元內。從而，在既定單元內，形成以單元核心模塊集合為主，外圍模塊為輔的單元內零件組織模式。單元內的眾多零件按照模塊化設計，形成了由產品平臺以及外圍模塊共同構成的產品族系列。既滿足核心零件的組織生產需要，外圍模塊又主要是滿足多種個性化需求和應對新品研制的需要。

以結構件單元為例，建立單元之初按照某型產品三大件的結構特性，進行設備資源調配組建單元。通過梳理，在我部投產任務中具有多種結構件從工藝制造性方面與該核心模塊零件存在相似之處，符合導入到該單元進行管理和生產。基于核心模塊和外圍模塊分析，該單元典型的產品族結構如圖1所示。

3 面向單元的工藝優化設計

在單元化生產組織模式下，工藝設計環節還缺乏有效的工藝信息獲取和重用，缺乏相應的規范對工藝設計進行指導。為克服常規工藝設計中存在的弊病，有效的途徑便是建立在成組技術原理基礎上，實現工藝設計的標準化和自動化［1］。

3.1 面向單元的工藝標準化方法

零件相似性的特征在工藝設計方面主要表現在兩個方面:一是同類零件工藝路線具有整體相似性;二是局部工序內容有較高的重用性［4］。表現在標準工藝設計上，主要有典型工藝和成組工藝兩種形式，典型工藝從統一零件的工藝過程出發，其實質是工序順序和工序內容的標準化。在零件分類時，以功用相同的同型零件為對象，要求歸并的同型零件結構應最大限度取得一致［1］。成組工藝實現工藝設計標準化著眼于縮小工藝標準化的范圍，從工藝過程的基本單元(即工序)出發，使工序實現標準化。它不要求一群零件在結構、形狀、精度等屬于同一類型，而只要一群零件的某道工序能在同一型號設備上，采用相同的工藝裝備和調整方法進行加工，則該群零件在此道工序上即可進行標準化工藝設計工作。顯然，較典型工藝而言，基于工序標準化的成組工藝覆蓋面廣，應用大，具有標準化的價值和意義。在工序標準化的基礎上，還可以進行工藝過程的標準化工作，當零件族的結構、工藝相似性較高時，完全可以采用標準的成組工藝規程，或適當加以編輯或修改。

3.2 工藝標準化的內容

應用成組技術可以將過去大量無序的工藝設計歸類，整理為以相似性為基礎的規則、規律，進而將這些規則等以規范文件形式顯性化和標準化，用于規范成組工藝的設計過程。采用標準的成組工藝進行加工，從而形成一族零件加工的最優標準解，使得工藝設計工作起到了實質性的改變。成組工藝標準化的內容主要有:

(1)工藝基礎標準化:包括工藝術語標準化、工藝符號標準化和工藝文件標準化等。

(2)工藝設備和工藝裝備規范化:面向單元設備資源布局，規范工序加工指向設備。同族零件同類加工內容指向相同工藝裝備，如刀具、夾具、量具等。

(3)工藝要素標準化:如加工余量標準化，加工參數的優化和標準化。

3.3 成組工藝設計方法

將零件基于相似性以零件族為單位劃分，對不符合分族要求的零件劃歸通用單元平臺管理，對符合分族的零件成族導入對應制造單元，按照模塊化管理。因此，在整個單元內部，零件結構要素具有高度相似性的特點提高了單元內工藝標準化及設計成組工藝的可行性。面向單元成組工藝設計過程如圖2所示。

設計成組工藝實質上是為每一族相似零件規定標準的工藝規程及其相應的工藝裝備。從近期看，固然是為實施單元化生產的需要，即面向單元布局工藝收斂性設計。從長遠來看，特別是我所新品研制任務繁多，成組工藝的實施無疑使新品的生產工藝設計做到了有“標準”、有“經驗”可依，在繼承同類零件的工藝信息的同時，降低預研風險，加速新品研制的速度。

成組工藝設計方法主要有以下兩種［1］:

(1)復合零件法 即利用一種復合零件(可以是實際存在的，也可以是虛擬的零件)來設計成組工藝，但該零件必須具有族內零件全部的加工要素。適合于零件外形規則的零件類別，如傳感器單元內的筒體類等回轉體結構件。

(2)復合路線法 對于外形復雜的零件，通過虛擬典型零件并不是一件容易的事，因而可以用復合路線法。即，把同族零件的工藝過程收集到一起，從族中選取最復雜、結構要素最完備的、工藝路線最長的工藝過程為代表，然后與族內零件工藝路線比較，將其他零件特有的個別工序一一添入，最終得出滿足全族零件要求的成組工藝。表1為結構件單元成組工藝設計實例。

將工藝路線最為復雜的3號零件工藝路線作為代表工藝路線，比照族內其余零件工藝路線，將缺少的工序X、Q研補入，并繼承以往加工經驗，對形成的復合工藝路線進行優化，考慮單元內設備資源，即成為本族的成組工藝。

4 基于零件族的成組工藝數據庫建立

現有CAPP系統工藝設計的標準化和智能決策功能較弱，造成工藝設計對工藝人員經驗的依賴性很大，不能充分利用積累的工藝經驗與數據，因而設計出的工藝規程的規范性差。若將工藝知識數據、成組工藝信息等存放到數據庫中，建立零件族工藝知識庫，實現能夠按照零件類別或編碼來檢索對應成組工藝，提供諸如關鍵加工參數查詢調用、關鍵工藝知識幫助等工藝解決方案的幫助，并能在此基礎上以圖形方式瀏覽和編輯工藝，從而大大提高工藝編制速度，保證了工藝數據的一致性，實現工藝的標準化、規范化。通過建立描述零件特征信息的零件編碼數據庫，以及成組工藝數據庫，可編程實現對CAPP的二次開發，完成零件的導入、存儲、查詢、工藝編輯工作。

4.1 零件編碼

按成組方式來組織零件生產時，首先按照零件的結構特征、工藝特征，將各種零件進行分組歸類與編碼，從而可以通過識別某些特征碼位將具有相同或相似碼值的零件劃歸一類。成組編碼較典型的系統有捷克的VUOSO系統、德國的OPITZ系統和我國的JLBM－ 1 系統［3，5］;

運用的OPITZ系統如圖3所示，前9位數字碼用來傳送設計和制造信息，最后4位ABCD用于識別生產操作類型和順序，稱為輔助代碼，由各單位根據特殊需要用來設計安排。在數字碼中，前5位數稱為形狀代碼，用于描述零件的基本設計特征;后4位數構成增補代碼，用來描述對制造有用的特征(大小、材料、毛坯及精度)。

4.2 成組工藝數據庫建立

建立在成組技術基礎上的CAPP系統，將眾多零件按相似性原則進行分組，形成零件族，建立零件族特征矩陣。按族內代表性零件為零件族制定標準工藝，為同族零件所通用，作為編制其他產品工藝規程的模板。將這些信息數據均預先存入計算機數據庫中，通過編程設計相應的檢索邏輯和工藝交互設計界面。系統自動尋找此零件所屬的族，在找到所屬的零件族后，又轉入工藝規則庫將零件族的成組工藝文件檢索出來，顯示在屏幕上，然后根據需要，對工藝規程進行修改、插入、打印或刪除。成組工藝快速檢索和自動修訂決策過程工作流程圖如圖4所示。

5 結語

通過對制造部門內眾多零件的梳理分析，基于成組技術實現零件分族，提出單元內零件模塊化管理及面向單元資源的工藝設計。解決了相似結構零件工藝路線不一致、缺乏工藝經驗知識有效繼承等問題。通過運用編碼規則，建立零件族數據庫，按照族內典型零件設計標準工藝，建立標準工藝規則庫，為此類零件制造工藝庫的開發和制造工藝的繼承、優化創造了基本條件。利用編程對CAPP系統進行二次開發，實現零件工藝編碼與相關文檔信息的鏈接，提高零件工藝規劃制定的速度、質量及效率。

［1］機械加工工藝裝備設計手冊編委會.機械加工工藝裝備設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［2］王愛民，肖田元，范莉亞，等.面向產品族的制造單元聚類規劃研究［J］.計算機集成制造系統，2004，10(10).

［3］陳春寶，王麗亞.基于零件編碼與聚類算法的零件族構造［J］.上海交通大學學報，2005，39(7).

［4］劉書暖，張振明，田錫天，等.基于聚類分析法的典型工藝路線發現方法［J］.計算機集成制造系統，2006，12(7).

［5］蘇春，許映秋，張康，等.基于成組技術的多品種小批量產品工藝編碼規則研究［J］.成組技術與生產現代化，2005，22(4).