基于成組技術(shù)的工藝裝備研究與應(yīng)用

劉 剛，李 瑞，李 昆

(航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司 工藝技術(shù)部，陜西 西安 710077)

成組技術(shù)(GT-Group Technology)是一門工程技術(shù)科學(xué)，研究如何識別和發(fā)掘生產(chǎn)活動中有關(guān)事物的相似性，并充分利用它，即把相似的問題歸類成組，設(shè)計(jì)解決這一組問題相對統(tǒng)一的最優(yōu)方案，以取得所期望的經(jīng)濟(jì)效益[1].成組技術(shù)巧妙地把品種多轉(zhuǎn)化為“少”，把批量小轉(zhuǎn)化為“大”，將相似的工作和內(nèi)容歸并處理，來提高系統(tǒng)的柔性、可重構(gòu)性、效率等.通過成組技術(shù)，生產(chǎn)中主要矛盾得到有條件的轉(zhuǎn)化，多品種、小批量生產(chǎn)方式的經(jīng)濟(jì)效益將會顯著提高.

目前，許多學(xué)者將成組技術(shù)與自動化生產(chǎn)、精益生產(chǎn)、敏捷制造、大規(guī)模定制等結(jié)合起來，進(jìn)行了大量研究[2-3].隨著制造技術(shù)的發(fā)展，它越來越顯得光彩奪目，越來越重要.成組技術(shù)作為指導(dǎo)多品種、小批量生產(chǎn)的基本法則，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一[4].

1 工藝裝備中應(yīng)用成組技術(shù)的意義

航空制造業(yè)大多采用多品種、小批量、變狀態(tài)的制造模式，新研產(chǎn)品迭代快，工藝裝備的需求量逐年遞增，但傳統(tǒng)的工藝裝備管理與使用方法伴隨著大量的重復(fù)性工作，并且設(shè)計(jì)任務(wù)重，繼承性差，不可重復(fù)利用，進(jìn)而造成工藝裝備的設(shè)計(jì)和制造費(fèi)用大增，浪費(fèi)和庫存量都很大.此外，不同工裝設(shè)計(jì)者對相同工序的工藝裝備理解不同，缺乏規(guī)范，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的工藝裝備各異，設(shè)計(jì)制造周期長，生產(chǎn)現(xiàn)場使用的統(tǒng)一性和互換性差，造成機(jī)床調(diào)整時間長，加工質(zhì)量不穩(wěn)定.因此，對工藝裝備實(shí)施“三化”，即標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化是非常必要的.采用成組技術(shù)，針對加工方法、安裝方式和輪廓尺寸相同或相近的產(chǎn)品，可設(shè)計(jì)專用工藝裝備；利用成組技術(shù)對工藝裝備的基體、夾緊機(jī)構(gòu)和傳動裝置、定位方式等進(jìn)行相似性研究，可設(shè)計(jì)柔性化的工藝裝備；利用成組技術(shù)，對相似的工作內(nèi)容進(jìn)行歸并處理，提高成組批量，制造企業(yè)能更好地適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)，取得規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益.

以多品種、小批量方式進(jìn)行生產(chǎn)的航空企業(yè)，采用傳統(tǒng)的工藝技術(shù)及工藝裝備，要實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)幾乎是不可能的，因?yàn)槠涑杀就度脒h(yuǎn)遠(yuǎn)大于收益，而且其生產(chǎn)組織的復(fù)雜性及負(fù)荷特別大.開展成組工藝技術(shù)及裝備研究、成組生產(chǎn)管理研究，使得多品種變?yōu)椤吧佟逼贩N，小批量變?yōu)椤按蟆迸?，將多品種的個性化轉(zhuǎn)化為共性，可降低工藝維度,增強(qiáng)工藝的收斂性，減少工藝裝備類型.成組工藝裝備能讓工裝與機(jī)床設(shè)備的接口統(tǒng)一，工裝與零件的接口成組化、柔性化.工藝裝備的成組化將輻射到工藝技術(shù)的成組化、生產(chǎn)組織的成組化，使得工序自動化成為可能.近年來，成組技術(shù)的推廣應(yīng)用與計(jì)算機(jī)、數(shù)控等技術(shù)的緊密結(jié)合，大大推動了柔性制造技術(shù)的發(fā)展，也標(biāo)志著中小批量產(chǎn)品生產(chǎn)自動化問題的解決.

2 工藝裝備分類的成組方法及編碼規(guī)則

工藝裝備的分類成組是實(shí)施成組工藝裝備技術(shù)的重要基礎(chǔ).工藝裝備的分類主要采用視檢法、生產(chǎn)流程分析法和編碼分類法.視檢法主要通過個人經(jīng)驗(yàn)將某些特征屬性相近的零件歸為一類；生產(chǎn)流程法是根據(jù)零件的生產(chǎn)流程和加工工藝對其分類的方法；編碼分類法則是將設(shè)計(jì)、制造方面的信息轉(zhuǎn)化為代碼，然后進(jìn)行分類[5].

工藝裝備的編碼是有關(guān)特征信息的組合，分類是將特征方面具有相似性的若干工藝裝備歸結(jié)在一起.因此，按照一定的相似性標(biāo)準(zhǔn)可直接引用編碼對工藝裝備進(jìn)行分類.相似性標(biāo)準(zhǔn)不宜太高，否則零件不易匯集成組，進(jìn)而導(dǎo)致不重要的特征差別掩蓋了實(shí)際存在的、并可利用的相似性；但相似性標(biāo)準(zhǔn)也不能太低，過于粗略將導(dǎo)致歸為同一組的零件種類太多，使組內(nèi)零件差異太大，進(jìn)而妨礙對零件相似性的利用.

工藝是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的重要紐帶.因此，成組工藝裝備必須建立在成組工藝的基礎(chǔ)上.首先將零件分為回轉(zhuǎn)體和非回轉(zhuǎn)體兩大類，然后進(jìn)行成組分類和編碼，同時考慮工件信息和工裝信息，形成表1所示的工藝裝備成組化分類編碼要素.

表1 工藝裝備成組化分類編碼要素

根據(jù)編碼要素及每個要素的縱向分類形成矩陣序列表，每個要素的縱向分類都對應(yīng)一個數(shù)字(0～9)，總共14個編碼要素.每一位編碼對應(yīng)的含義如表2所示.

表2 工藝裝備分類編碼中的編碼含義

注：表中○為空項(xiàng).

編碼除用于工藝裝備分類外，其作用和意義遠(yuǎn)比分類分組大.工藝裝備的分類編碼功能還體現(xiàn)在搜集和檢索有關(guān)工藝裝備從設(shè)計(jì)、工藝到生產(chǎn)的信息，編碼不但有利于計(jì)算機(jī)檢索，也有利于手工檢索[6-7].

以成組技術(shù)結(jié)合“三化”指導(dǎo)思想，對工藝裝備進(jìn)行標(biāo)識，不僅有利于工藝裝備知識條理化，而且對工藝裝備的設(shè)計(jì)、制造、管理和工藝裝備的標(biāo)準(zhǔn)化都有著非常重要的意義.

3 成組工藝裝備設(shè)計(jì)原則與裝備數(shù)據(jù)庫

3.1 成組工藝裝備設(shè)計(jì)原則

(1) 成組工藝裝備應(yīng)具有良好的可調(diào)性和結(jié)構(gòu)緊湊性.工藝裝備中的元件能夠迅速、可靠地更換，使得零件組中任何零件的定位都準(zhǔn)確，可靠.工藝裝備的成組性要求根據(jù)零件的尺寸組設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相近且大小不等的成組夾具，以保證其結(jié)構(gòu)的緊湊性.

(2) 應(yīng)明確同組零件的加工技術(shù)要求.工藝裝備的成組化設(shè)計(jì)需要考慮零件組內(nèi)最高加工技術(shù)要求和最低技術(shù)要求，以滿足零件組內(nèi)所有工藝裝備的技術(shù)要求.

(3) 設(shè)計(jì)的成組工藝裝備應(yīng)與零件的成組生產(chǎn)量相適應(yīng)，在符合經(jīng)濟(jì)性要求下盡可能地提高成組工藝裝備的使用頻率.

(4) 應(yīng)考慮設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化及可繼承性.成組工藝裝備的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化的元部件、結(jié)構(gòu)和裝置，同時，在標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的基礎(chǔ)上應(yīng)賦予其繼承性，以適應(yīng)產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代及品種增多的需要[8].

3.2 成組工藝裝備數(shù)據(jù)庫

基于成組工藝裝備的設(shè)計(jì)原則，可搭建工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，建立標(biāo)準(zhǔn)件庫、組件庫、知識庫等.圖1所示為成組工藝裝備數(shù)據(jù)庫中C/S知識庫和B/S知識庫界面.

C/S知識庫是基于CATIA軟件開發(fā)的，用于工藝裝備的快速設(shè)計(jì).快速設(shè)計(jì)建立在典型結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，而典型結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化能夠體現(xiàn)成組技術(shù)思想.根據(jù)成組技術(shù)，將典型結(jié)構(gòu)做成知識體系并建立驅(qū)動規(guī)則，以便為后期的知識驅(qū)動奠定基礎(chǔ).在成組工藝裝備數(shù)據(jù)庫中，B/S知識庫無縫鏈接C/S知識庫.B/S知識庫包括資源庫、公式庫等，為工藝裝備的設(shè)計(jì)提供常用的資料、標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的存儲等，同時提供可編輯的公式計(jì)算庫，為成組工藝裝備技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供平臺.

圖1 成組工藝裝備數(shù)據(jù)庫中C/S知識庫和B/S知識庫界面

4 成組工藝裝備的經(jīng)濟(jì)性分析

成組技術(shù)在工藝裝備中應(yīng)用分為更新原有工裝和新研成組工裝兩種.單從費(fèi)用和成本考慮，其經(jīng)濟(jì)平衡性可通過下式來衡量.

(1)

圖2 Fw與n的關(guān)系曲線

原有的通用工裝或?qū)Ｓ霉ぱb是否更新為成組工藝裝備，取決于成組工藝裝備的年度費(fèi)用、零件組的成組批量、更換成組工裝后單件的工序收益，即

(2)

式中：F為使用成組夾具的年度費(fèi)用，元/年；N為零件組的成組批量，件/年；S為更換成組工裝后單件工序收益，元/件；Pk為第k種零件全年投產(chǎn)批數(shù),批/年；Qk為第k種零件的批量,件/批.

成組技術(shù)在工藝裝備中應(yīng)用可獲得多方面的經(jīng)濟(jì)效益，尤其對多品種、小批量加工受到的技術(shù)手段限制，使工藝裝備的設(shè)計(jì)、制造、管理更趨合理.工藝裝備成組化符合經(jīng)濟(jì)性要求，對工藝裝備的“三化”、設(shè)計(jì)周期的縮短、工作量的減少、加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的提升將有很大的促進(jìn)作用，從而降低產(chǎn)品廢品率和勞動強(qiáng)度，縮短輔助時間，提高企業(yè)的競爭力.成組技術(shù)在工藝裝備中應(yīng)用的效益分析如圖3所示.

圖3 成組技術(shù)在工藝裝備中應(yīng)用的效益分析

5 工藝裝備成組化的應(yīng)用實(shí)例

5.1 某系列齒殼體工藝裝備成組化實(shí)例

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，某系列齒殼體產(chǎn)品19種，外形和尺寸略有不同，但其加工工序及設(shè)備類型非常相近.在所用夾具成組化之前，該系列齒殼體的裝夾方式各異，工序分散，每道工序幾乎都需要專用夾具，而且夾具的互換性較差.因此，采用成組技術(shù)對其工藝裝備進(jìn)行了圖4所示的優(yōu)化.

1-定位齒面；2-加工面；3-加工面；4-快換拉釘；5-快換拉釘圖4 某系列齒殼體的成組工藝裝備優(yōu)化過程

該系列齒殼體產(chǎn)品的加工內(nèi)容為精銑外形及兩側(cè)面(圖4中2和3位置)的打孔.原來需要5道工序，4套專用夾具來完成加工，加工效率低下，且工裝的數(shù)量多，成本高.采用成組技術(shù)對該工序的工藝裝備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)及工藝方案的優(yōu)化后，只需要兩道工序，且工藝裝備只需要兩套標(biāo)準(zhǔn)底座、一套標(biāo)準(zhǔn)快換模塊，就可以完成加工.其具體方案如下：在齒加工完成后，以圖4中1位置為定位齒面，采取反漲芯軸定位、銷孔定向，在反漲芯軸上下面安裝快換拉釘(圖4中4和5位置)；由于該系列齒殼體產(chǎn)品的定位齒頂圓的直徑相同，因此可以將該系列齒殼體產(chǎn)品成組化；由于該系列齒殼體產(chǎn)品的裝夾方式相同，因此可將其相應(yīng)夾具模塊化；采用四軸橋板，將一次性加工完正面和側(cè)面的銑削，快換反面后加工另外一面；由于該系列齒殼體產(chǎn)品側(cè)面的孔與側(cè)面有角度關(guān)系(圖5)，因此可利用四軸裝夾，完成側(cè)面的孔位加工.

通過夾具的成組化設(shè)計(jì)，工序合并，可一次裝夾而進(jìn)行多面加工，提高了加工效率,且實(shí)現(xiàn)了夾具的模塊化、系列化設(shè)計(jì)，降低了夾具需求量和成本，提高了產(chǎn)品的資源重復(fù)利用率、加工穩(wěn)定性和質(zhì)量.

圖5 某系列齒殼體的側(cè)面孔位

5.2 車床成組化工藝裝備實(shí)例

原來以外圓或內(nèi)孔定位的車床工序，粗加工時用三爪定位，三爪的自定心差，每次換爪都要重新找正；在半精加工或精加工時，一般采用軟爪裝夾定位，且更換軟爪時需要重新鏜削軟爪，換裝、找正調(diào)整時間長.此外，三爪裝夾的離心力較大，因而無法獲得設(shè)備的高轉(zhuǎn)速.

通過梳理零件類型及裝夾方式，對工藝裝備進(jìn)行模塊化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，以圖6所示的車床成組快換夾具中1(卡盤)作為標(biāo)準(zhǔn)基座，將2(圓錐快換夾頭)做成系列化(其直徑為4～65 mm)快換模塊.每個模塊的裝夾范圍為±0.5 mm.只需更換快換夾頭，即可在1 min時間內(nèi)完成換裝.換裝簡單，易操作.

(a) 外圓定位快換模塊

(b) 內(nèi)孔定位反漲快換模塊1-卡盤；2-圓錐快換夾頭；3-六角快換夾頭；4-反漲快換芯軸圖6 車床的成組快換夾具

現(xiàn)場試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，采用成組化工裝設(shè)備，車床換裝效率至少可提高1/3.圖6中的4是針對內(nèi)孔定位設(shè)計(jì)的反漲快換模塊.根據(jù)不同的定位孔直徑，換裝時只需更換反漲芯軸即可.這樣，工藝裝備的成組化，大大地減少了材料的浪費(fèi)，提高了設(shè)計(jì)效率和夾具的重復(fù)利用率.

5.3 加工中心多面加工工藝裝備成組化實(shí)例

某殼體加工車間，殼體種類多達(dá)數(shù)十種，殼體的加工特征較多，孔系與其他特征之間的形位關(guān)系復(fù)雜，多次裝夾很難保證加工質(zhì)量.通過分析該系列齒殼體的加工設(shè)備特點(diǎn)及其加工要求，可找出裝夾方式的共性.針對圖7所示某系列齒殼體在旋轉(zhuǎn)工作臺上的裝夾方式，使殼體零件M與殼體零件N留有統(tǒng)一的附加項(xiàng)，并采用兩銷定位、螺釘反拉的同一種裝夾方式.其夾具的結(jié)構(gòu)如圖8所示.這樣，工序集中，一次裝夾可以加工5個面，并且，幾十種齒殼體在特定工序中的夾具模塊可實(shí)現(xiàn)互換，既減少了工藝裝備的設(shè)計(jì)和制造工作量，又大大縮短了新品研制周期，降低了工藝裝備成本.

(a) 零件M的裝夾 (b) 零件N的裝夾圖7 某系列齒殼體在旋轉(zhuǎn)工作臺上的裝夾方式

圖8 某系列齒殼體成組夾具的結(jié)構(gòu)示意圖

6 結(jié)束語

成組技術(shù)是解決多品種、小批量生產(chǎn)問題的科學(xué)技術(shù)，成組技術(shù)在工藝裝備中的應(yīng)用能夠促進(jìn)工藝裝備的“三化”.實(shí)踐證明，成組工藝裝備不僅能夠降低成本、縮短新品研制周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高工裝利用率，而且能夠優(yōu)化工藝方案，充分利用設(shè)備功能，提高加工自動化程度.從近期看，應(yīng)用成組技術(shù)是對工藝方案的補(bǔ)充，是降本增效的物質(zhì)基礎(chǔ).從長遠(yuǎn)看，成組技術(shù)使新品工藝裝備的設(shè)計(jì)有了“標(biāo)準(zhǔn)”“經(jīng)驗(yàn)”，可降低預(yù)研風(fēng)險(xiǎn)，提高新品研制的效率，為多品種、小批量、新品批產(chǎn)混線的自動化生產(chǎn)提供技術(shù)支持.