第9章成組技術(shù)

§9.1成組技術(shù)的基本原理

9.1.1成組技術(shù)基本原理

傳統(tǒng)的單件小批量生產(chǎn)模式主要有下列一些問題：（1）生產(chǎn)計劃、組織管理復雜化（2）零件從投料至加工成成品和總生產(chǎn)時間（生產(chǎn)周期）較長（3）生產(chǎn)準備工作量極大（4）產(chǎn)量小限制了先進生產(chǎn)技術(shù)的采用成組技術(shù)GT（GroupTechnology）就是為了解決這些問題而產(chǎn)生和發(fā)展起來的一項新技術(shù)。它是一門生產(chǎn)技術(shù)科學，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，尋求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)濟效益。

9.1.2成組技術(shù)的發(fā)展

50年代末60年代初，成組技術(shù)傳入東歐和西歐各國。

60年代以后，日本、美國也積極采用成組技術(shù)，并取得效果。數(shù)控機床自1952年在美國問世以來，近30年的生產(chǎn)實踐顯示了它的一系列優(yōu)越性。分類編碼方法和技術(shù)文件的統(tǒng)一化，使各級計算機管理系統(tǒng)便于聯(lián)網(wǎng)，由此可實現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟信息這一社會智力資源的共享。我國早在60年代初就在紡織機械、飛機、機床及工程機械等機械制造業(yè)中推廣應用成組技術(shù)，并初見成效。進入80年代成組技術(shù)在我國得到廣泛應用。機械設計研究總院組織研制了全國機械零件分類編碼系統(tǒng)JLBM-1§9.2零件的分類編碼系統(tǒng)

9.2.1零件的代碼

1．零件的識別碼

產(chǎn)品中每種基本零件都必須有自己的“識別碼”，借以與產(chǎn)品中的其它零件相區(qū)別。這種零件的識別碼，也就是零件的件號或圖號。零件的識別碼是唯一的，即每種基本零件只應有、也只能有一個件號或圖號。

2．零件的分類碼

零件的分類碼是推行成組技術(shù)時才提出的,這是因為：（1）單有零件的識別碼，并不能按成組技術(shù)要求組織生產(chǎn)。（2）為了推行成組技術(shù)的需要，零件除了必須擁有自己唯一的識別碼外，還必須擁有分類碼。

9.2.2零件分類編碼的作用在實施成組技術(shù)的步驟中，首先要建立符合企業(yè)生產(chǎn)特點的零件分類編碼系統(tǒng)。零件分類編碼系統(tǒng)并非只對零件的分類分組有用，其作用和意義遠比分類分組深刻得多。對產(chǎn)品零件進行分類分組，那只是零件分類編碼系統(tǒng)的功能之一。何況，零件的分類分組也并非單純依靠零件分類編碼系統(tǒng)便可完全解決的。此處必須強調(diào)的是，除了能對零件分類分組外，零件分類編碼系統(tǒng)的主要功能還在于能搜集和檢索有關(guān)零件從設計、工藝到生產(chǎn)的各種信息。其主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)利用零件分類編碼結(jié)果得出企業(yè)的零件頻譜匯總?cè)慨a(chǎn)品中自制零件的分類碼，并統(tǒng)計出其中每個碼位上的每個代碼的出現(xiàn)頻率，便可得出企業(yè)產(chǎn)品零件總體在每個結(jié)構(gòu)一工藝持祉上的統(tǒng)計分。這些統(tǒng)計分布便構(gòu)成企業(yè)的產(chǎn)品零件頻譜，或簡稱零件譜。

（2）零件分類編碼的結(jié)果是實現(xiàn)設計一工藝標準化的基礎通過整理零件分類編碼的結(jié)果，便能匯集出相似結(jié)構(gòu)一工藝的零件組。這就為實現(xiàn)相似零件的結(jié)構(gòu)標準化、通用化和系列化，以及為制造相似零件所用的工藝規(guī)程及其工藝裝備的標準化、專業(yè)化、自動化奠定了基礎，從而能顯著提高企業(yè)在產(chǎn)品設計和工藝準備方面的標準化水平。

（3）零件分類編碼的結(jié)果提供了有效的檢索手段利用分類編碼結(jié)果，按類組整理已有的有關(guān)零件的各種技術(shù)相生產(chǎn)方面的資料，然后便可按零件的分類碼進行檢索提取。這樣便能使大量已有的、并被證明是十分可靠的資料，能夠得到重復利用，因而便可大大節(jié)約不必要的重復勞動，充分做到物盡其用，杜絕一切可能的浪費。這樣也有利于提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

(4)零件分類編碼系統(tǒng)的推廣應用有利于實現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn)

如果零件分類編碼系統(tǒng)的應用不是局限于個別企業(yè)，而是延伸到整個行業(yè)，乃至整個部門。則能從行業(yè)的或部門的產(chǎn)品中找出更多的結(jié)構(gòu)一工藝相似曲軍部件來，組織成先進的按零部件專業(yè)化的集中生產(chǎn)，以克服歷來將相似零部件按產(chǎn)品專業(yè)比分散生產(chǎn)的弊病。

（5）零件分類編碼系統(tǒng)的應用有助于生產(chǎn)信息管理人類社會正步入一個嶄新的信息時代。持別是現(xiàn)代機械制造企業(yè)面對科學技術(shù)突飛猛進、社會需求多樣多變、市場競爭口益激烈的嚴峻環(huán)境，企業(yè)為了謀求生存和發(fā)展，必須對外部環(huán)境的瞬息變化，作出迅速的決策和反應。這便需要依靠及時準確地向企業(yè)領導部門提供各種必要的信息，作為制訂決策的依據(jù)。若按傳統(tǒng)的手工作業(yè)方式來匯集和處理企業(yè)生產(chǎn)活動中的浩確信息，則將必然延誤時機。從而使企業(yè)的經(jīng)營決策因跟不上外部環(huán)境的迅速變化，而蒙受經(jīng)濟上的打擊和損失。因此，現(xiàn)代企業(yè)必須重視生產(chǎn)經(jīng)營信息，而且必須借助計算機進行信息管理。

9.2.3零件分類編碼原理和概念

1．零件的分類原理和概念

本小節(jié)僅限于討論分類原理與概念而不涉及編碼。有關(guān)編碼問題將在下一小節(jié)中闡述。

(1)分類分類是人類認識客觀世界的重要工具，是科學賴以產(chǎn)生的基礎。

(2)分類系統(tǒng)分類系統(tǒng)是為了達到一定分類目的和要求而采用的相應分類原理、規(guī)則和步驟所構(gòu)成的一個體系的總稱。

(3)分類環(huán)節(jié)分類環(huán)節(jié)是事物在分類過程中所經(jīng)歷的每個層次或步驟。

(4)分類標志分類標志是事物賴以進行分類的依據(jù)。分類標志往往選取被分類事物所固有的特征和屬性。

2．分類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

(1)按橫向分類環(huán)節(jié)的多少來分

1）少環(huán)節(jié)分類系統(tǒng)這類分類系統(tǒng)的橫向分類環(huán)節(jié)數(shù)量一般不超過9個。主要適用于手工分類場合，以便于記憶和實際使用。

2）多環(huán)節(jié)分類系統(tǒng)這類分類系統(tǒng)的橫向分類環(huán)節(jié)數(shù)量都在9個以上。主要宜于采用計算機輔助分類。

(2)按橫向分類環(huán)節(jié)間的相互關(guān)系來分

1）獨立環(huán)節(jié)的分類系統(tǒng)若系統(tǒng)內(nèi)各橫向分類環(huán)節(jié)之間彼此完全獨立而互不相干，則這樣的橫向分類環(huán)節(jié)便是獨立環(huán)節(jié)

2）關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)的分類系統(tǒng)一般地說，若系統(tǒng)中相鄰橫向分類環(huán)節(jié)之間有從屬關(guān)系而互相關(guān)聯(lián)，則這樣的橫向分類環(huán)節(jié)便稱作關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)。

3）混合環(huán)節(jié)的分類系統(tǒng)這種分類系統(tǒng)中的橫向分類環(huán)節(jié)既有獨立環(huán)節(jié)又有關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)，因此屬于兼有鏈式結(jié)構(gòu)和樹式結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)。

(3)按分類系統(tǒng)的用途來分

1）供設計檢索用的分類系統(tǒng)這種系統(tǒng)的主要特點在于所選用的分類標志偏重在零件結(jié)構(gòu)特征方面。

2）供工藝標準化用的分類系統(tǒng)此處主要偏重于零件的工藝特點。

3）設計與工藝兼顧的分類系統(tǒng)目前許多分類系統(tǒng)都是制訂成設計與工藝兼顧的。

(4)按分類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的表達形式分

1）表格式分類系統(tǒng)這種用表格形式來表達的分類系統(tǒng)，是目前流行的表達形式。

2）決策樹式分類系統(tǒng)這是一種新的、有發(fā)展前途的表達形式，這種決策樹的邏輯性強。

9.2.4常用的零件分類編碼系統(tǒng)

1．VUOSO零件分類編碼系統(tǒng)

VUOSO零件分類編碼系統(tǒng)是成組技術(shù)中最早出現(xiàn)的零件分類編碼系統(tǒng)。目前許多現(xiàn)有的零件分類編碼系統(tǒng)，大體上都是以VUOSO系統(tǒng)演變而來的。VUOSO系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)即如圖9.8所示。

圖9.8VUOSO分類編碼系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

VUOSO系統(tǒng)的第一個橫向分類環(huán)節(jié)稱為“類”，主要用來區(qū)分：回轉(zhuǎn)體類零件、非回轉(zhuǎn)體類零件，以及用除機械加工以外的其它工藝方法（如：彎曲、焊接、成型等）所獲得的零件。第一橫向分類環(huán)節(jié)下，設有8個縱向分類環(huán)節(jié)。

VUOSO系統(tǒng)的第二橫向分類環(huán)節(jié)稱為“級”。主要用來區(qū)分零件的大小和重量，借此也同時描述零件的基本形狀。對于回轉(zhuǎn)體零件，此處采用最大外徑D以及最大長度L與最大外徑D之比，便可很容易地區(qū)分回轉(zhuǎn)體類零件中的盤蓋類、短軸與套筒類、長軸類。

VUOSO系統(tǒng)第三個橫向分類環(huán)節(jié)稱為“組”。主要是在上述兩個橫向分類環(huán)節(jié)所確定的零件基本形狀的基礎上，進一步描述零件結(jié)構(gòu)形狀的細節(jié)。

VUOSO系統(tǒng)中的第一、二、三個橫向環(huán)節(jié)都是關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)。

VUOSO系統(tǒng)的第四個橫向分類環(huán)節(jié)稱為“型”。主要用來表示零件所用的材料和毛坯種類。圖9.11按VUOSO系統(tǒng)分類編碼的示例

2．OPITZ零件分類編碼系統(tǒng)

OPITZ系統(tǒng)是一個十進制的九位代碼的混合結(jié)構(gòu)分類編碼系統(tǒng)。

OPITZ系統(tǒng)的基本示意，如圖9.10所示。圖9.10OPITZ分類編碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

OPITZ系統(tǒng)前面五個橫向分類環(huán)節(jié)主要用來描述零件的基本形狀要素。第一個橫向分類環(huán)節(jié)主要用來區(qū)分回轉(zhuǎn)體類與非回轉(zhuǎn)體類的零件類別。系統(tǒng)的第二個橫向分類環(huán)節(jié)至第五個橫向分類環(huán)節(jié)，則是針對第一個橫向分類環(huán)節(jié)中所確定的零件類別的形狀細節(jié)，作進一步的描述并細分。

OPITZ系統(tǒng)的輔助碼部分，實際上是一個公用部分。即不論回轉(zhuǎn)體類或非回轉(zhuǎn)體類零件，均需用到這一部分，故而這一部分的橫向分類環(huán)節(jié)皆為獨立環(huán)節(jié)，與其前面的所謂主碼部分互不相干。輔助碼部分從第六個橫向分類環(huán)節(jié)開始，用來劃分零件的主要尺寸。第七個橫向分類環(huán)節(jié)是以材料種類作為其分類標志，但其中也附帶考慮部分熱處理信息。第八個橫向分類環(huán)節(jié)的分類標志為毛坯原始形狀。第九個橫向分類環(huán)節(jié)，則是說明零件加工精度的分類標志圖9.13零件OPITZ系統(tǒng)編碼實例

3．JLBM-1零件分類編碼系統(tǒng)

JLBM-1系統(tǒng)是我國原機械工業(yè)部門為在機械加工中推行成組技術(shù)而開發(fā)的一種零件分類編碼系統(tǒng)。這一系統(tǒng)經(jīng)過先后四次的修訂已于1984年正式作為我國機械工業(yè)部的技術(shù)指導資料。

JLBM-1系統(tǒng)是一個十進制十五位代碼的混合結(jié)構(gòu)分類編碼系統(tǒng)。它的基本結(jié)構(gòu)即如圖9.12所示。

JLBM-1系統(tǒng)增加了形狀加工的環(huán)節(jié)，因而比OPITZ系統(tǒng)可以容納較多的分類標志，同時，它在系統(tǒng)的總體組成上，要比OPITZ系統(tǒng)簡單，因此也易于使用。圖9.14JLBM-1分類編碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖9.15JLBM-1分類編碼系統(tǒng)的分類編碼示例

§9.3零件的分組方法

目前應用的零件分類方法主要有：視檢法、生產(chǎn)流程分析法和編碼分類法。

9.3.1生產(chǎn)流程法（ProductionFlowAnalysis—PFA）

生產(chǎn)流程分析是研究工廠生產(chǎn)活動中物料流程客觀規(guī)律的一種統(tǒng)計分析方法。它著重分析生產(chǎn)過程中從原材料到產(chǎn)品的物料流程，研究最佳的物料流程系統(tǒng)。

1．順序分枝法順序分枝法乃是將待分類的全部零件按其工藝過程逐個地判別，使之歸屬于相應的各級分枝組。為便于分析工作，應將零件工藝過程編碼。為此，可采用機床（設備）或工序代碼。用順序分枝法對零件分類包括兩個過程：分枝過程和并枝過程。

若將兩個分枝組之間的工藝過程相似程度定義為親密度，則可并枝的兩分枝組它們之間的親密度關(guān)系可區(qū)分為高、中、低三級：（1）高親密度關(guān)系（2）中親密度關(guān)系（3）低親密度關(guān)系并枝成組時，宜于從最高級分枝組開始逐次尋求可并枝的次一級枝組。當然，最先應按高親密度關(guān)系并枝，然后求其次按中親密度關(guān)系并枝，最后，若需要可放寬相似性按低親密度關(guān)系并枝，并適當?shù)匾?guī)定允許的最低并枝水平。

2．聚類分析法

聚類分析法是一種數(shù)值分類方法，它是數(shù)理統(tǒng)計中研究物以類聚的一種多元分析方法，即用某一數(shù)學統(tǒng)計量定量地確定樣品之間的親疏關(guān)系，從而客觀地將樣品分類。

(1)基本概念

1）樣品樣品是分類對象的單一個體。

2）分類全域與類分類全域為欲分類的樣品全體。類是分類全域的一個子集。

3）相似系數(shù)相似系數(shù)是描述兩個樣品之間相似程度的統(tǒng)計量

(2)聚類方法和類相似系數(shù)這種構(gòu)造樣品與類或類類之間相似系數(shù)統(tǒng)計量的法則稱為聚類方法，該統(tǒng)計量稱為類相似系數(shù)?？梢杂妙愊嗨葡禂?shù)定義以下常用的幾種聚類方法：

1）最近距離法（SingleLinkageMethod）兩個類之間的類相似系數(shù)定義為一個類中所有樣品和另一個類中所有樣品之間的各相似系數(shù)的最大值。

2）最遠距離法（CompleteLinkageMethod）兩個類之間的類相似系數(shù)定義為一個類中所有樣品和另一個類中所有樣品之間的各相似系數(shù)的最小值。

3）類平均法（AverageLinkageMethod）兩個類分別有np及nq個樣品，這兩個類之間的類相似系數(shù)定義為所有np×nq個樣品對之間相似系數(shù)的算術(shù)平均值。還有其他多種聚類方法，如中值法、可變類平均法及可變法等?？梢杂眠f推的算法計算出每聚合一個新類之后該類與其他類之間的類相似系數(shù)。

(3)聚類分析法的零件分類本分類方法是根據(jù)規(guī)定的統(tǒng)計量為判據(jù)將多種零件逐次聚合成類。為此，首先應計算出零件之間的各相似系數(shù)，據(jù)此列出原始相似系數(shù)矩陣表，將矩陣中相似系數(shù)數(shù)值最高的一對零件聚合成新類。

9.3.2編碼分類法

1．零件分類的相似性標準

按某些相似特征將零件分類，困難在于制訂適宜的相似性標準。在掌握相似性標準時，應注意到兩個方面

(1)相似性標準不能太高，要求過嚴，以致使零件不易匯集成組。

(2)相似性標準不能太低，過于粗略，以致歸屬于同一組的零件種數(shù)太多，使組內(nèi)零件間差異性太大，從而妨礙了很好地利用零件的相似性。為制定零件族相似性標準有下列三種方法：特征碼位法、碼域法及特征位碼域法。

2．特征碼位法

在編碼中選用若干特征碼位來制定分類的相似性標準，只要是特征碼位代碼相同的零件皆可以歸屬于同一零件組。圖9.17特征碼位法

3．碼域法

制定相似性標準除特征碼位法以外，尚可采用碼域法，即適當放寬每一碼位相似特征方面的范圍，這樣就允許編碼雖不相同，但具有一定零件特征相似性的零件仍可歸屬于同一零件組，即適當?shù)財U大了成組的零件種數(shù)。

圖9.18碼域法

4．特征位碼域法

這種方法只要求零件在特征碼位的碼值在規(guī)定的碼域內(nèi)，它是上述兩種方法的綜合，因而能兼?zhèn)涠叩奶攸c，即既能抓住零件分類的主要特征方面，又能適當放寬其相似性要求，以期得到滿意的分類結(jié)果。

圖9.19特征位碼域法

9.3.3勢函數(shù)法勢函數(shù)法進行零件的分類成組過程如圖9.20所示，其分類步驟如下：

1)將欲分類的零件用二維特征矩陣進行描述，例如可用8×9的二維矩陣來描述零件的幾何特征和工藝特征，在圖9.20中，

Xt=(Xt1,Xt2,Xt3,```,Xt72)

該二維矩陣為了便于光電掃描輸入，用了黑白表示，黑的為“1”，白的為“0”。圖9.20零件分類成組的勢函數(shù)法過程2)用光電掃描裝置依次把各個零件的二維矩陣讀入計算機。3)計算機用勢函數(shù)方程計算出各個零件的勢函數(shù)值。4)為各零件族選定一個參考零件，它應盡可能包括該族零件的各種特征，參考零件的幾何特征和工藝特征同樣也用8×9的二維矩陣描述，在圖9.20中，

Ye(r)=(Ye1(r),Ye2(r),…,Ye72(r))5)將輸入分類零件的勢函數(shù)值與參考零件的勢函數(shù)值進行比較，通過規(guī)格化，使參考零件的勢函數(shù)值為1，零件的勢函數(shù)值在0~1之間，相近勢函數(shù)值的零件即可歸組。

圖9.21為利用勢函數(shù)法進行零件分類的例子，零件No.1為參考零件，其勢函數(shù)值為1，其他零件的勢函數(shù)值見圖中右表所示。利用勢函數(shù)法進行零件分類實際上是用勢函數(shù)值來表達零件之間的相似性。該法可在計算機上進行，效率高，效果好，是一種計算機輔助零件分類方法。

圖9.21利用勢函數(shù)法進行零件分類的實例§9.4成組技術(shù)的應用

9.4.1成組技術(shù)在設計中的應用

以成組技術(shù)基本原理指導產(chǎn)品設計，不僅能保證最大限度地重復使用原有的設計信息，還可以賦予產(chǎn)品零件部件間更高的相似性，為后繼生產(chǎn)活動實施成組技術(shù)奠定了良好的基礎。因此，為獲得全面實施成組技術(shù)的綜合經(jīng)濟效益，首先應在產(chǎn)品設計中應用成組技術(shù)。在產(chǎn)品設計中，標準化、系列化、通用化是減少重復設計，減少基本件數(shù)的基本方法。利用成組技術(shù)進行零件標準化設計可變單件小批量為中大批生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)效率。成組技術(shù)要求在新產(chǎn)品設計中，盡量采用已有產(chǎn)品的零件，減少零件形狀，零件上的功能要素以及尺寸的離散性。下面介紹應用成組技術(shù)的零件標準化設計方法——復合零件法。

9.4.2成組技術(shù)在工藝過程中的應用

成組技術(shù)在工藝設計中應用的基本思想是著眼于零件工藝過程的相似性。只要多類零件的某一工序能在同一設備上用相同的工藝裝備和調(diào)整方法進行加工，則這幾類零件在這一工序上可以并成一組。常用的成組工藝設計方法有