基于成組技術的單件小批量產品工藝設計方法研究

白俊峰，張 威，王安妮，何恩求，陳驥馳

（1.沈陽鼓風機集團股份有限公司透平工藝部，沈陽 110869；2.沈陽工業大學 化工裝備學院，遼寧 遼陽 111003；3.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870）

隨著精益管理在生產線企業的深入發展，針對單件小批量產品類型企業，精益管理所帶來的經營效果仍顯不佳，其中最直接的原因就是標準化、系列化程度低，作業方式復雜，單臺產品成本中員工勞動成本所占比例較高，因此為降低員工勞動成本，就需要提升產品生產中各環節員工的生產效率。其中工藝人員針對單件小批量產品的產前工藝設計工作尤為復雜，產前工藝設計工作是由工藝人員針對某一種零部件編制與其相對應的工藝標準卡片內容，以指導車間針對該零部件的實際生產制造流程，由于針對不同型號產品零部件的工藝標準卡片內容也不盡相同，所以針對零部件樣式繁多、尺寸各異和結構復雜的產品線，工藝人員產前工藝設計周期通常較長，故需研究一種依托計算機輔助功能的工藝設計方法，以提升工藝人員工作效率，其中包括工藝標準卡片的輔助設計及工藝模板數據庫的應用。

1 工藝標準卡片的輔助設計

工藝標準卡片是指導車間實際生產制造的工藝方法及流程的有效依據。工藝標準卡片中通常包含多種詳細信息，其中主要包括產品代號、版本號、零部件圖號、零部件名稱、零件材質、工序號、作業區、工序名稱、工藝內容、工具工裝、工藝文件號、設備代號、工時、工藝簡圖、編制人、審核人、批準人及詳細日期等。工藝標準卡片示意圖如圖1所示。

圖1 工藝標準卡片示意圖

1.1 工藝知識庫的組成

工藝知識庫是工藝編制人員在工藝標準卡片里填寫的所有工藝信息的總和。工藝知識庫應該包括作業區合集、工序名稱合集、工藝工具合集、工藝守則合集、作業要領書合集、設備編號合集和工時合集；隨著工藝技術準備的快捷化操作的提升，工藝知識庫還可以包含工藝路線合集等。其中工藝標準卡片中的作業區列所對應的工藝知識庫中內容是作業區合集；工序名稱列所對應的工藝知識庫中內容是工序名稱合集；工藝工具列所對應的工藝知識庫中內容是工藝工具合集；工藝文件號所對應的工藝知識庫中內容是工藝守則合集和作業要領書合集；設備代號所對應的工藝知識庫中內容是設備編號合集；工時所對應的工藝知識庫中內容是工時合集。

1.2 工藝標準卡片與工藝知識庫的邏輯關系

工藝知識庫中的信息并不是孤立存在的，填寫在工藝標準卡片中的信息存在相應的邏輯關系，因此只要梳理出工藝知識庫中內容的邏輯關系，就可起到計算機輔助設計工藝標準卡片作用，提升工作效率和卡片內容質量，具體邏輯關系如圖2所示。

圖2 工藝知識庫中信息邏輯關系圖

1.2.1 零部件名稱、零部件圖號與零件材質

零部件名稱、零部件圖號與零件材質都是零部件設計圖紙中的固定信息，同時在工藝標準卡片中必須包含名稱、圖號和材料信息，因此可通過計算機自動提取功能將設計圖紙中零部件名稱、零部件圖號與零件材質信息自動提取并導入至工藝標準卡片中。

1.2.2 作業區

作業區是零部件制造過程中所在的車間或區域代號，是編制工藝標準卡片時最先填寫的項目，屬于工藝標準卡片中第一層級優先確定的選項。例如作業區有1、2、3、4、5車間，因此工藝標準卡片中只能填寫1~5中的其中一個數字，以代表零部件制造過程所在的作業區。

1.2.3 工序名稱

工序名稱是零部件在某一環節中具體的作業名稱，屬于工藝標準卡片中繼作業區確定之后的第二優先層級確定選項。例如作業區1車間確定后，工序名稱欄中只能在相對應的1車間可以進行制造作業的工序

中選擇。

1.2.4 設備編號

設備編號是制造工序所使用的設備代號，在確定了作業區和工序名稱后，設備編號即會被自動篩選出，屬于第三層級確定選項，通常一道工序會對應多種設備編號，工藝人員在填寫過程中需選擇其中一個。

1.2.5 工藝工具

工藝工具是某工序中所應用的夾具、量具、刀具和工裝，在確定了作業區、工序名稱和設備編號后，工藝工具可以自動篩選出，屬于第四層級確定選項。

1.2.6 工藝守則

工藝守則是某制造工序操作中需要遵循的工藝要求，在確定了作業區、工序名稱及零部件名稱后，工藝守則即會自動篩選出，屬于第四層級確定選項，通常需要依據零部件的名稱進行篩選。

1.2.7 作業要領書

作業要領書是某制造工序操作中需要遵循的作業要領，在確定了作業區、工序名稱及零部件名稱后，作業要領書即會自動篩選，屬于第四層級確定選項，通常需要依據零部件的名稱進行篩選。

1.2.8 工時

工時是針對某零部件在某一個制造過程中所需要的工作時間，工時不僅與零件名稱、材料和工藝知識庫中的工序名稱和設備編號有關，還與零件尺寸、加工余量相關，因此工藝知識庫中的工時信息應為范圍數值，為工藝人員編制工時提供參考，故工時應屬于第四層級確定選項。

1.2.9 工藝簡圖

工藝簡圖是制造過程中，針對重點工序繪制的零件工藝過程圖紙，通常需根據設計圖紙留有規定余量，若需要則工藝簡圖需附在工藝標準卡片最后頁。

1.2.10工藝輔助文件

工藝輔助文件是工藝人員在編制工藝標準卡片過程中可能需要參閱的相關規定、通知和差錯案例等輔助文件，對所有在工藝標準卡片中需要填寫的內容起指導及輔助編制作用，應伴隨出現在工藝標準卡片第一層級至第四層級篩選操作過程中。

2 工藝模板數據庫的建立與管理

工藝標準卡片模板簡稱工藝模板，工藝模板應包含針對某一零部件所對應的工藝標準卡片中所有的工藝信息，包括已經填寫完成的作業區、工序名稱、工藝內容、工藝工具、工藝文件號、設備代號和工時等信息，以便結構相同或者相似的零部件反復出現時工藝人員對工藝標準卡片內容的借用。大量工藝模板所組成的合集稱為工藝模板數據庫，工藝模板數據庫應由所有工藝零部件的工藝標準卡片文件組成，其最主要的特點是在有效存儲工藝模板文件的同時，還應具有一定的規則性和邏輯性，作用是方便工藝編制人員快速、準確找到所對應或所相似的工藝模板文件。其中最為實用的存儲邏輯方法是利用成組技術對工藝模板文件進行有序梳理。

成組技術是機械制造過程中的一種先進的科學的生產和組織管理方法，旨在識別和開發機械制造過程中各環節諸種信息間的相似性，采用適當的組織形式和先進技術，實現其工作的合理化、科學化，使多品種、中小批和單件生產的企業獲得較好的經濟和社會效益。其基本原理是對相似的零件進行識別和分組，相似的零件歸入一個零件組或零件族，并在設計和制造中充分利用它們的相似點，以獲取所期望的經濟效益。

2.1 工藝模板數據庫的結構

通過梳理、歸納所有產品件，把看似孤立的零件按相似性原理劃分為具有共性的一體，統一形成若干零件組，通過編制典型工藝標準卡片，從而使多品種小批量的工藝編制轉化為近似大批量的工藝內容復制。對于工藝編制人員，不再需要對零部件的生產工藝標準卡片進行逐個填寫，僅需要篩選零部件中的多個關鍵工藝特征并結合計算機輔助功能即可實現針對某一個零部件工藝標準卡片的自動導入，選擇流程如圖3所示。針對多品種、小批量和工序內容復雜的零部件的工藝標準卡片數據庫，采用此種結構存儲，有利于工藝人員在短時間內對工藝模板作出相對準確的選擇。

圖3 工藝標準卡片模板篩選流程圖

此種結構工藝模板數據庫雖方便工藝人員對工藝模板的快速、準確選擇，但是為實現工藝人員在選取工藝模板后對模板內容不修改或微修改的目的，則需要大量地細化工藝模板分類，從而需要編制大量工藝模板，以降低工藝模板數據庫的顆粒度，因此對工藝模板的實時維護及有效管理提出了更高的要求。

2.2 工藝模板數據庫的管理

針對工藝模板數據庫的管理方法應采用分類編碼方式進行。在成組技術中，分類編碼系統的結構有3種形式：樹式結構、鏈式結構及混合式結構。

經對比分析，根據上述工藝模板數據庫的存儲結構，采用樹式結構分類編碼形式最優。樹式結構碼位之間是隸屬關系，即除第一碼位內的特征碼外，其他各碼位的確切含義都要根據前一碼位來確定，如圖4所示。樹形結構的分類編碼系統所包含的特征信息量較多，能對零件特征進行較詳細的描述。

圖4 樹式分類編碼系統的結構形式

針對工藝模板分類結構，為便于工藝編制人員對工藝文件的選擇，將I層級設為零件名稱，II層級設為零件的第一層特征選項，III層級設為零件的第二層特征選項，以此類推，不同零部件的特征可以不同，但不影響編碼思路，為便于記憶和管理，不同零件在相同層級的特征應盡量保持相同或相似；同時針對單件小批量產品，由于零件種類繁多，所以零件名稱較多，為便于編碼工作，可以將I列編碼的數字更改為字母，實現字母與數字共同編碼規則。

例如零件名稱為“主軸”，II層特征為“棒料”和“鍛件”，針對“棒料”的下一層特征（即“主軸”的第二層特征）為“直徑小于等于400 mm”和“直徑大于400 mm”。根據樹式結構分類編碼原則，可以將I層級編碼設為“s”，II層級中第一個特征“棒料”編碼設為“0”，第III層級中第二個特征“直徑大于400 mm”編碼設為“1”。那么針對直徑大于400 mm的棒料主軸工藝標準卡片模板的編號即為s01，如圖5所示。

圖5 主軸樹式分類編碼系統的結構形式

3 生產率對比驗證

通過將產前工藝設計工作標準化、智能化改造，實現了工藝人員生產效率的有效提升。本文以靜態生產率作為對產前工藝設計工作效率的測評標準，其中靜態生產率是指某一給定時期的產出量與投入量之比，是測評期的絕對生產率，如公式（1）所示，可表示為

以某一個月為研究周期，經實際測算統計，原5人作業小組，每月工作22 d，每天用于工藝設計時間為8 h，一個月共完成產前工藝設計工作10臺，則其靜態生產率可通過公式（1）計算為

通過工藝標準卡片的輔助設計及工藝模板數據庫的應用，現作業小組人員及數量均不變，每月工作20 d，每天用于工藝設計時間為6 h，一個月完成產前工藝設計工作30臺，則其靜態生產率通過公式（1）計算為

經對比判斷，靜態生產率（現）數值遠高于靜態生產率（原），因此基于成組技術的單件小批量產品工藝文件數據庫的建立與應用可大幅提升工藝人員產前工藝設計工作效率。

4 結論

通過分析單件小批量產品結構及工藝標準卡片形式，介紹了工藝知識庫的基本內容，梳理了工藝標準卡片中內容與工藝知識庫的層級邏輯關系，實現了工藝標準卡片的計算機輔助設計，同時利用成組技術建立了樹形結構工藝標準卡片模板數據庫，提升了工藝人員編制工藝標準卡片的效率，并采用了樹式編碼規則方法對工藝模板數據庫信息進行編碼，降低了模板管理成本；經過實際測算，改善后產前工藝設計周期大幅縮短，工作效率大幅提升。