1、现代制造系统,第3章 先进制造模式（5） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,第3章 先进制造模式 3.1 精益生产 3.2 约束理论 3.3 成组技术 3.4 柔性制造系统 3.5 可重构制造系统 3.6 其它先进制造理论,回顾单元级制造系统的类型有哪些？ 答案： 工作中心、制造单元。,对于工作中心与制造单元两种形式， 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。,那可不可以全部采用制造单元的形式？ 思想：单元制造系统， 方法：成组技术。,单元制造系统,定义： 单元制造系统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。 注意
2、： 同一单元内也可以有相同的设备， 任一单元不一定包含全部类型的设备， 完全根据零件的加工需求划分单元。,单元制造系统的优点技术角度： （1）减少了零件物流时间， 因为物料都在单元内搬运； （2）减少了生产准备时间， 因为所加工的零件都相似； （3）简化了辅助工作时间， 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， 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， 因为方便采取看板系统等先进制造模式。,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， 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
3、多能”， 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， 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， 因为一种零件的全部或大部分工序都在同一单元内生产。,3.3 成组技术（group technology，GT）,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， 开始苏联推广应用， 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。,成组技术的两个部分： 一是划分零件族，由设计人员完成， 通常情况
4、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。 二是划分制造单元，由生产管理人员完成， 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（3）生产流程分析法。,（1）直观分析法,直观分析法主要考虑零件的相似性。 零件的相似性首先是零件结构上的， 其次是工艺特征上的，并且两者存在关联。,相似性的评价标准举例：,划分零件族举例： 齿轮减速箱的 零件分组示意图。,模块化设计（block-based design ）,为了支
5、持零件的分类编码，设计领域提出了模块化设计思想，其内容包括 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。 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。,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：,（2）零件分类编码技术,代表方法有德国的OPITZ、前苏联MNTPOAHOB，英国的BRISCH、日本的KK-3、美国的CODE，荷
6、兰的MICLASS等。 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。,类：描述零件基本轮廓形状，决定了零件的主要工艺过程和主要表面的加工（例如是否为回旋体）； 级：很巧妙地用两个尺寸参数（D与L/D）进一步描述了零件的几何形状，同时也确定了零件的安装方法和所应选用的机床（例如是盘型还是柱形）； 型：描述次要的结构要素，依附于主要轮廓形状上。因此，它们必须在主要轮廓形状经过粗或半精加工后方可加工。（例如螺纹、键槽等）。,回转体零件,有齿形、花键,轴线上有,轴线上有,无孔,盲孔,通孔,无孔,通孔,0,1,2,3,4,Dmax,（
7、L/D）max,0, 1,1 6, 6, 1,1 4, 4, 3, 3, 3, 30,1,2,3,4,5,41 80,6,81 200,7, 80,8, 200,9,其它, 40,类,级,VUOSO分类编码系统的码表,0,1,2,3,4,0,光滑或台阶,有花键,非金属,1,轴线上有螺纹,圆柱齿,其它,有花键,其它,有花键,其它,有花键,其它,有花键,灰铸铁,2,轴线外有孔,球铁或铸钢,3,有槽或平面,其它,有色金属,4,1+2,普通探钢,5,1+3,圆锥齿,蜗轮,多联齿,渗炭钢,6,2+3,淬硬钢,7,1+2+3,热处理钢,8,锥面,其它合金钢,9,异形,其它,有色金属,优质和合金钢,各种型板
8、线材和锻件,铸 件,组,型,VUOSO分类编码系统的码表（续）,光滑或台阶： 轴线上有螺纹： 轴线外有孔：,VUOSO分类编码系统中的特征举例：,VUOSO分类编码系统的编码图例：,2,0,2,2,构思,编码,检索,图册,检索结果,现有零件图完全合用； 现有零件图需作局部修改后即可适用； 现有零件图无法满足需要，只能另行设计。,VUOSO分类编码系统的应用：,（3）生产流程分析法,首先为相对简单的矩阵变换法， 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。,（3.1）排序聚类算法（rank order clus
9、ter, 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。,例题1：某车间拥有4台不同类型的机床，加工5种零件，分别以数字编号区分。机床与零件的对应关系如下表，表格某位置填“1”则表示该列对应的零件需要行对应的机床加工，“0”则不需要。 要求使用排序聚类算法划分制造单元。,零件,1,2,3,4,5,1,0,1,0,1,1,2,1,0,1,0,0,3,0,1,0,1,0,4,1,0,1,0,0,机床,例题1，解： 第一步， 将每行数据看作一个
10、二进制数， 转化为十进制，写在行末。,零件,1,2,3,4,5,1,0,1,0,1,1,11,2,1,0,1,0,0,20,3,0,1,0,1,0,10,4,1,0,1,0,0,20,机床,插述，二进制与十进制的相互转化方法： 二进制十进制，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=123+122+021+120 =8+4+0+1=13。 十进制二进制，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。,例题1，继续解： 第二步， 按每行的十进制数大小调整行排
11、列， 每次都是整行移动，不要只移动最后一列， 从大到小或从小到大均可，本例从大到小。,零件,1,2,3,4,5,2,1,0,1,0,0,20,4,1,0,1,0,0,20,1,0,1,0,1,1,11,3,0,1,0,1,0,10,机床,例题1，继续解： 第三步， 将每列数据看作一个二进制数， 转化为十进制，写在列末。,零件,1,2,3,4,5,2,1,0,1,0,0,4,1,0,1,0,0,1,0,1,0,1,1,3,0,1,0,1,0,12,3,12,3,2,机床,例题1，继续解： 第四步， 按每列的十进制数大小调整列排列， 每次都是整列移动，不要只移动最后一行， 从大到小或从小到大均可，
12、本例从大到小。,零件,1,3,2,4,5,2,1,1,0,0,0,4,1,1,0,0,0,1,0,0,1,1,1,3,0,0,1,1,0,12,12,3,3,2,机床,例题1，继续解： 复杂问题可能需要反复上述步骤多次，才能到达 最后一步，将矩阵分块，划分制造单元。 本例划分为2个制造单元： 制造单元1：机床2、4加工零件族1、3； 制造单元2：机床1、3加工零件族2、4、5。,零件,1,3,2,4,5,2,1,1,0,0,0,4,1,1,0,0,0,1,0,0,1,1,1,3,0,0,1,1,0,机床,（3.2）键能算法（bond energy analysis, BEA） 首先，定义矩阵的
13、有效性度量： 思考：“碎片状”的矩阵和成块状对角的矩阵那种有效性度量的值更大？ 答案：块状对角的矩阵的有效性度量值大。 问题：为何ME值的计算结果要乘以1/2？ 答案：因为任一两个矩阵元素的乘积关系被计算了两遍。,还是例题1：某车间拥有4台不同类型的机床，加工5种零件，分别以数字编号区分。机床与零件的对应关系如下表，表格某位置填“1”则表示该列对应的零件族需要行对应的机床加工，“0”则不需要。 要求使用键能算法划分制造单元。,零件,1,2,3,4,5,1,0,1,0,1,1,2,1,0,1,0,0,3,0,1,0,1,0,4,1,0,1,0,0,机床,例题1，解： 第一步，任选一行，本例选第1
14、行， 分别计算第2、3、4行与第1行相邻时 ME值的变化，结果如下：,零件,1,0,1,0,1,2,3,4,5,ME 变化,1,1,0,1,1,2,0,1,0,0,0,3,1,0,1,0,2,4,0,1,0,0,0,机床,例题1，继续解： 第二步， 将导致ME值增加大的行移近第1行， 小的移远，同样要求总是整行移动， 本例将机床3所在行移至第2行。,零件,1,0,0,1,1,2,3,4,5,ME 变化,1,1,0,1,1,3,1,0,1,0,2,2,0,1,0,0,0,4,0,1,0,0,0,机床,例题1，继续解： 第三步，任选一列，本例选第1列， 分别计算第2、3、4、5列与第1列相邻时 M
15、E值的变化，结果如下：,零件,1,0,0,1,1,2,3,4,5,1,1,0,1,1,3,1,0,1,0,2,0,1,0,0,4,0,1,0,0,ME变化,0,2,0,0,机床,例题1，继续解： 第四步， 将导致ME值增加大的列移近第1列， 小的移远，同样要求总是整行移动， 本例将零件族3所在列移至第2列。,零件,1,0,0,1,1,3,2,4,5,1,0,1,1,1,3,0,1,1,0,2,1,0,0,0,4,1,0,0,0,ME变化,2,0,0,0,机床,例题1，继续解： 复杂问题可能需要反复上述步骤多次，才能到达 最后一步，将矩阵分块，划分制造单元， 本例划分为2个制造单元（结果同排序聚
16、类算法）： 制造单元1：机床1、3加工零件族2、4、5； 制造单元2：机床2、4加工零件族1、3。,零件,1,0,0,1,1,3,2,4,5,1,0,1,1,1,3,0,1,1,0,2,1,0,0,0,4,1,0,0,0,机床,划分制造单元方法的补充： 如果上述方法不能产生完美的对角矩阵怎么办？ 例如： 答案：允许存在跨单元的“例外零件”， 或在多单元都使用的“公共设备”。 相关概念准成组单元。,零件,1,3,6,2,4,5,2,1,1,1,0,0,0,4,1,1,0,0,0,0,1,0,0,1,1,1,1,3,0,0,0,1,1,0,机床,回顾制造单元的划分模式， 可分为哪两种？ 答案：物理
17、单元、逻辑单元。 两者的关键区分点是什么？ 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？ 答案：逻辑单元。 两者中物料运输方便的是那种？ 答案：物理单元。,制造单元的设计阶段,因为逻辑单元重构成本低， 因此在设计制造单元时， 总是先设计逻辑单元进行实验； 确定设计合理后， 再改成物理单元，以方便物料运输； 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， 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,制造单元的设计阶段： （）虚拟成组单元， 为逻辑单元，不移动机床的物理位置。 （）准成组单元， 为物理单元，但其中有部分设备不进
18、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。,制造单元的设计阶段： （）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。 （）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单元内零件族的工艺路线一致，形成流水生产线。,从虚拟成组单元到准成组单元，再到封闭成组单元，最后到流水成组单元， 设计难度增大（要求越来愈多）， 重构成本增加（逻辑单元到物理单元）， 灵活性降低（公用设备从有到无）， 生产效率提高（物流路线缩短）。,虚拟成组单元,准成组单元,
19、封闭成组单元,流水成组单元,制造单元的设计阶段总结,现实中的生产车间往往是上述各个设计阶段并存， 而最常见的是准成组单元与工作中心并存。 这是因为 零件的相似性可能差异较大， 不是所有零件都能划分进入零件族； 零件的生产批量差异较大， 批量小的零件不适合单独划分出单元处理。 案例：大连冷冻机厂机械加工车间， 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。,当存在多个准成组方案时，哪个方案更好？ 答案：如果可选方案很多， 则难以仅依靠人工一一选择， 此时需要建立优化模型利用计算机求
20、解。 回顾优化模型的要素： （1）决策变量（设计变量）； （2）目标函数； （3）约束条件； （4）求解算法。,（3.3）数学规划法之P -中位模型; 首先定义变量： 设m为机床数；n为零件数； p为零件的分组数（族数）； xij（决策变量）表示零件i是否属于零件组j，若属于，则取值为1，否则为0； dij表示零件i与零件j之间的距离。 零件间的距离采用Hamming距离度量公式，并根据机床-零件矩阵求解（ROC和BEA方法中的矩阵）。,零件距离的定义： 其中函数用以计算两个元素之间的距离，在这里可简单理解成元素之间差的绝对值。 对于下面的矩阵， 以此类推。,零件距离可以写成矩阵形式，称为零件
21、距离矩阵。 对于上一页的机床-零件矩阵 存在对应的零件距离矩阵 显然，零件距离矩阵 总是沿对角线对称的。,P -中位模型目标函数为 其含义为同一零件族内的零件距离越小越好， 具体来说就是所使用的机床越相似越好； 属于不同零件族的零件则不考虑它们之间的距离远近，这由决策变量xij的取值控制。,P -中位模型约束条件为： 每个零件只属于一个零件族， 零件组的数目为p， 只有在零件族形成的情况下，零件才能属于它， 决策变量仅能取值为0或1，,根据上述目标函数和约束条件，一一尝试决策变量xij可能的取值，使目标函数值最小的取值即为最佳的分组方案。 对于前面给出的案例，利用P -中位模型可解得 其表示零
22、件1和3为第2组，零件2、4和5为第二组，这与前面ROC和BEA方法的求解结果一致。 此外，还有二次规划模型，仅表达方式不同，建模原理与作用与P -中位模型一致，故不再累述。,最后是优化模型的求解： 上述P -中位模型属于0-1规划问题， 对于小规模问题，可以采用枚举法或隐枚举法进行求解。例如在前面的例题中，5个零件分成2组，总计有25/2=16种方案，一一尝试，找出目标函数值最小的方案即可。 但对于大规模问题，即使使用计算机，逐一穷举也耗时过长，往往改用智能搜索算法求解，如遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法等等。 将在后面的章节对其中最具代表性遗传算法进行介绍。,总结 单元制造系统,本质上是牺
23、牲柔性换取效率。 回顾现代制造的特点：高效、柔性、集成。 高效是一直追求的目标，那柔性需求怎么办？ （）结合先进制造技术解决， 相关概念：柔性制造系统、可重构制造系统。 （）结合先进设计方法解决， 相关概念：模块化设计、大规模定制。,单元制造系统与精益生产、约束理论的关系： 相互促进。 首先，设计单元制造系统能让车间的生产模式偏向于流水车间，流水车间更适合看板系统，也更容易找到瓶颈。 同时，精益生产、约束理论能够使单元制造系统的工作更有效率。,单元制造系统的相关概念： 传统上的作业车间（例如机械加工车间）， 多由工作中心组成， 零件与设备之间无严格对应关系。 优点是具有柔性，缺点是效率较低。
24、弥补缺点的措施：采用单元制造系统。 而传统上的流水车间（例如汽车装配车间）， 多由制造单元组成， 零件与设备之间有严格对应关系。 优点是效率高，缺点是缺乏柔性。 如何弥补缺点？ 答案：采用混流生产线。,混流生产线（mixed mode line）,最早出现与汽车行业， 即一条生产线上可以生产多种不同型号的汽车， 用以增加生产过程的柔性和应对能力。 主要实现方法： （1）产品模块化； （2）生产线模块化； （3）生产线采用递阶结构。,（1）产品模块化（参考本节的模块化设计）； 产品可拆分成几部分独立的部件，称为模块。 各个模块可以分开装配，互不干扰。 模块到产品的组装接口标准化， 模块修改不影响
25、产品的总装。 参考案例：个人计算机的组装。,产品模块化的实际案例： 1996年，著名美籍华人汽车专家、福特公司的发动机部总工程师顾永平率先在汽车工业历史上实现了发动机的模块化。 即对6缸、8缸、10缸和12缸等不同规格的发动机结构进行调整，使其绝大部分组件都能通用，以尽可能少的规格部件，实现最大的灵活组合。,（2）生产线模块化； 在产品模块化的基础上实行， 生产线分为通用模块（混流生产全部产品）和可变模块（单独针对某些产品）。 容易实现负荷均衡，增加了市场应对能力。,生产线模块化的实际案例：一汽混流生产线， 当前，多数主流汽车厂家都存在混流生产线。,（3）生产线采用递阶结构； 传统的汽车生产线
26、长度在1000至1500米， 大量的零部件堆积在生产线的两旁， 由许多供应商提供。 面对变化快、型号多、交货期则要求越来越高的市场需求，混流生产线将汽车分解成10至20个大的模块，每个模块又是由子模块组成，子模块由小模块组成， 形成一种多模块的递阶结构。,传统的 线状结构 变为 递阶结构 （树状结构）。,课程要求（3.3）,知道单元制造系统的优点： 技术角度5点，管理角度4点； 知道VUOSO分类编码系统的形式：4位10进制编码；知道其中类、级、型、组的排列顺序； 掌握划分制造单元的两种方法： 排序聚类算法与键能算法（本节例题1）； 简单了解P -中位模型，会计算零件间的距离。 知道制造单元的设计阶段（4个）， 理解各个设计阶段的特点； 知道混流生产线的主要实现方法。,
