论成组技术对先进制造技术的支撑作用.docx
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论成组技术对先进制造技术的支撑作用
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本科毕业论文(设计)
题目论成组技术对先进制造技术的支撑作用
_____________________________________
学院理工学院
专业机械设计制造及其自动化
年级20xx级
学号xxxxxxx
姓名xxx
指导教师xxx
成绩
年月日
论成组技术对先进制造技术的支撑作用
摘要:
本文首先提出了成组技术、成组技术管理、先进制造技术等概念。
其次,在分析传统成组技术与计算机集成制造系统、并行工程、精益生产、敏捷制造、柔性制造系统等先进制造模式关系的基础上,指出成组技术在机械制造行业的重要作用,探讨成组技术对先进制造技术的支撑作用。
最后,指出成组技术是机械制造企业的重要基础性技术,是机械制造企业改进技术的首选,是为机械制造企业改进先进制造技术提供了有利条件。
关键词:
成组技术先进制造模式先进制造技术支撑作用
Abstract:
Firstly,grouptechnology,theconceptofgrouptechnologymanagement,advancedmanufacturingtechnology.Secondly,intheanalysisofthetraditionalgrouptechnologyandcomputerintegratedmanufacturingsystems,concurrentengineering,leanproduction,agilemanufacturing,onthebasisoftherelationshipoftheflexiblemanufacturingsystemsandotheradvancedmanufacturingmode,pointingouttheimportantroleofgrouptechnologyinthemachinerymanufacturingindustrytoexploreintothesupportingroleofthegroupofadvancedmanufacturingtechnology.Finally,thatgrouptechnologyisanimportantfoundationformachinerymanufacturingenterprises,machinerymanufacturingenterprisestoimprovethetechnologyofchoice,providedfavorableconditionsforthemachinerymanufacturingenterprisestoimproveadvancedmanufacturingtechnology.
KeyWords:
Grouptechnology,advancedmanufacturingmode,advancedmanufacturingtechnology,supportingrole
0引言
21世纪是知识经济的时代,由于科学技术的发展、市场需求的快速变化和全球性的经济竞争,机械制造环境正在发生根本性的变化。
随着人类生活水平的提高和社会的进步,人们追求个性化、特色化的思想日益普遍。
在机械制造业中,大批量的产品越来越少,单件小批量的产品生产越来越多,约占各类机器生产的76%~85%。
随着经济的高速发展,社会对机械产品需求多样化的趋势也越来越明显。
传统的针对小批量生产的组织模式存在一些问题:
生产计划、组织管理复杂化;零件从投料到加工完成的总生产时间较长;生产准备工作量大,产量小.为此,制造技术的研究者提出了成组技术的科学理论及实践方法,它能从根本上解决生产由于品种多,产量小带来的矛盾。
成组技术从20世纪50年代提出已经历了近60年的发展和应用。
成组技术作为一门综合性的生产技术科学是计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工艺过程设计(CAPP)、计算机辅助制造(CAM)和柔性制造系统(FMS)等方面的技术基础和指导思想。
近几年来,由于成组技术在生产组织和应用中经济效益十分显著,它对提高我国机械工业的制造技术和生产管理水平将日益发挥其重要的作用。
因此,21世纪的机械制造业将进一步面临市场的分割、融合、变迁和深化等变化,可以概括为:
产品的多样化、个性化;市场的国际化、多层化;制造的虚拟化、柔性化;技术的数字化、集成化;组织的团队化。
在当今激烈的竞争环境中如何提高企业的竞争力是每个企业都关心的问题,而成组技术则是提高企业生产效率和经济效益,进而改进企业先进制造技术和提高企业竞争力的有效措施。
在机械企业推广应用成组技术,可在少投入的情况下,降低生产成本和缩短产品制造周期,提高生产能力及劳动生产率,从而改善企业的经营情况。
1基本概念
1.1成组技术的含义及核心内容
成组技术(GT-GroupTechnology)是揭示和利用事物间的相似性,按照一定的准则分类成组,同组事物能够采用同一方法进行处理,以便提高经济效益的技术,称为成组技术。
它已涉及各类工程技术、计算机技术、系统工程、管理科学、心理学、社会学等学科的前沿领域。
日本、美国、苏联和联邦德国等许多国家把成组技术与计算机技术、自动化技术结合起来发展成柔性制造系统,使多品种、中小批量生产实现高度自动化。
全面采用成组技术会从根本上影响企业内部的管理体制和工作方式,提高标准化、专业化和自动化程度。
在机械制造工程中,成组技术是计算机辅助制造的基础,将成组哲理用于设计、制造和管理等整个生产系统,改变多品种小批量生产方式,以获得最大的经济效益。
成组技术的核心是成组工艺,它是把结构、材料、工艺相近似的零件组成一个零件族(组),按零件族制定工艺进行加工,从而扩大了批量、减少了品种、便于采用高效方法、提高了劳动生产率。
零件的相似性是广义的,在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性,也称为一次相似性。
以基本相似性为基础,在制造、装配等生产、经营、管理等方面所导出的相似性,称为二次相似性或派生相似性。
成组工艺实施的步骤为:
①零件分类成组;②制订零件的成组加工工艺;③设计成组工艺装备;④组织成组加工生产线。
1.2成组技术的管理概念
成组技术(GT)若只是作为一个具体的技术,其作用随着生产系统复杂程度的提高将显得越来越微小。
在这里要提出成组技术(GT)的管理概念——一种带成组思路的先进制造模式。
近年来发现,成组技术(GT)在供应链管理中可以发挥重要作用。
在现代制造业生产结构重组的过程中,成组技术(GT)已作为一种先进的制造模式在应用。
成组技术(GT)实施更是一种先进的制造哲理,对机械制造业的各方面工作都有着重要的指导意义,是企业生产结构设计、企业布局设计、车间机群设计、产品设计、物流设计、生产管理等各项工作的思想指南。
据有关资料介绍:
通过成组技术的运用,新设计的零件数减少52%,图纸总数减少10%,新绘制的工作图减少30%,生产准备时间减少69%,在制品库存减少62%,生产周期缩短70%,企业管理时间节省60%,生产面积减少20%,固定资产减少40%,零件加工成本降低43%。
因此成组技术(GT)既是一种制造技术,更是一种先进的制造模式。
1.3先进制造技术的含义及核心内容
先进制造技术是在传统制造技术基础上不断吸收机械、电子、信息、材料、能源、以及现代管理技术的成果,将其综合应用于产品设计、加工装配、检验测试、经营管理、售后服务乃至回收的制造全过程,以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产,提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。
主要包括:
计算机集成制造(CIM)、并行工程(CE)、精益生产(LP)、敏捷制造(AM)、柔性制造系统(FMS)等。
先进制造技术的核心是优质、高效、低耗、清洁生产的基础制造技术,其目的是满足用户个性化、多样化的市场需求,提高制造业的综合经济效益,在激烈的市场竞争中赢得高的市场份额。
为此,先进制造技术比传统制造技术更加重视技术与管理的结合,重视制造过程组织和管理体系的简化及合理化。
与传统制造技术比较,先进制造技术具有如下的特征:
(1)系统性
(2)广泛性(3)集成性(4)动态性(5)实用性
先进制造技术一般包含以下3个技术群:
(1)主体技术群:
包括产品、工艺过程、工厂(车间)设计、加工技术、装配、测试等。
(2)支撑技术群:
包括信息技术、控制技术、标准化等。
(3)技术基础设施群:
包括质量管理、人员培训、用户服务等。
先进制造技术的3个技术群是生产过程的整体,是一项系统工程,也可以说是一项现代制造工程。
从产品设计、制造过程、信息管理和质量控制到用户服务、人员培训,环环相扣。
2成组技术与先进制造技术的关系
2.1成组技术与计算机集成制造(CIM)
1973年首先由美国博士JosephHarrington博士在《ComputerIntegratedManufacturing》一书中提出计算机集成制造(CIM)的概念,其核心思想有两点:
①整个企业的生产经营活动是一个不可分割的整体。
②整个企业生产经营活动的实质是信息采集、传递和加工处理过程,最终形成的产品可看作是信息的物质表现。
Harrington博士的这两个基本观点,一个强调的是企业的功能集成,另一个强调的是企业的信息化,将其加以综合,可将CIM简洁的理解为是“企业的信息集成”。
计算机集成制造是制造型企业生产组织管理的一种新理念,其内涵是:
借助于以计算机为核心的信息技术,将企业中各种与制造有关的技术系统集成起来,使企业内的各种功能得到整体优化,从而提高企业适应市场竞争的能力。
计算机集成制造系统(CIMS),则是基于CIM理念而组成的系统,是CIM的具体实现。
如果说CIM是组织现代化企业的一种哲理,而CIMS则应理解为是基于该哲理的一种工程集成系统。
CIMS的核心在于集成,不仅是综合集成企业内各生产环节的有关技术,如计算机辅助经营决策与生产管理技术(管理信息系统ManagementInformationSystem、办公自动化OfficeAutomation、制造资源计划MaterialResourcePlanningII)、计算机辅助设计和分析技术(计算机辅助设计ComputerAidedDesign、计算机辅助工程ComputerAidedEngineering、计算机辅助工艺设计ComputerAidedProcessPlanning、计算机辅助制造ComputerAidedManufacturing)、计算机辅助制造技术(计算机数控ComputerNumericalControl、分布式数控DistributedNumericControl、柔性制造单元FlexibleManufacturingCell、柔性制造系统FlexibleManufacturingSystem)、计算机辅助质量管理与控制技术等,更重要的是将企业内的人/机构、经营管理和技术这被称之为CIMS三要素的有效集成,以保证企业内的工作流、物质流和信息流畅通无助。
CIMS是各自动化孤岛的集成。
各自动化孤岛,实际就是不同功能的“专业化”分工,CIMS中的FMS、CAD、CAPP、CAM和MIS等,都要以成组技术(GT)的相似性原理为基础。
到目前为止,无论世界上多么先进的集成制造系统,其所能加工的对象仍然是以相似性原理划分的零件组为基础。
因此,如果没有成组技术的支撑,该系统必然会失去其经济技术的优势,甚至导致失败。
就我国国情而言,计算机集成制造系统(CIMS)尚不能全面建立。
而成组技术(GT)所主张的专业化分工、按相似性原理(形状相似、功能相似、工艺相似)组织实施设计制造,对我国来说还是很容易做到的。
因为现有制度决定了国有企业为我国经济主体,国家有权对国有资产做合理布局。
其次,在设计和制造中实施相似工程,不需要更多的技术、资金、设备和人员的投入,相反却大大减少人员的投入,提高生产率和经济效益。
何况实现了成组技术(GT)后,在国家经济实力、技术基础和人员的科技素质发展到一定阶段时,就可推广计算机集成制造系统(CIMS),因为那时已有了较为成熟的基础。
这也是我国先提出信息化带动工业化,后提出工业化促进信息化的缘故。
2.2成组技术与并行工程(ConcurrentEngineering,CE)
关于并行工程的定义目前国际上有多种提法,其中已被普遍接受的是美国防务研究所在1988年12月给出的定义:
“并行工程是一种对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行的、一体化设计的工作模式,这种模式可使产品开发人员已从一开始就能考虑到在产品消亡的整个产品生命周期中的所有因素,包括质量、成本、进度和用户要求。
”
从上述定义可以看出并行工程的两个关键思想是:
(1)并行工程是一种工作模式,而不是具体的工作方法;
(2)并行工程着重于从产品设计一开始就对产品的关键因素进行全面考虑,以保证产品设计一次成功。
并行工程(CE)所追求的目标与计算机集成制造系统(CIMS)目标是相同的,即“提高企业市场竞争能力,赢得竞争的市场”,但其实施策略和运行模式却有所不同。
并行工程是把产品开发由“串行”变成“并行”,大大缩短了开发时间。
可是并行工程并没有说明产品开发是在一个“大而全”或“小而全”的企业内部并行,还是在已经实现专业化生产的企业联盟中并行。
在不同状况下实行的并行工程,实际效益显然是大不相同的。
目前,并行工程是在计算机集成制造系统(CIMS)中贯彻,实际只是在一个制造系统中实现,其潜能的发挥是有限的。
当零部件生产实现专业化分工后,产品开发就可以在由各相关专业生产企业组成的联合体中并行的进行,发挥各自优势,形成集体优势。
对各个企业而言,并行工程在自己的CIMS中实现,从而总体上实现并行工程在多个制造系统中“并行”贯彻,以便获取更大的效益。
对我国而言,由于技术相对落后、设备陈旧、劳动者总体科技素质不高以及资金短缺,不可能要求企业普遍建立计算机集成制造系统(CIMS)。
若并行工程只能依靠计算机集成制造系统(CIMS)来实现,对我国显然就不太合适。
然而,当我们将这种“并行”的思想用来实现了专业化分工生产的企业联盟,则并行工程才能在真正意义上得以实现,并发挥最大的模式优势。
实际上,并行工程的基础就是要将整体设计和制造,分解成若干个个体的设计和制造,各个体和各方面的工作同时并行地进行。
如果没有化整为零的工作,并行工程就没有基础,也就无从贯彻并行的思想。
这也是目前世界上生产经营研究的前沿课题。
成组技术(GT)是实现零部件的并行设计、并行制造的先进技术,是并行工程最基本的技术基础。
通过成组技术实现并行工程的建构与实施,可以解决机械制造企业存在的以下弊病:
(1)避免了设计、工艺部门串行作业的弊端,产品生产制造过程的技术服务由工艺项目负责人一管到底,缩短了服务流程,改变了接口多、职责重叠、交叉、责任不清的现象。
(2)改变工艺技术人员长期从事单件或部件的工艺设计,缺少对产品总体的认识,特别是对产品的功能特性、结构特点、动作原理等整体概念不强,导致工艺文件“三性”不能保证的现象。
(3)使分散作业能相对集中,对产品设计的经济合理性进行超前控制和指导,重要产品的工艺方案可提前考虑。
(4)避免了多头服务造成技术文件更改混乱,难以进行工艺技术总结和技术改进,不能形成自主工业产权和企业专有技术(Know-How)的现象。
2.3成组技术与精益生产(LeanProduction,LP)
丰田汽车公司在1953年先通过一个车间看板系统的试验,不断改进,逐步推广,经过10年的努力,发展为准时生产制(JIT),后来形成丰田生产模式。
丰田模式给日本制造业带来广阔的市场和国际信誉。
美国麻省理工学院在剖析总结丰田生产模式后,于1990年在国际汽车计划研究报告中提出以改革生产管理体系为中心的精益生产(LP)体系,并称为“世界级制造技术的核心”。
德国的Achen工业大学继续发展这个概念,在原来独立制造岛研究的基础上提出“精益屋”的概念,如图1所示,“精益屋”将生产合理化的各项支持因素恰当地组成房屋,房基是基于计算机网络技术的并行工程和小组化工作方式,房柱是准时生产制(JIT)、成组技术(GT)和全面质量管理(TQC),屋顶为精益生产(LP)。
“精益屋”明确提出扩大精益生产概念在非大量生产类型下的应用必须依靠GT,主张消除一切不产生附加值的活动和资源,从系统观点出发将企业中所有的功能合理加以有机组合,利用最少的资源、最低的成本向客户提供高质量的产品服务,使企业获得最大的利润和最佳应变能力。
在LP实践和应用过程中,GT贯穿于生产的合理化、均衡化、同步化和准时化全过程。
图1精益生产体系
精益生产(LP)的主要技术基础是并行工程和小组工作方式(TeamWork),成组技术(GT)、准时生产(JIT)、全面质量管理(TQC)是它的三大支柱。
企业建立成组生产单元后,就可以在产品的开发和制造过程中采用团队组织形式,发挥生产人员的积极性,搞好生产现场管理,推行全面质量管理,在团队建设的基础上改变传统的“串行”工作方式为并行工程(CE)工作方式打下了坚实的基础。
企业实施成组技术改造后,应在成组单元的基础上推行JIT看板式管理,实施基于成组单元的在线质量管理,推进全面质量管理。
从精益生产发展的历史和技术本质来说它完全适合于我国多品种小批量机械制造企业的资金和技术情况,应努力推广实施。
2.4成组技术与敏捷制造(AM)
美国机械工程师学会(ASME)主办的“机械工程”杂志1994年期刊中对敏捷制造(AM)作如下定义“敏捷制造(AM)就是指制造系统在满足低成本和高质量的同时,对变化莫测的市场需求的快速反应”。
敏捷制造(AM)的一个最重要的基本点是可重构性、可重用性和可扩展性。
敏捷制造(AM)的核心是组建企业间的动态联盟,形成虚拟企业快捷响应市场,而实现产品的分散制造必须以成组生产为前提。
成组技术(GT)的基本思想就是基于相似理论重复利用已有资源和信息。
所以,按照成组技术哲理对生产组织和制造流程进行调整和重组,是实现构建虚拟企业的有效途径之一。
需要注意的是AM制造中的重构和重用是动态、柔性、可持续、可扩展的,是基于虚拟企业的。
所以敏捷制造(AM)中的成组技术(GT)是虚拟的。
敏捷制造(AM)对市场需求的快速响应,是通过虚拟制造和企业动态联盟实现的,它的思想基础是分工合作。
可是,虚拟制造原本并没有提出在设计和加工过程中按成组技术(GT)来实现。
它的联盟企业虽然对某一产品来说实行的是专业分工,但这些企业并不一定在机械工业生产结构中属于专业化分工的企业。
因此,敏捷制造并不能避免重复设计,尤其是不同企业生产同一产品时更有可能存在重复设计,不能实现技术资源共享。
由于企业并不一定是专业化生产厂家,那么由这种状况造成的重复投资、管理复杂、专业化水平低、生产成本高、质量难以成熟等弊病,也就可能不同程度地存在。
所以,我国如果单纯引进美国的先进制造模式——敏捷制造(AM),虽然能在一定程度上提高生产率,但它不能从根本上改变机械工业现行生产结构,不能消除“大而全”和“小而全”。
如果我国企业能运用GT,按GT原则重组生产结构,实现专业化生产,那么在我国现有条件下就可以尽可能避免重复投资、重复设计,也就可以避免由此引起的管理复杂、专业化水平低、生产成本高、生产质量难以保证等弊病。
这在欧美等发达国家上百年的工业发展史中已有很多教训,近年来一些跨国公司也正是利用全球一体化进行资源再分配,避免大企业病。
而在我国,国有资源占大多数,尽管实行市场经济,但国家和企业仍然可以实现同行业企业资源包括专业产品的设计信息资源共享,甚至可以实现专业产品生产垄断,并在内部企业实行成本和质量竞争,做到优胜劣汰。
按GT原则重组生产结构和实现专业化分工后,再引进敏捷制造模式,则可创造中国自己的敏捷制造(AM),其强大的优越性是不言而喻的。
零部件专业化分工生产,能实现标准化、系列化、最佳化和模块化,更能实现“敏捷”。
敏捷制造(AM)作为制造业企业发展的一种战略,具有巨大的发展前景。
它能增强企业快速响应市场的动态应变能力,实现分散网络化生产,通过企业资源计划(ERP)系统实现网上企业之间的协作加工。
在应用成组技术(GT)的基础上,实现制造资源的快速重组,在建立的成组生产单元环境下,运用最优化遗传算法理论求出最佳的成组批量计划。
通过ERP系统的BOM扩展与成组编码系统的信息集成,从而实现在敏捷制造模式下的基于成组技术(GT)的ERP系统,这是企业实现敏捷制造的有效手段和途径。
2.5成组技术与柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem,FMS)
柔性制造技术的发展的确解决了许多必须用成组技术(GT)来解决的问题。
例如采用加工中心(不论镗铣中心或车削中心)及由它们组成柔性制造单元(FMC)和柔性制造系统(FMS),可以快速更换CNC程序来加工各种零件,甚至不需要采用任何专门设备的工装(如钻模),更不用采用成组可调夹具。
因此,有人认为,采用柔性制造技术,就不需要按原则来组织生产,甚至认为它会约束制造系统或设备的柔性,影响设备的利用率。
事实上成组技术(GT)与柔性制造之间不应该存在矛盾,柔性制造技术推动成组技术(GT)的发展,而在柔性制造系统或设备上贯彻成组技术(GT)准则,将使系统用得更好,效益更高。
柔性制造系统(FMS)的基础是数控机床。
据统计,数控机床的利用率仅为29%,在FMS中,利用率也只有48%。
在利用率不高的情况下,如果不以成组技术(GT)的观点建立零件族去组织生产,必然使柔性制造系统(FMS)的刀库容量增大,随行夹具数量增多,各种监控系统的功能要求增多,管理软件的数量和容量增加,其结果,提高柔性制造系统(FMS)的成本而达不到预期的经济效果。
如果能事先按加工零件使用刀具的相似性来组织生产,安排投产顺序和作业计划,就可以提高柔性制造系统(FMS)的利用率。
另外,成组工艺的思想也可应用于CNC编程。
在CNC编程时,按照成组工艺的原理,选择一个工艺最长、工序最复杂的零件进行编码,这个零件一般是个“虚拟零件”,相应的CNC程序称为“典型程序”。
那么同组零件的CNC程序就可通过修改“典型程序”来得到。
可降低编程工作量和代码校验成本。
许多多品种小批量机械制造企业以普通机床为主,数控机床的比例很小,技术水平低,管理手段落后,资金短缺,直接引进柔性制造系统的办法行不通。
企业应该在成组单元的基础上通过自我积累有计划地用数控机床、加工中心等高效设备取代普通机床,逐步走向柔性制造系统(FMS)。
这是中国众多多品种小批量类型机械制造企业实现柔性制造的必由之路。
企业可以走自我积累自我发展的道路,根据自己的资金实力有计划地逐步用数控机床、加工中心等替代普通机床,逐步建立柔性制造系统进而发展到计算机集成制造系统。
成组单元的建立可为我国机械制造工业生产结构的调整重组打下好的基础。
主机厂加专业化零部件生产厂的模式是我国多品种小批量类型机械制造工业生产结构改造的方向。
企业内生产相同零件组的生产单元为建立按地区、按行业或跨行业的零部件专业生产厂提供了方便。
总之,成组技术(GT)相对当代其它的先进制造技术和模式,有无可非议的优越性。
它可以独自表现出先进性,而其它先进制造模式则必须以它为技术基础。
离开它,先进性就会大为逊色,甚至导致失败。
即使像日本的先进制造技术精
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