劉 剛，李 瑞，李 昆

(航空工業(yè)慶安集團有限公司 工藝技術部，陜西 西安 710077)

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

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

1 工藝裝備中應用成組技術的意義

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性工作，并且設計任務重，繼承性差，不可重復利用，進而造成工藝裝備的設計和制造費用大增，浪費和庫存量都很大.此外，不同工裝設計者對相同工序的工藝裝備理解不同，缺乏規(guī)范，導致設計的工藝裝備各異，設計制造周期長，生產現(xiàn)場使用的統(tǒng)一性和互換性差，造成機床調整時間長，加工質量不穩(wěn)定.因此，對工藝裝備實施“三化”，即標準化、系列化、模塊化是非常必要的.采用成組技術，針對加工方法、安裝方式和輪廓尺寸相同或相近的產品，可設計專用工藝裝備；利用成組技術對工藝裝備的基體、夾緊機構和傳動裝置、定位方式等進行相似性研究，可設計柔性化的工藝裝備；利用成組技術，對相似的工作內容進行歸并處理，提高成組批量，制造企業(yè)能更好地適應多品種、小批量生產，取得規(guī)模經濟效益.

以多品種、小批量方式進行生產的航空企業(yè)，采用傳統(tǒng)的工藝技術及工藝裝備，要實現(xiàn)自動化生產幾乎是不可能的，因為其成本投入遠遠大于收益，而且其生產組織的復雜性及負荷特別大.開展成組工藝技術及裝備研究、成組生產管理研究，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化為共性，可降低工藝維度,增強工藝的收斂性，減少工藝裝備類型.成組工藝裝備能讓工裝與機床設備的接口統(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的成組化、生產組織的成組化，使得工序自動化成為可能.近年來，成組技術的推廣應用與計算機、數(shù)控等技術的緊密結合，大大推動了柔性制造技術的發(fā)展，也標志著中小批量產品生產自動化問題的解決.

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

工藝裝備的編碼是有關特征信息的組合，分類是將特征方面具有相似性的若干工藝裝備歸結在一起.因此，按照一定的相似性標準可直接引用編碼對工藝裝備進行分類.相似性標準不宜太高，否則零件不易匯集成組，進而導致不重要的特征差別掩蓋了實際存在的、并可利用的相似性；但相似性標準也不能太低，過于粗略將導致歸為同一組的零件種類太多，使組內零件差異太大，進而妨礙對零件相似性的利用.

工藝是產品設計和制造的重要紐帶.因此，成組工藝裝備必須建立在成組工藝的基礎上.首先將零件分為回轉體和非回轉體兩大類，然后進行成組分類和編碼，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一個數(shù)字(0～9)，總共14個編碼要素.每一位編碼對應的含義如表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.

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

以成組技術結合“三化”指導思想，對工藝裝備進行標識，不僅有利于工藝裝備知識條理化，而且對工藝裝備的設計、制造、管理和工藝裝備的標準化都有著非常重要的意義.

3 成組工藝裝備設計原則與裝備數(shù)據(jù)庫

3.1 成組工藝裝備設計原則

(1) 成組工藝裝備應具有良好的可調性和結構緊湊性.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確，可靠.工藝裝備的成組性要求根據(jù)零件的尺寸組設計結構相近且大小不等的成組夾具，以保證其結構的緊湊性.

(2) 應明確同組零件的加工技術要求.工藝裝備的成組化設計需要考慮零件組內最高加工技術要求和最低技術要求，以滿足零件組內所有工藝裝備的技術要求.

(3) 設計的成組工藝裝備應與零件的成組生產量相適應，在符合經濟性要求下盡可能地提高成組工藝裝備的使用頻率.

(4) 應考慮設計的標準化及可繼承性.成組工藝裝備的設計應盡量采用標準化的元部件、結構和裝置，同時，在標準化、系列化的基礎上應賦予其繼承性，以適應產品不斷更新?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計原則，可搭建工裝快速設計系統(tǒng)，建立標準件庫、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計.快速設計建立在典型結構和標準化的基礎上，而典型結構和標準化能夠體現(xiàn)成組技術思想.根據(jù)成組技術，將典型結構做成知識體系并建立驅動規(guī)則，以便為后期的知識驅動奠定基礎.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，為工藝裝備的設計提供常用的資料、標準及設計數(shù)據(jù)的存儲等，同時提供可編輯的公式計算庫，為成組工藝裝備技術的實現(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 成組工藝裝備的經濟性分析

成組技術在工藝裝備中應用分為更新原有工裝和新研成組工裝兩種.單從費用和成本考慮，其經濟平衡性可通過下式來衡量.

(1)

圖2 Fw與n的關系曲線

原有的通用工裝或專用工裝是否更新為成組工藝裝備，取決于成組工藝裝備的年度費用、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種零件全年投產批數(shù),批/年；Qk為第k種零件的批量,件/批.

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

圖3 成組技術在工藝裝備中應用的效益分析

5 工藝裝備成組化的應用實例

5.1 某系列齒殼體工藝裝備成組化實例

經過統(tǒng)計，某系列齒殼體產品19種，外形和尺寸略有不同，但其加工工序及設備類型非常相近.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，采用成組技術對其工藝裝備進行了圖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

該系列齒殼體產品的加工內容為精銑外形及兩側面(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.采用成組技術對該工序的工藝裝備進行模塊化設計及工藝方案的優(yōu)化后，只需要兩道工序，且工藝裝備只需要兩套標準底座、一套標準快換模塊，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品的定位齒頂圓的直徑相同，因此可以將該系列齒殼體產品成組化；由于該系列齒殼體產品的裝夾方式相同，因此可將其相應夾具模塊化；采用四軸橋板，將一次性加工完正面和側面的銑削，快換反面后加工另外一面；由于該系列齒殼體產品側面的孔與側面有角度關系(圖5)，因此可利用四軸裝夾，完成側面的孔位加工.

通過夾具的成組化設計，工序合并，可一次裝夾而進行多面加工，提高了加工效率,且實現(xiàn)了夾具的模塊化、系列化設計，降低了夾具需求量和成本，提高了產品的資源重復利用率、加工穩(wěn)定性和質量.

圖5 某系列齒殼體的側面孔位

5.2 車床成組化工藝裝備實例

原來以外圓或內孔定位的車床工序，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、找正調整時間長.此外，三爪裝夾的離心力較大，因而無法獲得設備的高轉速.

通過梳理零件類型及裝夾方式，對工藝裝備進行模塊化、系列化、標準化設計，以圖6所示的車床成組快換夾具中1(卡盤)作為標準基座，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時間內完成換裝.換裝簡單，易操作.

(a) 外圓定位快換模塊

(b) 內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)場試驗后發(fā)現(xiàn)，采用成組化工裝設備，車床換裝效率至少可提高1/3.圖6中的4是針對內孔定位設計的反漲快換模塊.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，提高了設計效率和夾具的重復利用率.

5.3 加工中心多面加工工藝裝備成組化實例

某殼體加工車間，殼體種類多達數(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系復雜，多次裝夾很難保證加工質量.通過分析該系列齒殼體的加工設備特點及其加工要求，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，并采用兩銷定位、螺釘反拉的同一種裝夾方式.其夾具的結構如圖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現(xiàn)互換，既減少了工藝裝備的設計和制造工作量，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工作臺上的裝夾方式

圖8 某系列齒殼體成組夾具的結構示意圖

6 結束語

成組技術是解決多品種、小批量生產問題的科學技術，成組技術在工藝裝備中的應用能夠促進工藝裝備的“三化”.實踐證明，成組工藝裝備不僅能夠降低成本、縮短新品研制周期、提高產品質量、提高工裝利用率，而且能夠優(yōu)化工藝方案，充分利用設備功能，提高加工自動化程度.從近期看，應用成組技術是對工藝方案的補充，是降本增效的物質基礎.從長遠看，成組技術使新品工藝裝備的設計有了“標準”“經驗”，可降低預研風險，提高新品研制的效率，為多品種、小批量、新品批產混線的自動化生產提供技術支持.