适应先进生产方式的现代装配工艺设计

HEATS

一、市场经济下企业经营生产管理的改进

市场经济下，企业为了能在竞争中取胜，除了在技术上开发先进制造技术的应用外，在生产管理上开发先进管理技术的应用也成了不可缺少的内容。20世纪60年代中期，美国管理学家约瑟夫‧奥列基(Josoph.Orlicky) 提出了物料需求的新思想来安排生产计划，称“物料需求计划 (MRP)”，后来发展成为以MRP为核心的制造资源计划(MRP–Ⅱ)，20世纪80年代以来日本提出了准时生产(JIT)等等。MRP改变了传统的库存控制法来组织生产，提出了制造业中优化生产计划的根本思想——按需求来组织生产，这种需求不仅是用户的最终需求，包括制造过程中加工、装配各工序间的需求。需求计划一般以周为单位，甚至可落实到天为单位。日本丰田公司根据这一思想开发了“看板管理”，这是物料需求、准时生产的一种形式，把制造业的生产方式由“推动”变为“拉动”，开发了零库存、零缺陷活动，从而使企业生产周期大大缩短，减少了加工、装配的等待时间，库存与在制品减少，流动资金周转加速，成本降低，创造了良好的经济效益。20世纪90年代美国把这一系列思想方法总结为精益生产方式(LP)。以上这些方法从20世纪80年代初传入我国，为管理专家、学者所接受，并结合计算机的应用在企业中推广。这些先进生产方式(模式)其实质正是从粗放式的经营转变到集约式的经营。从库存控制到物料需求到准时生产，这是粗放到集约的演变；物料需求到资源需求到准时生产到精益生产，这是保证需求按时、按质、按量而且在最经济的状态下完成，所以这是最优化的生产组织管理，当然也必然产生最优的经济效益。

由于机械产品是由少则几十个零件，多则成千上万个零件所组成，其生产过程是离散型，尤其是占机械行业80%以上的多品种，单件和中、小批量生产企业，在组织一种产品生产中有成千上万个零件，每个零件又有少则2～3道工序，多则几十道工序，还要进行从零件组装到组件到部件……最后装配成产品的逐级装配，才能成为用户的需求。在这一复杂的制造过程中，要能按“需求”的方式组织生产，首先必需弄清楚装配过程中的“需求”，即什么时间？需要什么物料？数量是多少？才能进一步推导什么时间加工，什么时间制造毛坯……等等。而装配过程中的物料需求正是装配工艺设计的内容，一个复杂的产品的装配不但有严格的工艺要求，而且与企业的生产组织、装配工艺装备、工人的技术水平有关，否则不能保证装配的质量与按期完成产品的装配。从装配周期分析，简单的产品装配在一天或几天内完成，最复杂的产品装配从一个月到几个月甚至1年～1年半。所以其装配过程的物料（零件等）的需求也是陆续的，应按装配工艺的要求提供，如果不按这一要求提供物料，不是停工待料，就是物料积压。根据国外统计，在不良的生产过程中，零件从加工到装配其中有95%的时间处于等待状态，只有5%的时间进行加工或装配，因而造成生产过程库存与在制品的增加、资金的积压，恶化了生产过程。所以MRP提出从装配开始安排生产计划，从下道工序向上道工序发出需求指令（看板管理的形式），形成“拉动”的生产方式。分析这一“拉动”的过程，就是研究生产过程中的物料需求，这一需求正是由装配工艺设计首先确定的，这就是MRP软件中所提到的物料清单(BOM)。为了最大限度的优化生产，提出零库存与准时生产，计划时间要求缩短到天，所以其BOM 必需提供装配工艺决定的顺序要求，否则不可能准确到这种程度，愈是复杂、大型的产品，装配周期长的产品，BOM 要求愈细。从以上分析可知要使MRP、JIT运行有良好的效益，首先必需解决工艺设计的适应性，如果不按工艺设计的要求提供BOM，只按传统的设计BOM(设计物料明细表)来组织生产，使用任何一种MRP为核心的软件(MRP–Ⅱ、JIT、EMS、ERP等)都将不可能获得应有的效果。这也是我国近十年来应用MRP/ERP效果不理想的原因之一。

二、先进生产方式需要相适应的工艺技术文件

根据国外介绍，在产品生命周期内将产生不同的BOM，在概要设计阶段、技术设计阶段、工艺设计阶段，虽然是同一种产品，由于时间不同、目的不同所以其BOM的内容也不相同，安排产品全面计划MRP/ERP所需的是装配BOM，必须反映整个产品的装配结构、层次、顺序及所需物料的数量，只有这样才能做为提供装配过程中所需物料的依据。

根据我国现行的设计、工艺文件分析，JB/T 5054.1~5054.6-2000“产品图样及设计文件格式”其中明细表、汇总表只表达了产品设计结构、组成及所需物料数量，并没有反映出装配过程中的结构、组成与数量，更没有装配的顺序。现行的工艺设计技术文件JB/T 9165.1~9165.4-1998规定了装配工艺卡与装配工序卡，前者反映了装配工艺与工序的技术要求、方法等。虽然也提到了可用工艺附图、装配系统图来描述装配过程，但无详细说明。没有提出要求提供具有装配顺序的物料明细表概念。所以现行的设计、工艺技术文件不能达到MRP/ERP、JIT所要求的BOM。在1997年8 月原机械部科技与质量监督司召开的装配工艺编制与装配CAPP研讨会上，根据到会的汽车、机床、通用、重型、农机、轻工、纺织、电机、汽机等行业企业介绍，只有汽车等大批量生产的企业装配工艺非常仔细，能达到MRP的要求，轻工行业的许昌烟草机械厂， 使用装配系统图指导装配与全厂生产计划的安排。其余均根据设计物料明细表作为计划的依据，即使用MRP软件也使用设计物料明细表。

因此改进现行的装配工艺文件与设计的内容成了细化计划管理，使企业由粗放型发展到集约型的一个重要环节。也是使MRP /ERP软件运行能发挥作用获得应有经济效益的关键。

三、适应MRP/ERP、JIT需求的装配工艺设计方案

1.名词、术语定义

为了对装配工艺设计过程中有关名词、术语有统一的理解，下面对有关名词、术语进行定义。

构件：组成机械产品的物料在装配过程中独立存在的如零件(自制或外购外协)，分件、合件、组件、部件、总成(大部件或一级部件)、整机等统称为构件。

零件：不经装配而构成的构件。

分件：用永久性结合方法(焊、铆、浇铸、粘结)组成的构件。

合件：用永久性结合方法将二个以上分件组成的构件。

组件：用非永久性结合方法，将二个以上零件、合件组成的构件。

部件：用非永久性结合方法，将一个以上组件与其它零件、合件组成的构件。

总成：用非永久性结合方法，将一个以上部件与其它零件、合件、组件组成的构件，但本身无独立的整机功能。

整机：由几个部件或（和）总成及其它零件、合件、组件所构成，且具有用户需求独立作业功能的构件。

装配基准件：在一组装配构件中，其装配尺寸链的共同基准面或线所在的构件。

装配单元：在装配过程中，有一个装配基准件为基础，可以独立组装达到规定的尺寸链与技术要求，作为进一步装配的独立组件、部件、总成或最终整机的一组构件。

装配层：在装配过程中，为了便于作业划分，对类似作业的装配阶段的划分，如总装层、部装层。一个装配层，可以是一个装配单元，也可以是几个装配单元所组成。

基层单元：只用零件、合件组成的装配单元。

上层单元：有几个基层单元或下层单元组成的高一层次的构件。

! I7 r: Z( M% ?6 M1 e/ L 图1 装配作业过程

2.装配作业过程的分析

机械产品是离散性生产，是由若干零件按一定的结构要求组合成为用户需求具有一定功能、性能的产品。由零件逐步组合的装配过程中，为了保证产品的功能与性能，又能方便地进行作业，所以其装配工作过程是分层次，分单元进行的，尤其是复杂的机械产品。在装配单元内，为了保证产品的质量与要求，其构件在组合过程中不但有严格的工艺技术要求，也有工艺顺序要求。工艺的技术要求由装配工序卡提供，装配顺序应该由装配程序来提供。作业过程如图1。

图中表示，整机可以由多层装配关系来组成，最简单的整机也至少有二层组成，组成结构如下： 　

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每层可以由各种不同的单元及独立的零件、分件、合件所组成。
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上层装配单元是由下层或基层单元及独立的零件、分件、合件所组成。
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产品的装配过程，从最基层的装配单元开始。

3.装配作业顺序的分析

1)工作程序的分析

为了有效的装配作业必须：
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按装配结构及装配要求将产品进行逐层分解，使产品逐层分解为能够进行独立装配的构件，直到不能分解为止。
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研究确定同一层各组成单元及非单元零件的装配顺序。
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研究确定单元内部各构件的装配顺序。

2)装配顺序的工艺技术上的原则
 

串联尺寸链：以简单、方便为原则安排装配顺序。
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并联尺寸链：先装精度高的尺寸链，相同精度时先装，对多数尺寸链是先装公共的尺寸链组成环所在的那个尺寸链。
 

每个尺寸链组成环装配顺序：应先从基本尺寸链开始，先公共，后一般，先下后上，先内后外，先难后易，先重后轻，先精后一般的原则。

3)装配顺序的经济性原则
 

按装配层次，先低层、后高层进行装配。
 

装配层次多的先装。
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装配复杂、精度高、时间长的最先装。

4.装配设计的描述

根据以上的要求分析，装配工艺技术文件可由装配系统图、装配工艺过程卡、装配工序卡、装配明细表组成。
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图2 装配系统图的基本图形 图3 装配工艺过程卡片 图4 装配工序卡格式 图5 装配物料表

1)装配系统图

系统图是用来表示系统内各独立部分互相之间的关系的图表1用系统图的方式来描述装配作业对象的作业顺序、组成及装配方法。装配作业的构件形状、尺寸等非常复杂，为了能够表示它们的装配关系与装配顺序，以方框统一表示参加装配作业的构件，用联线来表示和构件之间的关系，从左到右表示装配顺序，并可用各种符号代码来说明各构件装配作业的方法。这样可以把复杂的装配设计用系统图的方法来描述。其基本图形如图2。

2) 装配工艺过程卡片

装配工艺过程卡片是描述组成产品各级装配单元的装配过程，装配作业的内容、作业的顺序以及使用的设备、工装、辅助材料等，是组织装配作业的必须的技术文件，见图3。

3)装配工序卡

装配工序卡是对重要、复杂的装配工序进行作业指导的技术文件，详细地说明该工序的各工步及作业顺序、每一工步的内容与要求以及达到要求的作业顺序与方法、使用设备与工装的方法及注意事项，并以装配工序图说明无法用文字表达的内容，装配工序卡格式如图4。

4)装配零部件明细表（物料表)

过去规定的装配明细表只说明装配所需的物、料，没有表示物料需求的先后顺序，所以对指导作业与生产计划没有起到应有的作用。为了适应细化管理与MRP/ERP的要求，用分层次的零件明细表和汇总表既表示需要量，也表示需求的先后。装配物料表如图5。

四、装配CAPP的实现

1.装配CAPP的实现方案

1）装配CAPP实现方案的分析

根据前面的装配工艺的设计要求，完成装配工艺的设计首先必须分析产品各层装配图，了解产品结构、性能及装配技术规范、要求和该产品的技术标准，才能决策产品装配的层次顺序与方法，由于输入信息主要是现行工程图纸(或CAD图形文件)， 而且是比较复杂的图纸，所以在目前计算机系统没有解决图纸识别的条件下，要自动分析复杂的装配关系，是很困难的，即使用很复杂的方法有可能实现，但往往无法实用。根据机械产品结构分析，产品性能各不相同，但是组成产品的零件有70～80%具有相似性，由这些相似零件组成的构件其装配关系也必然存在相似性，按相似性原理建立派生式装配CAPP是可行的。

2）建立派生式装配CAPP的方案

（1）按相似性原理建立相似产品、部件、组件的装配程序库；

（2）按相似性原理建立标准、典型装配工艺方法(装配工序)库；

（3）建立人机交互模块，执行数据库、图形库检索、调用、输入、修改等操作功能；

（4）建立装配系统图生成模块，输出各层次装配系统图；

（5）建立装配明细表生成模块。

2﹒实现装配CAPP的方法

1）充分应用组成技术与标准化原理，开展装配工艺标准化、规范化工作

根据机械产品结构分析，产品性能各不相同，但是组成产品的零件有70～80%具有相似性，由这些相似零件组成的构件其装配关系也必然存在相似性，而且部分通用机构的装配方法与要求，国家、行业已制定了标准或规范、手册，所以在编制装配工序时应采用。没有标准、规范的可以按相似性原理，把相似构件的装配内容进行统一，建立企业标准。这样就能形成相似结构的装配工序卡，达到通用化、标准化。对于那些专用的构件，可以编制专用工序卡，这样形成通用标准装配工序卡与专用工序卡。在装配工艺设计是调用、组成装配工艺卡片，也可把这些卡片按一定的编码规则进行编码，表达到装配系统图上，使操作者不但从装配系统图上了解整个构件的组成及装配过程，还可以根据系统图上的装配码，找到每一工序的装配工序卡，从而按卡片的要求进行装配作业。这为装配CAPP建立通用、标准装配工艺卡片库打下了基础。

2）充分应用CAD/PDM成果
 

利用CAD系统模拟，应用三维CAD系统进行装配模拟，将模拟过程记录下来，作为新结构装配工艺的设计基础资料。
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利用CAD系统图形库，调用其图形库中图形，完成装配工艺设计中需要的图形。
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利用PDM系统生成设计BOM的功能，自动生成装配BOM。
 

利用PDM系统产品结构配置功能，人机交互生成装配BOM。

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