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成組技術(shù)：在工業(yè) 4.0 時(shí)代實(shí)現(xiàn)卓越運(yùn)營

2018-12-17 來源：山高刀具集團(tuán) 作者：技術(shù)經(jīng)理 Patrick de Vos

上海, 2018 年 12月 -工業(yè)革命發(fā)展到現(xiàn)在，制造商們始終擁有一個(gè)共同的目標(biāo)，那就是將零件生產(chǎn)控制在一定時(shí)間和成本內(nèi)。制造工藝從手工制造的單件生產(chǎn)模式發(fā)展為大批量生產(chǎn)線，相同零件的產(chǎn)量顯著提高：大批量/少品種 (HVLM)生產(chǎn)方案。近年來，隨著數(shù)字技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于編程、機(jī)床控制和工件處理系統(tǒng)，工業(yè)4.0得到了快速發(fā)展，推動了多品種/小批量 (HMLV) 生產(chǎn)模式。

在工業(yè) 4.0 時(shí)代，企業(yè)往往高度重視最新的生產(chǎn)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)。然而，生產(chǎn)率和成本效益最大化依舊建立在卓越運(yùn)營基礎(chǔ)之上。在目前的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，制造商普遍認(rèn)為速度是卓越運(yùn)營的關(guān)鍵指標(biāo)：盡可能縮短從圖紙進(jìn)入工廠，到工件成品最終離開工廠的時(shí)間。制造商開展的提速工作通常集中在例如精益制造或六西格瑪 (SixSigma)等策略上。

然而，這些策略通常涉及到 HVLM 生產(chǎn)，有時(shí)候并不適用于 HMLV 方案。成組技術(shù)方法是簡化 HMLV輸出的一項(xiàng)重要因素，將零件分類并編碼到不同的可加工系列中，使車間能夠?qū)崿F(xiàn)最高水準(zhǔn)的卓越運(yùn)營。

成組技術(shù)

成組技術(shù)是一種制造組織策略，在該策略中，具有某些相似性（例如幾何形狀、材料、制造工藝或質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)）的零件被歸到特定群組或系列中，然后采用一種通用的生產(chǎn)方法進(jìn)行制造。在計(jì)劃加工工序時(shí)，它針對的是整個(gè)零件系列，而不是單個(gè)工件。

通常，組織生產(chǎn)零件系列被稱為“單元式制造”。單元式制造興起于 20 世紀(jì) 80 年代，大約在 HMLV 生產(chǎn)時(shí)代開始的時(shí)候。制造商們認(rèn)識到，批量生產(chǎn)規(guī)模不斷縮小，而工件和新工件材料的種類不斷增加。車間面對的是千差萬別且生產(chǎn)批量相對較小的工件。因此，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間大幅增加，制造商們試圖克服這個(gè)問題。

成組技術(shù)中的零件系列根據(jù)零件的編碼和分類進(jìn)行創(chuàng)建。每個(gè)零件都會分配一個(gè)由字母、數(shù)字或兩者的組合組成的代碼，并且每個(gè)單獨(dú)的字母或數(shù)字都代表工件的特定特征或生產(chǎn)工件所需的生產(chǎn)技術(shù)。如圖 1所示，零件代碼第 6 位表示工件尺寸，第 7 位表示原材料，第 8 位表示工件材料的原始形狀，第 9位表示所需的質(zhì)量等級。第 3 位至第 5 位描述了加工零件所需的工序。

圖 1：優(yōu)化代碼和分類系統(tǒng)

零件代碼用于計(jì)劃生產(chǎn)，并通過參考一個(gè)稱為“復(fù)雜工件”的虛擬或不存在的零件來報(bào)價(jià)，如圖 2 第二行所示。這里所謂的“復(fù)雜”并不意味著工件難以加工；相反，它描述的是一個(gè)通用工件，該工件展示了公司能夠加工的所有特征，例如高精度和低精度的孔、深腔體和淺腔體、側(cè)銑特征等。圖中第一行的零件代表了可以選用第二行復(fù)雜工件所述的工序生產(chǎn)的工件。通過將加工各個(gè)所需特征的成本相加，可以得出代表性的總成本，并且簡化了定價(jià)估算工作。不需要逐個(gè)分析零件成本。

圖 2：工件加工元素

生產(chǎn)計(jì)劃員和估價(jià)員一起研究工件圖紙，通過將工件上的特征與復(fù)雜工件上的特征相匹配來進(jìn)行報(bào)價(jià)，并且還可確定其他生產(chǎn)要素，例如所需的機(jī)床、是否需要冷卻液等。此外，借助成熟的 CAM 系統(tǒng)執(zhí)行成組技術(shù)還能進(jìn)一步降低預(yù)加工工程時(shí)間的要求。另外，由于工廠各部門都基于相同的復(fù)雜工件模型工作，這也有效改善了工廠跨部門溝通。

成組技術(shù)方法最初起源于開發(fā)人員需要與工藝工程師、程序員和計(jì)劃員接洽，以便收集各種生產(chǎn)工序的成本信息。盡管這種開發(fā)始于 20 世紀(jì) 80年代，但將個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)匯編并組織成為一個(gè)系統(tǒng)的過程類似于如今盛行的人工智能活動。

在某些情況下，成組技術(shù)可以推動車間的重組。圖 3 左側(cè)顯示了零件在車間中經(jīng)歷的迂回路徑，該車間采用基于車削、銑削、磨削等機(jī)床功能的傳統(tǒng)布局。然而，當(dāng)工件采用單元布局（圖中右側(cè)所示）以系列的形式進(jìn)行分組和加工時(shí)，可以布置機(jī)床以簡化制造流程，并最大限度地減少零件在車間中的移動。每個(gè)不同的工件系列均以最高效的方式加工，而不需要在車間內(nèi)進(jìn)行不必要的運(yùn)輸。因此大幅縮短了零件生產(chǎn)時(shí)間。

圖 3：車間布局

當(dāng)然，采用新概念既有益處也有挑戰(zhàn)。成組技術(shù)方法在工程設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和制造時(shí)間節(jié)省方面有不少優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些弊端。首先，在某種程度上，成組技術(shù)方法降低了靈活性。如果某一特定工件配置的需求顯著增加，造成生產(chǎn)瓶頸，那么傳統(tǒng)的車間設(shè)置將更加靈活。在傳統(tǒng)布局中，部門中的其他機(jī)床可以用來生產(chǎn)零件。其次，管理機(jī)床停機(jī)時(shí)間也會是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。如果一個(gè)零件系列出現(xiàn)暫時(shí)的需求下降，那么單元布局中的機(jī)床將會閑置。

實(shí)施成組技術(shù)概念可能帶來的另一個(gè)難題是往往需要花費(fèi)過多的時(shí)間來比較各個(gè)編碼系統(tǒng)。然而，比編碼系統(tǒng)本身更重要的，是公司應(yīng)當(dāng)全面了解其設(shè)備和資源，以及期望的結(jié)果。在這種情況下，內(nèi)部創(chuàng)建自定義編碼系統(tǒng)將會是一種簡單而高效的選擇。重新安排車間以更有效地加工零件系列是另一項(xiàng)工廠特定的決策。大型企業(yè)更容易重新調(diào)整他們的機(jī)床，而小型企業(yè)可能面臨經(jīng)濟(jì)方面的限制和其他因素。

更快、更準(zhǔn)確的報(bào)價(jià)

創(chuàng)建零件報(bào)價(jià)的成組技術(shù)方法可以提高收入和盈利能力。例如，一家航空航天分包商采用 HMLV生產(chǎn)環(huán)境，其批量大小為 1 到 5 個(gè)工件，每年收到大約 4000份報(bào)價(jià)請求。由于沒有足夠的時(shí)間對每個(gè)零件進(jìn)行單獨(dú)的分析和報(bào)價(jià)，延緩了定價(jià)過程，導(dǎo)致車間只能對4000 份可能任務(wù)中的 1500 份進(jìn)行細(xì)致的報(bào)價(jià)。這家分包商收到了大約 2600 份訂單。后來，利用成組技術(shù)舉措支持的分析并利用復(fù)雜工件信息進(jìn)行零件報(bào)價(jià)后，這家分包商發(fā)現(xiàn)自己每年可以進(jìn)行 3000份細(xì)致的報(bào)價(jià)。更多細(xì)致的報(bào)價(jià)吸引到了更多的訂單，達(dá)到每年 3200 份訂單的水平。最重要的是，在根據(jù)成本和利潤進(jìn)行投標(biāo)時(shí)，投標(biāo)的成本比先前未采用成組技術(shù)概念的投標(biāo)平均降低了 30% 以上。

更快、更準(zhǔn)確的報(bào)價(jià)流程具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一是錯(cuò)誤的、對利潤率產(chǎn)生負(fù)面影響的投標(biāo)價(jià)過低情況減少，二是不準(zhǔn)確的、令客戶難以接受的虛高報(bào)價(jià)情況減少。成組技術(shù)概念的實(shí)施讓制造商能夠更好地控制所做的工作及其成本，并降低了不準(zhǔn)確報(bào)價(jià)的發(fā)生率。

成組技術(shù)規(guī)定，不考慮每個(gè)單獨(dú)的工件及其生產(chǎn)參數(shù)，而是將具有相似特征的零件分組在一起進(jìn)行加工。以一家生產(chǎn)皮帶式傳動裝置的皮帶輪的車間為例。為了適用于不同尺寸的皮帶，各個(gè)皮帶輪的帶槽的直徑、寬度和輪廓有所不同。采用不同配置加工時(shí)，其間的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為一個(gè)半小時(shí)。

工藝流程分析表明，每次進(jìn)行皮帶輪加工轉(zhuǎn)換時(shí)，都要完全拆卸機(jī)床，而且需要取出、清洗和放好所有刀具。為了加工下一個(gè)皮帶輪，需要將大多數(shù)相同的刀具放回機(jī)床中。在成組技術(shù)方法中，相似但不完全相同的皮帶輪被劃分為一個(gè)系列。轉(zhuǎn)換工作包括更改 NC 程序、修改一些加工參數(shù)，有時(shí)需要更改用于加工槽形的刀具。根據(jù)特定工件，轉(zhuǎn)換時(shí)間從一個(gè)半小時(shí)縮短為十分鐘。采用這個(gè)方法的主要難題在于讓車間人員相信，他們生產(chǎn)的零件屬于同一個(gè)系列，可以通過調(diào)整工藝流程實(shí)現(xiàn)更快地加工。

不同工件

結(jié)論

成組技術(shù)制造組織策略可幫助制造商高效應(yīng)對 HMLV 生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，山高澳大利亞分公司的 Dave Morr 已對此進(jìn)行了廣泛的開發(fā)工作。傳統(tǒng)的生產(chǎn)率提高策略（例如精益制造和六西格瑪）確實(shí)能夠帶來一定改善，特別是在可對大量相同零件的加工工序進(jìn)行微調(diào)的 HVLM 生產(chǎn)中。然而，隨著加工技術(shù)以及數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計(jì)和管理的進(jìn)步，高度多樣化、小批量的制造日益增多。通過將零件歸類為系列并整合定價(jià)活動和加工工序，成組技術(shù)方法為制造商提供了一種高效應(yīng)對工業(yè) 4.0 時(shí)代諸多挑戰(zhàn)的方法。

圖 4：復(fù)雜工件示例

說明

成組技術(shù)和山高咨詢服務(wù) (SCS)成組技術(shù)制造組織策略是實(shí)現(xiàn)卓越運(yùn)營的重要要素，并且可以有力地推動制造商各方面的工作。然而，競爭的壓力迫使許多制造商幾乎只專注于以特定的成本按時(shí)生產(chǎn)特定數(shù)量的零件，而沒有時(shí)間或?qū)I(yè)知識來仔細(xì)分析和優(yōu)化其業(yè)務(wù)和加工工序。

山高成立了一個(gè)新的業(yè)務(wù)部門，旨在幫助那些有資源可用于生產(chǎn)改進(jìn)，但沒有足夠的資金支付雇用工藝改進(jìn)工程師的高費(fèi)用或與大型業(yè)務(wù)咨詢公司進(jìn)行合作的中型公司。山高咨詢服務(wù) (SCS)可幫助制造商平衡整體制造和業(yè)務(wù)問題與加工效率和經(jīng)濟(jì)性。SCS對品牌保持中立，支持用戶當(dāng)前使用的任何品牌刀具。

利用 SCS 的第一步是制造效率評估 (MEE) 工作，包括對加工、生產(chǎn)系統(tǒng)和運(yùn)營管理績效的分析。SCS 將分析公司的產(chǎn)能，并檢查準(zhǔn)備、加工和設(shè)備處理方面的問題。從中能夠揭示產(chǎn)能/資產(chǎn)問題的根源，以及員工的知識短板。準(zhǔn)備分析包括編程支持以及方法和零件的標(biāo)準(zhǔn)化。通過方法優(yōu)化和故障排除來識別并解決加工問題。庫存和消耗可視化以及刀具管理計(jì)劃可解決設(shè)備處理問題。

在整個(gè) SCS 計(jì)劃中，山高技術(shù)教育服務(wù)（STEP 研討會和課程）幫助培訓(xùn)制造公司的員工。服務(wù)的一個(gè)主要方面包括說服車間人員采用新的策略。僅僅將宣傳海報(bào)貼在車間墻壁上不能起到多大的效果。事實(shí)上，問題往往不在于缺乏新的知識或理念，而是因?yàn)檐囬g人員傾向于采納傳統(tǒng)解決方案。成功的關(guān)鍵是說服員工認(rèn)識到新策略的好處，并制定實(shí)施新策略的準(zhǔn)則。

圖 5：NEXT STEP 模型

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