成組技術：在工業 4.0 時代實現卓越運營
2019-1-8 來源：山高刀具集團 作者：技術經理 Patrick de Vos
上海, 2018 年 12月 -工業革命發展到現在，制造商們始終擁有一個共同的目標，那就是將零件生產控制在一定時間和成本內。制造工藝從手工制造的單件生產模式發展為大批量生產線，相同零件的產量顯著提高：大批量/少品種 (HVLM)生產方案。近年來，隨著數字技術開始廣泛應用于編程、機床控制和工件處理系統，工業4.0得到了快速發展，推動了多品種/小批量 (HMLV) 生產模式。
在工業 4.0 時代，企業往往高度重視最新的生產技術和數字化技術。然而，生產率和成本效益最大化依舊建立在卓越運營基礎之上。在目前的經濟環境下，制造商普遍認為速度是卓越運營的關鍵指標：盡可能縮短從圖紙進入工廠，到工件成品最終離開工廠的時間。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，有時候并不適用于 HMLV 方案。成組技術方法是簡化 HMLV輸出的一項重要因素，將零件分類并編碼到不同的可加工系列中，使車間能夠實現最高水準的卓越運營。
成組技術
成組技術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、制造工藝或質量標準）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方法進行制造。在計劃加工工序時，它針對的是整個零件系列，而不是單個工件。
通常，組織生產零件系列被稱為“單元式制造”。單元式制造興起于 20 世紀 80 年代，大約在 HMLV 生產時代開始的時候。制造商們認識到，批量生產規模不斷縮小，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批量相對較小的工件。因此，生產準備時間大幅增加，制造商們試圖克服這個問題。
成組技術中的零件系列根據零件的編碼和分類進行創建。每個零件都會分配一個由字母、數字或兩者的組合組成的代碼，并且每個單獨的字母或數字都代表工件的特定特征或生產工件所需的生產技術。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位表示所需的質量等級。第 3 位至第 5 位描述了加工零件所需的工序。
優化代碼和分類系統
零件代碼用于計劃生產，并通過參考一個稱為“復雜工件”的虛擬或不存在的零件來報價，如圖 2 第二行所示。這里所謂的“復雜”并不意味著工件難以加工；相反，它描述的是一個通用工件，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、側銑特征等。圖中第一行的零件代表了可以選用第二行復雜工件所述的工序生產的工件。通過將加工各個所需特征的成本相加，可以得出代表性的總成本，并且簡化了定價估算工作。不需要逐個分析零件成本。
圖 2：工件加工元素.jpg
生產計劃員和估價員一起研究工件圖紙，通過將工件上的特征與復雜工件上的特征相匹配來進行報價，并且還可確定其他生產要素，例如所需的機床、是否需要冷卻液等。此外，借助成熟的 CAM 系統執行成組技術還能進一步降低預加工工程時間的要求。另外，由于工廠各部門都基于相同的復雜工件模型工作，這也有效改善了工廠跨部門溝通。成組技術方法最初起源于開發人員需要與工藝工程師、程序員和計劃員接洽，以便收集各種生產工序的成本信息。盡管這種開發始于 20 世紀 80年代，但將個人經驗和數據匯編并組織成為一個系統的過程類似于如今盛行的人工智能活動。在某些情況下，成組技術可以推動車間的重組。圖 3 左側顯示了零件在車間中經歷的迂回路徑，該車間采用基于車削、銑削、磨削等機床功能的傳統布局。然而，當工件采用單元布局（圖中右側所示）以系列的形式進行分組和加工時，可以布置機床以簡化制造流程，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，而不需要在車間內進行不必要的運輸。因此大幅縮短了零件生產時間。
圖 3：車間布局.jpg
當然，采用新概念既有益處也有挑戰。成組技術方法在工程設計、工藝規劃和制造時間節省方面有不少優點，但也存在一些弊端。首先，在某種程度上，成組技術方法降低了靈活性。如果某一特定工件配置的需求顯著增加，造成生產瓶頸，那么傳統的車間設置將更加靈活。在傳統布局中，部門中的其他機床可以用來生產零件。其次，管理機床停機時間也會是一項挑戰。如果一個零件系列出現暫時的需求下降，那么單元布局中的機床將會閑置。
實施成組技術概念可能帶來的另一個難題是往往需要花費過多的時間來比較各個編碼系統。然而，比編碼系統本身更重要的，是公司應當全面了解其設備和資源，以及期望的結果。在這種情況下，內部創建自定義編碼系統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工廠特定的決策。大型企業更容易重新調整他們的機床，而小型企業可能面臨經濟方面的限制和其他因素。
更快、更準確的報價
創建零件報價的成組技術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生產環境，其批量大小為 1 到 5 個工件，每年收到大約 4000份報價請求。由于沒有足夠的時間對每個零件進行單獨的分析和報價，延緩了定價過程，導致車間只能對4000 份可能任務中的 1500 份進行細致的報價。這家分包商收到了大約 2600 份訂單。后來，利用成組技術舉措支持的分析并利用復雜工件信息進行零件報價后，這家分包商發現自己每年可以進行 3000份細致的報價。更多細致的報價吸引到了更多的訂單，達到每年 3200 份訂單的水平。最重要的是，在根據成本和利潤進行投標時，投標的成本比先前未采用成組技術概念的投標平均降低了 30% 以上。更快、更準確的報價流程具有兩個優點。一是錯誤的、對利潤率產生負面影響的投標價過低情況減少，二是不準確的、令客戶難以接受的虛高報價情況減少。成組技術概念的實施讓制造商能夠更好地控制所做的工作及其
成本，并降低了不準確報價的發生率。
成組技術規定，不考慮每個單獨的工件及其生產參數，而是將具有相似特征的零件分組在一起進行加工。以一家生產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，其間的轉換時間約為一個半小時。
工藝流程分析表明，每次進行皮帶輪加工轉換時，都要完全拆卸機床，而且需要取出、清洗和放好所有刀具。為了加工下一個皮帶輪，需要將大多數相同的刀具放回機床中。在成組技術方法中，相似但不完全相同的皮帶輪被劃分為一個系列。轉換工作包括更改 NC 程序、修改一些加工參數，有時需要更改用于加工槽形的刀具。根據特定工件，轉換時間從一個半小時縮短為十分鐘。采用這個方法的主要難題在于讓車間人員相信，他們生產的零件屬于同一個系列，可以通過調整工藝流程實現更快地加工。
不同工件.jpg
結論
成組技術制造組織策略可幫助制造商高效應對 HMLV 生產的挑戰，山高澳大利亞分公司的 Dave Morr 已對此進行了廣泛的開發工作。傳統的生產率提高策略（例如精益制造和六西格瑪）確實能夠帶來一定改善，特別是在可對大量相同零件的加工工序進行微調的 HVLM 生產中。然而，隨著加工技術以及數字產品設計和管理的進步，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活動和加工工序，成組技術方法為制造商提供了一種高效應對工業 4.0 時代諸多挑戰的方法。
圖 4：復雜工件示例.jpg
說明
成組技術和山高咨詢服務 (SCS)
成組技術制造組織策略是實現卓越運營的重要要素，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生產特定數量的零件，而沒有時間或專業知識來仔細分析和優化其業務和加工工序。
山高成立了一個新的業務部門，旨在幫助那些有資源可用于生產改進，但沒有足夠的資金支付雇用工藝改進工程師的高費用或與大型業務咨詢公司進行合作的中型公司。山高咨詢服務 (SCS)可幫助制造商平衡整體制造和業務問題與加工效率和經濟性。SCS對品牌保持中立，支持用戶當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、生產系統和運營管理績效的分析。SCS 將分析公司的產能，并檢查準備、加工和設備處理方面的問題。從中能夠揭示產能/資產問題的根源，以及員工的知識短板。準備分析包括編程支持以及方法和零件的標準化。通過方法優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劃可解決設備處理問題。
在整個 SCS 計劃中，山高技術教育服務（STEP 研討會和課程）幫助培訓制造公司的員工。服務的一個主要方面包括說服車間人員采用新的策略。僅僅將宣傳海報貼在車間墻壁上不能起到多大的效果。事實上，問題往往不在于缺乏新的知識或理念，而是因為車間人員傾向于采納傳統解決方案。成功的關鍵是說服員工認識到新策略的好處，并制定實施新策略的準則。
圖 5：NEXT STEP 模型.jpg
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