机械制造工艺学课件第四章提高劳动生产率的途径

第四章提高劳动生产率的途径

第一节

提高生产率的措施第二节

成组技术第三节CAPP1根本时间：时间定额

定义:

在一定生产条件下，生产一件产品或完成一道工序所需消耗的时间

组成辅助时间：布置工作地时间休息和生理需要时间准备终结时间第一节提高生产效率的措施2

单件时间与单件工时定额计算◆

单件时间：◆

单件工时定额：式中tB——根本时间tA——辅助时间tC——布置工作地时间tR——休息和生理需要时间tP——准备终结时间B——批量3提高生产效率的工艺途径缩短根本时间：①提高切削用量〔切削速度、进给量、切削深度等〕；②采用多刀多刃进行加工〔如以铣削代替刨削，采用组合刀具等〕；③采用复合工步，使多个外表加工根本时间重合〔如多刀加工，多件加工等〕。缩短辅助时间：①使辅助动作实现机械化和自动化〔如采用自动上下料装置、先进夹具等〕；②使辅助时间与根本时间重叠〔如采用多位夹具或多位工作台，使工件装卸时间与加工时间重叠；采用在线测量，使测量时间与加工时间重叠等〕4缩短布置工作地时间：

缩短准备终结时间：时间定额与提高生产效率的途径主要是减少换刀时间和调刀时间采用自动换刀装置或快速换刀装置使用不重磨刀具采用样板或对刀块对刀采用新型刀具材料以提高刀具耐用度在中小批量生产中采用成组工艺和成组夹具在数控加工中，采用离线编程及加工过程仿真技术5批量法那么在大批量生产中，由于采用专用、高效和自动化的生产设备，可以获得高的生产率，低的生产本钱，短的生产周期；而多品种、小批量生产那么相反。机床利用率例：CA6140车床，最大加工直径φ400，实际加工90％以上工件直径缺乏100mm，机床利用率极低。制造周期在多品种、中小批量生产中，加工时间仅占生产时间的约5％，其余95％均为周转等待时间；加工时间中真正进行切削的时间缺乏30%。多品种、中小批量生产中存在的问题第二节成组技术〔GroupTechnology—GT〕6◆目前，单件小批量生产的产品占机械产品总数的70％以上，并有继续增大的趋势。解决多品种、中小批量生产的有效途径是采用GT。5％

95％调整、装夹、对刀、检测等切削30％

70％加工时间

运输与等待时间制造周期加工时间图4-1多品种、中小批量生产的时间分配7GT的客观基础二次相似性结构〔形状、尺寸、精度…〕材料〔材质、毛坯、热处理…〕工艺〔加工方法、加工设备…〕一次相似性机械零件之间存在相似性这种相似性主要表现在三个方面：机械产品中各类零件出现有明显的规律性〔图4-2〕正是由于70%左右的零件属于相似件，构成实施成组技术的客观根底。8标准件复杂件相似件20～25%70%5～10%零件复杂程度零件出现频数图4-2机械产品中不同复杂程度零件分布规律9图4-3结构相似零件组10图4-4工艺相似零件组11GT定义一般性定义：GT是一门生产技术科学，研究和开掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的问题分类成组，寻求解决这一组问题的相对统一的最优方案，以取得最正确效果。机械制造领域中定义：将多种零件〔部件或产品〕按其相似性分类成组，并以这些零件组〔部件组或产品组〕为根底组织生产，实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造工艺和生产管理的合理化。GT被认为是一种“制造哲理〞—〔ManufacturingPhilosophy〕，是现代制造技术的一个重要理论根底。12图4-5成组技术基本原理产品部件零件零件组ABCA1A2A3B1B2C1C2C3C4将多种零件按其相似性分类成组，人为扩大生产批量重复使用原那么：◆资源重复使用，降低生产本钱；◆作业熟练程度增加，提高生产率。GT工作原理13GT发展简况★20世纪50年代，前苏联院士Митрофанов在其著作“成组工艺科学原理〞中首次提出“成组技术〞。★20世纪60年代西欧研究GT形成高潮，代表人物首推阿亨工业大学Opitz教授，他所领导的小组进行了大量的调查研究工作，为成组技术提供了重要的理论依据。★20世纪70年代，美国、日本接受成组技术，并迅速与计算机技术联系在一起，使其得到更好的应用。★20世纪80、90年代，GT与各种新的制造方式相结合，成为现代制造技术的根底。★GT开展过程：成组加工→成组工艺→成组技术→成组生产系统14我国GT发展简况★20世纪50末、60初学习苏联，首先在纺织机械行业试点实行，有清华大学、西安交大等高校参与。★20世纪60年代中期以后，由于文化大革命，国民经济陷入混乱状态，GT无从谈起。★20世纪70末、80初，文革以后，自上而下推行，机械部推出4个试点单位，并组织制定了两个编码系统〔JCBM-1，JLBM-1〕，对GT开展起到了推动作用。★20世纪80年代中期后，方案经济向市场经济转轨，采用GT成为企业自发的行为。15零件分类编码系统根本概念——零件分类编码系统是用字符〔数字、字母或符号〕对零件有关特征进行描述和识别的一套特定的规那么和依据。★Opitz分类编码系统〔图4-6，4-7，4-8〕★JLBM-1分类编码系统〔图1-21〕分类编码系统简介特点：1）结构简单，使用方便2）对零件形状（特别是回转类零件）描述较完善3）适用范围较广（设计、工艺、管理…）4）工艺信息反映不够充分5）对非回转类零件描述较粗糙16图4-6Opitz分类编码系统0123456789RotationalNonrotationalDigit1PartclassL/D≤0.5MainshapeExternalshapeelementMainshapeRotationalmachiningAccuracy0.5<L/D<3L/D≥3WithdeviationL/D≤2WithdeviationL/D>2SpecialL/W≤3L/H≥4L/W>3L/W≤3L/H<4SpecialMainshapeMainshapeMainshapeOriginalofrawmaterialsmaterialDimensions6789InternalshapeelementMachiningofplanesurfacesOtherholesandteethMachiningofplanesurfacesOtherholesandteethMachiningofplanesurfacesOtherholesteeth&formingRotationalmachiningMainboreRotationalmachiningPlanesurfacemachiningAdditionalholesteeth&formingDigit2Digit3Digit4Digit5FormcodeSupplementarycodeDigit17Digit1Digit2Digit3Digit4Digit5NonrotationalPartclass0123456789RotationalL/D≤0.50.5<L/D<3L/D≥3Smooth,noshapeelements0123456789ThreadExternalshape,ExternalshapeelementsnoshapeelementsOrsmoothFunctionalgrooveSteppedtobothendnoshapeelementsThreadFunctionalgrooveFunctionalconeOperatingthreadAllothersSteppedoneendSteppedoneendSmooth,noshapeelements0123456789ThreadInternalshape,InternalshapeelementsnoshapeelementsOrsmoothFunctionalgrooveSteppedbothendnoshapeelementsThreadFunctionalgrooveFunctionalconeOperatingthreadAllothersPlanesurfacemachining0123456789Surfaceplaneand/orcurvedinonedirection,externalNosurfacemachiningExternalplanesurfacerelatedbygraduationaroundcircleExternalgrooveand/orslotExternalspline(polygon)Externalplanesurfaceand/orslot,externalsplineInternalplanesurfaceand/orslotInternalspline(polygon)Internal/externalpolygon,grooveand/orslotAllothersAuxiliaryholesandgearteethNoauxiliaryholeAxial,notonpitchcirclediameter0123567894Axial,onpitchcirclediameterNogearteethWithgearteethRadial,notonpitchcirclediameterAxial/radial,and/orotherdirectionAxial/radial,onPCDand/orotherdirectionAllothersSpurgearteethBevelgearteethOthergearteeth图4-7Opitz分类编码系统回转体零件形状码18图4-8Opitz分类编码系统辅助码（6～9位）Steel,Heattreatment0123456789012345678901234567890123456789Diameter(Length)MaterialAccuracyOriginalshapeofrawmaterial≤2020～5050～100100～160160～250250～400400～600600～10001000～2000＞2000NodularironAlloysteel(Heattreatment)NonferrousmetalLightalloyAllothersCastironPipeMachinedworkpieceCastingandforgingsL,U,Tetc.sectionsteelBar(heatrolling)Bar(coldrollingordrawing)△,□,etc.barSheetStickplateWeldmentUndefined23452+32+42+53+42+3+4+5Digit6Digit8Digit9Digit7AlloysteelSteelSteel19名称类别粗分类0123456789回转类零件非回转类零件轮盘类环套类销杆轴齿轮类异形件专用件杆条类板块类座架类箱体类名称类别细分类0123456789盘盖防护盖法兰盘带轮手轮离合器分度盘滚轮活塞其它回转类零件的形状及加工码外部形状加工基本形状功能要素内部形状加工基本形状功能要素平面曲面加工外平面内平面辅助孔成形刻线辅助码材料毛坯原始形状热处理主要尺寸精度直径或宽度长度非回转类零件形状及加工码图4-9JLBM-1分类编码系统20图4-10压盖零件编码〔)φ240700.80.8其余3.2211〕综合零件法——★综合零件包含了零件组内所有零件的结构要素，它可以是一个实际零件，但更多情况是一个假想零件。★按综合零件编制工艺规程，那么该工艺规程包含了零件组内所有零件的工艺内容。★

综合零件法多用于回转体零件的成组工艺过程设计。成组工艺过程设计

2〕综合路线法——★将零件组内所有零件的工艺内容综合在一起，形成成组工艺。★多用于非回转体零件的成组工艺过程设计。22综合零件图4-11综合零件实际零件【例】23特征矩阵综合零件成组工艺过程卡车间零件组代号页工序号工序名称及内容机床适用零件车右端面,打中心孔,车外圆(留磨量)车螺纹,倒角,切槽,切断1C6132ABCDE2车左端面,打中心孔,倒角铣键槽（铣横槽,铣扁）3C6132X51W4调质5研中心孔C61326磨外圆M121∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨1234567890123456789241〕加工单元组织形式①成组单机②成组单元③成组流水线④成组柔性制造系统图4-12成组单元布置形式加工单元设计a）机群式布局GGGDDMM进出料口LLLLLLAAMMb）成组单元布局LLLMMDDGGA出料口进料口25图4-13FMS自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机信息传输网络加工单元1加工单元2加工单元n运输小车工夹具站2〕确定机床数量式中[Qj]——计算的机床台数

Ni

——第i种零件年需求量

tij

——第i种零件在第j种机床上的单件工时

F

——机床年台时基数F=250×M×8×K式中M——班次

K

——开机系数，常取0.9～0.95◆计算机床台数：27◆一般要求：η≥0.85关键、稀少设备允许η=1.1～1.2简单设备η值可适当减小◆负荷调整与平衡：①负荷过低，可几个单元共用一台机床②也可扩大单元内零件组数或组内零件数◆机床负荷率：◆实际机床台数：Qj≥[Qj]28成组技术在设计中的应用利用零件编码，检索相似零件，减小重复设计工作量〔据统计，一项新产品中有70%以上的零件设计可以借鉴或直接引用原有的设计〕。同样利用产品和部件的继承性，对产品及部件进行编码，通过检索、调出和利用已有相类似设计，可显著减少新设计的工作量〔参数化设计技术的开展使这一效果更加显著〕。◎

零件标准化内容零件名称标准化零件结构标准化零件标准化提高设计标准化程度设计标准化是工艺标准化的前提。29◎

零件结构标准化等级与标准化要素之间的关系：标准化等级简单标准化基本标准化主要标准化完全标准化标准化要素功能要素基本形状功能要素配置主要尺寸◎设计标准化与工艺标准化的关系：基本形状标准化主要工艺过程（工艺路线）标准化功能要素标准化工序、工步标准化功能要素配置标准化次要工序及工艺顺序标准化主要尺寸标准化工艺装备标准化设计标准化工艺标准化30◆成组生产单元是一种先进的生产组织形式，在成组生产单元内，零件加工过程被封闭起来，责、权、利集中在一起，生产人员不仅负责加工，而且共同参与生产管理与生产决策活动，使其积极性能够得到充分发挥。◆按成组工艺进行加工，可使零件加工流向相同，这不仅有利于减少工件运动距离，在安排作业方案时，也有规那么可循。成组技术在管理中的应用◆要求按工艺相似零件组〔而非按产品〕安排生产方案，需要打破旧的生产方案方式，而代之以按零件组安排生产进度方案。除了要转变传统观念以外，采用计算机辅助生产管理方法也是必要的。31第三节CAPP传统工艺过程设计存在的问题从根本上解决人工设计效率低，周期长，本钱高的问题可以提高工艺过程设计的质量，并有利于实现工艺过程设计的优化和标准化可以使工艺设计人员从烦琐重复的工作中解放出来，集中精力去提高产品质量和工艺水平CAPP是连接CAD和CAM系统的桥梁，是开展计算机集成制造的不可缺少的关键技术CAPP意义设计效率低，周期长，本钱高不必要的花色繁多，不利于管理设计质量参差不齐，难于实现优化设计工艺人员短缺和老化是全球机械制造业面临的共同问题32一、CAPP工作原理派生式(变异式)CAPP系统(VariantCAPPSystem)◆该类系统以成组技术为根底，根据零件编码查找所属零件组，调出零件组的标准工艺，进行适当的编辑或修改，生成所需的工艺规程。零件组矩阵零件编码查找零件组输入表头信息工艺规程格式工艺规程打印输出标准工艺路线文件标准工序文件图4-14CAM-I推出的派生式CAPP系统框图工作要素处理应用程序工艺路线检索/编辑标准工序检索/编辑工艺规程存储器33标准工艺规程文件特征矩阵文件零件图×××××××××××××××编码第×零件组零件组形成工艺过程设计a）准备阶段

图4-15派生式CAPP系统工作的两个阶段零件图标准工艺检索编码×××××第×零件组零件组搜索工艺规程（编辑）b〕使用阶段◆

派生式CAPP系统工作的两个阶段34◆派生式CAPP系统特点：1〕程序简单，易于实现。目前多用于回转体类零件CAPP系统。2〕需人工参与决策，自动化程度不高。3〕具有浓厚的企业色彩，局限性较大。创成式CAPP系统（GenerativeCAPPSystem）从无到有生成（工艺决策算法和逻辑推理）◆

零件信息描述零件工艺过程35◆例：普渡大学APPAS〔AutomatedProcessPlanningandSelection〕系统是一个实验性系统，适用于非回转类零件外表加工方法的生成每一加工表面用一数组表示：孔——AT（40）面——AT（32）槽——AT（31）数组各元素含义：①外表编号；②外表类型〔如：1—圆孔，2—平面，3—槽…〕；③类型号码〔取决于类型，如孔：1—圆孔，2—锥孔，3—螺孔…〕；④材料类型〔如：1—铸铁，2—球铁，3—钢…〕；⑤材料硬度…☆零件加工外表信息输入36半创成式CAPP系统（Semi-GenerativeCAPPSystem）◆派生式CAPP系统完全以人的经验为根底，难于保证设计最优，且局限性较大；完全创成式CAPP系统还不成熟。将两者结合起来，采用局部创成，局部派生〔或局部人工干预〕的方法是一种可取的方案。◆半创成式CAPP系统特点：1〕集派生式及创成式系统的优点，又克服两者的缺乏。2〕目前为多数CAPP系统采用。☆例：神户大学开发的半创成式CAPP系统〔图4-16〕37CAPP工作原理热处理、表面处理、手工作业等补充加工顺序和工序修正加工顺序处理机床选择调入一个零件数据机床组合零件数据工艺规程处理完否？NY工艺规程打印策略存储器机床文件加工顺序存储器1000个零件数据余量、精度存储器动态制约：例轴长径比限制；淬火后只能磨…确定加工方法策略；机床选用顺序；机床选用策略…典型加工顺序检索确定加工余量划分加工阶段人工干预动态存储器图4－16神户大学半创成式CAPP系统程序框图38二、CAPP关键技术零件信息输入零件加工外表可分为根本形面和辅助形面；形面可用特征参数进行描述；形面与一定的加工方法相联系较粗糙，信息输入不完整多用于只需制定简单工艺路线的场合只适用于派生式CAPP系统1〕成组编码法：输入工作量大是其主要的弱点2〕形面描述法：可完整地描述零件的几何、工艺信息，是目前CAPP系统使用最多的信息输入方法

多采用菜单〔交互〕方式输入，便于操作39二、CAPP关键技术1.圆柱面2.圆锥面3.圆柱齿轮4.圆锥齿轮5.蜗轮齿形6.花键7.

螺纹8.滚花9.退出外部基本形面菜单1.直径：上偏差：下偏差：2.长度：上偏差：下偏差：3.

表面粗糙度（Ra）：4.是否基准面：5.形位公差代号：公差：基准：6.有无辅助面？有无外圆柱面特征参数

1.径向孔2.端面孔3.径向螺孔4.端面螺孔5.圆弧槽6.矩形槽7.

端面槽8.斜孔9.退出外部辅助形面菜单圆柱面有40二、CAPP关键技术3〕与CAD系统相连接通用接口、专用接口、共享数据库由于目前CAD系统多为实体造型系统，需采用特征识别的方法补充输入工艺信息开展基于特征造型的CAD系统是长久之计41二、CAPP关键技术工艺决策◆特点：1〕直观，容易建立，便于编程2〕难于扩展和修改◆

形式：由树根、节点、分支构成；分支上方给出向一种状态转换的可能性或条件（确定性条件）条件满足，继续沿分支前进，实现逻辑“与”条件不满足，回出发节点并转向另一分支，实现逻辑“或”分支终点列出应采取的行动（决策行动）1〕决策树42二、CAPP关键技术E3（螺孔）E1（孔）E2（槽）E4（位置度公差≤0.05）E5（0.05＜位置度公差＜0.25）E6E7（直径公差≤0.05）E8（0.05＜直径公差＜0.25）E9（直径公差≥0.25）（位置度公差≥0.25）A1—坐标镗A2—精镗A3—半精镗A4—粗镗A5—铣A6—钻孔，攻丝表面图4－17加工方法选择决策树【例】43二、CAPP关键技术◆特点：1〕表达清晰，格式紧凑，便于编程2〕难于扩展和修改◆用表格形式描述事件之间逻辑依存关系。◆表格分为4个区域〔图4-22〕，左上角为条件工程，右上角为条件组合，各条件之间为“与〞的关系，左下角列出决策工程，右下角为各列对应的决策行动，决策行动之间也是“与〞的关系，决策表的每一列均可视为一