计算机辅助设计与制造（第二版）课件第9章成组技术

第9章成组技术

§9.1成组技术的基本原理

9.1.1成组技术基本原理

传统的单件小批量生产模式主要有下列一些问题：（1）生产计划、组织管理复杂化（2）零件从投料至加工成成品和总生产时间（生产周期）较长（3）生产准备工作量极大（4）产量小限制了先进生产技术的采用成组技术GT（GroupTechnology）就是为了解决这些问题而产生和发展起来的一项新技术。它是一门生产技术科学，研究如何识别和发掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的问题归类成组，寻求解决这一组问题相对统一的最优方案，以取得所期望的经济效益。

9.1.2成组技术的发展

50年代末60年代初，成组技术传入东欧和西欧各国。

60年代以后，日本、美国也积极采用成组技术，并取得效果。数控机床自1952年在美国问世以来，近30年的生产实践显示了它的一系列优越性。分类编码方法和技术文件的统一化，使各级计算机管理系统便于联网，由此可实现技术经济信息这一社会智力资源的共享。我国早在60年代初就在纺织机械、飞机、机床及工程机械等机械制造业中推广应用成组技术，并初见成效。进入80年代成组技术在我国得到广泛应用。机械设计研究总院组织研制了全国机械零件分类编码系统JLBM-1§9.2零件的分类编码系统

9.2.1零件的代码

1．零件的识别码

产品中每种基本零件都必须有自己的“识别码”，借以与产品中的其它零件相区别。这种零件的识别码，也就是零件的件号或图号。零件的识别码是唯一的，即每种基本零件只应有、也只能有一个件号或图号。

2．零件的分类码

零件的分类码是推行成组技术时才提出的,这是因为：（1）单有零件的识别码，并不能按成组技术要求组织生产。（2）为了推行成组技术的需要，零件除了必须拥有自己唯一的识别码外，还必须拥有分类码。

9.2.2零件分类编码的作用在实施成组技术的步骤中，首先要建立符合企业生产特点的零件分类编码系统。零件分类编码系统并非只对零件的分类分组有用，其作用和意义远比分类分组深刻得多。对产品零件进行分类分组，那只是零件分类编码系统的功能之一。何况，零件的分类分组也并非单纯依靠零件分类编码系统便可完全解决的。此处必须强调的是，除了能对零件分类分组外，零件分类编码系统的主要功能还在于能搜集和检索有关零件从设计、工艺到生产的各种信息。其主要表现在以下几个方面：

(1)利用零件分类编码结果得出企业的零件频谱汇总全部产品中自制零件的分类码，并统计出其中每个码位上的每个代码的出现频率，便可得出企业产品零件总体在每个结构一工艺持祉上的统计分。这些统计分布便构成企业的产品零件频谱，或简称零件谱。

（2）零件分类编码的结果是实现设计一工艺标准化的基础通过整理零件分类编码的结果，便能汇集出相似结构一工艺的零件组。这就为实现相似零件的结构标准化、通用化和系列化，以及为制造相似零件所用的工艺规程及其工艺装备的标准化、专业化、自动化奠定了基础，从而能显著提高企业在产品设计和工艺准备方面的标准化水平。

（3）零件分类编码的结果提供了有效的检索手段利用分类编码结果，按类组整理已有的有关零件的各种技术相生产方面的资料，然后便可按零件的分类码进行检索提取。这样便能使大量已有的、并被证明是十分可靠的资料，能够得到重复利用，因而便可大大节约不必要的重复劳动，充分做到物尽其用，杜绝一切可能的浪费。这样也有利于提高企业的经济效益。

(4)零件分类编码系统的推广应用有利于实现专业化生产

如果零件分类编码系统的应用不是局限于个别企业，而是延伸到整个行业，乃至整个部门。则能从行业的或部门的产品中找出更多的结构一工艺相似曲军部件来，组织成先进的按零部件专业化的集中生产，以克服历来将相似零部件按产品专业比分散生产的弊病。

（5）零件分类编码系统的应用有助于生产信息管理人类社会正步入一个崭新的信息时代。持别是现代机械制造企业面对科学技术突飞猛进、社会需求多样多变、市场竞争口益激烈的严峻环境，企业为了谋求生存和发展，必须对外部环境的瞬息变化，作出迅速的决策和反应。这便需要依靠及时准确地向企业领导部门提供各种必要的信息，作为制订决策的依据。若按传统的手工作业方式来汇集和处理企业生产活动中的浩确信息，则将必然延误时机。从而使企业的经营决策因跟不上外部环境的迅速变化，而蒙受经济上的打击和损失。因此，现代企业必须重视生产经营信息，而且必须借助计算机进行信息管理。

9.2.3零件分类编码原理和概念

1．零件的分类原理和概念

本小节仅限于讨论分类原理与概念而不涉及编码。有关编码问题将在下一小节中阐述。

(1)分类分类是人类认识客观世界的重要工具，是科学赖以产生的基础。

(2)分类系统分类系统是为了达到一定分类目的和要求而采用的相应分类原理、规则和步骤所构成的一个体系的总称。

(3)分类环节分类环节是事物在分类过程中所经历的每个层次或步骤。

(4)分类标志分类标志是事物赖以进行分类的依据。分类标志往往选取被分类事物所固有的特征和属性。

2．分类系统的结构形式

(1)按横向分类环节的多少来分

1）少环节分类系统这类分类系统的横向分类环节数量一般不超过9个。主要适用于手工分类场合，以便于记忆和实际使用。

2）多环节分类系统这类分类系统的横向分类环节数量都在9个以上。主要宜于采用计算机辅助分类。

(2)按横向分类环节间的相互关系来分

1）独立环节的分类系统若系统内各横向分类环节之间彼此完全独立而互不相干，则这样的横向分类环节便是独立环节

2）关联环节的分类系统一般地说，若系统中相邻横向分类环节之间有从属关系而互相关联，则这样的横向分类环节便称作关联环节。

3）混合环节的分类系统这种分类系统中的横向分类环节既有独立环节又有关联环节，因此属于兼有链式结构和树式结构的混合结构。

(3)按分类系统的用途来分

1）供设计检索用的分类系统这种系统的主要特点在于所选用的分类标志偏重在零件结构特征方面。

2）供工艺标准化用的分类系统此处主要偏重于零件的工艺特点。

3）设计与工艺兼顾的分类系统目前许多分类系统都是制订成设计与工艺兼顾的。

(4)按分类系统结构的表达形式分

1）表格式分类系统这种用表格形式来表达的分类系统，是目前流行的表达形式。

2）决策树式分类系统这是一种新的、有发展前途的表达形式，这种决策树的逻辑性强。

9.2.4常用的零件分类编码系统

1．VUOSO零件分类编码系统

VUOSO零件分类编码系统是成组技术中最早出现的零件分类编码系统。目前许多现有的零件分类编码系统，大体上都是以VUOSO系统演变而来的。VUOSO系统的基本结构即如图9.8所示。

图9.8VUOSO分类编码系统的基本结构

VUOSO系统的第一个横向分类环节称为“类”，主要用来区分：回转体类零件、非回转体类零件，以及用除机械加工以外的其它工艺方法（如：弯曲、焊接、成型等）所获得的零件。第一横向分类环节下，设有8个纵向分类环节。

VUOSO系统的第二横向分类环节称为“级”。主要用来区分零件的大小和重量，借此也同时描述零件的基本形状。对于回转体零件，此处采用最大外径D以及最大长度L与最大外径D之比，便可很容易地区分回转体类零件中的盘盖类、短轴与套筒类、长轴类。

VUOSO系统第三个横向分类环节称为“组”。主要是在上述两个横向分类环节所确定的零件基本形状的基础上，进一步描述零件结构形状的细节。

VUOSO系统中的第一、二、三个横向环节都是关联环节。

VUOSO系统的第四个横向分类环节称为“型”。主要用来表示零件所用的材料和毛坯种类。图9.11按VUOSO系统分类编码的示例

2．OPITZ零件分类编码系统

OPITZ系统是一个十进制的九位代码的混合结构分类编码系统。

OPITZ系统的基本示意，如图9.10所示。图9.10OPITZ分类编码系统结构示意

OPITZ系统前面五个横向分类环节主要用来描述零件的基本形状要素。第一个横向分类环节主要用来区分回转体类与非回转体类的零件类别。系统的第二个横向分类环节至第五个横向分类环节，则是针对第一个横向分类环节中所确定的零件类别的形状细节，作进一步的描述并细分。

OPITZ系统的辅助码部分，实际上是一个公用部分。即不论回转体类或非回转体类零件，均需用到这一部分，故而这一部分的横向分类环节皆为独立环节，与其前面的所谓主码部分互不相干。辅助码部分从第六个横向分类环节开始，用来划分零件的主要尺寸。第七个横向分类环节是以材料种类作为其分类标志，但其中也附带考虑部分热处理信息。第八个横向分类环节的分类标志为毛坯原始形状。第九个横向分类环节，则是说明零件加工精度的分类标志图9.13零件OPITZ系统编码实例

3．JLBM-1零件分类编码系统

JLBM-1系统是我国原机械工业部门为在机械加工中推行成组技术而开发的一种零件分类编码系统。这一系统经过先后四次的修订已于1984年正式作为我国机械工业部的技术指导资料。

JLBM-1系统是一个十进制十五位代码的混合结构分类编码系统。它的基本结构即如图9.12所示。

JLBM-1系统增加了形状加工的环节，因而比OPITZ系统可以容纳较多的分类标志，同时，它在系统的总体组成上，要比OPITZ系统简单，因此也易于使用。图9.14JLBM-1分类编码系统结构示意图图9.15JLBM-1分类编码系统的分类编码示例

§9.3零件的分组方法

目前应用的零件分类方法主要有：视检法、生产流程分析法和编码分类法。

9.3.1生产流程法（ProductionFlowAnalysis—PFA）

生产流程分析是研究工厂生产活动中物料流程客观规律的一种统计分析方法。它着重分析生产过程中从原材料到产品的物料流程，研究最佳的物料流程系统。

1．顺序分枝法顺序分枝法乃是将待分类的全部零件按其工艺过程逐个地判别，使之归属于相应的各级分枝组。为便于分析工作，应将零件工艺过程编码。为此，可采用机床（设备）或工序代码。用顺序分枝法对零件分类包括两个过程：分枝过程和并枝过程。

若将两个分枝组之间的工艺过程相似程度定义为亲密度，则可并枝的两分枝组它们之间的亲密度关系可区分为高、中、低三级：（1）高亲密度关系（2）中亲密度关系（3）低亲密度关系并枝成组时，宜于从最高级分枝组开始逐次寻求可并枝的次一级枝组。当然，最先应按高亲密度关系并枝，然后求其次按中亲密度关系并枝，最后，若需要可放宽相似性按低亲密度关系并枝，并适当地规定允许的最低并枝水平。

2．聚类分析法

聚类分析法是一种数值分类方法，它是数理统计中研究物以类聚的一种多元分析方法，即用某一数学统计量定量地确定样品之间的亲疏关系，从而客观地将样品分类。

(1)基本概念

1）样品样品是分类对象的单一个体。

2）分类全域与类分类全域为欲分类的样品全体。类是分类全域的一个子集。

3）相似系数相似系数是描述两个样品之间相似程度的统计量

(2)聚类方法和类相似系数这种构造样品与类或类类之间相似系数统计量的法则称为聚类方法，该统计量称为类相似系数。可以用类相似系数定义以下常用的几种聚类方法：

1）最近距离法（SingleLinkageMethod）两个类之间的类相似系数定义为一个类中所有样品和另一个类中所有样品之间的各相似系数的最大值。

2）最远距离法（CompleteLinkageMethod）两个类之间的类相似系数定义为一个类中所有样品和另一个类中所有样品之间的各相似系数的最小值。

3）类平均法（AverageLinkageMethod）两个类分别有np及nq个样品，这两个类之间的类相似系数定义为所有np×nq个样品对之间相似系数的算术平均值。还有其他多种聚类方法，如中值法、可变类平均法及可变法等。可以用递推的算法计算出每聚合一个新类之后该类与其他类之间的类相似系数。

(3)聚类分析法的零件分类本分类方法是根据规定的统计量为判据将多种零件逐次聚合成类。为此，首先应计算出零件之间的各相似系数，据此列出原始相似系数矩阵表，将矩阵中相似系数数值最高的一对零件聚合成新类。

9.3.2编码分类法

1．零件分类的相似性标准

按某些相似特征将零件分类，困难在于制订适宜的相似性标准。在掌握相似性标准时，应注意到两个方面

(1)相似性标准不能太高，要求过严，以致使零件不易汇集成组。

(2)相似性标准不能太低，过于粗略，以致归属于同一组的零件种数太多，使组内零件间差异性太大，从而妨碍了很好地利用零件的相似性。为制定零件族相似性标准有下列三种方法：特征码位法、码域法及特征位码域法。

2．特征码位法

在编码中选用若干特征码位来制定分类的相似性标准，只要是特征码位代码相同的零件皆可以归属于同一零件组。图9.17特征码位法

3．码域法

制定相似性标准除特征码位法以外，尚可采用码域法，即适当放宽每一码位相似特征方面的范围，这样就允许编码虽不相同，但具有一定零件特征相似性的零件仍可归属于同一零件组，即适当地扩大了成组的零件种数。

图9.18码域法

4．特征位码域法

这种方法只要求零件在特征码位的码值在规定的码域内，它是上述两种方法的综合，因而能兼备二者的特点，即既能抓住零件分类的主要特征方面，又能适当放宽其相似性要求，以期得到满意的分类结果。

图9.19特征位码域法

9.3.3势函数法势函数法进行零件的分类成组过程如图9.20所示，其分类步骤如下：

1)将欲分类的零件用二维特征矩阵进行描述，例如可用8×9的二维矩阵来描述零件的几何特征和工艺特征，在图9.20中，

Xt=(Xt1,Xt2,Xt3,```,Xt72)

该二维矩阵为了便于光电扫描输入，用了黑白表示，黑的为“1”，白的为“0”。图9.20零件分类成组的势函数法过程2)用光电扫描装置依次把各个零件的二维矩阵读入计算机。3)计算机用势函数方程计算出各个零件的势函数值。4)为各零件族选定一个参考零件，它应尽可能包括该族零件的各种特征，参考零件的几何特征和工艺特征同样也用8×9的二维矩阵描述，在图9.20中，

Ye(r)=(Ye1(r),Ye2(r),…,Ye72(r))5)将输入分类零件的势函数值与参考零件的势函数值进行比较，通过规格化，使参考零件的势函数值为1，零件的势函数值在0~1之间，相近势函数值的零件即可归组。

图9.21为利用势函数法进行零件分类的例子，零件No.1为参考零件，其势函数值为1，其他零件的势函数值见图中右表所示。利用势函数法进行零件分类实际上是用势函数值来表达零件之间的相似性。该法可在计算机上进行，效率高，效果好，是一种计算机辅助零件分类方法。

图9.21利用势函数法进行零件分类的实例§9.4成组技术的应用

9.4.1成组技术在设计中的应用

以成组技术基本原理指导产品设计，不仅能保证最大限度地重复使用原有的设计信息，还可以赋予产品零件部件间更高的相似性，为后继生产活动实施成组技术奠定了良好的基础。因此，为获得全面实施成组技术的综合经济效益，首先应在产品设计中应用成组技术。在产品设计中，标准化、系列化、通用化是减少重复设计，减少基本件数的基本方法。利用成组技术进行零件标准化设计可变单件小批量为中大批生产，从而提高生产效率。成组技术要求在新产品设计中，尽量采用已有产品的零件，减少零件形状，零件上的功能要素以及尺寸的离散性。下面介绍应用成组技术的零件标准化设计方法——复合零件法。

9.4.2成组技术在工艺过程中的应用

成组技术在工艺设计中应用的基本思想是着眼于零件工艺过程的相似性。只要多类零件的某一工序能在同一设备上用相同的工艺装备和调整方法进行加工，则这几类零件在这一工序上可以并成一组。常用的成组工艺设计方法有