机械加工产品家族划分简析

机械加工产品家族划分简析

宋世轩

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司  黑龙江省哈尔滨市 150066

摘要：应用成组技术划分产品家族能够提高机械制造企业标准化、专业化和自动化程度，改变多品种小批量生产方式，获得更大的经济效益。产品家族的划分主要参考产品相似性，将产品向下分解到系统、部件、组件、零件并采用不同的划分方法，运用工序矩阵与特征矩阵量化计算相似度有助于进一步优化产品族划分。

关键词：成组技术；产品家族划分；相似度

引言：

成组技术（GT-group technology），指按照一定的准则将事物分类成组，同组事物能够采用同一方法进行处理，以便提高效益的技术。许多国家把成组技术与计算机技术、自动化技术结合起来发展成柔性制造系统，使多品种、中小批量生产实现高度自动化。全面采用成组技术会从根本影响企业内部的管理体制和工作方式，提高标准化、专业化和自动化程度。在机械制造工程中，在计算机辅助制造的基础上，将成组技术应用于设计、制造和管理等整个生产系统，能够改变多品种小批量生产方式，获得更大的经济效益。

应用成组技术需要将产品进行聚类，常见的方法有编码、分族等。划分产品家族是利用成组技术原理将具有相似特征的产品划分为产品族。每个产品族可用一个典型产品表示。该典型产品的综合管理方法即为该族的管理方法，包括设计、工艺设计、制造等业务流程。

一、产品家族划分方法

产品家族的划分主要参考产品相似性，对于零件可称为零件相似性。相似性是广义的，在几何、形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性，以基本相似性为基础，在制造、装配等生产、经营、管理等方面所到处的相似性，成为二次相似性或派生相似性。

工艺成组化划分标准选取结构相似性、材料相似性和工艺相似性三个方面。结构相似性指零件形状、尺寸或精度相似，形状相似又分为基本形状相似与形状要素及其布置相似；材料相似性指零件材料种类、毛坯及热处理方式相似；工艺相似性指加工方法、加工设备、加工过程及加工工装相似。其中结构相似性、材料相似性属基本相似性。产品的工艺方案由产品设计的属性决定，受生产制造的条件影响。即产品工艺相似性由产品的结构相似性、材料相似性决定，受具体承制单位影响，属于二次相似性。评估产品工艺相似性时，需明确决定因素与影响因素，给出合理权重。在基础相似性权重高的评价体系，产品族分族极细，但管理过程明确，流程简单、更改少；二次相似性权重高的评价体系，产品族划分粗放，生产管理简单，但业务流程复杂，成组工艺不易解析。

产品族的划分方法主要包括直觉分类法、路径分析法、编码分类法，进行划分过程中，三种方法互相结合才能达到理想的效果。直觉分类法：当产品较少或在粗划分时采用，主要依靠经验进行产品分类，效率很高，但容易受人的观测和判断能力限制；路径分析法：当产品较多时使用，基于工艺路线进行分类，对产品生产流程基本稳定的情况非常有效；编码分类法：当产品数量庞大时使用，将产品的特征、技术条件等信息转变为唯一描述产品的编码信息，由数据库统一管理，同时便于新产品纳入相应的产品族，并迅速开展后续的管理工作。

二、产品等级划分

基于系统工程角度，企业可以通过PBS或BOM将复杂机械产品进一步向下划分出系统、部件、组件、零件四个等级，每个等级可以内部进一步分解。对于应用产品家族划分的制造企业或生产单位，部件、组件、零件产品等级更为常用。这其中系统面向产品功能，部件面向产品实体且有多个零件组成，组件处于部件与零件的中间级别，大部分零件具有标准尺寸和类型，可通过商业途径获得。对于制造所需的原材料、工装等也可以参照产品进行家族划分。

产品级、系统级、部件级产品主要通过直觉分类法，其功能、结构与其他的等级差别较大，家族划分较为清晰不做过多介绍。为了方便产品族管理，避免产品族过于复杂，可以将不是上述三级家族分解结构、BOM里的同类型组件级、零件级产品合并为一个家族，例如：A类型传动系统的齿轮与B类型轮机的齿轮均可划分为齿轮家族中进行管理。组件级与零件级产品家族划分，主要通过路径分析法与编码分类法进行划分，首先明确零组件关系，依据所属家族选择零组件中的企业核心主产品零件，主产品零件按零件相似性（结构相似性、工艺相似性与材料相似性）进行划分，非主产品，诸如装配件、焊接件等根据组合关系进行分族。

三、产品家族量化划分

相似度是用于量化产品家族相似性的指标。相似度计算可以统一参照产品，计算所有产品与参照产品的相似度；也可以任选两种产品，计算二者的相似度。某一产品族的相似度，描述为“（某一产品族）相比于（虚拟）典型零件，相似度XX～XX%”，或“（对某一大类产品）相似度XX%划分为一个产品族”。

工序矩阵是基于二次相似性高权重评价体系，运用路径分析法的分族工具。矩阵每行代表每一种产品，每一列为作业工序，从左到右所有列的工序名称为按工序内容整理后形成的工艺路线。如实际产品作业工序的内容、顺序与矩阵相符，则在对应工序处标记；如不相符则空白。对工序名称，或者工序使用的制造资源进行编码后，可将矩阵转化为“0-1矩阵”，将所有产品纳入矩阵，通过矩阵计算即可得出一定相似度条件下的产品族。涵盖所有工序或制造资源的虚拟产品即为该产品族的典型零件（参照物）。

特征矩阵是基于基础相似性高权重评价体系，运用编码分类法的分族工具。矩阵每行代表每一种产品，每一列为产品特征与技术条件，从左到右所有列的特征与技术条件整理后即可描述产品。如实际产品特征与矩阵相符，则在对应特征处标记；如不相符则空白。对特征进行编码后，可将矩阵转化为“0-1矩阵”，将所有产品纳入矩阵，通过矩阵计算即可得出一定相似度条件下的产品族。涵盖所有特征的虚拟产品即为该产品族的典型零件（参照物）。

相似度具体计算方法一，较为简单，有（虚拟）典型零件的产品族，用实际零件项目数除以典型零件项目数即可，其中典型零件项目为该族产品项目的并集；任意两产品相似度，按如下公式计算：

相似度具体计算方法二，较为复杂，使用Minitab进行计算通过比较工序矩阵中两种产品的欧氏距离，再利用软件对计算的得到的欧氏距离聚类，进而得到相似度。

通过工序矩阵与特征矩阵进行计算的相似度应相当，如偏差较大或族内相似度过低，则应考虑重新划分产品族。

参考文献：

[1]徐香穗，蔡建国 《成组技术》 机械工业出版社，2003年4月

[2]焦爱胜 《计算机辅助工艺过程设计（CAPP）》 西安电子科技大学出版社，2016年1月

[3]（美）亚历山大·科西亚科夫等著，王英勋等译 《系统工程原理与实践》 北京航空航天大学出版社，2021年9月