面向21世纪的成组技术(by AMT 顾新建)

面向21世纪的成组技术

by AMT  顾新建

[摘要] 本文简要回顾了20世纪成组技术的发展历史，并探讨了21世纪成组技术发展趋势，如成组技术与网络技术的结合，成组技术与制造全球化，成组技术与大批量定制生产方式，成组技术与知识经济和技术创新等。

关键词：成组技术           现代制造系统

一、20世纪成组技术发展的简要回顾

         在20世纪初，以美国福特汽车公司为代表的大量生产方式战胜了欧洲的单件生产方式，使人类社会从规模经济中获得极大的好处，如汽车很快进入了欧美国家的中产阶层。

         从20世纪中叶以来，技术的迅速进步、产品生命周期的缩短、市场竞争的日益激烈和人们需求的多样化导致多品种小批量的生产企业的比例日益增多。为了提高多品种小批量的生产企业的效益，人们提出了多种方法，成组技术是其中的一种重要方法。

         成组技术首先是从成组工艺发展起来的。人们发现在不同的产品中存在大量的相似件，采用成组单元对这些相似件集中加工，并采用成组夹具等先进技术，可以收到较好的效果。

         为了识别零件的相似性，人们提出了各种零件分类编码系统。在较长的一段时间内，零件分类编码系统是由人工编的，因此码位不能太长。为了使有限的码位能包容尽可能多的信息，人们对不同行业甚至不同企业的产品都分别建立了零件分类编码系统。

         成组技术发源地之一的德国还进一步将零件分类编码系统发展为一种物号系统，使分类码和识别码结合起来，并在物号系统的基础上对产品进行标准化、模块化和系列化设计。典型产品如积木块工业汽轮机。德国又进一步提出了DIN4000和DIN4001系列标准，采用事物特性码对零件特征作初分类，采用母图对一类相似件的结构特征作详细描述，采用事物特性表对各个不同零件的几何尺寸及功能、工艺特征作进一步的详细描述，并对大量的标准零部件采用这一方法进行描述。德国西门子公司等还提出了基于事物特性码的合理化工程，取得了显著的效果。

         根据成组技术的思想，人们从不同生产流水线中找出相似的模块，进行标准化后制造出组合机床，使流水线的制造成本大大降低，制造周期显著缩短。

         随着以数控技术为代表的自动化技术的发展，成组技术又进一步与自动化技术结合起来，出现了柔性制造系统、柔性制造单元。这类自动化制造系统主要是针对某一大类零件进行加工。

         在成组技术的实践中，人们发现，设计是关键，设计阶段决定了产品成本的70%左右，如果在产品设计阶段很好地应用了成组技术，那么在制造加工中成组技术的应用就比较容易。因此成组技术的应用又从制造领域推广到设计领域，使成组技术成为一种贯穿产品全部生命周期的系统生产技术。

         随着计算机技术的发展，出现了CAD系统、CAPP系统、CAM系统和计算机辅助生产管理系统等，这些计算机应用系统在开始发展阶段，就自觉或不自觉地利用成组技术原理，以便提高系统的效率。首先是信息的合理化，然后是计算机化，这一观点已被越来越多的人所理解。

         80年代CIMS开始得到了推广应用。人们在CIMS的实践中发现成组技术是实现CAD/CAPP/CAM的桥梁，曾获得美国的CIMS企业领先奖的北京第一机床厂就是利用成组技术实现了系统的集成。PDES/STEP 产品模型信息标准中也贯彻了成组技术的思想。PDES/STEP的目标是研究完整的产品模型数据的交换技术，最终实现在产品生命期内对产品数据进行完整一致的描述和交换。

二、21世纪成组技术发展趋势的探讨

    成组技术在中国的发展已有40年了。进入21世纪的成组技术将会有什么新的发展，这是值得研究的问题。

         1、成组技术与网络技术的结合

在21世纪，在目前所能预见的对制造业影响最大的技术将是网络技术。因特网的特点是环境混沌化、控制分布化、行为自主化和信息分散化。成组技术是一种解决大范围的、动态的、巨量的信息和过程的有序化问题的有效方法。

         因特网为我们提供了较好的网络环境。但面对浩瀚的网上信息资源，在使用Yahoo、Soho等搜索引擎时，人们常常发现如下不足之处：

         (1) 有时信息资源的条目几万、几十万条地出现，令人不知所措。打开这些主页，可能不少是与所要搜索的内容无关的。如果用户想将所有的计算机上的信息作一番详尽的考察，要从中找到自己需要的一点信息，无异于“大海捞针”；

         (2) 有时一条信息也没有，因为大家在主页中都没有使用该关键词。而事实上在网上有相关内容的主页。

       因特网所具有的传播能力和使用上的便利本应该以很高的效率使大量的买主和卖主走到一起。但不幸的是，这些信息大多都没有条理化或标准化。因此，企业寻找合作伙伴和协同工作的代价高得令人望而却步。

         出现这种情况的主要原因是，因特网上的信息资源高度分散化和无序化，人们可以在自己企业的主页上任意地设置关键词，在检索主页时所输入的关键词也是任意设置。这样就使因特网上的买主和卖主走不到一起，见不到面。

随着接入因特网和在因特网上建立主页的企业数量的增多，人们迫切希望制造信息资源从无序化走向有序化，从分散化走向集成化。成组技术可以帮助进行信息的有序化和集成化。对于这方面的工作，我们给出以下的例子帮助理解：

例子：在2005年的某一天，某设计人员要设计一种新的零件，但他不知这种零件应该如何设计，使其既能满足功能要求，又具有较低的成本。他通过因特网上新的基于成组技术原理的搜索引擎，输入规范化的关键词描述，就可找到设计和制造这类零件的企业的网站，得到所需的信息。这里的规范化的关键词描述实际上是传统的语义编码系统的发展。

2、成组技术与制造全球化

     在21世纪，将进一步实现制造全球化，竞争将更加激烈。 随着信息技术的快速发展和交通便捷性的提高，越来越多的制造企业从“大而全”或“小而全”的模式中走了出来，从事零部件的专业化生产企业迅速发展。为了降低成本，一些传统的自成体系的大企业，如汽车厂，也将对绝大部分零部件实行全球采购。零部件专业化生产企业将得到迅速发展。未来的制造业将是一个高度专业化分工的、企业协同生产的模式。每个企业专注于自己的核心能力和核心产品（或零部件），而将非核心能力的任务和零部件扩散出去。这样，企业可以集中精力将自己的核心能力和核心产品（或零部件）发展成世界的顶尖水平，而使企业在竞争中取胜，并且降低企业的风险和投资。       因此，越来越多的制造企业将提出以下的要求：

         (1) 如何在全国范围内迅速找到最佳的零部件设计和制造的合作企业？

         (2) 如何在全国范围内迅速找到最适合自己企业的零部件设计和制造任务？

         成组技术对于制造企业的模块化、制造企业间的信息沟通和整合、全球制造资源的有效利用将起关键作用。对于这方面的工作，我们给出以下的例子帮助理解：

         例子：某企业具有生产内孔精度和光洁度较高的油缸的能力，但目前任务不足，它可利用因特网找到一些具有较高内孔精度和光洁度的深孔的零件加工任务，这些零件不一定是油缸。对这种零件相似性的分类和识别，成组技术已有较系统的理论和方法。关键是如何在全国、全球范围内实现对这种零件相似性的统一的分类和识别。

         3、成组技术的一个重要发展-大批量定制生产方式

在21世纪，用户需求个性化将成为一种普遍的趋势，大批量定制生产方式将成为一种主流生产模式。美国乔治.华盛顿大学于90年代初成立的由45位著名的未来学家和技术专家组成的新兴技术预测委员会在1996年的预测中，从可以预见到的最重要的技术进步中挑选出85项将要出现的技术，其中在制造业与机器人大类中就有大批量定制生产技术。它们预计到2011年，汽车、电器等30%以上的产品将广泛实现大批量定制生产。

         在大批量定制生产方式中，对用户而言，所生产的产品是定制的、个性化的；对生产厂家而言，该产品却主要是采用大批量生产方式得到的。大批量定制生产主要实现产品维和过程维的二维优化。其中产品维优化是关键，它直接影响到过程维优化。产品维优化的主要技术是成组技术。对于这方面的工作，我们给出以下的例子帮助理解：

         例子：1996年，美国福特汽车公司的发动机部总工程师顾永平率先在汽车工业历史上实现了发动机的模块设计，即对6缸、8缸、10缸和12缸等不同规格的发动机结构进行调整，使其绝大部分组件都能通用，以尽可能少的规格部件实现最大的灵活组合。发动机模块化的结果使得同一条生产线可以生产各种不同规格的发动机，而以往需要多条生产线，并且由于任务不均，有的生产线很忙，有的很空。现在顾永平又在负责美国福特汽车公司的整车的模块化设计。

         波音公司对民用飞机也采用了模块化设计方法。将飞机分成通用、相似和专用三大部分。使定制飞机的设计和制造周期从几年缩短为几个月。

         4、成组技术与知识经济和技术创新

    在21世纪，知识将为企业的主要财富，创新将成为企业竞争的主要手段。创新需要对以往知识进行综合。能否在正确的时候将正确的知识送给正确的人是企业利用知识赢得市场竞争胜利的关键。

         成组技术能帮助设计人员快速检索各种产品创新设计知识、各种产品参考模型、材料信息和制造信息，充分利用现有的产品设计知识资源，进行技术创新，提高设计速度和设计质量。对于这方面的工作，我们给出以下的例子帮助理解：

         例子：在2005年的某天，某设计人员根据市场需要开发一个全新的产品。他快速地利用因特网搜索与该产品有关的、在某些方面相似的其它产品的信息，得到了很多启发。在新产品原理突破之后，他将尽可能利用已有的零部件组合该新产品。这也将通过因特网搜索得到所需的信息。这里的相似性识别正是成组技术的强项。

         5、成组技术与可持续发展

         21世纪高速发展工业经济将带来越来越严重的环境和资源问题，以高能耗和高物耗来取得经济的高速增长将遇到有限资源的制约。

         成组技术对于我国资源的有效利用具有重要的作用，因为它能在满足人们多样化需求的同时利用规模经济效应减少对各种资源（包括能源）的消耗，减少生产中的大量浪费，使现有的资源得到充分的利用。对于这方面的工作，我们给出以下的例子帮助理解：

         例子：浙江的一家企业决定开发数控机床、加工中心和机器人等机电一体化产品。它不添置新的加工设备，而是利用其它的相似的零部件生产企业中大量空闲的设备为其加工零部件。这样不仅使该企业的投资风险显著降低，而且使社会资源得到利用，减少了浪费。这里相似的零部件生产企业的识别即与成组技术有关。

三、结论

         在20世纪下半叶，成组技术在提高多品种小批量生产的效益方面发挥了较大的作用。在21世纪，多品种小批量生产企业的比例还将进一步增大，并朝单件生产和定制生产方向发展，同时还要求产品的成本进一步下降。无疑，成组技术是解决这一制造业难题的关键技术。

         在21世纪，计算机技术和网络技术在企业的应用将更加深入，成组技术将促进信息有序化和集成化，使计算机技术和网络技术的应用取得理想的效果。同时计算机技术和网络技术的发展将帮助成组技术的推广应用。

         在21世纪，成组技术将有很大的发展，在应用广度方面，将从以企业内分散应用为主的模式向全行业、全国和全球协同应用的模式发展；在应用深度方面，将促使产品结构进一步发生深刻的变革，并支持产品的创新设计。

         成组技术与许多其它技术不同，它不是一种封闭的技术，而是一种系统生产技术，需要与其它技术相结合，形成各种新的技术或使原有的技术更加合理。成组技术应成为人们普遍自觉采用的技术。

         在21世纪，成组技术将有很大的发展，但名称并不一定都叫成组技术。如何识别某种技术中是否含有成组技术的原理，其方法很简单，即看它有否利用了不同事物中的相似性来提高工作效率、降低产品或处理的成本、取得经济效益等。

参考文献

[1] 薛福康，登上世界汽车工业的金字塔--记著名美籍华人汽车专家顾永平，光明日报，1999,5,2

[2] Sanchez, R., & Mahoney, J. T., Modularity, Flexibility, and Knowledge Management in Product and Organization Design, IEEE Engineering Management Review, winter 1997

[3] 李大伦，经济全球化的两重性，光明日报，1998年12月27日

作者通讯方式：浙江大学生产工程研究所（310027）

Email：xjgu@cmee.zju.edu.cn