精益制造：减少生产成本的技术

作者：American Machinist Leslie Gordon

欢迎访问e展厅 展厅 3 管理咨询与服务展厅 企业文化, 战略管理, 生产管理/工业工程, 营销管理, 知识管理, ... 专用机械的时代已经过去了。车间必须精益、灵活，用较少的资源做更多的工作，并面向制造设计。为了做到这些，普通制造商们正在向精益制造或六西格玛原则转变，利用研发的优势，实施现场解决方案，并执行产品生命周期管理。 精益制造 William Parr是美国精益企业系统设计研究所教授和田纳西州大学Greenwood精益企业中心系主任，据他介绍，精益制造是一项强大的工具，能帮助所有大型和小型的车间大大缩减生产周期并消除废品。 他说：“大多数制造工艺就像乘坐飞机。乘客们往往只有大约20%到25%的时间在空中向他们的目的地移动。类似的，产品通常不是向做好待售准备移动——它在一次批量生产中的某处等待着。采用精益制造，公司减小批量，缩减零件无所事事等待加工的时间。实际上，将生产周期缩短1/2并不稀奇。” 在传统的制造系统中，中心计划员发出备忘录，它指定哪些原料零件去往何处。他们还发出加工单，其中说明了欲在装配和加工站上构造什么。Parr解释说：“如果计划准确无误，没有任何变化，则事情一切顺利。但是，发生得更多的却是大量昂贵的废品，因为总是有变化。” 相反，精益制造的运作使用一种基于JIT交货的“拉式”系统，在该系统中，零件只根据需要来制造和交货。 Parr说：“传统的推式系统使库存持续增长直至车间破产。或者直至执行者发出备忘录，宣布接下来三个月裁减库存量。我已经发现这种情况在美国工业中发生得非常多。但是拉式系统天生就具有低库存，因为它们对库存设置了一定的限度。” 优化产品设计的软件 公司能够通过在开始时改进设计工艺来大大缩减成本。面向制造与装配的设计（DFMA）软件包括一个面向制造的设计模块和一个面向装配的设计模块，工程师们利用前者来获得关于零件或产品的早期成本估算，他们使用后者来决定制造产品的最佳方法。 工程师们在仅仅只有一个初步的设计思想时使用软件。或者，他们使用软件来对成品进行全面的再次检查以确保设计的有效性。例如，工程师们获取零件的几何形状并决定零件应该采用铸造、机加工、或者注模的方式来制造。在该过程中，软件利用它的大型数据库来决定。数据库中包含数千种制造工艺、材料和机械，这是与通用和福特等公司同心协力经过多年开发而成的。 工程师们还评估每次装配的作用以及各零件之间的关系。他们反复简化和组织设计，直至达到最小的单件成本。例如，在一项应用中，工程师们通过简化一项产品设计来消除装配螺丝的过程，从而大大缩减了工时。 美国罗得岛州普罗维登斯的Parker集团公司的董事长Miles Parker说，设计室可以使用软件有效地设计产品，因此击败可能拥有更多资源的OEM设计部门。 他说：“有太多的公司根据相应的装配速度从海外外购，而不考虑机构的整体成本。从事创新设计并消除装配工作的公司不必到海外采购以使自己富有竞争力。”他解释说许多一级和二级供应商目前正使用软件，但是即使是小公司也能竞争，只要他们做出优秀的设计。 过去，设计工程师们设计产品，然后将其交给制造工程师们。往往，产品不能顺利地制造，甚至有时它根本就无法制造出来。Parker继续说：“DFMA解决了这些问题，因为设计师们与服务、质量和生产部门共同使用它。” 智能机械 智能机械试验项目是一项合作性研发项目，由位于密歇根州安阿伯的美国国家制造科学中心（NCMS）主持。该项目帮助美国军械库系统提高其生产率并减小单件成本。得克萨斯苔克斯卡那的红河军械库（RRAD）需要帮助一些陈旧的机械，它们将橡胶铸模到履带车的链接处。举例来说，军械库不能应付由于伊拉克战争引起的日益增长的需求。 在该项目中，工程师们为机械设备配备了传感器，并提供电子日志以便自动收集有关每台机械的性能和良好状态的数据。在下一阶段，工程师们将使用该数据来为一个预测维护系统开发预测算法。 项目合作伙伴包括军械库、NCMS以及几家公司，如位于依利诺斯州皮奥里亚的Advanced Technology Services(ATS)公司，还有位于肯塔基州Hebron的辛辛那提实验室。 自动探测和检查 据位于伊利诺州伊埃尔金的Wilcox Associates公司的业务发展部主任Steve Logee介绍，将设计与下游工作联系起来很好地使电子集成检查方案与CAD文件相互关联。检查工艺的精确性和有效性得到了提高，它们支持精益制造，因此降低了编程工作并缩减了成本。 “我们的企业测量解决方案（EMS）系统采用与Microsoft Office大致相同的方式工作。组件具有相似的外观和感觉，并且它们之间共享数据和检查报告。因此，该系统既适合于家庭式的工厂也适合于通用和福特这样的大公司。” Logee解释说。 他认为一个真正的万能测量系统必须能与多种类型的测量机械和多种探针协同工作。系统必须是动态的，并随着制造业和计量学中的新发展而变化。Wilcox的系统与多种CMM和一系列接触触发器以及非触式探针协同工作。对于较大型的零件，它还为CNC机床、视觉系统和关节杆工作。 采用该软件，设计工程师们在CAD模型内开发并嵌入电子检查方案。然后他们使用它来生成零件检查计划。软件在各零件中创建探针路径，并优化这些路径。 Logee解释说，由于设计意图和制造之间存在很重要的关联，所以在CAD系统中研发检查方案是最合乎逻辑的。这帮助了工程师们，他们虽然对自己天天使用的CAD系统很熟悉，但是往往不太了解测量和检查软件程序。并且，这种联系消除了由于未通知生产或质量部门所做的设计修改而导致的制造错误。 这些功能有助于自动检查。将关键信息进行电子编码的速度越快，诸如点击程序等手工操作的自动化就会越快地实现。这使操作员们不必向检查程序手工输入运动或测量命令或来自纸张设计图的信息。 该系统还捕获从探针收集来的数据，并存储在数据库中以便归档、统计分析和生成图形化报告。相关人员可以通过企业内部互联网或Internet浏览贯穿于工厂、组织或者供应链内的数据。“EMS通过在设计、制造和测量之间形成一个闭环来帮助公司削减生产成本” 多任务 据Mazak公司的市场部副主任Chuck Birkle介绍，多任务是一项制造技术，包括铣削、车削、钻孔、攻丝、滚铣以及抛光等工艺，它能在尽可能少的处理和准备时间内尽可能多的执行这些工艺。 Birkle说多任务适合于多种多样的行业，例如航天、医药、加工和汽车应用，但是它不是小市场行业的解决方案。他补充说它最适合于具有许多特征和几何形状的复杂工件。 Birkle认为多任务赋予普通制造商们一项精益武器以供使用。“从最完美的角度来说，精益是指减少废品。无论何时公司都能够用较少的机床做更多的工作，例如，他们正在利用拥有较少夹具和刀具的精益原则，并减少零件运动、占地面积和能耗，”他解释说。 对于典型的五或十人车间，Birkle说：“绘制工件的价值流图表明它进入设备，接受粗切削操作，然后待在工作台上等待一台特定的机床。零件在整个车间转一趟，被接触和处理——这种方式难以增加工件价值。” 但是，由于当今的普通车间没有它们过去所拥有的那些大批量运作任务，所以更好的措施是减少准备时间。车间应该将它们的焦点从周期时间转向加工时间。 他继续说：“一个很好的问题是为什么有些工厂运作十批加工任务能赚钱，而有些不能？因为获利的工厂更有效地开始和结束短周期、小批量运作的加工任务。它们的批量更小，运货更频繁，从而使零件更快地被运出去，使他们的客户感到满意。” 切削与钻孔 位于美国新泽西州Fairlawn的Sandvik Coromant公司的副董事长John Israelsson说，工厂缩减生产成本的一条途径是增加他们现有设备的产出。要做到这一点，他们可以增大切削数据或重新设计工艺以达到更短的周期时间。 Israelsson说：“工厂错误地认为他们因购买了较为廉价的刀具或设备而节约了资金。但是那是微不足道的。财富存在于产量之中。所以，车间必须采用技术以便更迅速地制造相同的零件。技术既在于机床，也在于应用技术的人员的能力和技艺。” 他解释说Sandvik公司从事的研发既针对刀具也针对如何加工零件的问题。创造性应用的一个例子促使公司提出一项新的切削技术，该例子与加工航天材料有关，由于使用了诸如铬镍铁合金等难以加工的材料，所以需慢速加工。 “我们重新设计了刀片的刀尖半径和修光刃，使车间进给量增加了100%。由于刀具压力增大，我们不能使用标准的修光刃技术。”他解释说。 Lights out与机器人自动化 据位于美国密歇根州罗彻斯特的Fanuc Robotics 公司材料装卸部经理Dick Johnson介绍，“lights out”意味着完全自动化的制造，每周7天每天24小时连续工作，无直接人工或有限的间接人工。 Johnson解释说美国目前没有很多真正的全自动化工厂。“一个限制因素是机器人找到可拆零件的能力。传统上，车间为机器人固定好零件。但是，除非零件需要加工，否则仅仅出于装卸目的而使用固定设备代价就太昂贵了。” Fanuc Robotics公司目前提供一些视觉系统来应付这种问题。一种是适合平躺零件的2维系统。其余的系统采用3维传感技术来处理仓库内混乱地随意摆放的零件。 他继续说：“第二个限制因素是占地面积。大部分时间，公司拥有满仓库的零件，叉车驾驶员将它们拾起，然后运至工厂的不同区域。车间需要能跨越大区域的机器人。”有些公司已经解决了这个问题，它们利用楼梯或者直导轨来延长机器人的伸出长度。有些公司使用特殊的架空支架。 最后一个限制是编程。但是，现代的基于PC的软件允许脱机仿真机器人工作单元并执行机器人语言编程。 Johnson认为现在已经准备好了工具，更多的工厂应该使用lights-out方式进行生产，或者至少，采用机器人自动化。例如，一家小型制造商原来不相信它能用得起机器人。它那时购买了一台，而现在已经有150多台机器人正在从事机床维护和电弧焊。“公司感到吃惊，因为机器人编程竟然如此简单，并且它们如此顺利地融入到了它的工厂内。”Johnson报告说。 产品生命周期管理 据位于美国得克萨斯州普莱诺的UGS Tecnomatix公司的经营战略和市场部程序主管Tim Egloff介绍，有一些技术有利于现场解决方案。但是他认为公司如果希望大幅削减生产成本，必须首先实施数字化制造，并且，这必须是产品生命周期管理（PLM）提供的更广阔战略的一部分。 他说：“当今世界充满信息以及从信息中获取的重要有用事物。例如，一位工业工程师有他的生产量、瓶颈和人机工程学数据。而质量工程师和工艺计划员则拥有其他方面的数据。” UGS说，使用PLM软件使公司“形成闭环。这些车间收集来自车间的制成态数据并将其带回产品生命周期中。” Egloff继续说，“这是航天应用政府部门所要求的。”他还认为不久以后将会要求车辆上的安全数据收集。 Egloff宣称，“使用尖端技术的普通制造商们应该开始检查它们的数据体系结构并开始思考如何协调它们所拥有的各种数据。当执行领导者关注产品生命周期管理时，这就简单多了。不使用这种战略的公司将迅速落在后面。” 什么是PLM? 产品生命周期管理是一种由信息推动的集成战略，可以用来加快成功产品的创新和上市速度。这项战略是构建在对一个与产品相关的知识、数据和流程的知识库进行共享的基础之上的。 作为一种商业战略，PLM 使分布式企业可以像一个公司一样在其产品生命周期的每个阶段对产品进行创新、开发、支持和淘汰。这项战略荟萃了最佳实践经验和值得吸取的教训，可以累积丰富的、有价值的知识资本，以供重复使用。 作为一项信息技术战略，PLM 可以建立一致的数据结构，借助这种结构，可以在处于不同地理位置的团队之间实现实时的虚拟协同与数据共享。它可以使公司在整合系统的同时，在系统的使用期内充分利用现有的投资。通过开放的API 以及坚守行业标准，使PLM 在最大限度地避免数据转换问题的同时，可以使需要者在产品生命周期的每个阶段都能访问信息，查看进程及其相关内容。 产品生命周期管理成效显著 已经采用PLM 的制造商如今已逐步看到它所带来的效益。例如： ◆ 一家最著名的重型卡车企业将创建新厂的直接和间接劳动力成本减少了30%。 ◆ 首个实现完全集成的泛欧防务公司创建了一个切实可行的统一知识产权结构。 ◆ 一家全球知名的航空公司在工程和制造方面节约的费用分别达到50% 和80%。 ◆ 一家全球汽车制造商每年节省10 亿美元，还将生产周期从原来4 年缩短为1年。 ◆ 一家中国领先的制造企业在进行多达10,000个组件的大型装配工程时，工程修改减少了70%。 ◆ 一家领先的女性时装连锁店将从最初设计到成品完成（装运时间除外）所需的时间缩短30%。 原载国际金属加工商情(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/9/2006)