从成组技术到精益生产

作者：北京航空航天大学 杨光薰 乔立红 张希伦 贾作辉

欢迎访问e展厅 展厅 1 CAD/CAM软件展厅 CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ... 制造业生产现代化的发展说到底是生产自动化与生产合理化这两者结合过程的发展。 成组技术(GT)、适时生产(JIT)、并行工程(CE)、全面质量管理(TQM)、精益生产(5P)、敏捷制造(AM)、以及大规模定制生产(MC)都是生产合理化技术之间的互相结合与渗透，它们还必须和生产自动化FA 紧密结合，才能使技术改造获得真正成功，最终把生产推向前进。 成组技术是生产合理化技术最为基础的一项技术，它在生产合理化发展的各个阶段均发挥了重要作用。 1 成组技术的理论在我国发展的四个阶段 成组技术的理论研究和生产实践在我国大体分为四个阶段： 1) 成组技术的基础研究和初步实践阶段(20世纪80年代初以前)。 研究内容诸如分类编码、分组方法、作业排序以及在设计、制造和生产管理中的应用等。 在生产实践方面，早期的成组单元建立是当时的中心。 围绕它有：设计图册的建立、相似零件族的建立、加工投批组的确定、成组变异式工艺规程的设计、成组夹具模具的设计、成组作业排序等。 当时的研究和实践主要针对机械加工，亦有少数工厂在其它工种应用。 而设计、工艺和生产管理三个方面发展并不平衡，只是以工艺为主，故当时有：“先中间突破，然后向前后伸展”的说法。 2) 成组技术与自动化的结合阶段(20世纪80年代中期到90年代)。 这个阶段与世界自动化技术的飞速发展有关。 这里的自动化技术包括数控(NC，CNC)、柔性制造系统(FMC、FMS)、计算机集成制造系统(CAD、CAPP、CAPM、……的CAX，集成后的CIMS)等。随着信息技术的快速发展，计算机网络等有关技术也与成组技术进行了结合。 美国的咸仁英教授(I Ham)在80年代时就把这个和自动化技术结合的成组技术称之为新成组技术(New Group TeDchnology)。 这一时期有不少成组技术工作者脱离了自己原先的队伍，这是由于他们没有认识和抓好成组技术与自动化结合的机会，使其自身被自动化的洪流所淹没。 多数的成组技术工作者在新的技术条件下发挥的作用更加明显与突出了。其结果把生产推向了新的高潮。 生产实践已经证明，生产自动化技术如果不与成组技术相结合，它就不可能达到全面提高的效果。 3) 成组技术与精益生产相结合(20世纪90年代直至世纪之交)。 早期的精益生产主要体现在大量生产中适时生产和自动化的结合上。 而成组技术与精益生产的结合除成组技术本身固有的特点外，主要是在非大量生产上应用精益生产，具体来说，由于成组技术的介入使精益生产应用范围大大扩大了。 十年来，国外精益生产发展很快，国内相对发展迟缓，不少人认为精益生产仅仅是大量生产中的事。 客观的形势教育了人，人们认识到精益生产能极大地提高生产效率，而结合成组技术是唯一能把精益生产引入非大量生产中的技术。从这点来看，在新的历史条件下，成组技术与精益生产的结合具有非常重要的作用，在占我国70%以上的批量生产技术改造中，无疑具有很重大的意义。 4) 成组技术与各种高新技术共同发展阶段(新世纪开始以后)。对于21世纪制造新技术在上世纪末即有种种预言和猜测，如“敏捷制造是21世纪的制造新技术”、“进入21世纪大规模定制生产将得到普遍应用”等等。不少文章把各种技术作了静止的对比来说明其预言的正确性。实际上各种新技术都是在一定历史条件下产生的(其中包括有在20 世纪90年代或更早即开始发展成长的精益生产和敏捷制造的2个发源学校(美国麻省理工学院和里海大学)就已经携起手来成立组织研究两者的结合)。在其它许多国家，如英国爱赛克斯大学，也将这两种技术进行结合研究，中国北航和美国华盛顿大学亦曾有过联合研究的合作意向。 我们认为新世界制造技术的发展仍然是“技术共存、互相结合，互相渗透，最终都希望奔向更加完美”，许多人都把大规模定制生产看作更加完美的生产模式，但是应该看到绝大部分企业都是在原来基础上以渐进方式来改造的，只有极少数企业和工厂可以白手起家，一切从头再来。因而今后发展的道路仍然是错综复杂的，而且面临改造的企业或工厂不仅仅只是大量生产类型，所以成组技术在新的历史条件下仍然将起到它的重要作用。 2 精益生产的理论与实践 国内外精益生产发展状况 精益生产(Lean Production，LP)是由美国麻省理工学院中的一个国际汽车组织(IMVP)于20 世纪80 年代末90 年代初提出的。而实际上早在六七十年代日本的丰田汽车公司已经在这方面进行了研究与实践，提出了所谓的“丰田生产方式”，这实际上就是精益生产的雏型。在90 年代初各先进工业国纷纷研究精益生产：德国亚亨大学在原来研究的“独立制造岛”的基础上提出了精益屋的模型，其它如英国、芬兰、瑞典等国的企业亦成功地进行了精益改造，尽管所冠名称不一定就叫精益生产，但它本质上就是精益生产，而且也从汽车业发展到了其它行业。美国在20 世纪90 年代中，也在航空业中开始了飞机首创计划(Lean Aircraft Initiative)的研究。这个研究的中心也是在麻省理工学院宇航系，斯隆管理学院和机械系则在精益理论上作了研究。精益生产在中国的起步并不晚，80 年代末北航与北京油泵油嘴厂合作技改。90 年代初像长春第一汽车厂的精益生产改造在全国叫得很响，这和美国的精益生产所解决的问题(增加品种、提高生产率)是类似的。 90 年代北航发表的“现代生产模型”不仅总结了这种生产模式的特点，而且更可贵地运用了成组技术组成成组流水线，大大提高了生产率，90 年代初在贵阳航空液压件厂的实践，就是它的体现，这说明我们已经把精益生产用于非大量生产行业而获得成功。 90 年代中，我们得到了国家自然科学基金和航空部的支持立题立项对精益生产进行研究。我们对国内外精益生产的理论研究和实践进行了考察和学习，还对过去成组技术中的案例进行了反思，发现过去的实践有忽略了精益的，也有不自觉地进入了精益的案例。这样一面学习一面结合自身的特点进行实践，逐步提出了我们的精益屋模型。这个精益屋经过几次变迁，不断深化，到现在为止可以全面地总结出一套关于精益生产的理论，它和90年代初国外提出的精益理论相比，已经大大地扩大和提高了，实际上其中也已结合进不少其它高新技术的内容 精益生产的四项支持技术 1) 适时生产(Just In Time ，JIT) 适时生产是任何学派提出的精益生产都有的内容，它是精益生产的核心。早期的汽车生产为了增加品种带来对原来流水生产线的改变，生产率因而下降，对生产线进行精益改造(结合自动化)实际上是使流水线得到新的平衡而保持了高生产率。我们的研究从研究流水线入手。早在20 世纪初亨利•福特研究发展了汽车的流水线，生产率很高，流水线有节拍，而且是刚性的，因而长期保持着平衡。当新产品改变了某些工序内容就破坏了节拍，改造工作采取了柔性自动化的方法使得流水线重新在一定节拍范围内生产，而且一当再度改变时，也能快速地调整过来。我们用时空转换和平行生产的理论来解释在流水生产中的高速度高生产率，经过采用自动 化改造措施后，用适时生产调整和保持流水生产的平衡 2) 成组技术(Group Technology，GT) 要把精益生产用于非大量生产的关键在于应用成组技术。在研究过程中，我们提出了成组技术在精益生产中提高效率的两大理论依据： 成组升格理论，亦即通过成组集中后有可能去采用升一级的设备和方法去生产，因而大大提高生产效率。 在80年代单纯考虑技术的改造中组织成组单元曾带来一定的好处，但提高的百分数有限，而且在重组过程中调整机床，改变机构和人员都带来一些麻烦，所以搞了几年后慢慢停下来了。 当考虑精益改造后，成组单元的进一步改造重又开始了，而且这一层改造的效果要大大超过以前的百分数增长，而是成倍地增长，道理很简单，过去的成组单元经过成组集中后一般在单元内仍是采用原来的工艺方法和设备，物流虽然理顺了，但仍是宏观的，具体生产线上却没有进一步提高流水线，更没有去搞JIT的平衡。 现在当成组集中后考虑的是精益生产改造，那就需要按“升格”的条件来审核所采用的设备、方法，以及组成新的流水线，当然这里所谓的流水线有别于大量生产那种刚性生产线，应该是带有能快速调整的高生产率柔性生产线，这里也需要“节拍”，但不可能像大量生产那样精确和稳定。 有时为了对整个生产线的平衡，单元工序的范围可以扩大为工作点、工作中心，还可以在工装工具等方面进行一定工作，允许物流中存有一定的储备量以平衡工序间的不平衡、不稳定等。 总之这种流水线只能算是“准流水生产线”。 但是我们的目标仍是要拿到设备方法更新以及流水线上带来的生产效率提高的好处，而用成组技术进行的成组集中却成为它的必要前提。 “升格”还会遇到二种情况：一种是原来的大量生产线，当增加品种后生产率不可避免地会下降，但当精益改造后可以重新升上去，这一种是在“扩容”下的“升格”；另一种原先是批量生产，当采用成组集中后，它是向柔性大量生产方向靠，这种升格才是真正的“升格”。就性质而言，都是升格但做法却完全不一样。 根据相似论中的“留同变异”是成组技术在工作中(特别是设计工作)效率提高的方法。 要留大同变小异才能取得大的效益。 留同变异也存在二种做法：填补法和变参数法。 前者进一步可以发展成为拼装法。 不管采用什么方法变异不可能单独存在，必须有一个原准件。 这个原准件的设计是用创成法设计出来的。 3) 并行工程(Concurrent Engineering，CE) 精益生产和敏捷制造都在设计工作中主要贯彻并行工程。 从产品设计、工艺设计(包括工艺规程和工艺设计)到生产设计传统做法均是串行的，即一个过程完成后接着进行下一个过程，这种做法的缺点是周期长，尤其是后续设计中发现前面设计中的问题后要反馈回去，这样需要修改设计或重新设计就更加拉长了周期，通常为了减少这种反馈现象就安排了认真的工艺审查以避免错误发生。 应该指出，这里不仅仅是来来回回拖长设计进度时间，更重要的是质量问题。 并行工程不仅在进度计划安排上做出变革，产生平行设计作业的可能，而且在技术上也采取了所谓D for X(设计为工艺装配……)的措施，这样就让设计人员在前面设计时便尽可能考虑后续设计时产生的问题，及早采取措施以避免出现反馈重设计，设计质量也就可以得到保证。 组织上通过团组(Team)方式往往可以产生前后共同商讨同步协调的作用。 由此可见传统的常规设计往往也可以设计出东西来，但是时间很长，效率很低，而且设计质量不一定好，贯彻并行工程可以使得设计质量和设计进度的双提高。 值得指明的是，并行工程的实施限于设计阶段内，而设计与生产之间则不在此例，设计未完成而过早生产投入会造成废品。 4) 全面质量管理(Total Quality Management，TQM) 精益生产是一种可以大大提高效率的方法，但它决不意味着对质量可以牺牲，“质量第一”的口号永远存在。 人们对质量的理解也已经从单纯的与检验相联系上转到质量控制，预先进行分析，采取保证措施，防止质量问题于生产前，在生产过程中采取例如统计等科学方法，整个企业围绕质量建立起：质量保证、质量控制、质量体系和质量管理的质量全面管理系统。 国际上国际标准化组织ISO的ISO9000系列就是认证的标准，使质量问题全面规范化。 精益生产的集成 1) 1+1+1+1+1>5 前面提到的精益生产四项合理化支持技术集合起来，再加上结合自动化所集成的精益生产，它的全面效益要比各单项技术单独作用合起来大得多，这也是我们研究精益生产的重点。 这里关键的一点不仅是简单叠加而是结合，只有结合才能真正发挥精益生产的效果，取得速度、质量、经济性的全面效益。 一条流水生产线由于产品零件的变化而不能保持平衡，出现了瓶颈，解决的办法是采用自动化措施，采用JIT和FA的结合，或JIT+FA+TQM 的结合。 具备成批生产条件的工厂将零件按类集中组成单元，依照升格理论可以在单元内使用更高效率的设备和工艺方法，用流水生产线组织起来进一步进行精益改造，包括：平衡生产线以及采用其它有效的技术，在这里应该是GT+JIT+FA+TQM 的有效结合。 设计工作中同样有GT+JIT+FA+TQM的存在，与生产线上不同的是GT变成成组数据库的建立，JIT变成设计工作流程的准时交接，而FA则从NC，CNC，FMS等转变为CAD、CAPP、CAM、CAPM等的CAX。 设计工作中并行工程的贯彻是十分重要的，很明显它应该加到上述过程中去，而且它的介入明显地提高了设计的质量。 2) 精益屋 德国亚亨大学最早提出精益屋的概念，但它仅仅是围绕“独立制造岛”上的一项研究而提出的，我们则结合我们对精益生产的研究亦提出了一个精益屋模型，而且随着研究实践的不断深入，精益屋也相应地变化和扩大。 精益屋将生产合理化的各项支持因素恰当地组成了房屋，而且根据其性质占有房屋的一定部分，如房基(GT)柱子(C3、TQM)以及柱子中心(JIT)、楼板(FA)及屋顶(LP)。 精益屋还象征着各项因素的集成与结合。在一定意义上精益屋代表着精益生产理论研究的概括和总结。 精益生产的实践 1) 精益生产在生产线上的应用———最终建立快速应变的可调整生产系统 对于原属大量生产的“扩容”生产线的改造。一般需要基本保持原来的流水生产线，而对于那些因为产品品种改变而带来的变动工序，尤其是瓶颈工序作分析，这时需要引入先进工艺，设备则有组合机床、数控、可调专机、数控单能机、柔性生产单元及整个柔性生产系统等，然后用JIT平衡调整。 对于原属批量生产条件的升格生产线改造。首先要按成组技术进行成组集中形成新的单元和生产线，这实际上是一次重组。然后统一工艺规程，新的工艺规程应该考虑到成组集中，用升格概念审查所采用的设备、工装和工艺方法。在新的工艺规程设计中，可以利用并行工程概念考虑新工序的内容如何在以后组织的流水生产中取得较好平衡，与大量生产不同之处，这里涉及同类零件比较多，平衡调整有一定难度，所以可以考虑将几台设备围在一起作为一个工作点或者中心代替一个大工序，也可以在中间存放储备件(在制品)来补偿实际执行时可能出现的不平衡情况。总之，这种流水线的“节拍”不一定很精确，而且它的每一个工序均要考虑到柔性问题，总起来可称为“准流水生产线”。 2) 精益生产在研发过程的应用———最终建立快速应变的变异设计系统 研发本来亦包括制造生产，但它需要的数量比正规生产要少得多，采用的工艺方法尽可能用一些通用的方法，通用的设备和工装。多数工厂均利用生产车间来做研究试制，而且正规生产常常要为它让路。这里所提出建立的系统重点放在设计系统上，这个设计不仅仅是产品设计而且包括工艺设计、生产设计等等。 快速应变变异设计系统也是建立在成组技术的基础上。与生产线改革不同之处是进行设计流程的重组，而不是生产车间的重组，当然，为了贯彻并行工程，有的组成了前后设计人员共同组成的团组。 快速应变变异系统不等于完全脱离创成过程。新的创成设计可以运用过去成功创成的内容来进行变异设计。设计流程的重组要根据产品特点和工厂的习惯进行综合考虑。 3) 精益生产计算机软件的改制 精益生产集中指出必须与自动化相结合，因此无论在生产系统的改造还是在研发系统的改造中均需要在应用自动化技术过程中进行软件改制。 a. 在生产线的改造中 需要在统一成组分类编码系统的基础上，确定单元的组成(进行车间布置)，设计成组工艺规程，并进一步进行成组流水线的平衡工作，所有这些都可以用相应的计算机软件来进行，接着对工艺设计也是模仿成组产品设计的专门软件。在数控加工时，应用的数控软件的后置处理同样可以应用成组技术的“留同变异”而设计得比较简单而且快捷地得到。在组织生产时，应该用JIT倒排序的方式来排序，对于常规MRP II软件或者ERP软件均需做相应的改制。运用并行工程思想作工艺规程的多方案设计可以和生产作业排序集成比较优劣最终优化设计。 b. 在研发系统改造中 与常规的设计不同，即要在原创成设计的基础上建立起一套变异设计系统。它同样需要在统一的成组分类编码系统上按设计要求建立各种数据库。这样把过去优化合理的创成设计的图形和数据按成组技术存储起来，在使用时可以快速调出进行改变而完成变异设计过程。 另一个重要的增加部分软件是利用并行工程思想考虑到D for X种种可能供设计时选择。为了使选择更加合理，还有一套评估软件，通过此可以更加确切地选用合适的设计。 精益生产效果的评估 研究过程中我们运用了生产系统定位的方法来表达精益改造前后的位置，因而可以用于精益生产效果的评估。 不同生产类型生产系统的定位图在各种教科书上均可见，不过它是静止的，我们将生产类型不同生产量和劳动量的坐标转化为综合效益也是与之相当的，即大量生产的综合效益高于批量生产，更高于单件生产，而大批生产的综合效益也高于中批、小批生产。 重要的是要将定位图表由静止转为动态，要把精益改造前后的定位列上就可间接看到综合效益的变化和提高。当然以上目前仅仅是一种定性分析，从定性到定量需要进一步地研究。 由于整个系统综合效益的定量标准计算比较复杂，所以当前比较实用的只是局部地抓主要的定量计算，即做到所谓的“综合分析，局、主定量”。 理论和实践学习与创新 精益生产的研究自始至终贯彻了理论联系实际即紧密地与生产实践相结合，此外，我们一方面向外界包括向国外先进单位学习，另外，我们结合自身的实践和体会进行了创新，可以说这是具有中国特色的精益生产。 3 结论 虽然从20世纪80年代末90年代初我们对于精益生产的研究一直没有间断，但是在工业企业中的贯彻应用却相对不够，现在在美国的汽车业、航空业已有精益认证标准，而我国还有不少人不了解精益生产，我们和国外有差距存在，鉴于此最近此方面已引起了国人的注意，工业企业对用精益生产思想来改造旧企业的要求正逐步提高，亦已举办过一些有关的学习班，高等院校已经开始开出这方面的专业课程，种种迹象表明精益生产正在中国兴起。 我们感到应该趁此机会大大加强我们的研究和实践工作，这无疑能对我国当前企业“三改一加强”工作起到直接的推动作用。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/4/2005)