工学零件分类成组方法PPT课件

1 第三章零件分类成组方法 2 第一节概述 成组技术的基本原理是充分认识和利用生产活动中有关事物客观存在着的相似性以提高生产的效益 按一定的准则将有关事物分类成组是实施成组技术的基础 3 组 具有某些共同属性的事物的集合 成组技术常采用 零件族 这一更为形象的概念 零件族是具有某些共同属性的零件集合 采用不同的相似性标准 可将零件划分为具有不同属性的零件族 例如 根据分类的目的要求 制定相应的分类的相似性标准 可将零件分类以组成设计族 加工族或管理族等 4 5 第二节生产流程分析法 6 一 生产流程分析的基本原理 一 基本原理生产流程分析 ProductionFlowAnalysis 简称PFA 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 生产流程分析可应用于工厂规划 设计和物料科学管理等方面 7 一 生产流程分析的基本原理 二 三个主要阶段一般包括以下三个主要阶段 1 工厂流程分析 2 车间流程分析 3 生产单元流程分析 工厂流程分析 对全厂的物料流程进行统计分析 以正确地组成和划分各个生产车间与管理都门 使工厂全生产过程有合理的物料流程 通过工厂流程分析可以决定各车间的生产任务和设备 8 一 生产流程分析的基本原理 二 三个主要阶段车间流程分析 对本车间生产的全部零件的工艺过程进行统计分析 按工艺过程将零件划分为加工族 与此同时也寻求出加工各加工族的相应的一组设备 机床 车间生产流程分析有助于正确地规划车间的组成和简化车间物料流程 9 一 生产流程分析的基本原理 二 三个主要阶段生产单元流程分析 以单元内生产零件为对象 通过进一步对工艺过程的分析 可以寻求单元最合理的设备平面布置 对单元内生产零件的加工工艺过程分析 还可以把加工族细分为具有某些工艺特征的零件小组 这将有助于成组工艺过程 成组工艺调整方案和成组夹具等方面的设计工作 10 一 生产流程分析的基本原理 二 三个主要阶段生产流程分析的三个阶段分析范围和目的是各不相同的 但它们是彼此紧密联系的 一般前一阶段是后一阶段的必要前提 应用生产流程分析将零件分类 一般包括工厂的和车间的生产流程分析这两个阶段 而关键是车间生产流程分析 车间生产流程分析不仅能将零件分类形成加工族 同时也能决定出其相对应的加工设备 机床 组 常用于成组生产单元的设计 11 一 生产流程分析的基本原理 三 车间流程分析的实施步骤1 数据采集生产流程分析的第一步是决定研究范围和收集需要的数据 研究范围决定了被分析零件的总体 是车间里生产零件的全部 还是其中有代表性的一部分 需要的数据就是每种零件的工艺过程信息 此外还包括批量 工时定额 年生产纲领等数据 12 一 生产流程分析的基本原理 三 车间流程分析的实施步骤2 工艺过程编码为了便于分析工作 应将第一步收集到的零件工艺过程编码 可采用机床设备或工序代码 在统计分析现场加工设备或工序类别的基础上 代码的制定是比较容易的 13 一 生产流程分析的基本原理 三 车间流程分析的实施步骤2 工艺过程编码为简化分析工作 对工艺过程编码可以作以下几项规定 l 若采用机床代码 规格相近的同类型机床可用同一代码 但同类型机床用于不同性质的工序应采用不同的代码 2 同一工艺过程中 若有若干工序使用代码相同的机床 则仅对最先工序编码 即不会有相同的代码出现 3 不需要特殊设备或采用低廉设备的辅助工序可以不予编码 如划线 钳工及检验工序等 按上述规定 仅需对工艺过程的代表工序编码 即分析不包括那些性质相同的工序和次要的辅助工序 14 一 生产流程分析的基本原理 三 车间流程分析的实施步骤3 建立原始零件 机床数据矩阵表将收集到的经工艺过程编码的全部零件汇总 可得原始零件 机床数据矩阵表 15 一 生产流程分析的基本原理 三 车间流程分析的实施步骤4 生产流程分析对原始零件 机床矩阵表中的数据进行行列的重新排列 将工艺过程相似的零件及所使用的机床相对集中于矩阵表中的某一局部区域 可得到如图所示的矩阵表 16 二 顺序分枝法 一 顺序分枝法的原理顺序分枝法是将待分类的全部零件按其工艺过程逐个判别 使之归属于相应的各级分枝组 进入各级分枝组的诸零件在工序 主要的 类型 数量和顺序上完全一致 然后 遵循一定的并枝原则把各级分枝组合并为零件种数适当的加工族 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 17 二 顺序分枝法 一 顺序分枝法的原理1 分枝过程顺序分枝法分枝过程如图3 2所示 18 19 20 21 二 顺序分枝法 一 顺序分枝法的原理1 分枝过程顺序分枝法各级分支组可能出现的组数qi为 1级分枝组 q1 k 2级分枝组 q2 q1 k i 1 当i 2 3级分枝组 q3 q2 k i 1 当i 3 m级分枝组 qm q m 1 k i 1 当i m 所以 可能出现的各级分支组组数总和为qmax为 22 二 顺序分枝法 一 顺序分枝法的原理1 分枝过程事实上 各级分枝组以及各种序号的分枝组不一定都会出现 所以 顺序分枝后实际各级分枝组组数都远远小于上式的理论计算值 对图3 3所示的25个零件 k 5 m 4 理论上可能出现的各级分枝组组数总和为 而实际出现的各级分枝组组数为17 23 二 顺序分枝法 一 顺序分枝法的原理2 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之间的亲密度关系可区分为高 中 低三级 1 高亲密度关系设两个不同级分枝组X1与X2 它们的分枝组级别分别为n1与n2 且n1 n2 若分枝组X1的前n2道工序与分枝组X2的n2道工序在工序类型及顺序上完全相同 则称分枝组X1与X2之间具有高亲密度关系 如分枝组1245与124属于高亲密度关系 24 二 顺序分枝法 一 顺序分枝法的原理2 并枝过程 2 中亲密度关系设两个不同级分枝组X1与X2 它们的级别分别为n1与n2 且n1 n2 若分枝组X1有任意n2道工序与分枝组X2的n2道工序相同 则称分枝组X1与X2具有中亲密度关系 如分枝组2345与524 25 二 顺序分枝法 一 顺序分枝法的原理2 并枝过程 3 低亲密度关系设两个分枝组X1与X2 它们的级别分别为n1与n2 若分枝组X1与X2仅有Y道工序相同 且n1 n2 Y 则称分枝组X1与X2属于具有并枝水平为Y值的低亲密度关系 如分枝组1234与524属于并枝水平为2的低亲密度关系 26 二 顺序分枝法 一 顺序分枝法的原理2 并枝过程按低亲密度关系并枝时 并枝水平可作为一个可控参数 允许的并枝水平值愈低 则并枝成组的相似性亦愈低 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分枝组 即 最先应按高亲密度关系并枝 然后按中亲密度关系并枝 最后 若需要可放宽相似性尺度按低亲密度关系并枝 并适当地规定允许的最低并枝水平 27 28 二 顺序分枝法 一 顺序分枝法的原理2 并枝过程按照上述并枝原则 表3 2所示的17个各级分枝组并枝组合后 形成三个加工族 29 二 顺序分枝法 一 顺序分枝法的原理2 并枝过程特殊件 零件代号为21 若允许低亲密度关系的组合 则它可以归属于任意一个加工族 但将增加该加工族所需的不同类型的机床台数 特殊件一般可作以下考虑 l 让该零件跨成组生产单元加工 2 修改工艺过程 3 本厂不能加工或加工不经济的可作外协件 4 必要时 通过设计部门对零件结构进行修改 30 二 顺序分枝法 二 计算机辅助顺序分枝法零件分类为设计顺序分枝法分类程序 可作以下几项规定 l 并枝过程是将各级分枝组依次按高 中 低亲密度关系逐次组合的过程 两分枝组并枝组合为另一新分枝组后 仍继续参与并枝过程 直至达到规定的终止条件为止 2 新分枝组的级别可这样规定 当按高亲密度或中亲密度关系并枝结合为新分枝组时 其级别决定于并枝前最高级分枝组的级数 按低亲密度关系结合时 新分枝组级别为 n1 n2 Y n1 n2及Y分别为分枝组X1与X2的级别及该两分枝组的并枝水平 3 分类的控制参数除并枝水平以外 还引用了加工族允许的不同类型的机床台数 以避免形成的加工族引入过多的机床 31 二 顺序分枝法 二 计算机辅助顺序分枝法零件分类顺序分枝法的算法如下 1 将全部待分类的零件进行分枝过程 使之归属于各级分枝组 2 按高亲密度关系结合原则 从最高级分枝组开始逐个将属于高亲密度关系的每一对零件分枝组合并为一新分枝组 3 按中亲密度关系结合原则 从最高级分枝组开始逐个将属于中亲密度关系的每一对零件分枝组合并为一新分枝组 4 是否继续分类 继续转5 否则转9 32 二 顺序分枝法 二 计算机辅助顺序分枝法零件分类顺序分枝法的算法如下 5 Y m 1 m为分枝组最高级别 6 按低亲密度关系结合原则 将所有属于具有并枝水平为Y值的低亲密度关系的每一对零件分枝组合并为一新分枝组 7 Y Y 1 8 若Y CL 控制的并枝水平 转9 否则转6 9 打印分类结果 分类结束 33 34 35 36 二 顺序分枝法 二 计算机辅助顺序分枝法零件分类顺序分枝法的特点 按高亲密度和中亲密度关系并枝 可使成组的零件之间有较高的相似性 即使采用低亲密度关系并枝 只要适当地规定并枝水平和机床组允许的机床台数这两个分类控制参数 就可以避免把加工族零件间的相似性降低到不恰当的水平 顺序分枝法另一优点是采用此法的计算机分类程序需要较少的内存 37 三 聚类分析法 聚类分析 ClusterAnalysis 是一种数值分类方法 它是模式识别技术中用于解决无监督分类问题 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 38 三 聚类分析法 一 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是欲分类样品的集合 类是分类全域的一个子集 一个零件 既可看成一个样品 也可看成只有一个样品的特殊类 39 三 聚类分析法 一 基本概念 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 用车间生产流程分析将零件分类 依据的是零件工艺过程 即按工艺过程相似性分类 因此 可以认为一对零件 它们的工艺过程使用共用机床的数目越多 则这一对零件相似程度就越高 反之 若使用的共用机床数目越少 其相似程度就越低 据此 可定义相似系数统计量为 40 三 聚类分析法 一 基本概念 式中Sij 零件Xi与Xj之间的相似系数 Cij 零件Xi与Xj使用的共用机床数目 Ci Cj 分别为零件Xi Xj各自单独使用的机床数目 令加工零件Xi与Xj使用的机床总数目分别为CI与CJ 则有 Ci CI CijCj CJ Cij得 41 三 聚类分析法 一 基本概念 相似系数Sij可以用来判定一对零件的相似程度 Sij 1 表示一对零件加工机床的类型与数目完全相同 Sij 0 表示没有共同的机床 根据一对零件亲疏的程度 Sij值在0至1之间变化 42 三 聚类分析法 二 聚类方法和类相似系数 构造样品与类或类与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 常用的聚类方法有最近距离法 最远距离法 类平均法 中值法 可变类平均法及可变法等 43 三 聚类分析法 二 聚类方法和类相似系数 类平均法 AverageLinkageMethod 中类相似系数的定义为 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 为提高零件分类的计算速度 可以用递推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 44 三 聚类分析法 二 聚类方法和类相似系数 设类Xp与Xq聚合成新类Xr 它们分别具有np nq及nr个样品 用类平均法 按以下的递推公式可算出任意一个类Xk与新类Xr之间的类相似系数Skr 式中Skp Skq 分别为任意类Xk与旧类Xp Xq之间的类相似系数 45 三 聚类分析法 三 聚类分析法的零件分类 聚类分析法过程聚类分析法是根据规定的统计量为判据将多种零件逐次聚合成类 其过程如下 1 计算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 2 按规定的聚类方法计算出新类与其余的零件类 单一零件亦可认为是一类 之间的类相似系数 据此建立新的相似系数矩阵 46 三 聚类分析法 三 聚类分析法的零件分类 聚类分析法过程3 再次将新矩阵中相似系数最高的一对零件类聚合成新类 4 重复上述过程 直至零件分类终止条件得到满足为止 聚类分析法零件分类的终止条件可以有两个 1 最终分类组数 NC 2 相似水平 即允许聚合的最小相似系数 Smin 47 48 49 三 聚类分析法 四 聚类分析法的零件分类 聚类分析法的算法如下 l 计算每一对零件之间的相似系数 据此建立一个相似系数矩阵 2 在相似系数矩阵中搜索最大相似系数值 3 检查终止条件是否满足 如果满足 转6 否则转4 4 将相似系数最大的那两个零件类合并为新类 5 计算新零件类与其余零件类之间的类相似系数 修改相似系数矩阵 转2 6 将聚合的各零件类整理成组 7 分类结束 50 51 52 53 三 聚类分析法 四 聚类分析法的零件分类 聚类分析法特点 优点 聚类分析法有较好的分类相似性和灵活性 缺点 其一是程序需占用较大的内存 其二 聚类分析法中所构造的相似系数统计量在描述零件之间相似性方面有其局限性 54 三 聚类分析法 四 聚类分析法的零件分类 例如 可以比较以下三个零件的相似性 它们的工艺过程见图3 8 009 C616X62WM1332Y631K 061 C616M115M1332M228 115 C616C720F6616AC 250CZDX51X62WZ21Mll5M13lWM1332M228ZSKY631K 计算相似系数得 S9 61 0 3333S9 115 0 2857从建立生产单元的角度来看 零件9与115聚合似乎更为适合 因为这样允许采用加工零件115的设备加工零件9 而零件9与61组合却要额外增加两台机床 55 四 分枝 聚类法 顺序分枝法和聚类分析法各有优缺点 若将此两种方法综合应用 扬长避短 相互补充 就可以获得一种更为完善的实用分类方法 分枝 聚类方法 56 四 分枝 聚类法 分枝 聚类方法提出了一种新的描述零件之间相似性的模型和归类成组过程 它将零件的分类分为顺序分枝过程和聚类过程 1 首先对待分类零件按顺序分枝法进行顺序分枝过程处理 为了按聚类分析法进行以下的聚类过程 规定属于高 中亲密度关系的零件之间的相似系数为1 2 经过顺序分枝过程处理后 再进行聚类过程处理 即用聚类分析法将已并枝组合的新零件类和其他尚未并枝的零件类 各级分枝组 聚类成组 57 四 分枝 聚类法 设N为分类零件种数 N1为经过顺序分枝过程处理后的新零件类和未并枝的零件数目的总和 则可以定义顺序分枝过程的合并系数P为 P N1 N合并系数P与后续聚类过程所占内存及计算量密切相关 合并系数P的数值越小 占用的内存越少 计算工作量也越少 而P的数值随零件种数的增加而减少 58 59 五 排序聚类分析法 一 排序聚类分析法原理排序聚类分析法 Rank OrderClusteringAlgorithm 是一种直接交换零件 机床矩阵中的数据 使其成对角线块分布 每一个块的数据对应着一个相似零件族及其相应的机床组 从而实现零件分类的分析方法 60 五 排序聚类分析法 一 排序聚类分析法原理排序聚类分析法过程在排序聚类分析中 零件 机床矩阵数据的交换是按一定的规律进行的 其过程如下 先按列序对全部列的二进制数进行数值大小的比较 将比较结果按从左到右数值升序重新排列矩阵中的列序 得到新的零件 机床矩阵 在新矩阵基础上 再按行序对全部行的二进制数进行数值大小的比较 按比较结果从上到下数值升序重新排列矩阵 又得新的零件 机床矩阵 如此反复进行 直到行与列都符合升序排列为止 61 五 排序聚类分析法 一 排序聚类分析法原理设零件 机床矩阵用A表示 aij为A的元素 i 1 2 M M为机床数量 j l 2 N N为零件数量 则 当零件数量与机床数量均比较小时 小于64以下 可用 列权 与 行权 代替列的二进制与行的二进制数值进行大小比较和排序 第j列的列权为 第i行的行权为 62 五 排序聚类分析法 一 排序聚类分析法原理排序聚类分析算法的步骤如下 l 对j l 2 N 计算全部列的列权Wj 2 如果计算所得各列权Wj呈升序 转3 否则重新排列各列使Wj呈升序 3 对i l 2 M 计算全部行的行权Wi 4 如果计算所得各行权Wi呈升序 转5 否则重新排列各行使Wi呈升序 转1 5 打印分类结果 停止计算 63 64 65 66 五 排序聚类分析法 二 瓶颈机床与瓶颈零件问题排序聚类分析法的优点是算法简单 所占内存小 计算速度快 但此方法用于实际的零件分类 常常会受到瓶颈机床 Bottle neckmachine 与瓶颈零件 Bottle neckpart 的困扰 使之难于从分类结果中区分出各零件族 67 五 排序聚类分析法 二 瓶颈机床与瓶颈零件问题 68 五 排序聚类分析法 二 瓶颈机床与瓶颈零件问题在零件 机床矩阵中将数台甚至十几台相同机床的加工任务集中在一台上 致使该机床的加工任务看来特别饱满 成为加工中的一瓶颈 故称为瓶颈机床 相应地 需要使用很多机床加工的零件称为瓶颈零件 通常是一些特殊零件 如主轴 箱体类零件等 69 五 排序聚类分析法 二 瓶颈机床与瓶颈零件问题瓶颈机床与瓶颈零件问题解决办法1 瓶颈机床产生原因 多品种 中小批量生产类型的车间存在着一些通用设备 而通用设备的数量又往往不止一台 解决办法 用多种码号分别标记同一类型的多台机床 使之不再出现瓶颈机床 2 瓶颈零件产生原因 特殊零件 而特殊零件的相似性很差 解决办法 相似性差的特殊零件不宜实施成组技术 应在分类之时从分类零件中剔除出 以排除它对零件 机床矩阵数据对角线块分布化的影响 70 五 排序聚类分析法 二 瓶颈机床与瓶颈零件问题瓶颈机床与瓶颈零件问题解决方式1 人工解决方式先用排序聚类法进行分类 从初步的分类结果中找出瓶颈机床与瓶颈零件 再采取前述措施处理瓶颈机床与瓶颈零件 最后再用排序聚类分析法对处理过的零件 机床矩阵分类 2 直接采用数学处理方法自动识别与处理瓶颈机床与瓶颈零件 71 72 73 六 零件分类结果的评价方法 在分类零件数量比较少的场合 直接观察分类结果 通过主观判断 可以比较容易地选出较好的分类结果 随着零件数量的增多 越来越难于主观地判断分类结果的好坏 因此 需要用客观的评价方法来评价零件的分类结果 可以用四个指标评价零件的分类结果 即 总结合能量BE 特殊元素百分比PE 机床利用率MU 成组效率GE 74 六 零件分类结果的评价方法 一 总结合能量BE在矩阵中 结合能量定义为两个相邻元素的乘积 因此 对于分类结果的零件 机床矩阵A 其总结合能BE为 特别说明 按上式计算 将会遇到i 1 0 i 1 M 1 与j 1 0 j 1 N 1的特殊情况 此时的aij都不是矩阵A中的元素 我们规定其值aij 0 75 六 零件分类结果的评价方法 一