模块化制造（共9篇）
模块化制造 篇1
0 引言
近年来,机电产品再制造工程发展迅速,企业通过实施生命周期末端的再制造策略,可以在很大程度上降低企业成本,提高竞争力。据统计,仅以汽车启动电机为例,其可再制造率达50%[1]。但很多产品在设计时没有考虑到一次生命周期结束后的再制造过程,常出现生命周期末端难以再制造或零部件过度使用而无法再制造的被动局面,因此在产品设计阶段将产品再制造性作为一项重要的产品性能进行综合考虑,开展主动再制造设计已经变得十分必要。
目前,还没有一种完善的方法可以全面地从设计阶段解决产品再制造中所遇到的问题,随着社会需求的多样化和小批量、多品种生产模式的发展,模块化作为一种系统的、标准的和普适的思维方法,得到了广泛的应用[2]。模块化设计已从早期单纯追求功能属性模块划分发展为产品生命周期全过程多属性决策,同时在产品生命周期末端策略中也发挥了重要的作用。为了对多个设计目标进行协调,Gershenson等[3]从零部件属性独立性、过程独立性、过程相似性三方面提出了面向生命周期的模块化设计方法;Victor等[4]进一步细化了模块化设计的生命周期驱动因素,并运用遗传算法进行模块构建。在模块化指标确定方面,Xing[5]等提出了产品技术因子的概念,并基于模糊集理论建立了一种产品升级性的数学模型,以产品更替的兼容性、拓展用途的适应性、生命周期导向的模块性三项性能作为揭示和评估产品全面的升级潜力的主要指标;Qian等[6]将环境意识准则引入模块化分析中,建立了一种半定量化的环境影响模块化分析模型。
由此可见,面向主动再制造的产品模块化能够成为实现再制造设计的重要手段。传统的模块化设计在准则制订方面主观性较强。在方法论方面,基于模块化底层概念即相似性方面的研究不多,而且大多从产品功能、标准化、易于制造等角度考虑模块的划分。本文从产品多生命周期的观点出发,研究产品构成形式,基于再制造设计模块化相似性度量方法进行产品模块划分,旨在通过各项再制造客户需求分析,从产品结构宏观模块构成角度进行主动再制造设计,从而满足人们对于产品再制造性能的需求。
1 主动再制造模块化设计流程
再制造具有极大的节能节材潜力,从产品设计阶段就开展面向再制造的设计是实现产品(零部件)级循环利用,提高产品竞争力的有效途径。模块化设计是一种实现既定的产品生命周期特征的标准驱动方法[7],在许多情况下,如果能够合理地划分模块,就能够实现一个模块或一组零部件集合的生命周期末端重用,图1所示为富士施乐公司生产的复印机通过先进的模块化设计实现升级再制造[8];反之,如果不能很好地划分模块,由于需要消耗大量的人力和成本,零部件有可能无法被重新使用。表1[9]所示为部分生命周期阶段的模块化驱动清单。
主动再制造的产品模块化是在概念设计阶段进行产品结构宏观配置和调控的有效途径。它从产品再制造客户需求入手,综合分析各项再制造信息资料(如来自市场、企业、用户等的信息),进行信息归纳整理,进而形成面向再制造的模块化设计准则,基于准则的多维度,结合相似性度量方法进行模块划分,其设计流程如图2所示。
2 再制造客户需求分析及约简
再制造客户需求是针对用户、厂家、再制造工厂等多方调研而得到的复杂信息,若想把它变为可用的再制造设计信息,必须进行科学分类,以明确信息的有效性,并对个别突兀信息进行筛选和取舍。KJ分析法[10]是一种创新性思维方法,可被用来进行信息的归纳和总结。
再制造模式的发展取决于多方面因素,如资源环境压力、企业利润驱动、市场需求等。通过市场调研、寻访再制造企业专家和产品使用者等方式,可获取产品再制造特性的客户需求,见表2。
此时所获得的再制造产品客户需求,概念相对模糊,性能要求种类繁多,应进一步对其进行分析,开展信息二次加工,科学归纳再制造客户需求的层次结构。
通过KJ分析法对客户需求进行归纳,如图3所示。
3 主动再制造模块划分准则
本文针对再制造客户需求的基本要求,即耐久性好、多生命周期、拆卸/装配性能好、再制造工艺相容,结合产品生命周期各阶段(材料选择、使用、回收、再制造)特征,制订面向再制造的产品模块划分准则。
3.1 材料的选择与配置阶段
该阶段是产品整个生命周期的初始阶段,材料的选择应在满足各项基本功能需求的前提下,综合考虑材料的环境属性,如材料生产过程能耗、排放、材料是否属于有毒有害物质、可重用性能如何等。部分材料的能量含量和环境影响状况(Eco-Indicator99法)[11]见表3。
准则1:材料环境影响相似性准则。应尽量将具有相同或相近生态指数的零部件划分在同一模块内。
对于不同材料的零部件,通过材料环境影响相似性准则进行零件的聚类,从而能够将相同或相近环境影响的零部件划分在同一模块中。对环境影响大的零部件,考虑采用再制造等生命周期末端策略对其进行处理,从而最大程度地减小对环境的影响和资源能源消耗;对环境影响小的零部件可以考虑采取填埋、材料回收等低级处理方式,从而降低生命周期末端处理难度。
设零件i与j之间材料环境影响相似性因子为Ime(i,j),则
式中,mi、mj分别为零件i、j的质量;EIi、EIj分别为零件i、j的生态指数;0<Ime(i,j)≤1,当Ime(i,j)=1时,零件i与j环境影响程度相同。
另外,随着材料科学特别是材料表面工程的不断发展,在目前和未来相当长的时间内,材料选择阶段所体现出的产品可再制造性能主要体现在材料可修复/自修复性能以及材料的再制造工艺相容性方面。
准则2:材料再制造工艺相容性准则。应尽量将相同或相容材料的零件划分在同一模块内。
主动再制造设计中材料再制造工艺相容性包含两层含义,第一层含义是指零件材料之间混合使用不会互相排斥,可以使用同一回收工艺进行整体回收的特性。如果两材料无需进一步的回收工艺,能直接混合回收,则认为极相容,设定分值为1.0;如果两材料无法混合回收且无法采用回收工艺进行分离,则认为极不相容,设定分值为0;其他情况则取值为0~1之间,材料之间的相容性越好,取值越大。常用工程塑料的相容性见表4。
定义零件i与j之间材料的交互性因子为
式中,r为材料的相容性值,0<r<1。
材料再制造工艺相容性第二层含义是指零件材料间可以采用相同或相近再制造工艺进行再制造加工的特性,即材料的再制造工艺相似性可以用材料的基体材料与再制造涂覆材料的润湿性进行表征。一般以接触角θ来判断润湿情况,如图4所示,Fg-l、Fs-l、Fg-s分别为气-液界面张力、固-液界面张力、气-固界面张力。润湿不良的金属匹配有Fe-Ag,Fe-Pb,Fe-Cd,Fe-Bi等,Ni-Cr-B-Si系列合金与低中碳钢表面润湿性良好[12]。
如果两材料可以采用相同再制造工艺进行再制造加工,可认定为极相容,设定分值为1.0;如果无法采用相同或相似再制造工艺进行再制造加工,可认定为极难相容,设定分值为0;其他情况则设定分值为0~1之间。定义零件i与j之间材料再制造工艺的交互性因子为
式中,r为材料的再制造工艺相似性值,0<r<1。
材料再制造工艺相容性为
式中,ωm1、ωm2分别为两类再制造相容性交互因子权重,且ωm1+ωm2=1。
3.2 使用阶段
在使用过程中,再制造设计模块划分的要求主要集中在使用寿命及维护性两方面。
准则3:使用寿命准则。具有相近使用寿命的基本零部件应划分在同一模块内。
与常规设计不同的是,主动再制造设计应尽量使得产品同一模块内的零部件失效发生在同一时间,这样不仅能够延长产品的使用寿命(一般来说,产品的失效时间是由使用寿命最短的零件决定),而且能够使得模块内零部件在同一时间再制造。
定义基本模块之间使用寿命原则的交互性因子为
式中,Li、Lj分别为基本模块i、j的使用寿命。
准则4:维护性准则。应将具有相同或相近维护需求的基本模块划分到同一模块内。
良好的维护性能可以集成各项维修资源,降低维修策略的复杂度,延长产品寿命周期。维护性表现在可维护随机相关性与可维护经济相关性两个方面:
(1)可维护随机相关性是指各零部件的转移概率取决于模块中其他部件的状态,即当一零部件失效时,与之发生作用的另一零部件可能失效的概率。这种情况下的相关性交互值Imc(i,j)就可以用这种关联失效发生的概率表示。
(2)可维护经济相关性是指在维修模块中某一零部件时,同时对另一零部件进行维修资源共享的可能性。这种情况下的相关性交互值Ims(i,j)可以用模块之间共享维修资源的程度表示。
定义基本模块之间维护性的交互性因子为
式中,ωmc、ωms分别为不同维护关系的权值,且ωmc+ωms=1。
3.3 回收再利用阶段
产品废弃后回收处理方式可以分为三类不同的级别:重用、材料回收、能量回收及填埋。其中,产品和零部件重用是一种高级的再利用方式,此类技术正处于发展阶段,成本较高;材料回收、焚烧填埋等技术较为成熟,处理成本较低。各回收方式下环境负荷和资源损耗效应趋势如图5所示。
在考虑回收材料的环境影响的前提下,零部件的回收价值是决定产品零部件生命周期末端回收方式的主要依据。
准则5:经济性准则。具有相同或相近回收价值的零部件应划分到同一模块内。
零部件的回收价值由材料成本、加工制造过程中所赋予的价值和其回收处理成本综合决定。设零件i、j的质量分别为mi、mj,单位回收价值分别为(Cc+Cm-Ct)i、(Cc+Cm-Ct)j,其中Cc为材料成本,Cm为制造成本,Ct为回收处理成本。
定义基本模块之间可回收经济性交互性因子为
式中,WRi、WRj分别为零部件i、j的回收价值。
3.4 再制造加工阶段
再制造加工阶段产品的再制造性能设计原则主要体现在两方面:分解指导原则和重新组装原则[13]。产品能够实现无损拆解是进行再制造加工的保障,在早期设计阶段,对产品的可拆卸性和拆卸工艺性进行分析和研究,减少产品的零件数,改善产品的拆卸工艺性,降低产品拆卸成本和缩短拆卸时间,从而在设计阶段就解决拆卸中存在的各种问题。
准则6:可拆卸性准则。产品各零部件之间尽可能采用易于拆卸的连接方式,并减少彼此间的接口数。
产品零部件间的拆卸复杂度主要取决于零部件间的连接方式和相应的拆解难度。表5所示为通过多次拆解实验分析得到的连接方式和相应的拆解难度值[14],设零部件之间的拆卸关系交互性因子为Id(i,j),Id(i,j)根据不同的连接方式分别赋予不同的数值。
3.5 模块的功能和物理独立性
物质、能量和信息是产品系统与外界进行作用的三种运动流,一种产品至少以一种运动流为主实现其产品功能。满足模块的功能和物理独立性是合理地进行产品模块划分的前提。图6为产品系统物质流、能量流、信息流示意图,其中P1,P2,…,P8为零件编号,假设P1、P3、P6、P8划分到一个模块,余下零件划分到另一模块。
物理独立性原则主要是指在产品与外界进行物质、能量和信息交互的过程中,应将交互作用较强的零部件划分到同一模块中。除此之外,产品系统是以结构为功能基础的,一定的产品结构必然会体现一定的功能。因此,两零部件之间的结构交互关系亦是产品模块化功能的基础。表6所示为结构功能交互性(物质、能量、信息、结构)模糊关系定义,其取值范围为0~1,取值越大交互作用越强。
准则7:功能物理独立性准则。具有强物理交互性和功能交互性的零部件应划分到同一模块。
两零部件之间的物理交互性主要体现为零部件间的物质、能量和信息交互作用的强弱,功能交互性体现为结构交互关系的强弱。
定义基本模块之间物理和功能交互性因子为
式中,ω1、ω2、ω3、ω4分别为物质、能量、信息及结构交互因子权值;Ips(i,j)为相应的交互因子。
4 主动再制造设计模块划分方法
为了便于将再制造模块化设计各准则同模块划分方法相结合,基于准则合理高效地进行各零部件的相似性度量,结合模糊动态聚类分析方法,构建产品零部件相似性矩阵,通过定量分析进行产品主动再制造设计模块划分。
首先,基于层次分析法[15]分析各准则相对重要度,分别赋予材料环境影响相似性准则、材料再制造工艺相容性准则、使用寿命准则、维护性准则、可拆卸性准则、经济性准则、功能物理独立性准则权值为0.12、0.16、0.2、0.15、0.22、0.05、0.10。建立产品各零部件的模糊相似矩阵R,R为n×n阶矩阵,其元素rij为零件i与零件j的相似性交互值:
其中,n为产品零件数,rij值越大表示交互性越强。rij具有以下两种性质:
(1)自反性:rii=1 i=0,1,…,m
(2)对称性:rij=rjii,j=0,1,…,m
为了使矩阵R满足传递性,需要将R改造为等价矩阵R*。通过求传递闭包t(R),可以赋予模糊相似矩阵传递性,将其改造为模糊等价矩阵,同时保留了自反性和对称性,二次方法[16]是一种较为常用的传递闭包求解方法。生成模糊等价矩阵后,设定阈值λ(λ∈[0,1]),然后根据λ-截矩阵将模糊等价矩阵转换成0~1阵,最终得到各零部件的动态聚类图。当λ=1时,各个零件自成一类;当λ=0.8时,即各零件之间有八分相似,则将其聚为一类;λ值越小,相似性要求越低。
模块划分完成后,为了判定不同λ值所得各模块的划分是否合理,设置SV值进行判定,SV为模块内零部件关联强度与模块间关联度之比,较高的SV值意味着较强的模块独立性。以模块m1为例,模块内零部件关联强度及模块间关联度值如图7所示。
模块内零部件关联强度采用模块内各零部件间最小相似性交互因子进行表征,如模块m1内零部件关联强度表示为α1max。
模块间关联度采用模块间的最小近邻数进行表征,定义模块间的最小近邻数如下:
设两模块为m1、m2,则m1、m2间的最小近邻数为n12,即m1、m2间各零部件相似性交互因子最大值。
设模块为m1,m2,…,mn,其SV值分别取SV1,SV2,…,SVn,均值为,均方差为MSV,则
不同λ值所划分模块中,取SV均值较大且均方差较小的λ值为最优,此时所划分的模块独立性较强且模块划分均衡。
5 实例验证
选定某款洗碗机产品为研究对象,进行方法的应用示范。洗碗机产品标准化程度不高,结构、材料改动空间大,通过合理的设计,能够在很大程度上提高其回收再制造性能。建立洗碗机三维模型,忽略紧固件和部分小型连接件,进行简化,如图8所示。
以内胆17和杯组件10为例进行分析,装配结构见图9,零部件信息表见表7。
计算其相似性交互值如下:
材料环境影响相似性Ime(i,j)=(3.4×1.67)/(4.1×3.58)=0.3717;
材料再制造工艺相容性Icr(i,j)=ωm1Im(i,j)+ωm2Ic(i,j)=0.075,材料的交互性因子取0.1,材料的再制造工艺相似性值取0.05,ωm1=ωm2=0.5;
使用寿命交互性Il(i,j)=14/25=0.56;
维护性Ia(i,j)=ωmcImc(i,j)+ωmsIms(i,j)=0.554,其中可维护随机相关性交互值取0.4,可维护经济相关性交互值取0.62,ωmc为0.3,ωms为0.7;
可拆卸性Id(i,j)=0.35,结合表5的连接方式和相应的拆解难度,获取两零部件间的拆卸难度值并进行归一化处理,确定拆卸关系交互值为0.35;
经济性Ie(i,j)=(6.3×1.67)/(4.5×3.85)=0.607;
功能物理独立性Ip(i,j)=ω1Ip1(i,j)+ω2Ip2(i,j)+ω3Ip3(i,j)+ω4Ip4(i,j)=0.64,其中ω1、ω2、ω3、ω4分别取0.2、0.1、0.05、0.65,其对应的交互值为0.05、0.02、0.005、0.87。
零件17和零件10的相似性交互值为
按照上述方法,可以得到洗碗机各零部件的模糊相似矩阵R:
求传递闭包t(R)=R6,取不同阈值λ(λ=0.55,0.6,0.65,0.7,0.75)进行模块划分,分别计算其模块化SV值、均值、均方差MSV,图10所示为不同阈值下模块化SV值、均值、均方差对比。
由图10可见,λ取0.60时,其均值最大,且均方差MSV=1.53486最小,可见此时模块划分较为合理,此时零部件划分为以下四个模块:M1={1,2,5,6,8,9,15,16,17};M2={3,4,7,18,19,20};M3={11,12,13,14};M4={10}。
模块M1、M2、M3、M4的划分符合产品生命周期各阶段主动再制造设计的要求,同时兼顾产品功能结构实现和物理(如现实中的拆卸条件)可行性。由于主动再制造设计模块划分要素涵盖了生命周期全过程特别是生命周期末端,模块划分以后可能局部会出现物理或功能冲突结构,对于此类情况,在下一步研究工作中,可以通过基于TRIZ的可拆卸连接结构设计[17]等冲突解决方法加以解决。
摘要：针对面向主动再制造的产品模块化问题,提出了模块化设计流程,结合产品生命周期各阶段特性,从材料的选择与配置、再制造加工性能、使用与维护性、经济性、功能物理可行性等方面制订产品主动再制造模块划分准则。结合模糊动态聚类分析方法,构建产品零部件相似性矩阵,进行产品零部件模块划分,并基于模块内/模块间关联度分析,选取最优阈值,实现模块优化。最后以某款洗碗机产品为例,验证了该方法的有效性。
关键词：再制造设计,模块化,划分准则,生命周期
模块化制造 篇2
企业信息化涵盖计划层、执行层、自动化层及控制层四个层次的内容，计划层是以ERP为主的企业管理系统，目前其发展已相对成熟。作为衔接上层ERP与底层控制的MES，由于其“上传下达”的集成作用，在企业车间底层与管理上层信息化架起一座桥梁。
易往公司一直致力于企业MES解决方案咨询与实施服务，经过多年的MES实施经验，研发了EW-MES平台，该平台可满足企业MES应用需要，并可根据客户个性化要求进行二次开发。
EW-MES平台包括执行层与自动化层两个层次应用
执行层包括生产管理、物料管理、质量管理、能源管理四大业务模块；
自动化层包括ANDON、AVI、PMC以及RC四大业务模块，涵盖了生产执行过程主要的核心业务，各模块间相互集成，即可单独应用，也可整体应用，满足当前汽车企业“统一规划、分步实施”的信息化规划原则，可分阶段，分模块进行MES实施推进。
EW-MES在企业信息化规划中位于中间的执行层，上接计划层规划管理信息，将之分解为可执行任务，将完成信息反馈计划层；下接控制层，监控底层自动化设备运行，传递运行指令要求，最终形成信息闭环。对外提供与ERP、DMS、SCM、BOM软件系统及PDA、RFID、PLC等硬件平台接口，实现数据的及时传递与信息集成。
EW-MES平台具有强大的集成功能，能够与企业ERP/PLM/CAPP等其他信息化系统进行集成，如SAP、UGS和PTC等，全力为企业打造从生产现场到企业上层管理的全方位信息化解决方案。同时，易往MES也能和国内其他品牌的ERP/PDM/CAPP系统实现集成应用。
EW-MES制造执行系统功能架构
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EW-MES制造执行系统产品特点&先进性
1）► IT技术与自动化技术融合
一体化MES解决方案，业界首创自动化与信息化的完美融合，向上承接ERP等管理系统，向下承接底层PLC控制系统，全面支持制造业生产过程管控。通过EAI及ESB接口方式与软件系统集成，利用OPC技术，集成自动化设备，采集动态数据，图形化展示设备状态信息，远程监控现场设备运行状态。
2）► 遵循先进的技术标准
/ 18 遵循SOA的思想，以服务为抽象的手段，将企业中各个系统应用程序的不同功能单元抽象为服务，通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。遵循ISA-95国际标准，以EW-MES平台为基础，开发了面向不同行业的应用插件，形成面向各行业应用的MES解决方案。3）► 提供MES自开发技术平台
技术无关性指 “屏蔽”了操作系统、软件基础架构等的技术细节，开发人员在利用业务基础平台开发管理软件应用系统时，关注的焦点在于企业业务逻辑、企业运营管理模式，而不用关心采用何种具体技术来实现。这种技术无关性，还实现了跨平台运行的独立性，即通过开发的组态软件能够顺利地在各种不同异构环境下运行，同时为二次开发提供了可行性和便利性。4）► 生产过程数据采集技术
采用强大数据采集引擎、整合数据采集渠道（RFID、条码设备、PLC、Sensor、IPC、PC等）覆盖整个工厂制造现场，保证海量现场数据的实时、准确、全面的采集。根据不同生产车间的生产过程信息采集对象、频次的不同要求，采用分层次/分车间的信息采集技术，较好地实现了车间生产信息的采集。对于采集对象固定、采集信息频次不高的生产信息，采用较粗放式的手工实时录入生产信息采集方法；对于采集对象多、采集信息频次高的生产信息，采用“条码+手持PDA”或“条码+PC+条码扫描枪”的信息采集方式；对于环境恶劣（如汽车厂的涂装车间）或数据自动化采集要求高的情况，可采用RFID方式，完全自动化采集，无须人工操作，效率极高。5）► 支持多工厂数据模型
工厂数据模型是整个MES应用系统的核心，也是工厂内部所有相关应用系统集成和数据交换的基础。从生产过程管理与控制的核心业务流程入手，分析流程和流程中相关的业务数据，准确描述工厂关键增值业务数据及关键辅助业务数据，并参照ISA-95标准，建立了适合离散制造企业生产过程特点的MES工厂数据模型，包括业务模型、功能模型和信息模型。支持多工厂组织架构，可以实现集团下多工厂间扩展应用，采用一套软件平台，一套基础数据，并实现多工厂间生产制造业务的协同，可减少企业的重复投资。6）► 完善的功能模块
EW-MES平台经过多年的实施经验积累，形成了功能完善的解决方案，涵盖了生产管理、质量管理、物料管理、设备管理、Andon管理、数据采集、自动化控制等模块，能够帮助制造企业提高生产管理水平，实现精益制造，提升产品质量，降低生产成本。
/ 18 EW-MES制造执行系统的应用
易往信息EW-MES制造执行系统，在汽车整车、汽车零部件、机械、食品、制药、能源等行业都有广泛地应用。
♦ 汽车整车、汽车零部件、机械行业，是典型的离散制造行业，既有按订单生产，也有按库存生产；既有批量生产，也有单件小批生产。而且制造过程复杂多样，影响因素纷繁复杂，生产状况变化多端，由此容易产生的结果就是：生产制造过程对于企业来说处于不透明状态，使得制造业企业的生产制造过程的可控性非常差。MES作为企业信息化中一个非常关键的基础信息系统，在企业的生产制造过程的控制和改进方面可以发挥非常重要的作用。通过MES系统，可以有效地将企业生产制造过程中的各种生产制造过程信息实时的管理起来，让这些信息在企业中处于透明状态，可以随时被访问，从而可以实时地了解企业真实的生产状态。同时通过对企业实时生产制造信息的分析，找出影响企业生产制造过程的各种因素，分阶段逐步改善这些因素，改进和优化企业的生产制造过程，从根本上解决离散型制造业的生产制造过程可控性问题。
例如，在汽车行业，要实现汽车的精益化生产，摆在车间层面的一个最核心的问题就是如何将生产过程中车辆的各种信息流加以综合利用，将这些信息通过信息系统的加工进行进一步的提炼，使其延伸到的工厂的自动设备、质量管理、交货期管理、供应链采购，成本控制，物流管理等各个外部环节。简单的说，就是将车辆在车间的生产形态无限制的放大和共享，为各个外部环节所用，通过这样的途径实现管理效率和资源配置的最优化。易往信息在总结多年汽车行业MES系统实施基础上，形成了一套完整的MES解决方案，EW-MES已在几十家知名汽车制造及零配件企业的数百个项目中得到了广泛的应用。北京奔驰、一汽奥迪、上海通用、大众、北汽、沃尔沃、上海汽车、东风股份、东风伟世通、东风贝洱、江铃汽车、五十铃、神龙汽车、长城汽车、华晨汽车、长安标致、奇瑞汽车、李尔、江森、金兴内饰都是易往的合作客户。
♦食品、制药、能源行业是典型的流程制造行业，主要采用按库存、批量、连续的生产方式。流程制造行业，在生产工艺过程中，会产生各种协产品、副产品、废品、回流物等，对物资的管理需要有严格的批号。例如，制药行业中的药品生产过程要求有十分严格的批号记录和跟踪，从原材料、供应商、中间品以及销售给用户的产品，都需要记录。批次管理和可追溯性是制药行业的管理重点。一旦发现批次质量问题，可以最快的速度从流通环节回收相关药品。易往的MES食品解决方案实现中央厨房、冷链物流、门店管理等功能，完全满足食品企业从生产生命周期和销售的全过程管理需求。
/ 18 EW-MES制造执行管理系统可以为用户提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业减低成本、按期交货、提高产品的质量和提高服务质量。使得企业内部各种信息处理流程标准化，提高企业按照合同期限完工的比例，增加企业中各种信息的透明度等。
二、EW-MES生产管理模块
在车辆订单主计划完成后，将排序订单由ERP下载到MES系统中，MES根据ERP计划序列排产上线，然后根据车辆跟踪模块获得的车辆状态信息实时返回EPP系统，供ERP系统在车辆状态控制和零部件反冲消耗，同时数据采集模块和信息广播模块完成车间生产控制过程，对PBS及WBS路由提供正确的指令，并监控生产现场各种设备运行状态采集设备运行参数，实现对生产过程的监控提升现场作业效率。
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三、EW-MES物料管理模块
主要实现生产线JIT/JIS物料拉动、仓库管理、物料拾取、道口收货、料箱料架及供应商管理、解决当ERP系统将物料采购至工厂内部仓库（协配库或当日库）后，如何将物料配送至生产线及如何向供应商发布JIS/JIT要货指令的问题，实现工厂内部物流的精细化管理，将收发物料传递给ERP系统，ERP实现物料结算及成本分析。
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四、质量管理模块
EW-MES涵盖了物料质量控制，成车检验、质量追溯及防错处理四方面质量管理业务，通过多生产过程质量信息采集，建立了质量管理机制，实现了整车质量追溯，满足国家对汽车整车召回的要求，建立企业的质量信息化管理平台。
EW-MES质量管理模块整合生产质量问题与其它阶段的质量问题的处理跟踪过程，质量跟踪结果都导入到统一的质量分析平台中做进一步数据挖掘。
五、生产信息可视化
/ 18 ANDON系统目的是提供生产信息的可视化显示，打破传统生产方式的“暗箱”操作，提示现场人员请求帮助信息和故障信息。并帮助相关人员做出响应，质量人员可以通过ANDON系统呼叫生产人员发现和修改质量问题，改进和避免以后发生同样问题。操作员通过现场的拉绳开关或按钮寻求帮助和激活ANDON系统的闪烁灯和音乐。在生产线离开本工位前如果问题还未解决，机运线将停止。ANDON系统将记录呼叫的次数和停机的时间。通过分析潜在的质量过程，设备和相关区域，有利于提高生产管理水平。车间生产一切活动都可以通过LED实时显示。
*生产运行信息:显示生产线的节拍信息和生产线的运行状态信息 *寻求帮助信息:显示各工段或设备的寻求帮助的工位号，如:缺料信息 *车间生产信息:日计划、日上线、日下线、月计划、月累计产量等信息 *设备信息:显示相关设备的故障报警状态、停线时间等信息
六、电子标签追踪
AVI系统功能：Automatic Vehicle Identification，系统通过条形码（焊装车间、涂装车间、总装车间）信息载体实现对车辆的跟踪及识别，并将这些生产现场所获信息及时反馈到相关系统。信息载体可以用条形码或RFID标签，在车身及总装车间一般使用条码进行生产跟踪，涂装车间、WBS及PBS区域工作环境恶劣，一般采用RFID进行自动采集。AVI系统根据这些信息完成对车体的跟踪，并将这些信息传送给输送链系统和相关过程设备，相关设备根据条码进行工艺选择、防错等功能，同时这些数据被归档在数据库中进行数据分析，生成各种生产报告。
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七、PMC生产设备工作情况
PMC系统将被用来实时地监视生产状态，测量和跟踪生产设备的工作情况，当生产设备出现生产问题时，PMC系统将向车间人员报警。该系统将监视生产的节拍时间、设备的正常运行时间、故障停机时间以及生产设备的故障。PMC系统通过TCP/IP或OPC以太网协议与现场设备（PLC、机器人、现场PC、其它控制系统）进行通讯。PMC系统还将生产信息和报警信息记录到PMC数据库，供今后生成报表使用。
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八、CCR系统电子调度和监控
通过CCR系统,建立一个全面的、集成的、先进的和稳定的统一电子调度和监控系统，实现对工厂生产进度的及时、全面监控，实现异常信息的及时发现并解决。
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汽车行业生产监控系统结构拓扑图
1.系统构成:液晶显示墙、单机多屏操控系统KVM控制管理系统三个子系统构成;2.液晶显示墙作为显示子系统，用来显示单机多屏操控终端的内容;3.单机多屏操控系统，由服务器、多任务任用终端构成;4.KVM控制管理系统:通过配置KVM转换器、KVM交换机、KVM控制终端；可以实现在KVM控制终端对所有连接到KVM交换机上的任意单机多用户操控终端远程进行本地化操作。
九、能源管理系统
EW-EMS能源管理系统
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企业对能源管理系统的迫切需求
1、政策驱动：能源与环境是当今社会发展的两大问题。能源的生产安全、运行管理乃至维护一直受到企业和国家有关部门的高度重视。
2、成本驱动：在资源日益匮乏的今天，能源的消耗成本已经越来越多地占有着企业的成本比例。目前，各大企业已大大加强了对企业能源的加工、贮存、供给过程中的损耗、设备管理、计量检定、能量平衡与调度的关注。因此，建立一套现代科学的动力能源管理控系统，已势在必行。企业能源管理系统的范围和内容 能源使用的管理： 企业用能状况和能源流程；
能源使用的安全性、可靠性和可用性； 能源使用的效率； 能源排放； 能源使用意识； „
能源成本的管理：
能源使用和主要耗能设备台账； 企业能源成本统计核算；
产品综合能耗和产值能耗指标计算分析； 能源成本分摊和账单管理;„
能源管理系统架构
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十、仓库管理系统
EW-WMS仓库管理系统
EW-WMS仓库管理系统的核心价值
1）► 决策支持
通过系统的订单采集、需求预测、库存补货、库存报表等功能，为企业决策提供有力的数据支撑，从而减少缺货、减少现有库存、运作成本和积压。2）► 执行
通过系统标准功能以及增强的订单合并、交叉转运，动态补货等功能，从而有效提高订单准确率、增强客户满意度、降低劳动力和设备成本、提升作业效率，打造企业的核心竞争力。
/ 18 3）► 协同
通过系统的多仓支持、DataExchange、企业Portal等套件，实现客户、供应商的更紧密的协作，完成供应链的闭环；在优化库位、增加销售、增强客户服务、采用卖主管理库存(VMI)、提高库存、订单和出货可见度等方面获得收益。
4）► 不断降低
a、通过作业路径，作业方法的指导和优化，降低物流作业成本可至40%。b、信息系统的有力支持降低对作业人员的经验要求，劳动力成本可节约至20%。5)► 持续提高
a、库存准确率高达95%以上。
b、充分利用仓库内的有效空间，空间利用率提高20%。
c、订单交付情况在线查询，改善企业形象和客户满意度，提高客户忠诚度。
业务流程规划
¤ 易往信息成立了行业顾问委员会和方案指导中心。针对行业动态和业界最佳行业实践，整理、创建行业案例库。
¤ 建立了专门的业务顾问团队，在项目实施前，对客户现运作的流程进行完整、细致、深入的调研；针对流程运作中的重点、难点，和各层级的系统相关人员进行深入讨论；最终提交可行的业务流程再造建议书。
信息系统实施
¤ 易往信息建立了一套标准的作业流程规范，在实施过程中，实施团队通过对仓库各类产品作业特点的认真分析，结合系统制定了统一的操作流程，并通过管理人员强有力的推进使流程得以贯彻实施 ¤ 实施过程中，注重知识的转移，培训和发展客户的专业化团队，并由此建立并维持紧密的客户关系。
建设目标
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系统架构
/ 18 十一、一体化移动平台解决方案
移动化敏捷业务的企业，将移动化作为IT平台的首选，并逐渐转化传统的商业模式，增强竞争力。
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十二、EW质量管理系统解决方案
系统目的
实现全面质量管理 形成质量管理的闭环
降低沟通成本，加快质量问题解决速度 提高客户满意度 提升品牌价值
系统体总框架
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模块化制造 篇3
关键词：机械制造工艺基础课 模块化教学 教学做合一
机械制造工艺基础是中等职业学校机械专业一门重要的专业课程，该课程知识面广，包括车、铣、刨、磨及数控等先进的机械制造工艺方法，教学目的是培养一线的技能型人才。这门课实践性较强，如果采用传统的教学模式，学生学习时的积极性不高。近几年，中等职业教育规模的不断扩大，中职学生的生源质量不断下滑，且新材料、新技术以及新工艺不断呈现，这些都将对传统的教学模式产生冲击。因此，针对中职机械制造工艺基础课的教学现状，笔者所在的机械教研组近年来致力研究机械制造工艺基础课程的改革，对其教学内容进行模块化整合，运用“教学做合一”模块化教学模式。这对解决该课程的教学问题，提高该课程的教学质量具有重要意义。
模块化教学是以现场教学为主，以技能培训为核心的一种教学模式，它与传统教学模式相比而言，强调知识的实践性，即学生的做。而“教学做合一”是陶行知生活教育理论的核心方法论和教学法，“教、学、做”三者以做为中心，做即实践，是学、教的基础，怎样做便怎样学，便怎样教。借鉴“教学做合一”理念指导模块化教学，理论和实践交替进行，有利于学生知识与技能的形成、发展和迁移。笔者根据所在学校近年来在机械制造工艺基础专业课程中实施“教学做合一”模块化教学改革的实践和探索，积累了以下经验和教训。
一、中职机械制造工艺基础课“教学做合一”模块化教学改革
1.实施机械制造工艺基础课模块化课程改革
机械制造工艺基础模块化课程改革坚持以就业为导向，以实用性为特征，教研组成员针对教学内容进行知识重组，使教材模块化。首先根据特点，将教学内容分为6个主模块：毛坯加工的基本工艺、机械加工、特种加工、机械加工工艺过程、机械装配、认识先进的制造技术，再细分成若干子模块。各子模块由若干个课题组成，课题以工作任务形式呈现，其中包括理论知识链接和实践模块。而在机械制造行业中不断呈现的新技术、新设备、新工艺、新材料等内容，作为知识拓展模块安排在每个课题的后面。其中理论教学完全服务于技能训练，实践模块中的工作任务与相应工种职业资格证书技能要求相互融通，且参照工厂一线较普遍的加工案例，以便使学生在实践过程中学习和掌握各种机械加工工艺。课程中的每个模块教学相对独立，可以根据不同的专业（工种）和不同的教学层次进行教学，例如“车削”模块中有基础模块和综合技能模块，从而适应了不同专业的教学。
2.机械制造工艺基础课“教学做合一”模块化教学的实施
为了更好地实施机械制造工艺基础“教学做合一”模块化教学，在机械专业实验班级中，根据教学内容特点，各模块的学习可以先实施理论后进行实践模块，或者先实践后理论。实验教师主要以现场教学为主，教学过程中以学生为主体，以教师为主导，教师主要起引导和调控的作用。在教学中综合运用多种教学方法，如项目教学法、任务驱动法、案例教学法等。这些教学法广泛运用“做中学、做中教”，强调了学生的主观能动性，有效地将理论知识的传授与实践训练有机地结合，实现学生动脑和动手的紧密结合，增强了课堂的趣味性和互动性。
3.构建有效的评价体制，促进学生的全面发展
依据江苏省职业教育课程改革行动计划，笔者学校在实施模块化教学中，首先要帮助学生树立正确的职业教育人才观和质量观，通过评价全面反映学生的学习经验，发现和激发学生多方面的潜能，帮助学生认识自我、建立自信。在日常教学中，要重视学习过程评价，强化综合实践能力考核。在机械制造工艺基础模块化课程的编写时，在每篇课题后面附注多元化评价表。另外，在学期结束后用多元化评价体系衡量学生的成绩，如笔试、现场操作、作品评价等。教师不仅要评价学生对知识的掌握，更要评出学生的自信，产生激励效应，使学生更加积极主动地参与到学习活动中来。
二、实施机械制造工艺基础课“教学做合一”模块化教学的相关因素
1.配套性的教学设备
“教学做合一”模块化教学模式的实施多以现场化教学为主，需要建立与专业和规模相适应的硬件设备和学习环境，因此学校设置了铸造、车工及电焊工及其他相应的理实一体化实训室，清楚划分理论教室和实训区域。理实一体化实训室还配备了多媒体教学设备，便于教师采用多媒体教学。如果一些实训设备配置比较困难，我们可以建立一些模拟的，例如铸造，用蜡油代替温度较高的熔融金属，这样既使安全型提高，也能满足学生的技能操作。
2.模块化课程体系下学生的学习活动及教师的活动
模块化教学多以分组学习为主，我们按照学生的特点进行异质分组，可以取长补短，保证学习的有效开展。学生的学习活动具体包括各小组实施工作任务的方案设计、任务分工、资源分配等。学生是教学活动组织管理的主体，在整个活动过程中，学生进行自我管理、相互交流、相互监督。教师承担教学活动的设计者和组织者，不断引导学生完成具体的工作和任务，协调各小组之间、各成员之间的合作，主导着课堂的整体计划及实施，发挥主导性作用。
3.“教学做合一”模块化教学的人才培养模式对专业教师提出更高要求
为了满足“教学做合一”模块化教学的实施，教师必须具备更完整的专业技术和教学能力，要具有丰富的实践经验，从而使知识与技能融会贯通。任教的专业理论课教师要不断进行专业实践的锻炼学习，带着教学中的一些课题，以自身的实践角度来提升教师对机械制造工艺专业理论的认识。教师要多参加具体岗位技能培训，以弥补其操作技能的不足。学校还可积极聘请机械制造行业企业的一线工程师来指导实践技能型课程的教学，从而进一步完善“双师结构”。
机械制造工艺基础课“教学做合一”模块化教学改革，充分以学生为主体，以教师为主导，以模块化课程中的任务为载体，以实践操作为手段。我们让学生在具体工作任务中 “做中学”“学中做”，既激发了学生学习的兴趣，又通过多元化的评价激发了学生的学习动力，有效地改善了机械制造工艺基础的教学现状，使得学生的知识与技能均得以提高。以上是笔者通过机械制造工艺基础教学实践改革中提出的一些不成熟的见解，希望能得到同仁们的指正。
参考文献：
[1]陶行知.陶行知文集[M].南京：江苏教育出版社，1997.
[2]刘育锋.面向世界的职业教育新探索[M].北京：北京理工大学出版社，2009.
模块化制造 篇4
20世纪80年代以来,一种更加顺应可持续发展要求的废旧产品处理方式——绿色再制造(Green Remanufacturing)引起了全社会的广泛重视。绿色再制造是以产品全寿命周期理论为指导,以废旧产品性能提升为目标,以优质、高效、节能、节材、环保为准则,以先进技术和产业化生产为手段,来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。再制造产品的优势十分明显,其性能可达到或超过原型机新品,而成本仅为新品的50%左右,节能60%,节材70%以上,经济效益和社会效益突出。
各大率先进行废旧产品回收和再制造加工的企业在实践中认识到,如果早在新产品的设计阶段就考虑产品使用寿命到期后的回收和再制造阶段的相关要求,融入新产品的可再制造性的设计理念,就可以显著地提高再制造的效益,更好地实现资源的可持续发展战略。
面向再制造的产品设计(Design for Remanufacturing),是指按照再制造的目的设计产品,在产品设计阶段对产品的再制造性进行充分考虑,并提出再制造性指标和要求,使得产品到达寿命末端时具有良好的再制造能力。
(一)LCA在面向再制造的产品设计中的使用
LCA,Life Cycle Assessment,简称生命周期评价。国际标准组织(ISO)给出的LCA是:汇总和评价一个产品或服务体系在整个寿命周期所有投入与产出对环境造成的和潜在的影响的方法。可见,生命周期评价主要用于评估产品在它的生产、使用到回收整个过程中,对环境造成的影响。包括所耗费的原材料、能源以及所产生的排放。
面向再制造的产品设计应该在新产品设计阶段就考虑产品服役周期结束后需要进行拆解和回收利用,运用LCA的方法对产品从原材料的选择、设计加工、销售运输、回收清洁、拆解检测、再制造加工、再制造成品组装等各个环节充分考虑对资源的消耗和对环境的影响,尽量提高产品的再制造性。
面向再制造的产品设计完成了由传统的“被动解决问题”向“主动预防问题产生”的方向的转变,是产品设计思想的一次创新和变革,大大节约了资源和能源,并将带来巨大的经济和社会效益。
(二)设计重点是提高产品的再制造性
面向再制造的产品设计的重点是提高产品的再制造性。再制造性(Remanufacturability)也称为可再制造性,是产品本身的一种属性,是决定废旧产品进行再制造的前提,是面向再制造的产品设计中的重要内容。其定义可描述为:再制造性是产品设计过程赋予产品的一种固有属性,是指由于各种原因产品退役后,综合考虑各种因素,该产品经过再制造加工后达到规定性能时,获取原产品价值的能力。
再制造性评价具有明显的阶段性,主要包括新产品设计开发阶段和废旧产品再制造前的决策阶段。其中,新产品设计开发阶段十分关键,产品在新产品设计阶段就已经将材料性能、各零部件的连接方式、产品结构等因素确定了下来。废旧产品的再制造性的影响因素,既包括该产品在新品设计阶段就确定下来的那些因素,又包括产品服役期满后的产品状况、当时的再制造技术的发展状况、环境和经济状况等因素。所以,产品的再制造性具有动态性、个体性、地域性和时间性等特点,即使同一产品在不同情况下的再制造性也是不同的。可见,在新产品设计阶段就考虑其后期回收和再制造的需要,尽量提高产品的再制造性是十分必要的。
二、实施绿色模块化设计是提高产品再制造性的有效途径
面向再制造的产品设计需要同时解决这样一些难题:使产品在设计之初就全面考虑该产品在其多生命周期内的环境属性及零部件的重复使用性,无论是所选用材料还是产品的结构,连接方法设计都能方便其日后的维修、升级,以及产品废弃后的拆解、回收和处理,同时保证与环境得有更好的协调性。显然,原有的传统设计方法不能满足这些要求。面向再制造的绿色模块化设计方法正是在这种情况下提出来的,绿色模块化设计是提高产品再制造性的有效途径。
(一)面向再制造的绿色模块化设计的含义
绿色设计(Green Design)是指在产品整个生命周期内优先考虑产品环境属性,如可拆卸性、可回收性、可维护性和可充分利用性等,并将其作为设计目标,在满足环境目标要求的同时,保证产品应有的基本性能、使用寿命和质量等。在产品的设计阶段就考虑其回收、拆解等需要,才能最终实现产品的回收和再制造效率。
模块是产品的子结构,它与产品的功能元素子集有一一对应的关系。产品的模块化设计,就是在产品设计时,根据原材料属性、产品的结构,以及日后的使用功能、升级、维修,废弃后的回收、拆卸等因素,将产品划分为不同的模块单位,把离散的零件聚合成模块。产品的模块化设计,既可以在产品生产时大批量生产模块化的半成品,降低生产成本,获得规模效应;又可以根据顾客的个性化需要,将不同功能的模块进行组合,提高了产品对市场差异化需求的响应能力。
绿色设计和模块化设计密切相关。绿色设计要求产品易维修与升级,不易轻易淘汰;绿色设计要求产品具有可拆解性和易回收性,经简单再制造加工后就能恢复或超过原品性能并能被再次利用。这些正需要模块化设计思想来实现。模块化设计方便失效模块的简易替换和产品的快速升级,延长产品的使用寿命,减少产品的丢弃和环境的破坏,与绿色设计的某些理念不谋而合。通过绿色模块的构建,产品比传统产品具有更好的多方面效益,产品的功能属性和环境属性能同时满足,效果十分显著。
面向再制造的绿色模块化设计方法是将绿色设计和模块化设计进行有机结合后,运用于产品的再制造性设计阶段中,使产品同时满足易于拆解和装配、易于修复和升级、环境友好性等再制造性的指标和要求。在模块化的设计时,考虑产品的再制造性,让产品在寿命末端回收之后,能容易地拆卸为不同的模块,且尽可能减小各模块内的可再制造性的差异,则可提高产废旧产品回收利用率。这种设计方法是一种顺应时代发展的崭新的设计方法,有助于实现制造业的可持续发展。
(二)面向再制造的绿色模块化设计的优点
1. 能有效提高产品的易拆解和装配性
再制造加工过程包括前期对回收产品的拆解环节,和后期将再制造后的零部件装配为再制造成品的环节。所以,面向再制造的产品设计一定要考虑零部件的易拆解和装配性,这既影响再制造过程的效率,又影响再制造产品的质量。
再制造的拆解不同于再循环,需要确保拆解过程中尽可能少地损坏零部件。因此,产品结构设计,连接件的数量和类型,以及拆解深度的选择成为面向再制造的产品设计的重点内容。不同的产品结构将导致不同的拆解方法和拆解难度。常见的拆解方法有两种:有损拆解和无损拆解。常见的有损拆解是机械裂解或粉碎。机械产品中常见的连接方式有四种:可拆解连接、活动连接、半永久性连接和永久性连接。前三种连接一般都可以拆解,第四种则只能采用有损拆解的方法。
产品结构设计时应改变传统的连接方式,零部件之间尽量不采用焊接或粘接的连接方式,代之以易于拆解的连接方式。扣压和螺钉的方式便于拆解,前者较后者又更容易拆解、更省时。连接件方面,卡式接头和插入式接头更容易拆解和装配,已经有越来越多的企业在产品设计时就采取了这些类型的连接方式。尤其是一些易损零件,由于更换次数较多,在设计其安装结构时就考虑其易拆性,较多采用插入式结构设计、标准化插口设计等。如计算机主板上的插槽与上面插装线路板的连接方式。
采用绿色模块化设计既能明显简化产品结构,又能大量减少连接件的数量和类型,大大提高产品的易拆解和装配性,并减少产品的破损率,提高产品的拆卸和装配效率。
2. 有助于提升产品的易分类性
同一部机器上往往有钢、铁、铝、铜、塑料、木材等不同的材料,它们的表面常常有油漆覆盖,不易区分,应加强标识,便于拆卸和分类存放。同一材质、不同形状和尺寸的零部件,由于加工方式或使用机床的不同,也要进行标识和分类,提高总的再制造效率。
采用绿色模块化设计有助于大量减少零部件的数量和种类,使拆解后的零部件更易于分类和识别,将使再制造生产加工时间大为缩短。
3. 能显著提升产品的易修复性和升级性
再制造工程包括再制造加工和过时产品的性能升级。前者主要针对报废的产品,把有剩余寿命的废旧零部件作为再制造毛坯,采用表面工程等先进技术使其性能恢复,甚至超过新品。后者对过时的产品通过技术改造改善产品的技术性能,使原产品能跟上时代的要求。所以,对原制造品进行修复和技术升级是再制造过程中的一个重要部分。
实施绿色模块化设计,可以采用易于替换的标准化零部件和可以改造的产品结构并预留模块接口,以备升级之需,在必要时即可通过模块替换或增加模块实现产品修复或升级,减少拆解中的破损,增强再制造加工和产品升级改造的效率。
三、面向再制造的绿色模块化设计的具体实现步骤
在进行产品的再制造性设计时要兼顾产品材料的合理性、易运输装卸性、易拆解和装配性、易于分类性、易清洗性、易修复和升级性。面向再制造的绿色模块化设计方法将绿色设计和模块化设计进行了有机结合,其具体实现步骤归纳如下:
1.进行用户需求分析
面向再制造的绿色模块化设计活动首先从分析用户对产品的需求开始。在调查、了解用户对产品的功能、使用寿命、价格、需求量、升级性能等具体要求后,考虑该产品采用绿色模块化设计的可行性。如果经过分析,在满足环境属性的前提下用户对该产品的要求均可满足,则该产品的绿色模块化设计的可行性获得通过,面向再制造的绿色模块化设计活动可以进入下一环节。
2.选取合理的产品参数定义范围
面向再制造的绿色模块化设计活动的第二步,是选取合理的产品参数定义范围。通常,产品参数分为三类,即动力参数、运动参数和尺寸参数。合理地选取产品的参数定义范围十分重要。如果参数定义范围过高,将造成能源和资源等的浪费,有悖于绿色模块化设计的思想;如果参数定义范围过低,又满足不了客户的要求。通常的做法是先定义主参数,然后在参数满足用户需求的基础上实现尽可能高的绿色化和模块化。
3.确定合理的产品系列型谱
面向再制造的绿色模块化设计活动的第三步,是系列型谱的制定,即合理确定绿色模块化设计的产品种类和规格型号。型谱过大过小都不好。如果型谱过大,则产品规格众多,市场适应能力强,环境属性好,模块通用程度高,但工作量也相应增大,人力资源能耗大,成本上升,总体来说效果并不好;反之,则又会走向另一个极端,效果也不好。因此,产品系列型谱的制定至关重要。
4.产品的模块划分与选择
面向再制造的绿色模块化设计活动的第四步,是产品模块的划分与选择,这是模块化方法最重要的内容。通常根据产品的功能,将其分为基本功能、次要功能、特殊功能和适应功能等,然后划分相应的模块。模块的划分使得产品的设计过程思路清晰,并有利于产品报废退役后的零部件回收、重新利用或升级换代。
5.绿色模块的组合
面向再制造的绿色模块化设计活动的第五步,是模块的组合。划分完模块后,将这些模块按照直接组合、集装式组合或改装后组合等方法组合成系统。组合时要考虑今后的易拆解性、不易损坏性及产品的节能省时等环境友好性特征。
6.对设计好的产品进行分析校验
面向再制造的绿色模块化设计活动的第六步,是用机械零件设计软件包、优化设计软件包、有限元软件包等现代设计工具对设计好的产品进行分析、计算和校验。如果分析校验不合要求,就要回到模块选择上进行修改、完善,重新整合模块,直至产品符合要求。
7.产品设计的绿色度与模块度指标评价
面向再制造的绿色模块化设计活动的最后步骤,是采用层次分析法(AHP)及模糊综合评价法等数学工具对产品再制造设计的绿色度和模块度指标进行计算及评价,再根据计算结果对产品的有关参数加以调整或进行重新设计。
参考文献
[1]朱胜,姚巨坤.再制造设计理论及应用[M].北京:机械工业出版社,2009.
[2]苏和平,等.绿色产品及绿色设计[J].哲里木畜牧学院学报,2000,(2):75.
模块化制造 篇5
随着中国经济的快速发展, 汽车消费市场不断提出个性化需求, 汽车制造企业间的竞争日益激烈, 汽车产品的宽系列、多样化、柔性化, 己成为汽车制造企业形成产品差异化竞争优势的法宝[1]。汽车市场多样化的需求, 必须以多样化的汽车产品开发为基础, 但国内传统的基于单一车型产品开发模式已经根深蒂固, 如何在相对薄弱的研发实力下通过较少研发投入, 满足市场的多样化需求, 一直是国内汽车企业努力探索的方向。本文通过介绍模块化可配置BOM先进管理理念, 以及模块化可配置BOM模型的构建过程, 提出一种从BOM结构入手以较少的研发投入, 满足汽车市场的多样化需求的方法。
1 相关概念
1) 平台:整车开发过程中, 实现汽车某些核心功能技术的模块组合, 如以动力、底盘来定义平台。
2) 模块:是指在研发过程、工艺设计、采购物流、生产装配等各个业务环节针对零件在整车上所实现功能而划分的公共最小单元。
3) 模块化可配置BOM:指在模块的基础上, 采用可配置化的BOM方式进行BOM的结构创建。
4) 配置:指为满足客户需求, 而进行产品开发的功能。
5) 精确BOM:指满足客户需求的具体整车的物料清单。
2 模块化可配置BOM理念
2.1“四化”理念
1) 整车平台化:整车以平台进行产品开发及BOM结构搭建;
2) 零件模块化:零件以模块进行开发及管理;
3) 生产通用化:在生产上能够保证零件的通用化, 提高装配质量, 降低零件的采购种类及库存种类;
4) 配置多样化:满足配置的多样化, 从而满足更多的客户需求, 提高产品的市场占有率。
“四化”理念的核心思想是:以最少的零件, 满足更多的客户需求。
2.2 零件模块化管理
模块是依据零件在整车上的位置及所实现的功能, 同时考虑研、供、产、销各个环节的业务需求进行划分的。
对于整车开发管理, 每个车型平台的模块可以是固定的, 也可以根据车型开发特殊性进行增加, 但考虑到可配置BOM的复杂性, 建议将车型平台内的模块以固定的数量及范围进行设置。
由于模块在车型平台上的数量及范围是固定的, 造成每个模块内均有多个零件, 如方向盘模块将包括不同颜色、材质 (真皮或聚氨酯) 、功能 (有音量调节按钮或无音量调节按钮) 的零件, 所以模块化管理的内容包括:
1) 模块内零件 (包括零件的数模) 的标准化和通用化, 如:零件在不同车型上边界条件的标准化、通用化;
2) 模块内每个零件适用配置情况的管理, 即:可配置BOM中零件的约束条件管理;
3) 在新车型设计开发时, 优先采用模块内已有零件;
4) 将已成熟的新技术应用到模块内或者模块间。
通过上述模块化管理内容可发现, 零件模块化管理是以模块化研发为基础的, 零件模块化管理主要有以下三个优点:
1) 在设计阶段即对零件进行通用化设计, 避免了再次开发新零件的研发费用, 以及新零件库存所造成的资金占用和库存资源的占用;
2) 降低零件种类, 提高零件重用度, 为工艺、生产、采购等后续业务环节降低了工作复杂度, 同时为企业的多工厂生产奠定良好的基础;
3) 将零件管理与BOM管理合二为一, 更利于对信息的集中管理, 避免了信息的多次传递, 造成的工作效率降低、信息准确性差等问题。
2.3 配置体系管理
配置体系管理是指整车生产企业为满足不同业务部门对于相同整车配置需求而建立的一套管理体系。
配置体系管理主要包括以下四个方面:
1) 销售配置管理:面向客户的功能配置描述, 能够最大程度的调动客户兴趣, 从而激发客户强烈的购买欲;
2) 研发配置管理:面向产品设计的配置描述, 从产品设计技术的角度对销售配置进行分解, 并对实现整车功能的技术进行完善, 从而形成实现对整车功能技术的全面描述;
3) 生产配置管理:面向生产装配操作的配置描述, 主要是指在生产装配过程中容易区分的一些配置描述, 如实现不同功能零件的颜色、尺寸大小等有明显区别的、需在装配过程中给予明确指示的信息;
4) 配置关系管理:主要是指对于以上各个配置间的映射关系进行管理, 从而能够实现不同业务部门对整车配置的需求。
通过配置体系管理, 可以将客户对整车产品的功能需求转化为整车实现的产品技术化语言, 从而能够让产品设计更好的满足市场需求, 这样才能提高企业产品在市场上的占有率。
3 模块化可配置BOM的架构
3.1 平台及模块模型
模块化可配置BOM建立的基础是车型平台和模块, 但是如何划分车型平台和模块是很多企业在推行过程中的“绊脚石”之一, 本文仅介绍平台和模块建立的基本原则:
1) 平台划分:依据产品设计、工艺设计、生产基地选择等进行初期定义。但平台数量越少, 则后期零件的重用度越高, 工艺设计、生产装配的标准化程度越高, 更有利于平台间共用零件的B O M数据维护、提高生产过程的装配标准化程度, 降低售后维修备件的存储及供应复杂性, 所以应尽量减少平台数量;
2) 模块划分:依据零件在整车上实现的功能及所处的位置进行划分, 模块是实现类似或相同功能且所处位置相同的零件的集合, 是一个虚拟的结构编码, 并不代表某个具体零件, 模块下包含具体的零件;
3) 每个平台内的模块数量及范围划分尽量保持一致, 这样可以促进模块在平台间的使用, 从而提高零件的重用度;
4) 零件归属:平台内的所有零件依据其功能和所处位置属于某个模块, 标准件属于其装配零件所属模块。
3.2 配置管理模型
配置管理分为销售配置、研发配置和生产配置:
1) 销售配置是基于单一车型, 面向客户的推荐性配置;
2) 研发配置是基于平台进配置定义的, 是面向本平台所有车型配置的集合;
3) 生产配置是为满足生产装配的指示需要而建立的。
配置管理需遵循以下三个原则:
1) 研发配置是基于平台建立的最完整的针对整车功能的描述;
2) 研发配置分为特征和特征值, 特征是对整车某一功能的描述, 如:发动机, 特征值是对此功能描述指定的可选项, 如:1.6L发动机, 每个特征下可包含多个特征值;
3) 销售配置、生产配置可根据需要进行配置项的更改, 但必须与研发配置建立对应关系 (包括一对一、一对多、多对一) 。
3.3 模块化BOM模型
模块化BOM是在完成平台划分、模块划分、配置体系建立的基础上构建的, 其构建过程需遵循以下原则:
1) 模块内BOM信息必须体现的属性包括数量和零件的使用情况 (即:零件所能实现的功能或配置) ;
2) 对于同一零件, 由于实现两种不同的功能所使用的数量不同时, 必须体现两条数据, 并用“使用情况”进行区分, 如:Q1841620六角头螺栓在安装自动变速器时用量为6个, 但在安装手动变速器时用量为5个;
3) 对于可选零件 (在整车中非必选零件) 可划为其在整车中所处位置的模块, 如:防撞雷达探头可根据其在整车所处位置划为后保险杠模块;
4) 如果某一零件可实现多个功能, 可采用符号“|”“&”“!”表示或、且、非的逻辑关系, 如驾驶员座椅为真皮座椅且可电动调节, 则使用情况可表达为:真皮座椅&电动调节。
4 模块化可配置BOM优点
1) 能够提高企业内部产品设计的标准化、系列化程度;
2) 能够提高企业正向设计开发能力;
3) 有效降低企业内零件的数量, 为工艺、生产、采购等后续业务环节减少重复设计的工作量;
4) 将零件管理与BOM管理合二为一, 提高BOM信息准确性;
5) 能够满足研、供、产、销等各业务环节对于数据不同方面的需求;
6) 为满足客户多样化需求奠定了良好的数据基础。
5 结束语
文中提出了模块化可配置BOM的先进管理理念, 并构建了模块化可配置BOM的模型, 能够较好的满足研、供、产、销等各业务环节对于BOM数据的需求, 这在汽车企业大力倡导自主研发的今天, 有着很广泛的应用前景。然而, 此方法仅适用于数据层面的汽车产品定义, 如何对数模等三维模型进行可配置化定义, 将是作者未来研究的方向。
参考文献
[1]李俊兵.基于顾客化大量生产的汽车产品BOM模型[D].华中科技大学.2003.
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模块化制造 篇6
产品制造是产品整个生命周期过程中从需求分析、功能设置、物料选择、产品设计、生产和管理、销售和服务、直到产品最终消亡的全过程[1]。神光Ⅲ激光装置装校系统的制造包括产品全生命周期中从系统总体功能分析到生产、加工、安装、使用、维护的全过程。装校系统的目标功能是实现激光装置中由光学元件和机械元件构成的在线可替换单元 (linear replace unit, LRU) 在满足洁净要求的前提下实现其位置变化及在激光装置中的安装、拆卸、替换等。由于LRU种类多, 大小和重量各不相同, 而装校系统需要完成多个LRU的“一对多”的装校方式, 会采用较多的大口径光学元件, 因而装校系统必须同时满足局部高洁净度、高定位精度、大尺寸、长行程、高效率等要求, 属于复杂机电系统。
在分析系统特征和功能的基础上, 本文提出采用模块化集成制造模式实现装校系统的集成制造, 阐述了模块化集成制造框架、系统集成制造的模块化分解、系统模块化集成、并行协同制造等关键技术, 解决了系统实现过程中的洁净、精度、效率等方面的问题。
1 功能定义和细化
产品功能是产品用途和各种特性的综合, 由技术系统体现。通常情况下, 产品功能没有详细的说明, 工程师需要根据顾客需求, 将问题用工程语言和符号清晰、规范地表达出来, 以描述产品功能[2]。
技术系统整体功能对应系统的总功能, 常用“黑箱法”来进行整体功能建模[3,4]。把技术系统看作黑箱, 其内部构造形式未知, 黑箱接收输入, 改变或者修改输入, 观测黑箱产生的输出, 分析比较其能量、物料、信息的输入/输出转换关系, 求得总功能。装校系统总体功能是实现洁净环境中形成的LRU, 保持局部洁净通过非洁净区域安装到洁净的激光装置中去, 其过程如图1所示。
复杂系统难以直接求得满足总功能的原理方案, 基本方法是利用系统分解性原理, 把综合功能分解成若干子功能, 建立功能系统, 通过子功能工作完成综合功能的任务。功能系统可分解为具有树状功能结构的功能树, 功能树起于总功能, 按分功能、二级分功能进行分解, 其末端为功能元。常用于创建功能树的方法有两种:采用自顶向下系统化的功能分析系统技术法[5] (function analysis system technique, FAST) 和采用自底向上的减件-运行法[6]。虽然是两种截然相反的设计方法, 但对于已有的产品设计都非常有效[3]。在设计早期, 一般采用FAST获得产品功能树, 并采用减件-运行法进行检查。
FAST以逻辑顺序来展示功能, 并对其主次关系进行排序, 检验功能之间的相互依赖关系, 且根据功能重要性不同, 设置各级功能, 进行功能分解、细化, 获得装校系统所需要具备的装校、洁净闭环、运输、定位、对接等次级功能。建立的装校系统功能树如图2所示。
2 模块化集成制造框架
模块化集成制造是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上, 划分并设计出一系列功能模块, 通过模块的选择和组合来构成不同产品, 以满足市场不同需求的一种制造方法。模块化集成制造中模块所处的层次水平决定产品制造过程的优化程度, 采用功能元层次模块可缩短功能元求解过程, 如果采用更高层次模块, 则可进一步分解细化功能, 从而更大程度地优化制造过程。模块化集成制造在功能设置分解以及概念设计阶段就进行模块规划和选用, 模块化思想贯穿产品市场分析、设计、加工、装配、产品使用、维修和报废的整个过程。模块化集成制造体系框架如图3所示。
模块是模块化产品的基本组成元素, 是实体概念, 同时具有相同功能和相同结合要素, 与功能体系中的功能分支或节点相对应, 具有某种确定功能和接口结构的、典型的通用独立单元。不同模块的研发和改进相对独立, 其信息处理过程被包含在模块内部, 通过标准界面与其他模块相互连接[7]。模块由一些零件 (元器件) 组成, 一个部件结构成为模块的条件是:部件的功能、空间以及其他接口特征在模块化产品特定标准接口允许的范围内[8]。对产品系统进行分析研究时, 要把其中含有相同或相似功能的单元分离出来, 用标准化原理进行统一、归并和简化, 使其以通用单元的形式独立存在, 亦即通过分解而得到模块, 然后通过不同的模块集成来构成多种产品[9]。
3 关键技术
3.1模块化分解
机械产品是相对完整的系统, 可以从多个角度进行分解。常常采用的分解方式是按照产品结构和组成将其分为若干部件 (机构) 和零件, 这种分解方式会导致系统比较松散, 带来集成的复杂性。采用系统功能分析的方法, 将机械产品总功能分解为比较简单的分功能, 使每个分功能的输入量和输出量关系更为明确, 从而求得各分功能的工作原理解[6], 这在一定程度上有利于功能集成。但对于复杂系统, 这种从系统功能分析入手, 通过功能分析、功能求解、功能元组合达到系统功能要求, 并且整体性能最优的方式, 在实现过程中存在运算量大、集成困难的问题。模块化集成制造方式, 可以降低系统分解和集成过程中的运算量与集成的复杂程度。系统功能模块化分解流程如图4所示。
有效的模块化分解过程必须遵循公理化设计, 也就是模块化分解过程必须满足独立公理和信息公理。Suh[10]针对产品功能特点提出功能独立设计公理, 指出“一个最优设计必须保持功能需求的独立性”。也就是说, 必须在产品的一个功能与产品的其他功能互不相关的前提下进行模块化分解, 否则需要将耦合的功能进一步分解以满足独立公理。
以功能相关分析为主进行模块划分的方法, 是将产品的总功能分解为一系列子功能, 并按照一定的相关性影响因素进行聚类分析。文献[11]从子功能之间的功能相关、装配相关、信息相关、空间相关的角度对功能进行分类划分。文献[12]提出一种功能模型定量化建模方法, 将模型中各个子功能与产品中传递的能量流、物流和信号流相关联, 并以客户需求程度为衡量尺度, 建立需求、功能数据库, 并将功能与需求的关系定量化, 由此作为模块划分与模块发展的主要依据[13]。根据以上方法, 结合装校系统的实际工程情况, 我们将装校系统模块化分解为升降机构系统模块、密封框架模块、密封机构系统模块、转向系统模块、行走系统模块、提升机构模块、水平调整机构模块、平面调整机构模块等, 如图5所示 (A-B部分) 。
模块化集成制造模块数据仓库包括模块数据库、模块性能参数仓库、模块功能库, 是模块化分解的依据。模块系统中的模块主要来自三个方面, 即成型模块、改型模块和新模块。成型模块就是市场上能够直接供应的模块, 该种方式的模块化集成制造, 在功能分解时应使功能元与市场供应相结合, 尽量选用市场上能够直接提供的功能产品。可以在需求分析、功能分析、功能分解阶段就提供明确的解决方法, 以明确产品制造过程, 缩短产品制造流程, 减少产品制造过程中的不确定因素。在市场供应的各种零部件或者成套供应系统的基础上, 抽象功能原理, 进行模块组合或者改型, 得到改型模块。可以采用基于案例的推理 (case-based reasoning, CBR) 方式[14]、基于原型的推理 (prototype-based reasoning, PBR) 方式[15], 也可以采用基于规则的推理 (rule-based reasoning, RBR) 方式[16]获得改型模块。某些功能由于环境或者空间等限制, 可能没有现成的模块可以采用, 需要建立满足功能要求的新模块。TRIZ方法对于改型模块、新模块创建和定义有一定的指导作用。
3.2模块化集成
模块组合和集成需要考虑各模块在结构上的关联和在控制信息上的关联, 是一个需要充分考虑如何确定合理的整体布局形式、恰当的传动和支承结构、适宜的检测控制硬件与信息处理方法等问题的过程[13]。模块化集成实际上是分系统与分系统之间的关系, 也就是接口集成。接口集成包括结构上的关联和特性参数的一致性:结构上, 相互连接的界面包括接触面的形状、大小、方向、位置以及相关的连接尺寸, 界面的表面特性也是很重要的部分;不同的分系统之间存在相互之间的参数匹配和协调问题。根据模块化分解得到的功能模块集成得到部件, 形成功能完备的装校系统, 其集成结构如图5所示 (B-C部分) 。
实际生产过程中的模块化集成是模块的总装配。装配是费用高的生产环节, 复杂产品的装配费用占生产成本的30%～50%, 甚至更高, 是制约生产自动化的主要因素[17]。因此, 最大限度地简化装配成为复杂产品降低产品成本的有效手段。采用模块化集成方式, 装配对象是功能独立的模块, 而不是零部件, 因此可大大简化装配的复杂程度、降低装配过程中的不确定因素。另一方面, 集成制造模式中的模块可以由不同地域、厂家独立完成, 在真实装配集成之前难以进行预装、试装等操作, 可以采用虚拟装配的方式实现集成过程的模拟, 尽早发现集成阶段可能出现的问题。传统的零部件组装也可以采用虚拟装配实现模拟, 但实现的难度和工作量与模块化集成虚拟装配是完全不可比的。由于模块化集成的对象相对独立, 且功能明确, 因此, 模块化集成虚拟装配相对于零部件虚拟装配来说易于实现, 其层次结构如图6所示。
3.3并行协同过程
模块化集成制造模式能最大限度地实现“集成地、并行地设计产品及其相关过程 (包括制造过程和支持过程) ”。产品开发人员从一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素, 包括质量、成本、进度计划和用户要求。模块化集成制造不仅能并行实现模块之间的概念产生、设计、测试、生产、装配, 而且能并行进行模块的概念设计、技术设计、工程设计、原型及测试、加工和装配, 从而缩短制造时间, 优化并缩短制造流程, 减少制造过程中的不确定因素。装校系统模块化集成制造模式并行协同过程如图7所示。
4 讨论
4.1系统功能分解粒度
在基于功能设计的方法中, 产品功能分析分解是设计活动中的一个关键步骤。工程设计的通用设计过程模型多数采用自顶向下的分解方法, 先获得系统总功能, 然后进行分解获得子功能, 进一步分解得到功能元。从功能分解与重组角度进行产品方案构思的自顶向下的制造过程的关键是功能分解的终点, 即功能分解的粒度确定问题:功能分解粒度过细, 会导致由功能到结构映射计算量非常庞大以及创新程度不够;粒度过粗, 可能失去很多具有创造性的解, 有时甚至出现无解的情况。Sturges等[18]认为, 当分解到“已有部件、过程、子系统的功能抽象”的“支持功能” (supported function) 时, 分解应该停止。谢进等[19]认为最佳的功能粒度应该是能够实现功能到结构形式的对应。
模块化集成制造将构成产品的功能元或者子功能作为通用的基本组成单元, 称之为模块, 产品制造过程就变成模块组合和开发新模块的过程。将功能元集对应的基本行为划分为若干个基本行为子集, 考虑基本机构的“结构—功能”的特性, 将基本机构的行为集与基本行为子集进行动态最优匹配, 进而设置模块或者选用模块, 这样采用较少模块就可以满足需要的设计功能要求。模块化集成制造在功能分解时根据功能和结构的实际情况采用模块化的分解方式, 功能细化到功能模块则功能分解停止, 模块系统为产品模块化分解提供数据支撑。
4.2对洁净度、精度和效率的影响
装校系统需要在低洁净度环境下 (ISO8) 实现局部高洁净 (ISO5) 操作, 由此对装校系统的某些组成部分有较高要求, 模块化集成制造方式可实现不同使用环境下的模块在相应的洁净环境中集成, 只有局部高洁净要求的模块及包含的系统需要在高洁净环境中集成, 从而避免了一体化的制造方式的整个装校系统在最高洁净度环境中进行全部零部件总装需要的大面积洁净场所和长时间的装配约束, 在满足洁净要求的同时, 减少保持洁净环境所消耗的能源。
模块化集成制造是子系统层次的标准化, 系统精度经过分解后由相应模块子系统来实现, 系统集成主要是界面耦合。子系统级的模块由专业厂家进行设计、加工、装配、调试, 实现系统所要求的精度, 系统集成不影响各子系统的运行精度、定位精度和控制精度, 有助于保证产品质量和可靠性, 同时避免总装时的大量调试所需要的人力、物力和时间消耗, 而且具有良好的可维修性。
采用虚拟装配的方式, 有助于极早发现系统集成中可能出现的问题, 从而提高效率和节约成本。一体化制造方式由于零部件多、形状各异 (图6a) , 总装虚拟装配存在装配路径规划运算量大、虚拟装配工作量大等问题, 需要专门软件提供技术支撑, 而且受制于虚拟装配整体技术发展的制约;而模块化集成方式所需的模块子系统数量较少、形状相对规范, 装配路径的空间迂回余地较大、方向明确, 装配规划、装配过程运算量和工作量都大大减少, 易于在通用的三维CAD软件上实现, 效率大大提高。
5 结束语
本文提出了模块化集成制造体系框架, 分析了模块化集成制造的模块化分解、模块化集成、并行协同制造等关键技术及其实现过程中的重要方法。采用模块化集成方式, 实现装校系统模块化分解, 获得功能独立的机构子系统模块, 经过设计、生产、测试、子系统虚拟装配及模块集成, 实现系统制造。研制的装校系统, 经过假负载、真负载两轮实际使用过程的检验, 表明其能实现LRU装校需要的功能, 满足洁净度、精度、效率等方面的要求。模块化集成制造在提高效率、缩短周期、降低成本、提高产品质量和可靠性、降低制造过程中的风险和不确定性等方面具有明显优势, 但需要人员、技术、资金以及相关信息的支撑。在模块数据较少的早期优势并不明显。
摘要：为高速度、高质量地实现神光Ⅲ激光装置的装校, 在分析系统特征和功能的基础上, 提出采用模块化集成制造模式进行装校系统的集成制造。阐述了模块化集成制造的模块化分解、系统模块化集成和并行协同制造等关键技术。装校系统模块化集成制造解决了系统实现过程中的洁净、精度和效率等方面的问题。
模块化制造 篇7
关键词：模块化,机械制造基础,教学新设计
《机械制造基础》是高职高专机械类专业的一门重要技术基础课程, 其内容具有很强的实用性。主要包括常见工程材料的性能, 各种机械加工方法以及质量控制与分析等内容。随着新材料、新技术、新工艺的不断涌现, 课程内容不断扩展。越来越丰富的教学内容和有限学时之间的矛盾冲击着传统的教学方法, 如何更合理地优化教学内容, 提高学生对专业知识融会贯通的能力, 高效、优质地完成教学内容, 是新形势下专业课程教师必须考虑的问题。
以《机械制造基础》课程的教学大纲为依据, 以模块化教学形式设计教学内容, 重新编排教材章节, 既强调基础理论对具体加工方法的指导作用, 又重视知识面的拓展和新理论、新方法的学习, 对解决该课程的教学矛盾、提高教学质量具有重要意义。
《机械制造基础》课程的教学现状
随着科学技术的飞速发展, 机械制造已经发展成为集材料、机械、自动控制和计算机等科学为一体的专业学科体系。为了培养和造就适应现代工业发展的优秀机电产品类设计、制造、管理和营销人才, 各高校都适时地调整课程设置, 将科技发展带来的新理论、新技术、新方法编入教学大纲之中。对于传统的《机械制造基础》课程来说, 现代制造方法不断涌现, 课程内容越来越多, 但课时却非常有限。突出的问题主要表现在几个方面: (1) 教材中教学内容的编排按部就班, 基础理论与实践应用教学内容脱节; (2) 学生对所讲授知识的用途不够明确, 缺乏学习主动性, 存在教与学脱节现象。
但学生正处于充满好奇心和创造力的年龄, 对未知事物具有很强的求知欲, 对自己感兴趣的事物喜欢刨根问底, 追究其根源。这些正是改进教学方法、解决教学中存在问题的基础。
针对《机械制造基础》课程的教学现状, 不能再按照传统的教学方式进行教学, 应根据教学大纲的要求和学生的特点, 把课程内容重新整理, 设定不同的教学模块, 循序渐进地引导学生掌握每一模块中的基本理论和应用技术。通过设定问题、引导讨论、给出解决方法, 培养学生应用专业知识解决复杂问题的能力。
模块化教学的实施策略
(一) 模块化教学的内容
模块化教学是一种较新的教学理念, 一些高校将其应用于专业课程教学模式改革的探索之中, 取得了明显的成效。尤其是在高职教育中, 这种教育模式得到了普遍认可, 也是我国职业教育的成功经验。在《机械制造基础》课程教学中应用模块化教学的理念, 重点内容有以下几个方面。
进行知识重组, 使授课内容模块化《机械制造基础》课程所要达到的教学目的很明确:使学生获得机械制造生产过程的基本知识, 具备运用机械加工方法提供合格机器零件的能力, 培养和锻炼其理论联系实际的作风。学生学习该课程之前, 已经开设了工程材料和热处理等相关课程, 那么, 本课程的理论教学应以通俗、概括、够用为原则, 在讲清基本概念的基础上, 注重培养学生运用所学方法解决实际问题的能力。因此, 对于教材中章节的顺序应当作相应的调整, 重组知识结构, 建立模块化教学体系。
考核方式模块化《机械制造基础》课程的特点是实践性强, 如果单纯地考核课本知识, 会把学生的学习局限于书本知识的范畴之中, 使其重记忆、重复述, 不利于培养学生思考问题、探究问题、解决问题的能力, 久而久之, 创新的意识淡薄了, 进取的锐气磨灭了。采用模块化的考核方式, 以课堂所授基本理论和方法为导向, 督促学生探讨“为什么这样做”、“我会怎么做”、“怎样做最好”, 可使学习行为由被动到主动, 由死记硬背到灵活运用, 促使学生学会利用图书馆、阅览室以及网络等查阅资料, 进入实验室、实习车间动手实践。
(二) 模块化教学的实施
在对我校机械制造与自动化专业教学班的教学中, 选用的《机械制造基础》教材分为机械制造实践基础 (上篇) 和机械制造理论基础 (下篇) 两大部分, 上篇偏重于设备认知、操作方法以及工装夹具、刀具的选用等, 下篇偏重于材料特性、成形原理及制造工艺分析等。如果按照教材章节授课, 知识点非常分散, 难以突出重点, 且每一种加工工艺的提出显得也很突兀, 学生接受起来比较困难。
按照模块化教学内容的要求, 首先对教材内容进行了重组。指导思想是将基础理论和相应的制造方法进行融合, 形成一个教学模块, 贯彻基础理论为实践 (机器制造过程) 服务、学习内容够用即可的原则, 在有限的学时内优质、高效地完成教学内容。重组后的教学内容分为五个大的模块, 每一模块又细分为若干子模块。各模块的主要内容和结构组成如下:
铸锻焊模块主要包括金属变形理论、铸锻焊毛坯制造方法和缺陷分析。按照循序渐进的方法对各部分进行教学, 如铸造子模块的教学顺序为合金的充型能力和收缩性、砂型铸造和特种铸造方法、铸铁的熔炼、浇注和铸造缺陷、铸件结构工艺性分析和选材;锻压子模块的教学顺序为金属的塑性变形和锻造性能、冷变形和热变形、自由锻和模锻、合金的锻造性能和特点;焊接子模块的教学顺序为手工电弧焊和焊条、焊件结构工艺性、焊接变形和应力分析、金属材料的焊接性能、其他焊接方法。
机械加工技术模块主要包括车、铣、刨、磨、钻、镗等传统的机械加工方法和金属切削加工工艺基础子模块。各种具体的金属切削方法都包括了机床、刀具、附件、夹具、工件装卡和切削特点, 在此基础上, 可以引导和启发学生总结出金属切削加工过程的特点, 根据实习期间观察到的现象, 提出问题, 激发学生解决问题的好奇心和兴趣, 促使其渴望学习金属切削加工工艺基础知识, 使理论子模块的学习变成了学生的自觉行为。
机械制造工艺方案模块包括典型表面加工方法和制造工艺过程分析子模块。以轴、曲柄、箱体等典型零件的制造工艺过程为例, 将本来孤立的、零散的、缺乏相互联系的选材、毛坯制造、机械加工方法联系起来, 使所学知识成为一个较为完整的理论和实践应用体系。
经济性分析模块包括机械加工经济性分析和质量管理、环境保护子模块。通过分析技术与经济之间的互相制约、互相促进关系, 向学生灌输技术经济的观点。以常见零件的加工为例, 提出各种可行的工艺方法, 引导学生评价其经济效果和对环境的影响, 通过比较寻找技术先进、经济合理的最佳解决途径, 使学生逐步树立经济性是技术发展动力的概念, 学会用全面的观点看待问题。
新技术、新工艺模块分为工程材料、特种加工、精加工、经济型数控加工、机械制造自动化子模块。与教学内容模块化相适应, 考核同样采用模块化方式。第一, 各模块内容的分别考核。一个模块内教学计划完成后, 适时进行考核。一般采用随堂考试的方式测试学生对教学内容的掌握程度, 再给出2~3个生产实际问题, 由学生课后查资料, 提出自己的思路和解决问题的途径。测评结果及时反馈给学生, 以鼓励和督促其认真学习下一个模块的知识。第二, 模块知识综合应用能力的考核。在完成了两个或两个以上模块的教学计划或所有的教学计划全部完成后, 及时进行综合测试。测试内容侧重于知识的连贯性和结合点的掌握程度, 同样采用随堂考试和课后查资料的方式进行。
通过模块化考核, 便于及时发现学生在各阶段以及知识联系环节上的共性问题。例如, 在铸锻焊毛坯制造模块的测试中, 一部分学生认为铸造轮辐数为偶数较好。显然, 这种错误出现的原因是混淆了铸造和焊接两种工艺产生应力的原因和避免缺陷的方式。偶数个轮辐时, 两个轮辐对称分布, 处于同一水平线上, 铸件收缩时无法变形而容易在内应力的作用下产生裂纹;奇数个轮辐时, 两个轮辐不在同一水平线上, 铸件收缩产生的内应力可以通过轮辐的微小变形得到缓解。而焊接时, 焊缝布置应尽可能对称, 以减小焊件弯曲变形或互相抵消。在给学生纠正错误认识之前, 特意布置他们观察一下汽车、摩托车轮子轮辐的数量, 然后才给他们解释选用奇数轮辐的原因。问题的及时解决, 特别有利于后续模块中知识的学习和理解。
在《机械制造基础》课程中实施模块化教学的实践表明, 学生学习的积极性和主动性明显提高, 思考问题和探索解决途径的习惯逐渐养成。同时, 与教学内容模块化相配套的考核方式模块化, 显著加深了学生对基础知识的理解, 其综合分析问题的能力得到了锻炼。采用模块化教学达到了课程教学的目的, 解决了教学内容和授课学时之间的矛盾, 对于推进教学方式改革和教学效果评价体系改革具有重要的意义。
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模块化制造 篇8
采用机电一体化和模块化方法,将驱动、传动、制动及检测融为一体,关节内部集成了电机、减速器、制动器和位置传感器、力矩传感器、温度传感器等诸多传感器、信号处理电路、驱动电路、实时串行通讯总线及DSP。关节整体结构紧凑。提出根据功能划分不同的模块形式,包括旋转关节模块、连杆模块、接头模块等,提高关节的可重构性。旋转关节的结构形式采用分体式电机。
机电一体化单关节采用谐波减速器,刚轮固定,柔轮输出;减速比大、多齿啮合、传动平稳。关节由固定部分与转动部分组成,外壳设计为圆柱形。固定部分包括有电机定子、制动器、谐波减速器刚轮、编码器以及控制、驱动电路板等,转动部分含有电机转子、谐波减速器柔轮与波发生器、深沟球轴承等。减速器、电机、制动器、位置反馈元件采用顺序串联结构,中空部分有一连续的空心长轴将其连接起来,内套有穿线管,防止线缆随空心轴转动发生绕线。固定部分与关节外壳固定;转动部分与关节输出端连接。
由于机器人一体化关节要求体积小、重量轻、输出功率或力矩大,因此必须开发高功率密度的驱动系统。为实现高功率密度的目标,要在一定体积下输出更大的功率、力矩,方法有提高电机的速度或者设计新型结构电机。本项目采用结构更紧凑的分体式电机,可实现低速大转矩。
由于紧凑化、小型化设计,机电一体化关节的发热情况严重,可以通过设计散热片、散热槽,电路板上加装散热风扇,大的热耗散件,如电机定子、制动器等,与外壳紧紧连接,或在与外壳之间的间隙内填充导热硅脂,用来把关节中的热量尽可能地传导到壳体上,以减小与外界环境的热路阻;合理设计控制电路,减少功率损耗等措施来解决散热问题。
2模块化关节制造工艺方法
关节是双臂机器人功能组件最为关键部件,为保证关节研发成功,并能顺利实现产业化大量生产,先进行关节主要部件的单件试制,装配,分析装配后关节所能达到精度,改进关节部分部件设计要求,进行大批量生产。由于关节部件均属于精密零件,为降低生产复杂度,需利用关节精度分析,进行装配工艺方法的选择,拟采用修配法进行零部件尺寸精度的分配。其整体过程如图1所示。
在分析关节装配精度时,采用模块化、模型化分析计算,实现主要零部件的精度自动生成,对于大量生产需要进行精度的分析与计算,装配精度取决于零件生产工艺方法及生产设备,也与装配方法选择有关。关键零件生产工艺也很关键,主要有中心轴、法兰、穿线管、外壳等。
3中心轴制造工艺方法(关节典型零件)
(1)中心轴加工艺路线。中心轴属于细长杆件,其中有细深孔,要保证其精度要求,也要保证良好的性能,因此对生产加工及热处理均有较高要求,毛坏拟采用40Cr棒料。
中心轴单件工艺采用少工序原则,其加工工艺路线:下料--锻造--调质--切削加工--感应加热淬火+低温回火--精加工--检验。见下表:
(2)中心轴热处理。中心轴通过调质处理(40Cr淬火后进行高温回火),以改善组织,得到基体强度,为最终热处理做组织准备。提高中心轴综合性能,同时由于中心轴圆柱与端面有较高的垂直度要求,通过粗精加工分开提高零件位置度精度,在精加工之前采用表面淬火热处理和低温回火提高零件表面硬度。
调质的作用:改善组织,得到基体强度,为最终热处理做组织准备。
感应淬火:曲轴表面得到M,曲轴心部为强、塑、韧性较高的调质组织。
低温回火:使表面的淬火M转变成回火M,消除淬火应力,稳定组织,减少脆性
(3)中心轴虚拟加工。虚拟制造是对实际制造活动的抽象,实际制造是虚拟制造的实例,虚拟制造是一种更高层次上的计算机技术在设计、制造、管理等各个环节中的应用,虚拟制造有助于在实际生产之前对加工方法的校验,减少加工失误。
采用vericut软件对中心轴加工过程进行模拟仿真,实现真正生产前的虚拟制造,以检验工艺流程的正确性,虚拟加工后零件的尺寸可以进行仿真分析,根据结果对加工工艺进行修正,虚拟加工过程如下图所示:
4结语
双臂机器人机电一体化和模块化关节开发是重要的研究领域,优化双臂机器人关键零部件结构及制造工艺,选择合理的成型方法、热处理工艺和精密加工工艺,为双臂机器人关键功能部件的研制提供技术参考。
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模块化制造 篇9
机械制造工艺课程是中职院校的一个重点专业课程,这门课程所涉及到的知识面比较广泛,不仅有关于车的铣、刨、磨,也涉及到了相关数控等先进的机械制造工艺的方法。机械制造工艺的教学目标,主要是培养一线的技能型人才。这门课程具有较强的实践性,如果通过对传统的教学模式进行选择,那么学生的学习积极性将会普遍较低,无法取得较好的教学成果。所以在这种情况下,将“教学做合一”的教学模块式方法应用到对机械制造工艺基础课程的教学当中,能够有效的提升教学的效率,改善教学的现状。
1 机械制造工艺基础课程“教学做合一”的模块化教学改革研究
1.1 进行机械制造工艺基础课程的模块化课程改革
机械制造业的工艺基础模块化课程在当前环境下面临改革,分析改革的方向需要将“以就业为导向”作为主要的改革动向,同时需要兼顾改革的实用性,使学生能够具有一定的知识基础。在改革过程当中,教研组的相关成员需要对教学内容进行重组,使教材的模块化更加明朗。在改革的时候,需要根据教材的特点和学科的性质,对教学的内容进行模块的划分,可以将教学内容分为机械加工模块、毛坯加工工艺模块、特种加工模块、机械装配模块、机械加工过程、对先进的制造技术进行认识,然后在此基础上对其进行细分,并划分成若干个子模块。
在机械制造当中需要对新技术和新设备进行不断的呈现,同时还要兼顾新工艺和新材料,每一个课题的背后最好设置相关的知识拓展模块,帮助学生更好地进行知识的扩展和迁移[1]。
1.2 机械制造工艺基础课程“教学做合一”的模块化教学的实施
需要做好机械制造工艺基础课程的“教学做合一”的教学,并将其不断地进行模块化,所以更好地对机械专业的实验班级进行划分,需要根据不同的教学内容和教学特点,首先,确定各个模块中要学习的相关理论,然后,进行实践的模块学习,做好相关实践理论的应用。教师需要在现场进行教学,但是在教学过程中,应该坚持学生为教学的主体,同时以教师为主导,不断地引导学生进行相关知识的学习,在教学过程中,教师应该注意对学生进行引导,做好相关的调控。在教学过程当中,需要凸显学生的主观能动性,并且将其有效地和理论知识结合起来,这能够更好地实现学生动脑和动手的紧密结合,它也可以增强课堂的趣味性和互动性。
1.3 建构评价体制,促进学生的全面发展
为了更好地做好模块化教学,并促使教学能够获得更好的教学质量,需要在教学过程当中构建有效的评价体制。需要帮助学生确立正确的职业人生观和价值观,采用正确的教学评价对于学生的学习经验进行全面的反映,同时要不断地对学生的潜能进行发掘,同时还要激发学生的学习积极性。
2 机械制造工艺基础课程“教学做合一”模块化的教学因素分析
2.1 完善相配套的教学设备
为了更加有效地促进机械制造工艺基础课程教学的“教学做合一”的模块化,需要完善相配套的教学设备。而这种教学一般以现场教学为主,所以需要对相适应的硬件设备和学习环境进行不断的构建和设立,因此学校需要设置相关的铸造和车工实训室,不断完善电焊工和其他相应的实践基地。对于教室和实训区域要做好划分,将理论课程和实践课程进行一体化的整合,并配备多媒体教学实验室,能够便于教师采用多媒体对学生进行教学[2]。
2.2“教学做合一”模块儿化教学体系之下的学习活动与及教师活动研究
进行模块化的教学一般采用分组教学,所以在教学的过程中,教师可以根据学生的特点进行一致性的分组,分组的过程当中,要根据取长补短的原则来进行划分,能够在一定程度上确保学生具有更多的学习时间,也可以更加有效地促进学生学习的开展。学生在学习过程中需要涉及到各个小组的学习任务,所以在进行学习任务和相关学习方案设置的时候,做好任务的分工和资源的分配工作。教学过程当中学生是学习的主体,所以在整个教学活动当中,做好学生的自我管理和相互交流工作是十分重要的,教师也应该进行引导,促使学生能够进行相互监督。教师对于课堂的整体计划的实施起到了主导作用。
2.3“教学做合一”模块化教学的人才培养模式与专业教师的关系
为了不断地促使“教学做模块化”更好地实施,教师在进行教学的时候应该不断促进自身知识技能的提升,教师要不断地完善自身的素质,教师只有具备有更加完善的专业技术和教学能力,才能够将更加丰富的实践经验应用到教学当中,使教学的知识和技能更加融会贯通,从而为学生提供更加良好的教学环境。教师自身应该多参加相关的岗位技能培训,有效地弥补自身的技能缺陷。而学校也需要聘请相关的机械制造行业的一线工程师进行指导,这样能够有效地完善双师结构。
3 结语
本研究主要分析“教学做合一”模块化教学在机械制造工艺基础课程当中的实践应用,笔者认为,机械制造工艺的课程的教学做合一模块化教学在进行改革过程当中需要不断地遵循以学生为主体,并将教师作为主导。模块化的课程中应该将任务作为主要的载体,并且在实践当中不断地进行相关的操作,这样才能够更好地完善相关的技能,促使学生更好地发展。
参考文献
[1]赵吉虎,杨小梅.现代机械制造工艺及精密加工技术研究[J].无线互联科技,2016,12(08):142-143.