如何实现多品种小批量化生产的生产效率

如何实现多品种小批量化生产的生产效率

——青岛英世齐商贸有限公司现代制造业越来越向小批量多品种，甚至是单件生产倾斜,并且要求交货周期越来越短。

随之而来的问题是由于生产品种的增加导致制造商的生产效率直线下降。为了生产更多品种、更多规格的产品（而且数量少），制造商不得不根据每种产品的情况来制造专门的夹具并安装到机床上，而每更换一种产品就得更换一种夹具，通常仅更换工装夹具的时间就高达30分钟到90分钟，某些特殊产品或者精度要求高的产品消耗在更换工装夹具上的时间更是高达数小时。如果是以前的大批量生产，这些时间平均到每个产品上的时间会很少，但是在小批量甚至单件生产时更换工装夹具消耗的时间就惊人了。据统计对于生产制造业来说机械加工通常占用54%的生产时间，而更换工件、更换夹具的时间通常占用40%的生产时间。如何提高更换工装夹具的效率，降低更换工件、更换夹具的时间是提高制造商生产效率的关键。

目前国内生产制造商的为了能满足多品种小批量订单的要求，一般都会选择增加设备。单纯增加设备会占用企业很多的流动资金，在经济形势一直向上的时期这种投资并不会出现多大的风险，但是在现阶段经济形势此起彼伏的情况下，过多的增加设备风险是极大的，有可能此时订单量很大生产忙不过来，而下一时间就面临订单锐减，造成大量设备闲置。增加设备必然需要增加相应的工人，随着人力成本的攀升，员工工资、培训等费用将会占用很大一部分企业预算，同时规模的增大必然增加生产管理的难度，如果管理不当会导致产品质量下降。

传统加工模式下的生产细分

快换工装加工模式下的生产细分

德国的生产制造商则是从另外一个角度来解决多品种小批量订单：他们会把有限的资金投入到增加机床附件上，通过给每台机床增加这些辅助生产的工具来提高更换夹具和更换工件的精度和效率，减少辅助时间，最大程度的发挥每台机床的潜力。在机床附件上投入的资金会远小于增加一台机床，而取得的效益却不逊于甚至超过增加一台机床。制造商在达到同样生产率的情况下，不需要为了增加设备而增加工厂面积，不需要增加新员工，不需要承担因为经济下行而产生的风险，产品质量也始终如一。

投入资金分布图

具体如何通过降低更换夹具和更换工件时间提高生产效率？

德国生产制造商最普遍的一种办法是通过零点定位系统对机床的工作台进行改造，并对工件或夹具托盘化改造。以下以德国AMF零点定位系统为例进行简要介绍：

AMF零点定位系统的作用是帮助用户实现工装夹具与机床之间的快速定位和夹紧，减少机械加工中的辅助时间。它包括两部分：零点定位器（凹头）和定位接头（凸头），零点定位器通过大直径高刚度的滚珠夹紧定位接头，当给零点定位器通入60bar的液压或者6bar气压时，滚珠向两侧散开，定位接头可自由进出零点定位器；当切断压力时滚珠向中心聚拢并锁紧定位接头。这两部分之间的重复定位精度是0.002mm，同时提供5 kN至30 kN的夹紧力。使用时将零点定位器（凹头）安装到机床工作台上，凹头在机床工作台上的位置标记为零点，根据实际加工需要可安装多个定位器凹头（至少2个）；定位接头凸头与夹具、工装或者工件通过定位台阶和螺栓紧固到一起（每个夹具、工装或工件至少安装2个定位接头凸头）。

AMF零点定位系统

首先需要将零点定位系统精确的安装到机床的工作台上，这样零点定位系统中的每个定位器的位置相对机床来说都是确定的，在安装夹具、工件，或者编写加工程序，进行数控加工时可以将任何一个定位器作为基准点，这也就是所谓的“零点”，这些“零点”不会因为更换工装夹具或者更换工件而改变。

然后制作夹具托盘，将零点定位系统的定位接头安装到托盘上，这些接头的间距需要与机床工作台上的零点定位器的间距保持一致，以便能将夹具托盘安装到工作台上。托盘的数量可以根据实际情况来定。对于一些工件可以直接将零点定位接头安装到工件上，不需要制造额外的托盘。这种方法需要在工件上加工工艺螺纹孔以便与零点定位接头相连接（如图）。

在汽车发动机缸体上安装零点定位接头可省去夹具

最后，将需要加工的工件及托盘搬运并通过零点定位系统安装到机床工作台中，由于该系统的重复定位精度小于0.002mm同时具有强力夹紧功能（最高可达104KN）所以在安装过程中只需要将托盘上安装的定位接头插入工作台上的零点定位器中即可，无需进行精度找正和工件夹紧。安装完毕后机床可以立刻进行正常机械加工，省去了传统方法的调试校正步骤。

通过这种方法，原来可能需要30~90分钟甚至更长时间的工件、夹具换装时间可缩减到1分钟内，大幅提高机床的生产率。另外，由于是高重复精度的换装，所以采用这种方法加工出的产品一致性远高于传统的人工换装。

工装夹具快速更换流程图

该系统还可以整合整条生产线的机床，最大的发挥每台机床的潜能。由于每更换一次装夹工件的精度都会变化，所以在安排生产工艺时工程师们都尽量让一个工件在同一台机床上加工，不得不安排精加工机床进行工件的粗加工，造成一

种隐形的浪费。通过零点定位系统就可以避免这种浪费，因为可以实现高精度、快速的工件换装，工程师们可以放心的将粗加工任务安排到粗加工机床，而让精加工机床只进行高精加工（如图）。

在普通铣床上进行粗加工之后，通过零点定位系统更换到HERMLE高精度加工中心上进行精加工通过AMF零点定位系统对夹具系统进行改造实现了工件、工装夹具的快速更换提高了工厂在每天8小时内的生产效率。如果继续对该系统进行机器人自动搬运改造可实现每天24小时生产，全年365天连续生产。这也许就是为什么一个只有三四十人的德国工厂却能满足全世界对其产品的需求。

不同生产模式每年每台机床的生产时间

目前越来越多的国内制造商开始看到降低工件工装夹具更换时间的重要性并开始着手对自身设备的改造。AMF零点定位系统这种德国先进的技术已在国内一些制造企业得到应用，通过这种技术制造商在面对小批量多品种，或单件生产时可以始终保持高效率生产。