图1  流水式加工线排布

近年来，柔性加工中心以其极强的适应性、覆盖性及灵活性在汽车零部件等大规模制造领域得到广泛的应用。以柔性加工中心为主体而形成的柔性大批量加工线可根据产品特点和各种外部条件，规划设计出不同的生产线工艺方案，其投资、效率和生产成本等有着明显的区别。

为了适应日趋激烈的市场竞争，柔性制造技术在汽车制造业得到了广泛应用。从现代制造技术观点看，柔性制造技术应用于大批量生产线的合理优化，对资金投入、工艺技术、运行效率和成本将会产生综合效应。近年来，柔性加工中心以其极强的适应性、覆盖性及灵活性在汽车零部件等大规模制造领域得到广泛的应用。以柔性加工中心为主体而形成的柔性大批量加工线可根据产品特点和各种外部条件，规划设计出不同的生产线工艺方案，其投资、效率和生产成本等有着明显的区别。

图2  工序成组式加工线排布

柔性加工线工艺设计模式分类与特性分析

加工中心（单元）是柔性大批量加工线的基本组成部分，根据工艺设计方案的不同，在加工内容分配、工艺基准选用以及工序布置方式上大致可形成以下四种典型的设计模式：

1.流水式加工线

依据工艺流程以每台加工中心为一个单元顺序加工，每台设备配置本工序的专用夹具，与传统型的专用机床流水加工线方式基本相同，区别是输送方式各有不同（见图1）。

2.工序成组式加工线

以工序最优化为前提设置多个工序岛，根据生产能力要求计算出各岛内需求的设备台数。各工序岛中每台设备的工艺基准、加工内容相同（见图2）。

图3  成组流水式加工线排布

3.成组流水式加工线

兼顾生产能力与工艺优化，将生产线分割成多个并行流水加工群组，每个组各自独立地完成零件的全部加工内容。在等节拍条件下，各组的工艺基准、工序编排和加工内容安排相同（见图3）。

4.单元式加工线

每台设备在经过一次或一次以上的装夹，独立完成零件的全部加工内容，通过配置多台相同设备达到总生产能力需求。每台设备在等节拍条件下加工内容和刀夹辅具完全一致（见图4）。

在此，我们以某铝合金壳体类零件为例，对分别采用以上四种模式的生产线进行分析，优缺点对比情况见表１。通过对比我们发现，流水式加工线的柔性最差，且加工中心的单台故障影响高达100%，适用于加工内容特别复杂的、难以在少数几道工序内完成的工件；工序成组式加工线有一定的灵活性，单台故障影响为33.3%～100%，但针对部分设备增/改型时的生产管理复杂，适于加工内容相对复杂的工件；成组流水式加工线的单台故障影响50%，对某一组进行优化或增/改型时的柔性较好，适用于加工内容相对复杂的工件；单元式加工线的柔性居首，故障影响最小且综合加工率最高，可对每台设备单独优化。

图4  单元式加工线排布

各种模式的柔性加工线运行效能对比分析

虽然不同的行业、企业和产品在生产线的设计思路上存在着差异，即使是同一方案的柔性加工线在细节上也会存在很多的不同之处。但是，同一类型的柔性加工线的基本设计模式和工艺方法是相同的，其各种模式的投资比例和消耗特性关系仍有较强的规律性。

以下，我们将通过对两个应用实例的分析，阐述在相同生产纲领前提下，不同工艺设计模式在资金投入、生产成本方面的基本变化趋势、规律。实例一为生产纲领7.5万台/年的某壳体类零件，实例二为生产纲领15万台/年的某箱体类零件。

图5  生产成本一览

1.资金投入对比分析

通过表2、表3的数据统计可见，设备价格差异及开工率影响为主要因素。其中单元式模式由于每台设备均应达到精加工精度要求，其设备总价格是流水式的1.05～1.09倍。刀具部分受方案的影响最明显，但因其仅占总投资的3%～10%，只对整个投资起到了趋势增加的作用。夹具方面与设备价格差异影响基本同步。

在不考虑综合开工率的前提下，设备投资由低到高的排序为：流水式＜工序成组式＜成组流水式＜单元式。但由于四种模式在开工率方面差异较大（流水式较单元式相差约10%），造成考虑开工率后的设备资金的投入发生变化，由低到高的排序变为：成组流水式＜工序成组式＜单元式＜流水式。

2.生产成本对比分析

生产成本包含设备折旧费用和生产消耗费用，其主要组成内容如图5所示。其中直接材料成本与加工中心工艺方案关系不大，因此将不再作为论述的内容。其余成本（即生产当量成本）数据统计分别如表4、表5所示。

通过表4、表5的数据统计可以看出，消耗性生产成本（能源、工具和工资成本）主要受工艺集中程度而产生的夹具装夹频度、工艺分配情况以及人工上下料次数等因素的影响，工艺越分散其消耗性生产成本越高，增幅达到10%～20%，但由于投资折旧仍为主要矛盾，消耗性（能源、工具和工资）生产成本对各模式经济性指标的影响仅产生了一定的增加作用。

虽然零件加工特性会对生产成本产生一些影响，但通过四种工艺设计模式生产成本的对比，从综合运行费用统计指标上看，生产成本由低到高的顺序排列为：成组流水式≌单元式＜工序成组式＜流水式。

结语

通过以上实例的数据统计分析，工序成组式在四种模式的排序中居中，成组流水式具有较为明显的优势。

1.流水式模式

流水式加工模式在精加工设备配置数量少，刀具配备数量也为最少，且夹具相对简单等方面占有一定优势，但较其他模式开工率相对较低，因此在先期投资上相对比较高。而先期投资所反映的折旧成本占整个成本中的比例很大，约在60%～75%左右，通过上述分析其生产成本也是四种模式中最高的，且流水式基本不具备采取分期投资的特性，因此流水式模式为最差的柔性加工生产线方案。

2.单元式模式

尽管单元式可确保较高的开工率，但在设备配置复杂、刀具配备多的影响下，先期投资并不占优。从理论上讲单元式可以将生产线分解为1/n个独立单元，可实现分期投资的最小化。而由于工艺集中的优势，消耗性生产成本比较低。此种方案具有一定优势，但会受到零件条件的限制，需具体分析此种方案的可行性。

3.工序成组式模式

工序成组式在开工率、资金投入、生产成本等衡量因素的比较中，在四种模式中排序居中，且具备分阶段实施的可行性。该模式的主要优势为能达到工艺排布最优化，具备较高的质量保障能力，对于相对复杂、工艺方法变化对精度影响大的零部件，该模式可重点考虑。

4.成组流水式模式

成组流水式由于综合了单元式及流水式的优点，既有较高的开工率，设备复杂程度居中，且可以实现分组式的分阶段投资，也可分为m/n（n＞m，整数倍）阶段，且资金投入及生产成本均为最低的模式，因此成组流水式具有较好的可行性及经济性。