实木椅零部件的相似性与成组技术[size=0.6em]∗

徐俊华1,2 强明礼1 任海青2 李 军3

（1.西南林业大学艺术与设计学院，昆明 650224 2.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091 3.南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037）

摘要：以实木椅为研究对象，根据零部件的相似性，将其分类成组，形成零件族。测量和统计零件族中各零部件的规格尺寸，并根据时间研究法测定和统计各零部件的加工时间。按照成组技术来组织生产，分析成组加工前后的时间差异，进而估算成组加工前后的成本差异。结果表明：实木椅零部件之间在加工工艺、几何形状、尺寸规格等方面存在一定的相似性，符合成组技术实施的条件；利用相似性特征将零部件分类形成零件族后实施成组加工，可以有效提升生产效率，显著降低生产成本。

关键词：实木椅；零部件；相似性；成组技术；时间研究

[size=1em]成组技术（Group Technology，GT）是一门工程技术，它通过发掘生产过程中事物之间的相似性来对事物进行分组，从而寻求解决这一组问题相对统一的优化方案，以取得期望的经济效益[1]。实木家具零部件种类繁多、工艺复杂，但是在几何形状、尺寸规格以及制造工艺方面存在一定的相似性，符合成组技术实现的条件[2]。将成组技术引入实木家具生产中，根据相似性对零件分类成组以形成零件族，从而巧妙地把品种“多”转化为“少”，把生产量“小”转化为“大”，使小批量生产获得接近于大批量生产的效果，可以满足目前小批量多品种的市场需求，达到减少零部件种类、提高生产效率、缩短生产周期的目的[3-5]。

[size=1em]关于成组技术在家具设计与制造领域的研究主要有：板式家具零部件的编码信息采集技术[6-8]、基于工艺相似性利用数学模型对板式家具零部件进行分类成组[9-14]、实木或板式家具零部件规格尺寸统计分析与优化[15-16]、基于设备的加工定位特点优化实木零部件榫接合的尺寸与位置[17]等，目前还鲜有将时间研究结合到该领域中来估算生产效益。 基于此，以实木椅为研究对象，分析实木椅零部件的相似性，并通过时间研究估算零部件的加工时间和成本，比较成组技术实施前后的时间和成本差异，旨在为实木家具的设计与制造提供参考。

1 材料与方法1.1 研究对象与试验样本

[size=1em]以简约实木椅产品族为研究对象。产品族中椅子造型简约，主要由方料零件组成。零部件尺寸规格（主要指宽厚尺寸）相同或相近，零部件的加工工艺相同或相似。试验椅子样本共12款，其中2款为安徽某公司产品，10款为瑞典某公司产品，见图1。

[size=0.8em]图1 简约实木椅试验样本及编号
Fig.1 Test samples and numbers of simple solid wood chair

1.2 试验场地与设备

[size=1em]试验场地分别为江苏常州和安徽泾县2家实木家具生产车间，设备及料堆布置合理；试验设备为压刨（马氏MB104）、修边锯（马氏MJ153）；作业测定工具包括卷尺、钢尺、游标卡尺、秒表、观测板、铅笔、工时记录表、计算器。试验是在正常生产条件下完成，没有进行人为干预。

1.3 试验方法

[size=1em]1.3.1 尺寸规格统计

[size=1em]根据尺寸规格（不考虑榫头榫眼位置）对12款椅子及其零部件进行编号。椅子编号和名称如图1，零部件编号和名称如下：01前腿、02后腿、03前望、04后望、05侧望、06前档、07后档、08侧档、09横档、10靠背搭脑、11靠背横档、12靠背竖档、13座面、14座面托条、15塞角。当然，并不是每一款椅子都包含这15种零件，因座面、塞角与其他方料零部件差异过大，暂不作考虑。

[size=1em]通过卷尺、钢尺和游标卡尺测量各款椅子零部件的尺寸规格。零件的长、宽、厚尺寸只有完全相同，才认为是同一零件；只要有一个不相同，就认为是不同零件。

[size=1em]1.3.2 秒表时间研究

[size=1em]加工时间一般可分为3部分：加工准备时间、机械加工时间、上下料时间（含定位时间）。作业过程中用秒表来计时，计时方法有归零法和连续测时法。加工准备时间的测定采用归零法，机械加工时间以及上下料时间的测定采用连续测时法。加工准备时间包括熟悉图纸以及质量标准和技术要求、检查材料或毛坯、更换刀具、调整机床或设备、首件确认、安装调整夹具等所消耗的时间[18]。机械加工时间指刀具锯解或刨削零件的时间。上下料时间指零件机械加工完成（开始卸载）到下一个零件装夹定位完成所消耗的时间。时间测定以正常生产状态为测试前提条件，操作者熟悉图纸以及技术要求，所以加工准备时间主要是换刀、调机和首件确认时间。设备每调整一次，就需要进行一次首件确认。

[size=1em]从设备利用率的角度来解析这3个时间，只有机械加工时间属于有效时间，而加工准备时间、上下料时间都属于无效时间，是无法避免的，因此应尽量减少。笔者前期测定过机械加工时间和上下料时间[2]，发现研究所涉及到的零部件的上下料时间都小于机械加工时间，能够保证设备的最大运转率，没有时间的浪费，因此没有研究机械加工时间和上下料时间。加工准备时间也是属于无效时间，重点研究这部分时间，试图通过减少这部分无效时间来提高生产效率。

[size=0.8em]表1 基于工艺相似性的零件族划分
Tab.1 Part family division based on process similarity

2 结果与分析2.1 零部件工艺流程的相似性

[size=1em]加工工艺的相似性是零部件分类成组的重要依据。根据工艺的相似性运用视检法将零部件分为以下2个零件族。因原材料的尺寸规格、材料的性质、产品的质量要求以及加工设备的特点等差异，不同的企业针对不同的产品往往会采取不同的生产工艺，所在企业的实木椅零部件生产工艺见表1。

2.2 零部件尺寸规格的相似性

[size=1em]相似度越高，归到同一零件族的零部件种类就越多，即同一尺寸规格的零部件数量相对增多，而调机、换刀、首件确认等加工准备工作的次数就会减少，加工准备时间也会相应减少，从而可以缩短加工周期，提高生产效率。

[size=1em]2.2.1 直线型零部件尺寸规格

[size=1em]根据尺寸规格，12款椅子直线型零部件共有70种118件，包括望板（前望、后望、侧望）、拉档（前档、后档、侧档、横档）、靠背竖档、座面托条以及前腿。

[size=1em]1）厚度尺寸统计分析。12款椅子直线型零部件厚度尺寸共有17种规格（表2），分布在10～42mm之间。其中厚度尺寸在18～22mm区间的零件种类最多，占总数的67%，厚度尺寸为20mm的零件种类达到35种，占总数的50%，相似度较高，具备成组加工的条件。

[size=0.8em]表2 不同厚度尺寸的直线型零件种类与数量
Tab.2 Types and quantities of linear parts with different thickness dimensions

[size=0.8em]表3 不同宽度尺寸的直线型零件种类数量表
Tab.3 Types and quantities of linear parts with different width dimensions

[size=1em]2）宽度尺寸统计分析。12款椅子直线型零部件宽度尺寸共有22种规格（表3），分布在20～70mm之间。与厚度尺寸相比，宽度尺寸种类较多，分布也较分散。零件种类达到5种及以上的宽度尺寸有6组，占总数的57%，其中宽度尺寸为30 mm的零件种类有10种，占总数的14%，符合成组加工的条件。

[size=1em]2.2.2 曲线型零部件尺寸规格

[size=1em]曲线型零件主要包括后腿和靠背，12款椅子共有曲线型零件27种（48件），其中后腿有12种（24件），靠背15种（24件）。

[size=1em]1）厚度尺寸统计分析。后腿的厚度尺寸有7种规格（见表4），分布在29～42mm之间，有4种厚度尺寸的零件种类各有1种。厚度为29、30、32 mm的零件种类有8种，占总数的67%。靠背的厚度尺寸共有7种规格（见表5），分布在16～24 mm之间，其中有18、20、22mm 3种厚度尺寸的零件种类超过3种，占总数的67%。

[size=0.8em]表4 不同厚度尺寸的后腿种类数量表
Tab.4 Types and quantities of hind legs with different thickness dimensions

[size=0.8em]表5 不同厚度尺寸的靠背种类数量表
Tab.5 Types and quantities of backrests with different thickness dimensions

[size=1em]2）宽度尺寸统计分析。后腿的宽度尺寸共有8种规格（见表6），分布在35～75mm之间，有6种宽度尺寸的零件种类各有1种。宽度为40、35mm的零件种类分别有4种和2种规格，占总数的50%。靠背的宽度尺寸共有12种规格（见表7），分布在24～100 mm之间，其中只有49、50、55mm 3种宽度尺寸的零件种类是2种，占总数的40%，宽度尺寸的相似度较低。

[size=0.8em]表6 不同宽度尺寸的后腿种类数量表
Tab.6 Types and quantities of hind legs with different width dimensions

[size=0.8em]表7 不同宽度尺寸的靠背种类数量表
Tab.7 Types and quantities of backrests with different width dimensions

2.3 基于零部件相似性的成组加工

[size=1em]2.3.1 加工准备时间

[size=1em]不同零件尺寸规格具有差异性，所以在加工时需要重新调机和首件确认。主要研究零件的宽度和厚度尺寸，宽厚尺寸的确定通过平刨、压刨、修边锯、细木工带锯机等设备来实现。修边锯主要用于修边和定宽两道工序，压刨主要用于粗刨和定厚两道工序。平刨用于确定基准面，细木工带锯用于锯解曲线和曲面，两台设备调机的次数极少，为了研究的方便，不考虑平刨和带锯的调机时间，因此这里加工准备时间的测定只是针对压刨和修边锯这两台设备，主要考虑调机时间（包括换刀时间）和首件确认时间。剔除异常值后，得到压刨的调机时间为12 s，首件确认时间为24 s；修边锯的调机时间为48 s，首件确认时间为32 s，见表8。

[size=0.8em]表8 单位加工准备时间
Tab.8 Unit processing preparation time

[size=1em]锯材经过横截，在平刨上加工完基准面和基准边后，在压刨上加工相对面和相对边，两个面一共需要调机4次，首件确认4次，因此粗刨所需加工准备时间为12×4+24×4=144(s)。定厚只需刨削相对面，平均2次调机，2次首件确认，因此定厚所需加工准备时间为12×2+24×2=72(s)。压刨总的加工准备时间（TB准）为12×4+24×4+12×2+24×2=216(s)。

[size=1em]锯材经过横截、双面刨光以后，到修边锯上纵解（包括修边），之后拼板，拼板后还要到修边锯上定宽，这个过程中修边锯平均需要调机3次，首件确认3次，因此修边锯所需总加工准备时间（TJ准直）为48×3+32×3=240(s)。若为曲线/面型零件，则只有拼板前的修边和纵解，而没有拼板后的定宽，这个过程中平均需要调机1次，首件确认1 次，所需总加工准备时间（TJ准曲）为48+32=80(s)。

[size=1em]从表9可以看出，直线型零件在厚度方向加工的准备时间为216 s，在宽度方向加工的准备时间为240 s，直线型零件的总加工准备时间为456 s；曲线、曲面型零件在厚度方向加工的准备时间为216 s，在宽度方向的加工准备时间为80 s，曲线、曲面型零件的总加工准备时间为296 s。

[size=1em]2.3.2 生产组织方式

[size=1em]零部件的生产组织方式通常有2种：一是按产品来组织生产，即从01号产品的零部件开始加工，依次加工至12号产品的零部件；二是按照零件族来组织生产（成组生产），即打破零部件的归属关系，将相似的零部件一起加工。生产组织方式不同，产品的生产效率有较大差异，按零件族来组织生产，相当于扩大了零件的批量，从而减少加工准备时间，提高生产效率。

[size=0.8em]表9 总加工准备时间
Tab.9 Total processing preparation time

[size=0.8em]表10 2种生产方式的加工准备时间比较
Tab.10 Comparison of processing preparation time for 2 production modes

[size=1em]比较2种生产方式，按零件族生产后，直线型零件厚度方向的零件种类数由70种减少到17种，减少了53种，减少了76%；宽度方向的零件种类数由70种减少到22种，减少了48种，减少了69%。曲线型零件厚度方向的零件种类数由27种减少到14种，减少了13种，减少了48%；宽度方向的零件种类数由27种减少到20种，减少了7种，减少了26%。按零件族组织生产，加工时零部件的宽厚尺寸规格显著减少，即零部件的批量相对扩大。

[size=1em]表10表明，按产品来组织生产，对12款椅子依次加工，直线型零件的加工准备时间为31 920 s（8.87 h），曲线/面型零件的加工准备时间为7 992s（2.22 h），总加工准备时间为39 912 s（11.09 h）。按零件族组织生产，直线型零件的加工准备时间为8 952s（2.49 h），曲线型零件的加工准备时间为4 624 s（1.28 h），总计13 576 s（3.77 h），总加工准备时间一共减少了26 336 s（7.32 h），减少了66%。若操作工人的工资为30元/h，则12款椅子共节省人工成本219.6元，平均每把椅子节省成本18.3元。

3 结论

[size=1em]1）对12款简约实木椅方料零部件的尺寸规格进行了统计和分析，发现零部件之间在宽度和厚度尺寸上具有较高的相似度，符合成组技术实施的条件。

[size=1em]2）根据零部件加工工艺的相似性，运用视检法对零部件进行分类成组，可将零部件分为直线型零件族、曲线型零件族，同一零件族中的零件工艺流程相同。

[size=1em]3）按零件族组织生产，零部件的宽厚尺寸规格相对减少，直线型零件宽厚尺寸规格分别减少了69%和76%，曲线型零件宽厚尺寸规格分别减少了26%和48%，这就使零部件的批量相对扩大，有利于减少加工准备时间，提升生产效率。

[size=1em]4）按零件族组织生产，零件的总加工准备时间减少了26 336 s（7.32 h），减少了66%。若工人工资按30元/h来计算，则12款椅子共节省人工成本219.6元，平均每把椅子节省成本18.3元。

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[size=1.8em]The Similarity and Group Technology of Solid-wood Chair parts

[size=1em]XU Jun-hua1, 2 QIANG Ming-li1 REN Hai-qing2 LI Jun3
(1.School of Art and Design, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China 2.Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China 3.College of Furnishings and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

[size=1em]Abstract: Taking the solid-wood chair as the research object, the parts were classified into groups to form the part family.The dimensions of each part in the part family were measured and counted, and the machining time of each part was measured and counted according to the time study method.The production was organized according to the group technology, and the time difference before and after the group processing was analyzed,and then the cost difference was estimated.There are certain similarities in processing, geometry and size among the solid-wood chair parts, which meet the conditions for the implementation of the group technology.It will effectively improve production efficiency and significantly reduce production costs to classify the parts into different families and carry out group machining according to the similarity characteristics of parts.

[size=1em]Key words: Solid-wood chair; Parts; Similarity; Group technology; Time research

[size=1em]中图分类号：TS665.4

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：1001-5299(2019)07-0048-05

[size=1em]DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201907011

[size=1em]*基金项目：国家自然科学基金(51868070)；教育部人文社科基金(19XJC760005)

[size=1em]徐俊华，男，讲师，研究方向为家具设计与工程、民族艺术与设计，E-mail:xu_junhua@163.com