徐俊華，朱炫霖，何蕊，任海青，李軍

(1.西南林業(yè)大學(xué)設(shè)計學(xué)院，昆明 650224； 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091； 3.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，南京 210037)

基于成組技術(shù)的橢圓榫接合優(yōu)化

徐俊華1,2，朱炫霖1，何蕊1，任海青2，李軍3*

(1.西南林業(yè)大學(xué)設(shè)計學(xué)院，昆明 650224； 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091； 3.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，南京 210037)

以橢圓榫接合為研究對象，用時間研究法測量了榫頭榫眼的加工時間，比較了加工準(zhǔn)備時間、上下料時間與銑削時間之間的關(guān)系，分析了零件的規(guī)格尺寸、榫頭榫眼的大小尺寸對銑削時間的影響；從開榫機(jī)和榫眼機(jī)的加工原理出發(fā)，分析了調(diào)機(jī)方式和定位特點(diǎn)對榫頭榫眼大小和位置的影響；針對多品種小批量的市場需求，比較了零件規(guī)格尺寸、榫頭榫眼大小與位置優(yōu)化前后的加工時間變化，并以成組技術(shù)為指導(dǎo)，推算出零件及產(chǎn)品在優(yōu)化后所節(jié)省的經(jīng)濟(jì)成本?？偨Y(jié)出優(yōu)化橢圓榫接合的方法為：在保證接合強(qiáng)度和外觀要求的前提下，榫頭榫眼的尺寸規(guī)格應(yīng)盡量減少，不同零件榫頭(或榫眼)中心線到基準(zhǔn)面(或基準(zhǔn)邊)的距離應(yīng)盡量統(tǒng)一，以減少設(shè)備調(diào)整時間，提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。

成組技術(shù)；時間研究；榫接合；橢圓榫；家具結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)效率

成組技術(shù)(group technology，GT)是一門工程技術(shù)學(xué)科，通過發(fā)掘生產(chǎn)活動中事物之間的相似性來對事物分組，進(jìn)而尋求解決這一組問題相對統(tǒng)一的最優(yōu)方案，以取得期望的經(jīng)濟(jì)效益[1]。成組技術(shù)最早用于機(jī)械制造行業(yè)，隨著我國家具制造業(yè)的興起，從20世紀(jì)末開始也逐漸應(yīng)用到家具領(lǐng)域[2]，尤其是在定制家具制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[3]。

橢圓榫接合是現(xiàn)代實(shí)木家具典型榫接合方式之一，其機(jī)械加工簡便、接合性能優(yōu)越[4-6]，因此應(yīng)用較為廣泛。國內(nèi)外學(xué)者大多針對不同的材料來研究榫頭榫眼尺寸配合以及位置等對橢圓榫接合強(qiáng)度的影響[7-10]，但很少有從生產(chǎn)效率的角度來研究橢圓榫接合。

實(shí)木家具零部件種類繁多，尺寸規(guī)格較為復(fù)雜，但是零部件尺寸之間存在一定的相似性[11-13]，成組技術(shù)可以提高實(shí)木零部件的生產(chǎn)效率[14]。餐椅方料就有很高的相似度，如斷面尺寸規(guī)格、榫的形狀與尺寸規(guī)格等[15]。餐椅零部件的榫頭和榫眼是否具有成組技術(shù)的加工屬性，關(guān)鍵是看如何進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。因此，筆者從成組技術(shù)原理出發(fā)，優(yōu)化榫頭和榫眼，旨在提升其生產(chǎn)效率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)對象

某家居賣場的松木餐椅除座面和塞角外的所有零部件,其規(guī)格尺寸見表1。

表1 餐椅零件規(guī)格尺寸Table 1 Parts’ dimensions of the chair

注：此表只統(tǒng)計了零件的規(guī)格尺寸，未考慮榫頭榫眼的大小與位置。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

馬氏MDK3113B型數(shù)控制榫機(jī)、馬氏MS3112臥式榫眼機(jī)，兩者均為雙工作臺。

1.3 試驗(yàn)工具

卷尺、游標(biāo)卡尺、秒表、觀測板、鉛筆、工時記錄表、計算器。

1.4 試驗(yàn)方法

采用時間研究法，將生產(chǎn)時間分為3類：加工準(zhǔn)備時間、銑削加工時間、上下料時間(包含定位時間)。測量時間用的是秒表，秒表測量時間的方法有：歸零法、連續(xù)測時法。加工準(zhǔn)備時間的測量采用歸零法，銑削加工時間以及上下料時間的測量采用連續(xù)測時法。加工準(zhǔn)備時間包括熟悉圖紙以及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求、檢查材料或毛坯、更換刀具、調(diào)整機(jī)床或設(shè)備、首件確認(rèn)、安裝調(diào)整夾具等所消耗的時間[16]。銑削加工時間指刀具銑削零件的時間，常因零件種類和銑削要求不同而有所差異。上下料時間指零件銑削加工完成(開始卸載)到下一個零件裝夾定位完成所消耗的時間。

以正常生產(chǎn)狀態(tài)為測試前提條件，操作者熟悉圖紙以及技術(shù)要求，所以加工準(zhǔn)備時間主要是換刀、調(diào)機(jī)和首件確認(rèn)時間。設(shè)備每調(diào)整一次，就需要進(jìn)行首件確認(rèn)一次。加工準(zhǔn)備時間包括：更換榫眼機(jī)的鉆頭、調(diào)整鉆頭中心與工作臺面以及零件端部的垂直距離、設(shè)置鉆頭左右擺動的幅度以及鉆頭進(jìn)給的深度；調(diào)整開榫機(jī)刀軸的起點(diǎn)、刀軸的運(yùn)動軌跡以及靠尺的位置；確認(rèn)榫眼的長度、寬度和深度以及榫眼在零件長度、寬度或厚度方向的位置；確認(rèn)榫頭的長度、寬度和厚度尺寸、榫肩的尺寸(決定榫頭的位置)、零件在榫頭長度方向的尺寸等。所測得的數(shù)據(jù)利用3倍標(biāo)準(zhǔn)差法剔除異常值。

2 結(jié)果與分析

2.1 榫頭分析與優(yōu)化

2.1.1 加工準(zhǔn)備時間

餐椅的望板(前后望板、左右望板)、靠背(靠背拉檔)、拉檔(椅腿拉檔)在寬厚尺寸上相似度很高。因此選取這3類(4種)方料零件，測量了開榫機(jī)加工橢圓榫時的加工準(zhǔn)備時間，表2為剔除異常值后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。3類零件的加工準(zhǔn)備時間都接近于240 s，為了研究方便，開榫機(jī)的加工準(zhǔn)備時間取240 s。根據(jù)六點(diǎn)定位原則[17]，假設(shè)榫頭位置的加工準(zhǔn)備時間為120 s，其中X方向的加工準(zhǔn)備時間為60 s，Z方向的加工準(zhǔn)備時間為60 s，Y方向因圓鋸片直接精截而不用調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)所以不予考慮；榫頭大小的加工準(zhǔn)備時間為120 s，假設(shè)長、寬、厚3個方向的加工準(zhǔn)備時間均為40 s。

表2 開榫機(jī)的加工準(zhǔn)備時間Table 2 Preparation time of tenoning machine

2.1.2 銑削加工時間

此處的銑削加工時間是指一個完整的銑削周期，除了銑刀與零件接觸的時間外，還包括刀具從原點(diǎn)與零件接觸以及加工完成回到原點(diǎn)的時間，整個周期無法人為控制，所以沒有單獨(dú)測定。由表3可見，在一定范圍內(nèi)，榫頭的銑削時間與零件尺寸、零件體積、榫頭尺寸、榫頭體積以及榫頭周長沒有顯著關(guān)系。上下料時間均小于銑削時間，這符合作業(yè)要求，可以保證銑削加工持續(xù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最高利用率。

2.1.3 榫頭尺寸優(yōu)化

表2和表3表明榫頭的加工準(zhǔn)備時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了銑削時間。降低加工準(zhǔn)備時間在整個加工時間中的比例是提升榫頭加工效率的關(guān)鍵。若榫頭的規(guī)格尺寸不同，則加工時開榫機(jī)需要重新調(diào)機(jī)。利用成組技術(shù)組織生產(chǎn)即是將相似零件或榫頭一起加工來減少調(diào)機(jī)次數(shù)。因此，提高榫頭規(guī)格尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化程度是利用成組技術(shù)的前提，是減少調(diào)機(jī)次數(shù)和加工準(zhǔn)備時間、提升開榫效率的方法之一。

餐椅的望板(前后望板、左右望板)、靠背(靠背拉檔)、拉檔(椅腿拉檔)在寬厚尺寸上相似度很高(表3)。其中前后望板和左右望板斷面尺寸、榫頭尺寸與位置完全一致，把這兩種零件歸為一類；望板與靠背寬度相差5 mm，三者的厚度級差為2 mm；望板與靠背榫頭寬度相差5 mm以內(nèi)，三者榫頭厚度相同。

考慮到在優(yōu)化過程中盡可能不影響椅子外觀造型，所以3類零件的寬度尺寸都未調(diào)整；三者厚度級差為2 mm，所以取中間值20 mm，靠背原來厚度就是20 mm，優(yōu)化的是望板和拉檔，對椅子外觀幾乎沒有影響；因椅子的榫接合為不貫通暗榫，所以調(diào)整榫頭也不會影響外觀，將榫頭的寬度尺寸統(tǒng)一調(diào)整為25 mm，調(diào)整后的榫頭尺寸三者是一樣的。筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，榫頭尺寸的優(yōu)化仍然可以保證椅子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圖1為優(yōu)化后的零件及榫頭尺寸分布，圖2為優(yōu)化前后的零件端面尺寸對比圖。

表3 橢圓榫的加工時間表Table 3 The processing time of oval tenons

圖1 餐椅零件及其榫頭優(yōu)化后的斷面尺寸分布Fig. 1 Sectional dimensions distribution of the chair’sparts and their tenons after optimization

從圖2可知，榫頭尺寸優(yōu)化前，3類零件榫頭厚度尺寸相同而寬度尺寸均不相同，需要經(jīng)過3次調(diào)機(jī)；榫頭尺寸優(yōu)化后，3類零件榫頭尺寸均相同，關(guān)于榫頭大小的調(diào)機(jī)只需1次。零件厚度尺寸統(tǒng)一之后，榫頭中心到基準(zhǔn)面的距離也統(tǒng)一了，Z方向的調(diào)機(jī)次數(shù)由3次減少到1次。

圖2 零件及榫頭尺寸優(yōu)化前后的端面圖(上圖為優(yōu)化前，下圖為優(yōu)化后)Fig. 2 The end face size of the parts and their tenons before and after optimization

圖3 榫頭位置圖Fig. 3 Tennon position on the end face of the part

2.1.4 榫頭位置優(yōu)化

橢圓榫通常用數(shù)控制榫機(jī)來加工。數(shù)控制榫機(jī)通過加工臺面、靠尺以及調(diào)節(jié)桿將零件定位。通過數(shù)控按鈕調(diào)節(jié)銑刀的銑削起點(diǎn)及運(yùn)動軌跡，從而確定榫頭的大小及其在零件端部的位置。

零件A和B的端面見圖3，兩者的斷面尺寸不同，左圖為零件A，右圖為加工完零件A后未重新調(diào)機(jī)，直接定位加工零件B，零件B的榫頭在其端面所處的位置。此時零件B的榫頭尺寸與零件A相同，零件B的榫頭斷面中心到基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)邊的距離(a，b)也分別與零件A相同。

根據(jù)上述加工原理，在圖2榫頭尺寸統(tǒng)一后的基礎(chǔ)上繼續(xù)對榫頭位置進(jìn)行優(yōu)化，事實(shí)上圖2對零件厚度尺寸的統(tǒng)一已經(jīng)為榫頭位置的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。圖4為優(yōu)化后的零件端面圖，優(yōu)化后，望板和靠背加工時無需調(diào)整開榫機(jī)坐標(biāo)參數(shù)，而加工完前兩者之后，再加工拉檔榫頭時，則只需要調(diào)整開榫機(jī)在X軸方向的坐標(biāo)位置，這大大節(jié)省了加工準(zhǔn)備時間。

根據(jù)上述時間研究的數(shù)據(jù)，對照優(yōu)化前后零件的端面尺寸圖(圖2、4)，將榫頭優(yōu)化前后以及是否運(yùn)用成組技術(shù)組織生產(chǎn)的加工準(zhǔn)備時間進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果見表4。

表4結(jié)果表明，榫頭優(yōu)化前，按照GT原理組織生產(chǎn)，加工準(zhǔn)備時間減少了60 s，減少了11%；榫頭優(yōu)化后，按照GT原理組織生產(chǎn)，加工準(zhǔn)備時間減少了60 s，減少了17%；若正常生產(chǎn)，榫頭優(yōu)化后加工準(zhǔn)備時間減少了200 s，減少了36%；若按照GT原理組織生產(chǎn)，榫頭優(yōu)化后與優(yōu)化前相比，加工準(zhǔn)備時間減少了200 s，減少了40%；榫頭優(yōu)化之后，并按照GT原理組織生產(chǎn)，加工準(zhǔn)備時間減少了240 s，減少了46.4%。

優(yōu)化之后，按照GT原理生產(chǎn)，3類零件平均每類節(jié)省時間87 s。若人工成本為30元/h，則平均每類零件節(jié)省人工成本0.72元，僅這3類零件每把椅子即可節(jié)省成本2.2元。

圖4 榫頭位置優(yōu)化后的零件端面圖Fig. 4 The end face size of the parts after their tenons’position optimized

組織方式加工順序優(yōu)化前加工準(zhǔn)備時間/s優(yōu)化后加工準(zhǔn)備時間/s榫頭大小榫頭位置榫頭大小榫頭位置長寬厚X方向Z方向長寬厚X方向Z方向優(yōu)化前后加工準(zhǔn)備時間差/s正常生產(chǎn)望板40404060604040406060拉檔40606060靠背40606060小計200360120240合計560360200成組生產(chǎn)望板40404060604040406060靠背4060拉檔40606060小計200300120180合計500300200成組前后加工準(zhǔn)備時間差/s6060260

圖5 榫眼位置圖Fig. 5 Mortise position on one face of part

2.2 榫眼分析與優(yōu)化

2.2.1 榫眼銑削時間

橢圓榫眼是在榫眼機(jī)上加工的，榫眼的加工準(zhǔn)備時間包括更換鉆頭、調(diào)整鉆頭擺動幅度和進(jìn)給深度、零件裝夾定位、首件確認(rèn)等時間。用榫眼機(jī)為椅前腿、椅后腿開榫眼，測得榫眼機(jī)的加工準(zhǔn)備時間平均為150 s，不同榫眼的銑削加工時間為5～6 s，均大于上下料時間3 s，符合作業(yè)要求，可保證設(shè)備最高利用率。零件尺寸、榫眼尺寸、榫眼體積對榫眼的銑削時間沒有顯著影響。因榫眼時間研究得出的規(guī)律與榫頭類似，所以這里不再贅述。

2.2.2 榫眼加工原理

零件定位夾緊后，榫眼機(jī)通過鉆頭的擺動和進(jìn)給制成榫眼。榫眼的寬度是由鉆頭的直徑?jīng)Q定，榫眼的長度是由鉆頭左右擺動的幅度決定，榫眼的深度由鉆頭進(jìn)給的深度決定。榫眼在Z方向的位置是由鉆頭中心與工作臺的垂直距離決定，榫眼在X方向的位置是由調(diào)節(jié)桿端面與鉆頭的距離決定。

加工完零件A后，未調(diào)整榫眼機(jī)而直接加工零件B時的位置圖見圖5，其中零件B的厚度大于零件A，零件B的榫眼大小與零件A相同，其榫眼中心與基準(zhǔn)面的距離也與零件A相同。需要說明的是，兩幅圖只是截取了零件的一部分，沒有考慮零件的長度。

2.2.3 榫眼優(yōu)化方法

1)榫眼大小的優(yōu)化

榫眼大小優(yōu)化的原則是在保證接合強(qiáng)度的前提下，盡量使不同零件榫眼的尺寸統(tǒng)一。如因零件寬度或厚度尺寸差異較大，考慮到接合強(qiáng)度而必須要調(diào)整榫眼尺寸，則盡量只調(diào)整榫眼長、寬、深3個方向中的一個尺寸。

2)榫眼位置的優(yōu)化

榫頭位于零件的端部，而榫眼一般位于零件的面或邊上。榫眼在零件長度方向的位置往往差異較大，也就是說榫眼機(jī)在X方向的調(diào)機(jī)一般是不可避免的。榫眼在Z方向的位置可以在零件的寬度或厚度中線上，也可以如圖5所示，不對稱而偏在一邊，但必須使不同零件榫眼的水平中心線到加工基準(zhǔn)面的距離一致。

此款椅子涉及開榫眼的零件有左前腿、右前腿、左后腿、右后腿，共4種零件，其中左前腿與右前腿規(guī)格尺寸相同，左后腿與右后腿規(guī)格尺寸也相同，都沿椅子中心線成軸對稱。涉及的榫眼有：前后腿之間分別與左右望板、椅腿拉檔連接的榫眼；前腿之間與前后望板連接的榫眼；后腿之間分別與前后望板、靠背拉檔連接的榫眼。根據(jù)2.1部分確定的榫頭尺寸，上述榫眼的尺寸均相同，繼續(xù)對榫眼位置進(jìn)行優(yōu)化，將前后腿之間分別與左右望板、椅腿拉檔連接的榫眼在前后腿上的位置進(jìn)行統(tǒng)一，使榫眼位置位于椅腿寬度或厚度尺寸中心，以減少調(diào)機(jī)次數(shù)。

3 結(jié) 論

1)就加工單個零件而言，加工準(zhǔn)備時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于榫頭榫眼的銑削時間。縮小加工準(zhǔn)備時間在整個加工時間中的比例，即增加批量是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵，可以通過優(yōu)化不同零件的規(guī)格尺寸以及榫頭榫眼的大小與位置來實(shí)現(xiàn)。

2)對于常規(guī)椅類方料零件，零件的尺寸、榫頭榫眼的尺寸對銑削時間沒有顯著影響。銑削時間大于上下料時間，符合作業(yè)要求，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最高利用率。

3)在保證接合強(qiáng)度和外觀要求的前提下優(yōu)化榫頭榫眼。榫頭優(yōu)化有兩種方法：一是在榫頭大小統(tǒng)一的前提下，優(yōu)化零件的寬度或厚度尺寸使得榫頭位置盡量統(tǒng)一；二是在不改變零件寬度和厚度尺寸的前提下，盡量統(tǒng)一榫頭的大小、調(diào)整榫頭位置，使得不同零件的榫頭在長度方向的中心線到零件基準(zhǔn)面(或基準(zhǔn)邊)的距離相等。榫眼的優(yōu)化：盡量保證榫眼大小及位置統(tǒng)一，即在榫眼的長度、寬度、深度方向以及榫眼位置在零件X方向、Z方向的5個參數(shù)盡量保證較多參數(shù)統(tǒng)一。

4)按照GT原理組織生產(chǎn)，可以減少調(diào)機(jī)次數(shù)，節(jié)省加工準(zhǔn)備時間，提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

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Optimizationofovalmortiseandtenonjointbasedongrouptechnology

XU Junhua1,2, ZHU Xuanlin1, HE Rui1, REN Haiqing2, LI Jun3*

(1. School of 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)

Oval mortise and tenon joint is widely applied in solid wood furniture due to its advantage on mechanized production. In order to improve the production efficiency and cut down the costs, the processing time of the mortise and tenon was measured based on time study method. The time for preparation as well as the time of loading and unloading with the time for milling were compared respectively. The effects of the dimensions of the parts and the mortise and tenon on milling time were also analyzed. Based on the fundamental principles of mortiser and tenoner machines, the impacts of the adjustment methods and positioning characteristics of the machines upon dimensions and positions of the mortises and tenons were explored. To meet the furniture market demands for products with multi-type amp; small batch, the processing time before and after optimization in aspects of the dimensions of parts, the dimensions and positions of mortises and tenons were compared under the guidance of group technology. Moreover, the economic cost saved in the optimization of the products and their parts was calculated. The aim of optimizing the oval mortise and tenon joint is to reduce the equipment adjustment time, improve the production efficiency, shorten the production cycle and reduce production costs. The methods of optimization are as follows: the dimensions of the mortise and tenon should be minimized without affecting the strength and appearance of products. The distances between the center line of the tenon or mortise and the reference plane or edge in different parts should be kept unification as far as possible.

group technology (GT); time study; mortise and tenon joint; oval tenon; furniture structure; productivity

2017-03-20

2017-07-20

云南省哲學(xué)社科藝術(shù)科學(xué)規(guī)劃項目(A2016QNS020)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201610677010)。

徐俊華，男，講師，研究方向?yàn)槟局破分圃炫c木結(jié)構(gòu)工程。

李軍，男，教授。E-mail:xu_junhua@163.com

TS633；TS657

A

2096-1359(2017)06-0144-06