（机械电子工程专业论文）可重构制造系统合弄结构研究.pdf

摘要 本论文对可重构制造系统及其结构框架进行了全面、系统的研究，针对可重构 制造系统的特点提出了可重构制造系统的三层结构。在系统的控制结构上采用了合 弄结构，以适应系统对控制和其它模块的可重构性的要求，建立了可重构制造系统 的合弄框架结构。通过对可重构制造系统合弄框架系统的结构分析、建立了系统运 行模型，通过对这个模型的运行，实现了可重构制造系统的合弄结构运行过程。 最后，运用计算机编程技术、数据库技术及其相关技术，建立了一个可重构制 造系统合弄结构运行模型实例，并且通过这个实例的运行，展现了可重构制造系统 的系统的特点可重构性，从而论证了可重构制造系统合弄结构的现实性、可行 性。 关键词：可重构制造系统，合弄结构，制造系统结构，合弄制造系统 里重塑剑望至篓鱼墨塑塑塑一 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h es t r u c t u r eo f t h er e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( r m s ) i s s t u d i e di na s y s t e m a t i c a la n dt h o r o u g h l yw a y i n o r d e rt oa c h i e v et h ec h a r a c t e r i s t i co f t h e r m s ，h o l a r c h y ( s t r u c t u r e w i t hh o l o n s ) i s p u t f o r w a r d ，t h e f e a s i b i l i t yo f r m sh o l a r c h y i sv a l i d a t e db ya n a l y s i n go ft h es t r u c t u r eo fr m sa n d t h es i m u l a t eo ft h eo p e r a t i o no ft h e r m s h o l a r c h y t h er n a i nw o r ko f t h i sp a p e ri sd i s p l a y e db e l o w ： a f t e re x p a t i a t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h es t a t u sq u oo ft h em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， a n a l y s i n gt h ec h a l l e n g et h a tt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya r ef a c i n g 、t h eh i s t o r ya n dt h e t r e n do ft h em a n u f a c t u r i n gs y s t e m sd e v e l o p m e n t ，t h ep o s i t i o no ft h em a n u f a c t u r i n g s y s t e m i nt h e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a n dt h e i m p o r t a n c eo ft h ed e v e l o p m e n to ft h e m a n u f a c t u r i n ga r eo b t a i n e d w h e n d i s c u s s i n g t h ef e a t u r eo f t h er m s - - - - - r e c o n f i g u r a b i l i t y ，t h ed e f i n i t i o no f r m s i sa d v a n c e d t h er e s e a r c ht e n da n df i e l do ft h er m sa r ei n d i c a t e d ，a n dt h et e c h n i c a l f e a s i b i l i t yb a s e d o ns o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f t h er m sa r ea n a l y s e d t h ec o n t r o ls t r u c t u r eo ft h er m si ss t u d i e dt oc o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h e c o m b i n a t i o no fh i e r a r c h i c a lc o n t r o la n d p a r a l l e lc o n t r o li sp r e f e r r e d i nt h er m s a f t e rt h e r e s e a r c ho ft h eh o l o n st h a tt h eh o l a r c h yi si u s tt h ec o n t r o ls t r u c t u r et h a tt h er m s n e e d e di s g a i n e d ，a n dam o d e lo f t h er m si sc o n s t r u c tt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h eh o l a r c h yo f r m s u s i n gt h et e c h n i co fc o m p u t e rp r o g r a m m i n g a n dt h et e c h n i co fd a t a b a s e ，a c o m p u t e r m o d e lo ft h er m si sf o u n d e dt of u n c t i o nt h er e a ls y s t e m t h er e s u l to ft h er u n n i n gt h i s m o d e lo fr m si st h a th o l a r c h yi nt h er m si sf e a s i b l ea n dt h em o d e lo fr m sc a nf u n c t i o n w e l lt og e t r e c o n f i g u r a b i l i t yo f r m s k e y w o r d s ：r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m ，h o l a r c h y ，h o l o n ， m a n u f a c t u r i n gs y s t e ms t r u c t u r e ，h o l o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m i i 童室堕窒堕蒌盔堂堡圭堂鱼堡奎一 可重构制造系统合弄结构研究 第一章绪论 80 年代以来，随着全球交通、通信技术的飞速发展，商务环境的变化大大超 出了传统企业的跟踪、应变能力，市场竞争日趋激烈。新产品、新技术的出现和交 替速度越来越快，用户在追求高质量的同时必然要求多品种、低成本和短交货期， 这就对制造系统提出了更高的要求。本论文立足于先进的可重构制造理论和合弄结 构理论，提出一种新的制造系统框架可重构制造系统的合弄结构框架，目的是 满足市场对企业的新的环境下的要求。 1 1 引言 2l 世纪制造业面临的挑战一市场的动态变化，首先，制造企业面临的市场在 变，一方面，由于交通通讯的发展，以及贸易壁垒的不复存在，市场正从原来的区 域性市场演变成现在的全球性市场；另一方面，由于新的产品、新的生产企业不断 地加入，使得原有的大块产品市场演变成现在的越来越细小的产品的市场。市场的 这种变化既给企业带来了无限的希望，也给企业带来了巨大的竞争压力。其次，市 场对企业的要求在变，从原来的对质量、成本的要求演变为现在的对时间、质量、 成本、创新和服务等诸多方面的要求，而且这些要求的内涵也在不断的变化。这对 制造企业提出了更新、更高的要求。 ( 1 )时间r t i m e 不仅仅是指产品的交货时间，更重要的是指新产品的开 发时间和上市时间，甚至是指产品的整个生命周期。时间是体现企业竞争 力的第一要素。谁能在最短的时间内交货、谁能最快地开发出新产品并打 入市场、谁能在产品整个生命周期之内提供最好的服务，谁就能够占领市 场。这就要求企业具有快速的应变能力、产品开发能力和生产能力。 ( 2 ) 质量q q u a l i t y 不仅仅是指对产品本身的性能、功能、外观、可靠性 和使用寿命等方面的要求，更重要的是指如何在产品整个生命周期之内全 面地满足客户的要求，包括各种服务要求，顾客对产品及其服务的满意程 度是质量的度量。质量永远是衡量企业竞争力的重要指标。谁能提供高质 1 亘蔓塑型望墨堕鱼墨丝塑塑壅 量的产品，谁能在产品整个生命周期之内提供高质量的服务，谁就能够保 住市场。这就要求企业的产品设计水平、制造设备和制造工艺水平、以及 服务水平要高。 ( 3 )成本c c o s t 不仅仅是指单一的产品制造和销售成本，而且是指包括 产品的运行成本、维护成本及报废后的处理成本在内的全成本。成本或价 格一直是顾客选择产品的一个主要指标。谁能提供质量价格比最优的产 品，谁就能够拥有市场。为了降低成本，要求企业的产品和制造系统均具 有高度的柔性，能够以相对不变的制造设施制造各种各样的产品，能够以 尽量低的代价对产品进行维护和升级。 ( 4 ) 服务s s e n ，i c e 指产品整个生命周期之内的服务，包括售前咨询服 务、售后维护和升级升值服务等。可以说，企业卖给顾客的不仅仅是产品， 而是借助产品这座桥梁将自己的服务也卖给了顾客。服务已经越来越成为 企业占领市场和保住市场的重要要素。企业在产品整个生命周期之内都必 须具有强烈的服务意识和令顾客满意的高质量的服务水平。 面对上述变化的挑战，我们的制造企业只有两种选择。一种选择是，市场需要 的产品产生了变化，企业才根据市场的这种变化而相应地产生一系列的变动，这是 被动的选择：另一种选择是，借上述市场的动态变化所提供的机会，采用新技术， 全面地对企业结构、流程进行重新审视、重新构造和重新充电，从而更好地迎接2 l 世纪的竞争和挑战，这是主动的选择；显然，主动选择才是我们正确的选择 1 ，2 】。 宣室堕窒堕蒌盔兰堡主堂垡笙塞一 7 交货时间( t i m e ) 、 新产品开发时间和上市 时间 质量( q u a l i t y ) 售后服务质量 成本( c o s t ) 制造和销售成本 运行成本、维护成 本及报废后的处理 成本 服务( s e r v i c e ) 售前咨询服务 售后维护 升级升值服务 企业 计算机辅助设计( c a d ) 、计算 机辅助工艺编程( c a p p ) 、计 算机辅助制造( c a m ) 、并行工 程( c e ) 等 图1 1 1 企业的市场环境和内部可用技术 为了抓住新产品引进的机遇，计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工艺编程 ( c a p p ) 、计算机辅助制造( c a m ) 等一系列技术在近十年中大大减少了产品开发 时间。然而，对制造系统而言，这样的设计方法还没有，因而它的设计时间依然很 长。制造系统提前期现在已成为瓶颈 3 】。 如果制造系统的提前期能缩短，那么就可以既获得短暂的机会又可以获得较大的 经济效益。提前期的缩短可以通过由模块化组件构造的系统的快速设计来实现，或 通过对现有制造系统的重构来获得以生产新产品。为了生产新产品和顺应现有产品 的需求变化，新的功能必须能通过重构加入制造系统中。这种系统重构也是顺应市 场规律和集成新的工艺技术所需要的。在制造系统的生命周期中，重构将多次出现， 短的制造系统提前期是成功重构的关键。 重构还可以用于处理由新的市场条件导致的产品需求和品种的大幅度波动。这类 重构需要在系统生产能力( 即系统可伸缩性) 快速变化。总之，需要生产能力可调 整适应产品需求波动及功能可调整适应新产品的快速响应系统。当前的制造系统还 不能满足这些由新的、竞争的环境导致的需求 4 】。 在过去的三十年中，伴随着计算机技术的进步，并行工程的应用，现代化的生产 3 线的设计和制造可以几乎与产品的开发设计同时进行a 为进一步缩短产品上市的时 间，产品的制造提前期应当尽量的缩短，以适应市场的需求。为了适应市场的这种 新的需求，出现了可重构制造系统( r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e mr m s ) ，司 重构生产系统是为适应新的生产环境需要而设计的生产制造系统，可以通过重新安 排或改变其生产部件，而达到快速调节生产能力和生产功能的目的。以达到减少制 造提前期，降低生产成本，缩短产品从设计到大批量生产的时间的目的【5 】。 1 2 制造产业发展状况 r 本世纪初以来，由于科学技术的飞速发展，制造业取得了很大的进步。主要特 点之一就是在制造业的设计、制造与管理过程中大量采用了计算机技术和自动化技 术。从而，这些技术又推动了制造业更为迅速的发展。回顾制造业的发展历史，可 以看出其中有几个明显的阶段：单机自动化时期、专用设备自动化时期、系统自动 化时期、综合自动化时期。另外，可重构制造系统是继承2 0 年代的自动化流水线、 5 0 年代的n c 机床、6 0 年代末的f m s 和8 0 年代的c i m s 之后，由国外一些实施先 进制造的企业首先创造的又一类新型可变制造系统。 单机自动化时期是以刚性自动线或自动单机为标志的单机自动化发展时期。从2 0 世纪初到四五十年代，自动化技术已普遍应用于各类生产过程中，制造业已经开始 由机械化、半自动化发展到单机自动化，由流水线发展到自动线。这种自动化与大 批大量的生产模式相适应，基本上解决了大批量生产加工过程的自动化问题。 专用设备自动化时期是以数控( n c ) 技术与数控机床为标志的专用设备自动化 发展时期。从5 0 年代初到7 0 年代，制造业的生产规模和生产力进一步发展，制造 系统的复杂性和自动化程度不断增加，现代控制理论和计算机技术的应用对机械制 造工业注入了强大的动力。数控技术是为了实现机械加工控制自动化的要求而发展 起来的。数控( n c ) 机床就是采用数字技术，用数字量及字符发出指令来实现机床 运动轨迹的自动控制，进一步发展就是直接运用数字电子计算机来控制机床的加工 ，过程，即计算机数控( c n c ) ，数控机床是这个时期的机械加工自动化的核心设备。 系统自动化时期是以柔性制造系统( f m s ) 为标志的系统自动化发展时期。从7 0 年代到8 0 年代，这一时期开始从个别装置设备的自动化进入到追求整条生产线的自 动化以及整个工段、车间的柔性化和自动化。柔性制造系统f m s 是为适应中小批量 生产的自动化和自动化而发展起来的。f m s 通常是由c n c 加工中心机床、运输存 储系统以及中央控制计算机系统三个部分组成。其主要特点是“柔性”，就是在同一 条生产线或者车间中能够完成不同加工任务，根据系统规模和柔性程度的不同，柔 4 宣塞堕窒堕丕盔堂堡主堂焦坠皇一 性制造系统可以分为柔性制造单元( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 以及柔性自动 线( f m l ) 。在这个时期，“柔性”是制造系统的主要特征。 综合自动化时期是以现代集成制造系统( c i m s ) 为标志的综合自动化发展时期。 1 9 7 3 年，美国约瑟夫哈林顿( j o s e p hh a r t i n g t o n ) 博士在( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g 一书中首先提出c i m 概念。其中包括两个基本观点：( 1 ) 企业生产 的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生 产活动是一个不可分割的整体，要紧密连接，同意考虑；( 2 ) 整个生产过程实质上 是一个数据的采集、传递和加工处理的过程，最终形成的产品可以看作是数据的物 理表现【6 】。 可重构制造系统( r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e mr m s ) 是适应今天和明 天先进制造发展的新一代技术群体中一种重要而适用的技术，对我国制造企业增强 竞争力有重要意义。它与传统的制造系统规划、设计和建造的区别在于：企业可随 时根据产品变化，由产品工艺过程变化驱动、快速进行组态规划和设计，在专门的 多功能小组( t e a m ) 的支持下快速实施系统动态组态( 重构) 。因它是建立在公共 地基、可随时移动又可保证组态后性能的机床设备和组元基础上的，故具有投资少、 可重复利用、优化布置、物流合理、保证质量、设备运行可靠、短交货期和低成本 等优点。它既是可改进、可革新的开放系统，又是存在寿命期、由产品状况决定的 一种新的可变制造系统【5 】。 1 3 制造系统发展状况 其中，制造系统作为以上制造产业的支撑子系统，已经经历了两个阶段：刚性 制造系统和柔性制造系统：在将来，可重构制造系统将会是2 1 世纪的制造模式。 1 3 1 刚性生产线和柔性制造系统 刚性生产线或称流水线是基于廉价刚性自动化的生产线，它以大批量方式生产 企业的主要产品。一般地，每一条刚性生产线都设计成在加工工作站上几把刀具同 时运行以高生产率生产一种零件( 也就是说这种生产线是固定的) 。在产品需求量大 时每个零件的成本相对低些。只要需求超过供给，刚性生产线就有较好的成本效益。 随着全球竞争压力日益加大和世界范围的重复性建设，就会出现刚性生产线不能满 负荷运行的情况。 5 柔性制造系统( f i e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m 简称f m s ) 能在同一系统中按可 变批量和品种生产各种产品。它由昂贵的通用数控机床( c o m p u t e rn u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n e 简称c n c ) 和其他可程序控制的自动化设备组成。因为c n c 机 床大部分是单刀具生产，因而它的产出比刚性生产线低。高设备成本和低产出使所 制造产品的单件成本相对高些，f m s 的生产能力常常低于刚性生产线而初始成本高 于刚性生产线。 在现在的市场竞争中，产品需求有大的波动的情况经常发生，就给刚性生产线提 出了无法解决的难题，由于刚性生产线为固定产品批量所设计的，因此它不可更改a 所以，现在非常普遍的情况是，刚性生产线的可用生产能力大量过剩。关于汽车业 零部件制造商的最近研究表明，刚性生产线的有效平均利用率为5 3 。低平均利用 率的原因是一些产品处于产品生命周期的早期或末期，因而需求量少，即使在成熟 期的产品的生产量也不一定能达到在刚性生产线设计阶段预测的生产量。 在f m s 中，当设计采用多轴联动的c n c 机床时，这种理论上柔性很大的柔性制 造系统可以对刚性生产线构成挑战。尽管具有这种优势，但是，最近的调查报告表 明柔性制造系统没有被广泛采用，而且许多购买了f m s 的制造商对他们所买的f m s 系统的性能不满意。f m s 的高成本是f m s 不被广泛接受和人们对它不满意的主要 原因。f m s 很昂贵，和刚性生产线( d m l ) 不一样，c n c 机床不是针对具体的零 件设计的，相反，在f m s 购买商选择机床前和产品工艺规程编制前，c n c 机床就 要开发出来，以使机床和工艺适合零件的加工。因为c n c 机床开发商对具体的应用 不清楚，所以柔性系统和机床均配以尽可能多的功能。这就产生了功能、资本浪费， 也产生了一个共同的假定，即f m s 能按任何顺序、以任何零件品种、生产机床设计 范围内的任何零件。因为f m s 需要并行的系统结构，这种结构利用大功率、通用多 轴c n c ，并配以非常大的刀具库以及多套刀具，所以这种方法增加了系统的成本， 是一种非常昂贵的解决方案。 1 3 2 可重构制造的出现 可重构制造是计算机集成制造系统的最新发展领域。可重构生产系统着重强调 产品的生产制造过程。其目的是增强企业的快速响应能力，以生产出低成本高质量 的产品。现有的生产系统主要为两大类型，即固定自动化生产线和柔性制造系统。 固定自动化生产线专门生产一种产品，生产效率较高；柔性制造系统可生产许多产 品，但生产能力较低，而且设备较昂贵。所有这些系统都使用固定的硬件和不变的 软件a 即使像c n c 程序，也只改变与零件有关的部分，而程序的核心算法末改变。 6 直塞堕至塾丕丕堂堡主堂垡笙塞一 m o l i n s 有限公司是最早发展柔性制造系统的公司之一。在1 9 6 7 年，这个公司展 示了由w i l l i 咖s o n 先生提出的柔性集成制造系统“莫林斯2 4 系统”，展示了一种提 高产量的新颖方式，在这个系统中，工作站由工件固定于托盘的物流系统连接起来。 四年后，s u n d s t r a n d 于1 9 7 1 年提出了“梭车系统”，一个有轨托盘传送系统装载着 工件往返运行于工作站之间，工作站和这个有轨托盘围绕这个轨道布置，然而这个 系统仅适用于加工时间长和加工时间变化比较大的情况。在1 9 7 2 年l e i p z i g 春季展 览会上，a u e r b a c h 车床厂展示了“m 2 5 0 0 2c n c ”制造系统，这个系统由两个三坐 标机床、三个两臂交换器和个四臂机器人组成，这个系统可以进行多面加工零件 的五个面加工；加工中心由中央计算机控制，但是，仍然要由人工在中央操作站进 行工件的处理。1 9 9 7 年发展到柔性制造联合体( f m c ) ，即在日本的t s u k u b a 产生 了一个由模块化加工单元和装配机器人组成的、可以在一个回路上生产一系列产品 的实验工厂。在七十年代晚期，柔性制造系统产生了，它提供了一种可以在一条生 产系统内生产多种小批量产品的可能性。八十年代出现了聚合结构生产单元和自动 物料处理系统联系在一起的系统( 如m a xm o i l e r 的f r i t zw e m e r ) 。在九十年代早期， 敏捷制造系统由于能够缩短生产不同产品时所需要的转变时间，因而成为了人们的 追求目标。九十年代中期人们开始转向可重构制造系统，正是由于这个系统能够对 市场需求的变化快速适应，能及时提供精确的所需功能和能力。 市场的不可预测性、经常性变化已经造就了许多制造企业的外部环境。变化的 订单引起了引起了对制造系统的产出能力和处理功能需求的变化。可重构制造系统 由于可以提供快速适应新形势的能力和功能，因此可以适应这些需求的变化。可重 构制造系统的这种可适应性，同时也提供了为生产不同变数量产品的短期重新布置 的能力。另外，它也使系统具有了对新产品的可适应性，从而保证了长期的利润成 本率【7 】a 和柔性系统相似，可重构制造系统也具备自动物料、工具供应系统。供应系统 的结构严重地影响着产出能力、零件质量和可重构制造系统的可靠性。 如果我们考虑了整个生产系统在不确定市场中的寿命周期成本的话，可重构制 造系统会比柔性制造系统甚至专业化生产线成本更低。使可重构制造系统成本更低 的主要因素有，r m s 是根据能力和功能需求精确安装的，可能还可以根据确切的需 求在能力和功能上进行升级。扩展的功能使同一个系统可以制造同零件族的新工 件，反过来系统的寿命周期也得到了延长。r m s 允许根据需求增加额外的能力，这 就解决了专业化生产线的能力利用率低的问题。r a m s 还允许根据需求增加额外的功 能，这样就节省了在f m s 中同样问题的开销。因此，在专业化生产线和柔性制造系 统的这两种浪费在r m s 技术中都被消除了。 在8 0 年代以来，不断全球化和呈快速多变的制造货物市场上，一些先进的企业 为了实行更大的设备系统柔性进行了多种探索。日本对化- r e 产设各小型化和数控 可移动化进行了成功地探索；美国等一些先进的制造企业利用弹性支撑，抛弃了单 独地基的不变制造系统布置，成功实现制造系统的可移动组合布置。后者由于经济 简单易行很快为不少企业所接受。据知：美国相当多的制造企业平均每年对制造系 统进行1 2 次的重组布置，以适应产品的变化；英国有的公司达到1 次，周的重组 布置频率。在工业界和政府的推广下，发达国家从9 0 年代中开展了可重构制造系统 的基础与应用研究，并已推广应用。例如：1 9 9 4 1 9 9 9 年以美国密执安大学为中心 的r m s 课题获得了n s f 与工业界3 0 8 0 万美元的支持，进行了“制造系统重构方式 对系统性能的影响”，“产品装配过程的变流理论与建模”等方面的研究。并以可重 构的敏捷制造为课程进行了广泛地企业培训，同3 0 个以上的企业进行以r m s - - e r c 为基础的合作。与此同时，美国依阿华大学和麻省理工学院的研究人员对这类系统 的设计进行了研究。因此，可以预见，一个建立在科学基础上可重构制造系统技术 将成为支持2 0 世纪初制造业发展的重大技术 8 】。 1 4 研究内容和目的 针对新出现的制造系统模式可重构制造系统，本论文通过对可重构制造系 统的出现、发展历程的分析研究，并且对可重构制造系统的主要特性可重构性 作了进一步的引申，阐述了可重构制造系统对其结构的要求，提出了可重构系统的 三层控制结构决策层、控制层和设备层。 结合可重构制造系统的三层控制结构，本论文分析了递阶控制和协同控制在可 重构制造系统中的优缺点，并且在可重构制造系统中引入了合弄结构的概念，提出 一个可重构制造系统的合弄结构框架，并且本论文运用计算机编程技术、数据库技 术和其它相关技术对可重构制造系统进行了简单构架，验证了可重构制造系统的合 弄框架的可行性，并提出了对可重构制造系统发展趋势的构想。 本论文第一章通过对制造系统的发展现状的阐述，分析制造产业在新的市场环 境中正面临着挑战，制造产业的发展历史和趋势，得知制造系统在制造产业中的地 位和制造系统发展的必要性。可重构制造系统是一个新兴的制造系统，可以适应本 世纪初的制造业发展对制造系统的要求。 本论文第二章给出了可重构制造系统的定义，并对可重构制造系统的主要特性 可重构特性作了详细的论述。从软件、硬件两方面探讨了可重构制造系统在技 8 南京航空航天大学硕士学位论文 术上的可行性，并指出了可重构制造系统现今研究的方向及热点。 本论文第三章对可重构制造系统的控制结构进行分析研究，结论是在可重构制 造系统中采用递阶控制和并行控制相结合的控制形式。通过对合弄结构的分析研究 可知，在可重构制造系统中采用合弄控制结构可以满足r m s 对控制结构的要求。并 且理论上对可重构制造系统的合弄结构运行建立了模型，通过这个理论模型的运行 验证了可重构制造系统的合弄结构运行的可行性。 本论文第四章通过运用计算机编程技术、数据库技术及其相关技术，建立了一 个可重构制造系统合弄结构运行模型，并且通过这个模型的实际运行，实现了可重 构制造系统的系统运作，体现了系统的可重构特性，从而论证了可重构制造系统合 弄结构的现实性、可行性。 - 9 - 第二章可重构制造系统 2 1 可重构制造系统定义 为了迎接2 l 世纪的挑战，制造业必须具有适应全球市场竞争的快速响应能力， 也就是企业的生产能力可以随着市场的需求变化而调节；同时生产制造系统本身也 可以实施更新，以适应新的生产工艺要求或满足更高的产品质量要求。目前的生产 制造系统，就是f m s 也不具备上述功能。以经济效益为目标，由可重构机床、可重 构控制器和相应的系统设计和诊断技术所组成的可重构制造系统( r e c o n f i g u r a b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m - - r m s ) ，是面向2 1 世纪的新型生产模式。在九十年代早期， 敏捷制造系统由于能够缩短生产不同产品时所需要的转变时间，因而成为了人们的 追求目标。九十年代中期人们开始转向可重构制造系统，正是由于这个系统能够对 市场需求的变化快速适应，能及时提供精确的所需功能和能力。美国密西根大学( t h e u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n ) 工程研究中心( e n g i n e e r i n gr e s e a r c hc e n t e r ) 在这个方面作 了较多的研究工作，美国国家自然科学基金对这一为期5 年的项目给予极大资助， 项目总拨款( $ 6 ，9 0 8 ，3 7 8 ) 接近7 0 0 万美元。 2 1 1 可重构制造系统的基本特点 可重组制造系统是继承2 0 年代的自动化流水线、5 0 年代的n c 机床、6 0 年代 的f m s 和8 0 年代的c i m s 之后，由一些实施先进制造的企业首先创造的又一类新 型可变制造系统。其目的在于：大大缩短适应产品品种与产量变化的制造系统的规 划、设计和建造时间及新产品的上市时间，大幅度地压缩系统建造的投资、降低生 产成本、保证质量、合理利用资源、提高企业的市场竞争力和可获利性。它涉及： 先进的制造战略、营销、新产品创新与改进的设计与开发、系统工程与分析、随机 动态规划与决策论、质量工程、系统可靠性和运行跟踪与诊断，计算机技术、自治 与协同控制、硬软件接口与协议技术、经济可承受性、系统集成管理和生产运作管 理等多学科、多种技术的交叉融合。 r m s ( 可重构制造系统) 是适应今天和明天先进制造发展的新一代技术群体中 一种重要而适用的技术，对我国制造企业增强竞争力有重要意义。它与传统的制造 系统规划、设计和建造的区别在于：企业随时根据产品变化，由产品工艺过程变化 1 0 塑塞塾窒塾墨盔堂堡主兰垡笙皇一 驱动的快速组态规划和设计，在专门的多功能小组( t e a m ) 支持下快速实施的、系 统的动态组态( 重组) 是建立在公共地基、可随时移动又保证组态后性能的机床设 备和组元基础上的，是少投资、可重复利用的，是最优化布置和物流合理的，是保 证质量、设备运行可靠、短交货期和较低成本的，是可改进与革新的开放系统，其 存在寿命期由产品状况决定的一种新的可变制造系统。 可重构制造系统( r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m - - r m s ) 是以合理的成本 效益响应市场变化需要新的制造方法，它不仅即要有刚性生产线( d m l ) 的高产出 又要有f m s 的柔性，而且还能快速有效地响应各种变化，这些制造系统的性能可通 过如下方法获得： 系统和机床的结构设计是可调整的，这种结构使系统对市场需求能够进行一定 程度的系统升级，并且系统和机床对新产品具有可适应性，系统的结构可以在 系统级( 如增加机床) 和机床级( 如增加主轴、更换刀具库以及集成先进的控 制器) 调整。 围绕零件族进行制造系统设计，并拥有生产给定零件族的所有零件所要求的定 制柔性。这使系统成本减少。 r m s 由于系统响应不断变化的市场环境其功能和能力随时间推移而变化，可重 构制造系统能够按需要提供可调整的结构、可升级性能和柔性( 这种柔性虽然是定 制的，但提供对零件族中的所有零件所需的柔性) 。成本效益合理的系统应该具有一 定的定制柔性，能够针对一个零件族或者多工具同步运行的定制柔性动态创建【9 】。 刚性生产线( d m l ) 在按其最大计划能力运行的情况下其成本是常数，对于更 大的能力必须建立补充的昂贵的生产线。f m s 的成本以定值比例变化( 按并行方式 增加机床) ，可重构制造系统( r m s ) 是比例变化的，但是不是一个固定的值，其变 化依赖于r m s 的原始设计和市场环境。 r m s 的主要组成成分是c n c 机床和可重构机床( r e c o n f i g u r a b l e m a c h i n et o o l ，简 称r m t ) 。r m t 是一类模块化的机床，它拥有其对资源进行调整的可变更结构，如 增加第二主轴。除了r m t 之外，在开放结构环境下可快速更改和集成可重构结构 是r m s 成功的关键。 2 1 2 可重构制造系统定义 可重构制造系统( r m s ，r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 定义为能适应 市场需求的产品的变化，按系统规划的要求，以重排、重复利用、革新组元或子系统 的方式，快速调整制造过程、制造功能和制造生产能力的类新型可变制造系统f 9 j 。 - l l - 旦重塑型望墨塑笪立翌堕塑望l 一 2 2 可重构制造系统的可重构特性 制造系统的可重构性是多方面的，它应该涵盖全部制造活动和过程总体看来， 可重构制造系统的可重构性可以分以下几种： 2 2 1 产品的可重构性 为了更好地利用专业人员的专门技术、知识和技巧，根据市场需求快速地开发 出符合用户需求的产品。本论文的产品重构涉及到从市场、营销、设计、测试到正 式加工制造，直到回收处理、的整个生命周期。产品可重构要求产品具有可重构性， 有以下含义： 首先，零件和部件设计成具有标准接口的模块，产品可以通过重构一部分基本 零件模块，获得多种多样的部件和成品，因而在设计阶段就能够对设计资源进行更 好地配置和使用，对新部件的要求可以通过对已有零部件变形设计的重构过程来实 现，重构技术减少了零件设计方案的数量，避免设计部件数量剧烈增加。产品可重 构性要求对已有零件和部件的设计方案进行新的分类管理，从而可以减少新产品开 发的复杂性以及降低部件生产成本，更重要的是加快了企业产品设计对市场的反应 速度。 其次，在设计阶段，需要按产品系列化设计、开发和管理产品，以适应各种用 户需求。实际上，产品的重构的方法在产品开发过程中已经隐含地使用了，如大批 量定制生产。大批量定制生产是企业向客户提供满意的产品和服务，同时保持大批 量生产规模效益的一种新型模式，它是通过重构现有产品来满足客户多品种要求的 一种方法。大批量定制生产满足用户要求的方法是，在备选方案和功能冗余基础上 进行产品的动态组合重构，从整个产品系列设计的开发的角度出发进行产品开发和 设计，形成一定的产品系列，从而适应客户的多样化需求。 最后，为了减少生产系统对周围环境的影响，产品重构应考虑环境因素，通过 对废品和回收零件进行再再加工和利用，以实现产品寿命周期的重构。有时候产品 的设计和生产主要考虑满足功能上的需求，没有考虑环境方面的影响。在大规模生 产模式下，制造企业造成了许多水污染、大气污染以及一系列的环境污染，造成了 耗费大量精力处理环境污染这样一个现实，这些只是被动地解决环境问题。然而在 可重构制造系统的产品生命周期的开始阶段，由于加强了产品的可重构性，可以主 动地解决这些问题。零件废品、回收产品等都将作为新的产品的重构材料，这将减 少重复的零件生产，并且减少了旧零件的废弃垃圾污染，当然，这要求产品在设计 1 2 壹室堕窒堕丕盔堂堡主堂堡垒苎一 初级阶段就考虑到产品的模块化，也就是通过评估模块化参数、产品材料和产品的 可制造性，提高产品的可重用能力、可回收利用性和减少产品对环境的影响，最终 提高产品的可重构性 1 0 ，1 1 】。 2 2 2 企业业务过程可重构性 引入了b p r ( b u s i n e s sp r o c e s sr e c o n f i g u r a t i o n 业务过程重组) 的思想，是企业 对商业过程进行彻底检查、质疑、重新定义、设计，旨在去除一切对企业经营目标 而言非中心性的活动，作为企业业务系统中的一种变革过程，业务过程重构主要关 注组织中各项活动是如何展开的最重要保留的是核心业务过程( 如创造附加价值的 业务过程) ，把非核心业务过程另外处理。 在可重构制造系统中，雇员组织更具有柔性，允许雇员将其工作与上游及下游 的活动联系起来，具有不同职能的雇员可以充分地交流思想，这样，可以打破传统 递阶组织结构的限制，具有并行结构的优点。 制造系统中业务过程的形式和背景随情况不同而异，以前的核心业务过程会变成 非核心业务过程，不再适应变化的环境。为了保持竞争力，一个企业必须对不断地 对核心业务过程进行重构。比如，在一些情况下，一些车床成为了瓶颈过程，然而 在另外一些情况下，这些车床不再成为瓶颈，所以核心流程相应地也要重构，来适 应这种变化。业务过程重构通常应当以改良的方式来实现，连续的、积累性的改善 可以减小冲突，使进展更加顺利。但是，过程重构时常需要通过革命性的变革方式 进行【1 0 ，1 2 ，1 3 】。 2 2 3 组织结构可重构性 组织结构的可重构能力是制造系统快速响应变化的基本条件。组织结构可重构 性允许企业以适当的方式组织和管理生产，快捷和经济完成客户的订单。 组织结构的可重构能力可以表现为企业内部的重构能力，以及企业间的重构能 力。企业之间组织重构可以分为两种类型：一类是宏观经济意义上的企业集团和资 产重组与合并，以及在经营不善时企业的破产，这种宏观的组织结构重构具有静态 性和永久性，通常由宏观经济标准进行评价和促成；另一类是组织内部单元的动态 和临时性组合。组织重构支持地理上分散的企业，建立面向任务的虚拟企业以及供 应网络。 当一个企业的订单来临的时候，本企业不能全部加工，于是就和自己的联盟企 1 3 - 业谈判，形成动态的虚拟企业，共同完成此订单，现在在国际乎联网上就可以直接 找寻自己的合作伙伴，将虚拟企业的地理范围扩展到了全球的范围。企业内组织重 构主要是考虑一个企业内部组织单元的重构，它可以进一步分为组织单元内部的重 构和组织单元之间的重构。组织单元内的重构由组织单元内部的各个对象根据组织 单元的整体目标，通过自我重新构造，形成完成这个目标的最优化组合。 组织单元之间的重构是为了实现整个企业的策略，而进行整个企业内部的组织 之间的重构，形成最优的人力资源、设备资源等一系列资源的整体优化 1 0 ，1 4 ，1 5 ， 1 6 1 。 2 2 4 车间制造系统的重构性 主要涉及加工设备、物料流动设备的动态变化能力。 第一，加工设备和物流设备应具有根据任务要求改变其结构和位置的能力。模 块化机床、模块化机器人等模块化车间设备将会在可重构车间中广泛采用，从而车 间的柔性得到了极大的提高，车间的加工能力也有了很大的完善，使可重构车间具 有接近刚性生产线的效率。 第二，加工系统具有即插即用的功用，能够在不影响车间加工效率的情况下， 能够动态地增加和减少设备，使系统布局具有动态重构能力，满足不同产品生产需 要： 第三，车间控制系统的控制结构应该具有可重构性，能够动态监测系统的性能， 向其它模块提供它们所需要的信息，并且具有一定的自治性f 1 7 ，1 8 ，1 9 1 。 2 2 5 信息系统的可重构性 信息技术是促进现代制造业迅速发展的一个重要的驱动因素，在制造系统中， 由于从市场信息开始，到接受客户订单，直到订单在整个企业中的监控、完成，信 息处理系统都在其中发挥了很大的作用。 由于可重构制造系统的车间、组织、业务、产品的可重构性的需求，信息平台 不能是以一种单一模式的形式出现。企业组织之间和企业间组织模块之间的重构， 不仅要求相关的单元间有标准的接口来进行畅通的通讯交流和信息共享，而且还要 能够进行大量的信息交流，产品从市场、设计、试制、到成批生产、质量检测阶段 都需要大量的信息交换和处理，在每一次重构的过程中都会有大量的信息在企业中 流动，不仅仅是重构的模块要进行更新，而且相关的模块都要进行信息更新，因此， 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 信息系统必须具有相当的柔性，来适应这些重构过程 信息平台对可重构能力的支持对于可重构制造系统的成功重构是非常关键的。 在可重构制造系统中，信息系统需要具有很高的柔性，在可重构制造系统的信息系 统中，由于各个模块都是可以动态重构的，所以信息系统的硬件和软件都应该是即 插即用的，能够随着系统的动态变化进行动态的调整，当制造系统需要动态变化时， 信息系统可以跟随制造系统的动态改变而提供动态支持。【l o ，2 0 1 2 3 可重构性的技术基础 2 3 1 可重构制造系统的使能技术 在过去的几年间，有两项使能技术( e n a b l e rt e c h n o l o g y ) 使得可重构生产系统得以 实现，一是开放式控制体系，另一个是模块化机床( 有别于组合机床) 。这些新技术 使得可重构生产系统的发展成为可能，其关键因素是模块化的可重构硬件和可重构 软件【5 】。 可重构生产系统不仅仅是这些模块化机床和控制器的简单组合，而且要开发出 一整套全新的生产系统，包括传感、检测体系等所有生产部件，这些模块具有标准 的接口，可以进行方便的即插即用【2 l 】。也就是说生产系统本身是柔性的，它可以 被升级或更新，而不是被简单替换。还有，就是生产线可以制造多样的产品，而生 产线本身也可改变。 当前，随着模块化机床和模块化机器人的出现，具有这种性能的生产线将要出 现，而且，已经有了可重构的装配线的出现。德国b o s c h 公司开发出的可重构手工 装配系统，以铝材为基本结构，所有构件全部标准化，设计人员根据标准选用构件 组成装配线，日本索尼公司开发的柔性装配系统s m a r t 系统，具备传送、供 料、配送、装配四要素，其组成部件采用模块化设计，系统具有可重构性，系统平 均节拍2 0 - - - 3 0 秒，适用于月产3 万件左右的自动装配线 2 2 1 。 2 3 2 可重构性的技术基础 对