摘要 本論文對(duì)可重構(gòu)制造系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的研究，針對(duì)可重構(gòu) 制造系統(tǒng)的特點(diǎn)提出了可重構(gòu)制造系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)上采用了合 弄結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)控制和其它模塊的可重構(gòu)性的要求，建立了可重構(gòu)制造系統(tǒng) 的合弄框架結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)可重構(gòu)制造系統(tǒng)合弄框架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析、建立了系統(tǒng)運(yùn) 行模型，通過(guò)對(duì)這個(gè)模型的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)制造系統(tǒng)的合弄結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程。 最后，運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)，建立了一個(gè)可重構(gòu)制 造系統(tǒng)合弄結(jié)構(gòu)運(yùn)行模型實(shí)例，并且通過(guò)這個(gè)實(shí)例的運(yùn)行，展現(xiàn)了可重構(gòu)制造系統(tǒng) 的系統(tǒng)的特點(diǎn)可重構(gòu)性，從而論證了可重構(gòu)制造系統(tǒng)合弄結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)性、可行 性。 關(guān)鍵詞：可重構(gòu)制造系統(tǒng)，合弄結(jié)構(gòu)，制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合弄制造系統(tǒng) 里重塑劍望至簍魚墨塑塑塑一 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 童室墮窒墮蔞盔堂堡圭堂魚堡奎一 可重構(gòu)制造系統(tǒng)合弄結(jié)構(gòu)研究 第一章緒論 80 年代以來(lái)，隨著全球交通、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，商務(wù)環(huán)境的變化大大超 出了傳統(tǒng)企業(yè)的跟蹤、應(yīng)變能力，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。新產(chǎn)品、新技術(shù)的出現(xiàn)和交 替速度越來(lái)越快，用戶在追求高質(zhì)量的同時(shí)必然要求多品種、低成本和短交貨期， 這就對(duì)制造系統(tǒng)提出了更高的要求。本論文立足于先進(jìn)的可重構(gòu)制造理論和合弄結(jié) 構(gòu)理論，提出一種新的制造系統(tǒng)框架可重構(gòu)制造系統(tǒng)的合弄結(jié)構(gòu)框架，目的是 滿足市場(chǎng)對(duì)企業(yè)的新的環(huán)境下的要求。 1 1 引言 2l 世紀(jì)制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)一市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，首先，制造企業(yè)面臨的市場(chǎng)在 變，一方面，由于交通通訊的發(fā)展，以及貿(mào)易壁壘的不復(fù)存在，市場(chǎng)正從原來(lái)的區(qū) 域性市場(chǎng)演變成現(xiàn)在的全球性市場(chǎng)；另一方面，由于新的產(chǎn)品、新的生產(chǎn)企業(yè)不斷 地加入，使得原有的大塊產(chǎn)品市場(chǎng)演變成現(xiàn)在的越來(lái)越細(xì)小的產(chǎn)品的市場(chǎng)。市場(chǎng)的 這種變化既給企業(yè)帶來(lái)了無(wú)限的希望，也給企業(yè)帶來(lái)了巨大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。其次，市 場(chǎng)對(duì)企業(yè)的要求在變，從原來(lái)的對(duì)質(zhì)量、成本的要求演變?yōu)楝F(xiàn)在的對(duì)時(shí)間、質(zhì)量、 成本、創(chuàng)新和服務(wù)等諸多方面的要求，而且這些要求的內(nèi)涵也在不斷的變化。這對(duì) 制造企業(yè)提出了更新、更高的要求。 ( 1 )時(shí)間r t i m e 不僅僅是指產(chǎn)品的交貨時(shí)間，更重要的是指新產(chǎn)品的開(kāi) 發(fā)時(shí)間和上市時(shí)間，甚至是指產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。時(shí)間是體現(xiàn)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng) 力的第一要素。誰(shuí)能在最短的時(shí)間內(nèi)交貨、誰(shuí)能最快地開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品并打 入市場(chǎng)、誰(shuí)能在產(chǎn)品整個(gè)生命周期之內(nèi)提供最好的服務(wù)，誰(shuí)就能夠占領(lǐng)市 場(chǎng)。這就要求企業(yè)具有快速的應(yīng)變能力、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力和生產(chǎn)能力。 ( 2 ) 質(zhì)量q q u a l i t y 不僅僅是指對(duì)產(chǎn)品本身的性能、功能、外觀、可靠性 和使用壽命等方面的要求，更重要的是指如何在產(chǎn)品整個(gè)生命周期之內(nèi)全 面地滿足客戶的要求，包括各種服務(wù)要求，顧客對(duì)產(chǎn)品及其服務(wù)的滿意程 度是質(zhì)量的度量。質(zhì)量永遠(yuǎn)是衡量企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要指標(biāo)。誰(shuí)能提供高質(zhì) 1 亙蔓塑型望墨墮魚墨絲塑塑壅 量的產(chǎn)品，誰(shuí)能在產(chǎn)品整個(gè)生命周期之內(nèi)提供高質(zhì)量的服務(wù)，誰(shuí)就能夠保 住市場(chǎng)。這就要求企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平、制造設(shè)備和制造工藝水平、以及 服務(wù)水平要高。 ( 3 )成本c c o s t 不僅僅是指單一的產(chǎn)品制造和銷售成本，而且是指包括 產(chǎn)品的運(yùn)行成本、維護(hù)成本及報(bào)廢后的處理成本在內(nèi)的全成本。成本或價(jià) 格一直是顧客選擇產(chǎn)品的一個(gè)主要指標(biāo)。誰(shuí)能提供質(zhì)量?jī)r(jià)格比最優(yōu)的產(chǎn) 品，誰(shuí)就能夠擁有市場(chǎng)。為了降低成本，要求企業(yè)的產(chǎn)品和制造系統(tǒng)均具 有高度的柔性，能夠以相對(duì)不變的制造設(shè)施制造各種各樣的產(chǎn)品，能夠以 盡量低的代價(jià)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)。 ( 4 ) 服務(wù)s s e n ，i c e 指產(chǎn)品整個(gè)生命周期之內(nèi)的服務(wù)，包括售前咨詢服 務(wù)、售后維護(hù)和升級(jí)升值服務(wù)等?？梢哉f(shuō)，企業(yè)賣給顧客的不僅僅是產(chǎn)品， 而是借助產(chǎn)品這座橋梁將自己的服務(wù)也賣給了顧客。服務(wù)已經(jīng)越來(lái)越成為 企業(yè)占領(lǐng)市場(chǎng)和保住市場(chǎng)的重要要素。企業(yè)在產(chǎn)品整個(gè)生命周期之內(nèi)都必 須具有強(qiáng)烈的服務(wù)意識(shí)和令顧客滿意的高質(zhì)量的服務(wù)水平。 面對(duì)上述變化的挑戰(zhàn)，我們的制造企業(yè)只有兩種選擇。一種選擇是，市場(chǎng)需要 的產(chǎn)品產(chǎn)生了變化，企業(yè)才根據(jù)市場(chǎng)的這種變化而相應(yīng)地產(chǎn)生一系列的變動(dòng)，這是 被動(dòng)的選擇：另一種選擇是，借上述市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化所提供的機(jī)會(huì)，采用新技術(shù)， 全面地對(duì)企業(yè)結(jié)構(gòu)、流程進(jìn)行重新審視、重新構(gòu)造和重新充電，從而更好地迎接2 l 世紀(jì)的競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)，這是主動(dòng)的選擇；顯然，主動(dòng)選擇才是我們正確的選擇 1 ，2 】。 宣室墮窒墮蔞盔蘭堡主堂垡笙塞一 7 交貨時(shí)間( t i m e ) 、 新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間和上市 時(shí)間 質(zhì)量( q u a l i t y ) 售后服務(wù)質(zhì)量 成本( c o s t ) 制造和銷售成本 運(yùn)行成本、維護(hù)成 本及報(bào)廢后的處理 成本 服務(wù)( s e r v i c e ) 售前咨詢服務(wù) 售后維護(hù) 升級(jí)升值服務(wù) 企業(yè) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( c a d ) 、計(jì)算 機(jī)輔助工藝編程( c a p p ) 、計(jì) 算機(jī)輔助制造( c a m ) 、并行工 程( c e ) 等 圖1 1 1 企業(yè)的市場(chǎng)環(huán)境和內(nèi)部可用技術(shù) 為了抓住新產(chǎn)品引進(jìn)的機(jī)遇，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( c a d ) 、計(jì)算機(jī)輔助工藝編程 ( c a p p ) 、計(jì)算機(jī)輔助制造( c a m ) 等一系列技術(shù)在近十年中大大減少了產(chǎn)品開(kāi)發(fā) 時(shí)間。然而，對(duì)制造系統(tǒng)而言，這樣的設(shè)計(jì)方法還沒(méi)有，因而它的設(shè)計(jì)時(shí)間依然很 長(zhǎng)。制造系統(tǒng)提前期現(xiàn)在已成為瓶頸 3 】。 如果制造系統(tǒng)的提前期能縮短，那么就可以既獲得短暫的機(jī)會(huì)又可以獲得較大的 經(jīng)濟(jì)效益。提前期的縮短可以通過(guò)由模塊化組件構(gòu)造的系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，或 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有制造系統(tǒng)的重構(gòu)來(lái)獲得以生產(chǎn)新產(chǎn)品。為了生產(chǎn)新產(chǎn)品和順應(yīng)現(xiàn)有產(chǎn)品 的需求變化，新的功能必須能通過(guò)重構(gòu)加入制造系統(tǒng)中。這種系統(tǒng)重構(gòu)也是順應(yīng)市 場(chǎng)規(guī)律和集成新的工藝技術(shù)所需要的。在制造系統(tǒng)的生命周期中，重構(gòu)將多次出現(xiàn)， 短的制造系統(tǒng)提前期是成功重構(gòu)的關(guān)鍵。 重構(gòu)還可以用于處理由新的市場(chǎng)條件導(dǎo)致的產(chǎn)品需求和品種的大幅度波動(dòng)。這類 重構(gòu)需要在系統(tǒng)生產(chǎn)能力( 即系統(tǒng)可伸縮性) 快速變化。總之，需要生產(chǎn)能力可調(diào) 整適應(yīng)產(chǎn)品需求波動(dòng)及功能可調(diào)整適應(yīng)新產(chǎn)品的快速響應(yīng)系統(tǒng)。當(dāng)前的制造系統(tǒng)還 不能滿足這些由新的、競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境導(dǎo)致的需求 4 】。 在過(guò)去的三十年中，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，并行工程的應(yīng)用，現(xiàn)代化的生產(chǎn) 3 線的設(shè)計(jì)和制造可以幾乎與產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行a 為進(jìn)一步縮短產(chǎn)品上市的時(shí) 間，產(chǎn)品的制造提前期應(yīng)當(dāng)盡量的縮短，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。為了適應(yīng)市場(chǎng)的這種 新的需求，出現(xiàn)了可重構(gòu)制造系統(tǒng)( 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 重構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)是為適應(yīng)新的生產(chǎn)環(huán)境需要而設(shè)計(jì)的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，可以通過(guò)重新安 排或改變其生產(chǎn)部件，而達(dá)到快速調(diào)節(jié)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)功能的目的。以達(dá)到減少制 造提前期，降低生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到大批量生產(chǎn)的時(shí)間的目的【5 】。 1 2 制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r r 本世紀(jì)初以來(lái)，由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，制造業(yè)取得了很大的進(jìn)步。主要特 點(diǎn)之一就是在制造業(yè)的設(shè)計(jì)、制造與管理過(guò)程中大量采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技 術(shù)。從而，這些技術(shù)又推動(dòng)了制造業(yè)更為迅速的發(fā)展。回顧制造業(yè)的發(fā)展歷史，可 以看出其中有幾個(gè)明顯的階段：?jiǎn)螜C(jī)自動(dòng)化時(shí)期、專用設(shè)備自動(dòng)化時(shí)期、系統(tǒng)自動(dòng) 化時(shí)期、綜合自動(dòng)化時(shí)期。另外，可重構(gòu)制造系統(tǒng)是繼承2 0 年代的自動(dòng)化流水線、 5 0 年代的n c 機(jī)床、6 0 年代末的f m s 和8 0 年代的c i m s 之后，由國(guó)外一些實(shí)施先 進(jìn)制造的企業(yè)首先創(chuàng)造的又一類新型可變制造系統(tǒng)。 單機(jī)自動(dòng)化時(shí)期是以剛性自動(dòng)線或自動(dòng)單機(jī)為標(biāo)志的單機(jī)自動(dòng)化發(fā)展時(shí)期。從2 0 世紀(jì)初到四五十年代，自動(dòng)化技術(shù)已普遍應(yīng)用于各類生產(chǎn)過(guò)程中，制造業(yè)已經(jīng)開(kāi)始 由機(jī)械化、半自動(dòng)化發(fā)展到單機(jī)自動(dòng)化，由流水線發(fā)展到自動(dòng)線。這種自動(dòng)化與大 批大量的生產(chǎn)模式相適應(yīng)，基本上解決了大批量生產(chǎn)加工過(guò)程的自動(dòng)化問(wèn)題。 專用設(shè)備自動(dòng)化時(shí)期是以數(shù)控( n c ) 技術(shù)與數(shù)控機(jī)床為標(biāo)志的專用設(shè)備自動(dòng)化 發(fā)展時(shí)期。從5 0 年代初到7 0 年代，制造業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)力進(jìn)一步發(fā)展，制造 系統(tǒng)的復(fù)雜性和自動(dòng)化程度不斷增加，現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)機(jī)械制 造工業(yè)注入了強(qiáng)大的動(dòng)力。數(shù)控技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工控制自動(dòng)化的要求而發(fā)展 起來(lái)的。數(shù)控( n c ) 機(jī)床就是采用數(shù)字技術(shù)，用數(shù)字量及字符發(fā)出指令來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床 運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)控制，進(jìn)一步發(fā)展就是直接運(yùn)用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)來(lái)控制機(jī)床的加工 ，過(guò)程，即計(jì)算機(jī)數(shù)控( c n c ) ，數(shù)控機(jī)床是這個(gè)時(shí)期的機(jī)械加工自動(dòng)化的核心設(shè)備。 系統(tǒng)自動(dòng)化時(shí)期是以柔性制造系統(tǒng)( f m s ) 為標(biāo)志的系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)展時(shí)期。從7 0 年代到8 0 年代，這一時(shí)期開(kāi)始從個(gè)別裝置設(shè)備的自動(dòng)化進(jìn)入到追求整條生產(chǎn)線的自 動(dòng)化以及整個(gè)工段、車間的柔性化和自動(dòng)化。柔性制造系統(tǒng)f m s 是為適應(yīng)中小批量 生產(chǎn)的自動(dòng)化和自動(dòng)化而發(fā)展起來(lái)的。f m s 通常是由c n c 加工中心機(jī)床、運(yùn)輸存 儲(chǔ)系統(tǒng)以及中央控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三個(gè)部分組成。其主要特點(diǎn)是“柔性”，就是在同一 條生產(chǎn)線或者車間中能夠完成不同加工任務(wù)，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和柔性程度的不同，柔 4 宣塞墮窒墮丕盔堂堡主堂焦墜皇一 性制造系統(tǒng)可以分為柔性制造單元( f m c ) 、柔性制造系統(tǒng)( f m s ) 以及柔性自動(dòng) 線( f m l ) 。在這個(gè)時(shí)期，“柔性”是制造系統(tǒng)的主要特征。 綜合自動(dòng)化時(shí)期是以現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)( c i m s ) 為標(biāo)志的綜合自動(dòng)化發(fā)展時(shí)期。 1 9 7 3 年，美國(guó)約瑟夫哈林頓( 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 一書中首先提出c i m 概念。其中包括兩個(gè)基本觀點(diǎn)：( 1 ) 企業(yè)生產(chǎn) 的各個(gè)環(huán)節(jié)，即從市場(chǎng)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、經(jīng)營(yíng)管理到售后服務(wù)的全部生 產(chǎn)活動(dòng)是一個(gè)不可分割的整體，要緊密連接，同意考慮；( 2 ) 整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)質(zhì)上 是一個(gè)數(shù)據(jù)的采集、傳遞和加工處理的過(guò)程，最終形成的產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物 理表現(xiàn)【6 】。 可重構(gòu)制造系統(tǒng)( 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 ) 是適應(yīng)今天和明 天先進(jìn)制造發(fā)展的新一代技術(shù)群體中一種重要而適用的技術(shù)，對(duì)我國(guó)制造企業(yè)增強(qiáng) 競(jìng)爭(zhēng)力有重要意義。它與傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的區(qū)別在于：企業(yè)可隨 時(shí)根據(jù)產(chǎn)品變化，由產(chǎn)品工藝過(guò)程變化驅(qū)動(dòng)、快速進(jìn)行組態(tài)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，在專門的 多功能小組( t e a m ) 的支持下快速實(shí)施系統(tǒng)動(dòng)態(tài)組態(tài)( 重構(gòu)) 。因它是建立在公共 地基、可隨時(shí)移動(dòng)又可保證組態(tài)后性能的機(jī)床設(shè)備和組元基礎(chǔ)上的，故具有投資少、 可重復(fù)利用、優(yōu)化布置、物流合理、保證質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行可靠、短交貨期和低成本 等優(yōu)點(diǎn)。它既是可改進(jìn)、可革新的開(kāi)放系統(tǒng)，又是存在壽命期、由產(chǎn)品狀況決定的 一種新的可變制造系統(tǒng)【5 】。 1 3 制造系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r 其中，制造系統(tǒng)作為以上制造產(chǎn)業(yè)的支撐子系統(tǒng)，已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段：剛性 制造系統(tǒng)和柔性制造系統(tǒng)：在將來(lái)，可重構(gòu)制造系統(tǒng)將會(huì)是2 1 世紀(jì)的制造模式。 1 3 1 剛性生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng) 剛性生產(chǎn)線或稱流水線是基于廉價(jià)剛性自動(dòng)化的生產(chǎn)線，它以大批量方式生產(chǎn) 企業(yè)的主要產(chǎn)品。一般地，每一條剛性生產(chǎn)線都設(shè)計(jì)成在加工工作站上幾把刀具同 時(shí)運(yùn)行以高生產(chǎn)率生產(chǎn)一種零件( 也就是說(shuō)這種生產(chǎn)線是固定的) 。在產(chǎn)品需求量大 時(shí)每個(gè)零件的成本相對(duì)低些。只要需求超過(guò)供給，剛性生產(chǎn)線就有較好的成本效益。 隨著全球競(jìng)爭(zhēng)壓力日益加大和世界范圍的重復(fù)性建設(shè)，就會(huì)出現(xiàn)剛性生產(chǎn)線不能滿 負(fù)荷運(yùn)行的情況。 5 柔性制造系統(tǒng)( 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 簡(jiǎn)稱f m s ) 能在同一系統(tǒng)中按可 變批量和品種生產(chǎn)各種產(chǎn)品。它由昂貴的通用數(shù)控機(jī)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 簡(jiǎn)稱c n c ) 和其他可程序控制的自動(dòng)化設(shè)備組成。因?yàn)閏 n c 機(jī) 床大部分是單刀具生產(chǎn)，因而它的產(chǎn)出比剛性生產(chǎn)線低。高設(shè)備成本和低產(chǎn)出使所 制造產(chǎn)品的單件成本相對(duì)高些，f m s 的生產(chǎn)能力常常低于剛性生產(chǎn)線而初始成本高 于剛性生產(chǎn)線。 在現(xiàn)在的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，產(chǎn)品需求有大的波動(dòng)的情況經(jīng)常發(fā)生，就給剛性生產(chǎn)線提 出了無(wú)法解決的難題，由于剛性生產(chǎn)線為固定產(chǎn)品批量所設(shè)計(jì)的，因此它不可更改a 所以，現(xiàn)在非常普遍的情況是，剛性生產(chǎn)線的可用生產(chǎn)能力大量過(guò)剩。關(guān)于汽車業(yè) 零部件制造商的最近研究表明，剛性生產(chǎn)線的有效平均利用率為5 3 。低平均利用 率的原因是一些產(chǎn)品處于產(chǎn)品生命周期的早期或末期，因而需求量少，即使在成熟 期的產(chǎn)品的生產(chǎn)量也不一定能達(dá)到在剛性生產(chǎn)線設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)的生產(chǎn)量。 在f m s 中，當(dāng)設(shè)計(jì)采用多軸聯(lián)動(dòng)的c n c 機(jī)床時(shí)，這種理論上柔性很大的柔性制 造系統(tǒng)可以對(duì)剛性生產(chǎn)線構(gòu)成挑戰(zhàn)。盡管具有這種優(yōu)勢(shì)，但是，最近的調(diào)查報(bào)告表 明柔性制造系統(tǒng)沒(méi)有被廣泛采用，而且許多購(gòu)買了f m s 的制造商對(duì)他們所買的f m s 系統(tǒng)的性能不滿意。f m s 的高成本是f m s 不被廣泛接受和人們對(duì)它不滿意的主要 原因。f m s 很昂貴，和剛性生產(chǎn)線( d m l ) 不一樣，c n c 機(jī)床不是針對(duì)具體的零 件設(shè)計(jì)的，相反，在f m s 購(gòu)買商選擇機(jī)床前和產(chǎn)品工藝規(guī)程編制前，c n c 機(jī)床就 要開(kāi)發(fā)出來(lái)，以使機(jī)床和工藝適合零件的加工。因?yàn)閏 n c 機(jī)床開(kāi)發(fā)商對(duì)具體的應(yīng)用 不清楚，所以柔性系統(tǒng)和機(jī)床均配以盡可能多的功能。這就產(chǎn)生了功能、資本浪費(fèi)， 也產(chǎn)生了一個(gè)共同的假定，即f m s 能按任何順序、以任何零件品種、生產(chǎn)機(jī)床設(shè)計(jì) 范圍內(nèi)的任何零件。因?yàn)閒 m s 需要并行的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)利用大功率、通用多 軸c n c ，并配以非常大的刀具庫(kù)以及多套刀具，所以這種方法增加了系統(tǒng)的成本， 是一種非常昂貴的解決方案。 1 3 2 可重構(gòu)制造的出現(xiàn) 可重構(gòu)制造是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的最新發(fā)展領(lǐng)域。可重構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)著重強(qiáng)調(diào) 產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過(guò)程。其目的是增強(qiáng)企業(yè)的快速響應(yīng)能力，以生產(chǎn)出低成本高質(zhì)量 的產(chǎn)品。現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)主要為兩大類型，即固定自動(dòng)化生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)。 固定自動(dòng)化生產(chǎn)線專門生產(chǎn)一種產(chǎn)品，生產(chǎn)效率較高；柔性制造系統(tǒng)可生產(chǎn)許多產(chǎn) 品，但生產(chǎn)能力較低，而且設(shè)備較昂貴。所有這些系統(tǒng)都使用固定的硬件和不變的 軟件a 即使像c n c 程序，也只改變與零件有關(guān)的部分，而程序的核心算法末改變。 6 直塞墮至塾丕丕堂堡主堂垡笙塞一 m o l i n s 有限公司是最早發(fā)展柔性制造系統(tǒng)的公司之一。在1 9 6 7 年，這個(gè)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統(tǒng)“莫林斯2 4 系統(tǒng)”，展示了一種提 高產(chǎn)量的新穎方式，在這個(gè)系統(tǒng)中，工作站由工件固定于托盤的物流系統(tǒng)連接起來(lái)。 四年后，s u n d s t r a n d 于1 9 7 1 年提出了“梭車系統(tǒng)”，一個(gè)有軌托盤傳送系統(tǒng)裝載著 工件往返運(yùn)行于工作站之間，工作站和這個(gè)有軌托盤圍繞這個(gè)軌道布置，然而這個(gè) 系統(tǒng)僅適用于加工時(shí)間長(zhǎng)和加工時(shí)間變化比較大的情況。在1 9 7 2 年l e i p z i g 春季展 覽會(huì)上，a u e r b a c h 車床廠展示了“m 2 5 0 0 2c n c ”制造系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)三坐 標(biāo)機(jī)床、三個(gè)兩臂交換器和個(gè)四臂機(jī)器人組成，這個(gè)系統(tǒng)可以進(jìn)行多面加工零件 的五個(gè)面加工；加工中心由中央計(jì)算機(jī)控制，但是，仍然要由人工在中央操作站進(jìn) 行工件的處理。1 9 9 7 年發(fā)展到柔性制造聯(lián)合體( f m c ) ，即在日本的t s u k u b a 產(chǎn)生 了一個(gè)由模塊化加工單元和裝配機(jī)器人組成的、可以在一個(gè)回路上生產(chǎn)一系列產(chǎn)品 的實(shí)驗(yàn)工廠。在七十年代晚期，柔性制造系統(tǒng)產(chǎn)生了，它提供了一種可以在一條生 產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)生產(chǎn)多種小批量產(chǎn)品的可能性。八十年代出現(xiàn)了聚合結(jié)構(gòu)生產(chǎn)單元和自動(dòng) 物料處理系統(tǒng)聯(lián)系在一起的系統(tǒng)( 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， 敏捷制造系統(tǒng)由于能夠縮短生產(chǎn)不同產(chǎn)品時(shí)所需要的轉(zhuǎn)變時(shí)間，因而成為了人們的 追求目標(biāo)。九十年代中期人們開(kāi)始轉(zhuǎn)向可重構(gòu)制造系統(tǒng)，正是由于這個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)?市場(chǎng)需求的變化快速適應(yīng)，能及時(shí)提供精確的所需功能和能力。 市場(chǎng)的不可預(yù)測(cè)性、經(jīng)常性變化已經(jīng)造就了許多制造企業(yè)的外部環(huán)境。變化的 訂單引起了引起了對(duì)制造系統(tǒng)的產(chǎn)出能力和處理功能需求的變化?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng) 由于可以提供快速適應(yīng)新形勢(shì)的能力和功能，因此可以適應(yīng)這些需求的變化?？芍?構(gòu)制造系統(tǒng)的這種可適應(yīng)性，同時(shí)也提供了為生產(chǎn)不同變數(shù)量產(chǎn)品的短期重新布置 的能力。另外，它也使系統(tǒng)具有了對(duì)新產(chǎn)品的可適應(yīng)性，從而保證了長(zhǎng)期的利潤(rùn)成 本率【7 】a 和柔性系統(tǒng)相似，可重構(gòu)制造系統(tǒng)也具備自動(dòng)物料、工具供應(yīng)系統(tǒng)。供應(yīng)系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重地影響著產(chǎn)出能力、零件質(zhì)量和可重構(gòu)制造系統(tǒng)的可靠性。 如果我們考慮了整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)在不確定市場(chǎng)中的壽命周期成本的話，可重構(gòu)制 造系統(tǒng)會(huì)比柔性制造系統(tǒng)甚至專業(yè)化生產(chǎn)線成本更低。使可重構(gòu)制造系統(tǒng)成本更低 的主要因素有，r m s 是根據(jù)能力和功能需求精確安裝的，可能還可以根據(jù)確切的需 求在能力和功能上進(jìn)行升級(jí)。擴(kuò)展的功能使同一個(gè)系統(tǒng)可以制造同零件族的新工 件，反過(guò)來(lái)系統(tǒng)的壽命周期也得到了延長(zhǎng)。r m s 允許根據(jù)需求增加額外的能力，這 就解決了專業(yè)化生產(chǎn)線的能力利用率低的問(wèn)題。r a m s 還允許根據(jù)需求增加額外的功 能，這樣就節(jié)省了在f m s 中同樣問(wèn)題的開(kāi)銷。因此，在專業(yè)化生產(chǎn)線和柔性制造系 統(tǒng)的這兩種浪費(fèi)在r m s 技術(shù)中都被消除了。 在8 0 年代以來(lái)，不斷全球化和呈快速多變的制造貨物市場(chǎng)上，一些先進(jìn)的企業(yè) 為了實(shí)行更大的設(shè)備系統(tǒng)柔性進(jìn)行了多種探索。日本對(duì)化- r e 產(chǎn)設(shè)各小型化和數(shù)控 可移動(dòng)化進(jìn)行了成功地探索；美國(guó)等一些先進(jìn)的制造企業(yè)利用彈性支撐，拋棄了單 獨(dú)地基的不變制造系統(tǒng)布置，成功實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的可移動(dòng)組合布置。后者由于經(jīng)濟(jì) 簡(jiǎn)單易行很快為不少企業(yè)所接受。據(jù)知：美國(guó)相當(dāng)多的制造企業(yè)平均每年對(duì)制造系 統(tǒng)進(jìn)行1 2 次的重組布置，以適應(yīng)產(chǎn)品的變化；英國(guó)有的公司達(dá)到1 次，周的重組 布置頻率。在工業(yè)界和政府的推廣下，發(fā)達(dá)國(guó)家從9 0 年代中開(kāi)展了可重構(gòu)制造系統(tǒng) 的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，并已推廣應(yīng)用。例如：1 9 9 4 1 9 9 9 年以美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)為中心 的r m s 課題獲得了n s f 與工業(yè)界3 0 8 0 萬(wàn)美元的支持，進(jìn)行了“制造系統(tǒng)重構(gòu)方式 對(duì)系統(tǒng)性能的影響”，“產(chǎn)品裝配過(guò)程的變流理論與建?！钡确矫娴难芯?。并以可重 構(gòu)的敏捷制造為課程進(jìn)行了廣泛地企業(yè)培訓(xùn)，同3 0 個(gè)以上的企業(yè)進(jìn)行以r m s - - e r c 為基礎(chǔ)的合作。與此同時(shí)，美國(guó)依阿華大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員對(duì)這類系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。因此，可以預(yù)見(jiàn)，一個(gè)建立在科學(xué)基礎(chǔ)上可重構(gòu)制造系統(tǒng)技術(shù) 將成為支持2 0 世紀(jì)初制造業(yè)發(fā)展的重大技術(shù) 8 】。 1 4 研究?jī)?nèi)容和目的 針對(duì)新出現(xiàn)的制造系統(tǒng)模式可重構(gòu)制造系統(tǒng)，本論文通過(guò)對(duì)可重構(gòu)制造系 統(tǒng)的出現(xiàn)、發(fā)展歷程的分析研究，并且對(duì)可重構(gòu)制造系統(tǒng)的主要特性可重構(gòu)性 作了進(jìn)一步的引申，闡述了可重構(gòu)制造系統(tǒng)對(duì)其結(jié)構(gòu)的要求，提出了可重構(gòu)系統(tǒng)的 三層控制結(jié)構(gòu)決策層、控制層和設(shè)備層。 結(jié)合可重構(gòu)制造系統(tǒng)的三層控制結(jié)構(gòu)，本論文分析了遞階控制和協(xié)同控制在可 重構(gòu)制造系統(tǒng)中的優(yōu)缺點(diǎn)，并且在可重構(gòu)制造系統(tǒng)中引入了合弄結(jié)構(gòu)的概念，提出 一個(gè)可重構(gòu)制造系統(tǒng)的合弄結(jié)構(gòu)框架，并且本論文運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技 術(shù)和其它相關(guān)技術(shù)對(duì)可重構(gòu)制造系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單構(gòu)架，驗(yàn)證了可重構(gòu)制造系統(tǒng)的合 弄框架的可行性，并提出了對(duì)可重構(gòu)制造系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)的構(gòu)想。 本論文第一章通過(guò)對(duì)制造系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀的闡述，分析制造產(chǎn)業(yè)在新的市場(chǎng)環(huán) 境中正面臨著挑戰(zhàn)，制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史和趨勢(shì)，得知制造系統(tǒng)在制造產(chǎn)業(yè)中的地 位和制造系統(tǒng)發(fā)展的必要性?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)是一個(gè)新興的制造系統(tǒng)，可以適應(yīng)本 世紀(jì)初的制造業(yè)發(fā)展對(duì)制造系統(tǒng)的要求。 本論文第二章給出了可重構(gòu)制造系統(tǒng)的定義，并對(duì)可重構(gòu)制造系統(tǒng)的主要特性 可重構(gòu)特性作了詳細(xì)的論述。從軟件、硬件兩方面探討了可重構(gòu)制造系統(tǒng)在技 8 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 術(shù)上的可行性，并指出了可重構(gòu)制造系統(tǒng)現(xiàn)今研究的方向及熱點(diǎn)。 本論文第三章對(duì)可重構(gòu)制造系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，結(jié)論是在可重構(gòu)制 造系統(tǒng)中采用遞階控制和并行控制相結(jié)合的控制形式。通過(guò)對(duì)合弄結(jié)構(gòu)的分析研究 可知，在可重構(gòu)制造系統(tǒng)中采用合弄控制結(jié)構(gòu)可以滿足r m s 對(duì)控制結(jié)構(gòu)的要求。并 且理論上對(duì)可重構(gòu)制造系統(tǒng)的合弄結(jié)構(gòu)運(yùn)行建立了模型，通過(guò)這個(gè)理論模型的運(yùn)行 驗(yàn)證了可重構(gòu)制造系統(tǒng)的合弄結(jié)構(gòu)運(yùn)行的可行性。 本論文第四章通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)，建立了一 個(gè)可重構(gòu)制造系統(tǒng)合弄結(jié)構(gòu)運(yùn)行模型，并且通過(guò)這個(gè)模型的實(shí)際運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了可重 構(gòu)制造系統(tǒng)的系統(tǒng)運(yùn)作，體現(xiàn)了系統(tǒng)的可重構(gòu)特性，從而論證了可重構(gòu)制造系統(tǒng)合 弄結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)性、可行性。 - 9 - 第二章可重構(gòu)制造系統(tǒng) 2 1 可重構(gòu)制造系統(tǒng)定義 為了迎接2 l 世紀(jì)的挑戰(zhàn)，制造業(yè)必須具有適應(yīng)全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的快速響應(yīng)能力， 也就是企業(yè)的生產(chǎn)能力可以隨著市場(chǎng)的需求變化而調(diào)節(jié)；同時(shí)生產(chǎn)制造系統(tǒng)本身也 可以實(shí)施更新，以適應(yīng)新的生產(chǎn)工藝要求或滿足更高的產(chǎn)品質(zhì)量要求。目前的生產(chǎn) 制造系統(tǒng)，就是f m s 也不具備上述功能。以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，由可重構(gòu)機(jī)床、可重 構(gòu)控制器和相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和診斷技術(shù)所組成的可重構(gòu)制造系統(tǒng)( 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 世紀(jì)的新型生產(chǎn)模式。在九十年代早期， 敏捷制造系統(tǒng)由于能夠縮短生產(chǎn)不同產(chǎn)品時(shí)所需要的轉(zhuǎn)變時(shí)間，因而成為了人們的 追求目標(biāo)。九十年代中期人們開(kāi)始轉(zhuǎn)向可重構(gòu)制造系統(tǒng)，正是由于這個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)?市場(chǎng)需求的變化快速適應(yīng)，能及時(shí)提供精確的所需功能和能力。美國(guó)密西根大學(xué)( 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 ) 在這個(gè)方面作 了較多的研究工作，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金對(duì)這一為期5 年的項(xiàng)目給予極大資助， 項(xiàng)目總撥款( $ 6 ，9 0 8 ，3 7 8 ) 接近7 0 0 萬(wàn)美元。 2 1 1 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的基本特點(diǎn) 可重組制造系統(tǒng)是繼承2 0 年代的自動(dòng)化流水線、5 0 年代的n c 機(jī)床、6 0 年代 的f m s 和8 0 年代的c i m s 之后，由一些實(shí)施先進(jìn)制造的企業(yè)首先創(chuàng)造的又一類新 型可變制造系統(tǒng)。其目的在于：大大縮短適應(yīng)產(chǎn)品品種與產(chǎn)量變化的制造系統(tǒng)的規(guī) 劃、設(shè)計(jì)和建造時(shí)間及新產(chǎn)品的上市時(shí)間，大幅度地壓縮系統(tǒng)建造的投資、降低生 產(chǎn)成本、保證質(zhì)量、合理利用資源、提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和可獲利性。它涉及： 先進(jìn)的制造戰(zhàn)略、營(yíng)銷、新產(chǎn)品創(chuàng)新與改進(jìn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)工程與分析、隨機(jī) 動(dòng)態(tài)規(guī)劃與決策論、質(zhì)量工程、系統(tǒng)可靠性和運(yùn)行跟蹤與診斷，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自治 與協(xié)同控制、硬軟件接口與協(xié)議技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可承受性、系統(tǒng)集成管理和生產(chǎn)運(yùn)作管 理等多學(xué)科、多種技術(shù)的交叉融合。 r m s ( 可重構(gòu)制造系統(tǒng)) 是適應(yīng)今天和明天先進(jìn)制造發(fā)展的新一代技術(shù)群體中 一種重要而適用的技術(shù)，對(duì)我國(guó)制造企業(yè)增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力有重要意義。它與傳統(tǒng)的制造 系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的區(qū)別在于：企業(yè)隨時(shí)根據(jù)產(chǎn)品變化，由產(chǎn)品工藝過(guò)程變化 1 0 塑塞塾窒塾墨盔堂堡主蘭垡笙皇一 驅(qū)動(dòng)的快速組態(tài)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，在專門的多功能小組( t e a m ) 支持下快速實(shí)施的、系 統(tǒng)的動(dòng)態(tài)組態(tài)( 重組) 是建立在公共地基、可隨時(shí)移動(dòng)又保證組態(tài)后性能的機(jī)床設(shè) 備和組元基礎(chǔ)上的，是少投資、可重復(fù)利用的，是最優(yōu)化布置和物流合理的，是保 證質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行可靠、短交貨期和較低成本的，是可改進(jìn)與革新的開(kāi)放系統(tǒng)，其 存在壽命期由產(chǎn)品狀況決定的一種新的可變制造系統(tǒng)。 可重構(gòu)制造系統(tǒng)( 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 效益響應(yīng)市場(chǎng)變化需要新的制造方法，它不僅即要有剛性生產(chǎn)線( d m l ) 的高產(chǎn)出 又要有f m s 的柔性，而且還能快速有效地響應(yīng)各種變化，這些制造系統(tǒng)的性能可通 過(guò)如下方法獲得： 系統(tǒng)和機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可調(diào)整的，這種結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)對(duì)市場(chǎng)需求能夠進(jìn)行一定 程度的系統(tǒng)升級(jí)，并且系統(tǒng)和機(jī)床對(duì)新產(chǎn)品具有可適應(yīng)性，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以在 系統(tǒng)級(jí)( 如增加機(jī)床) 和機(jī)床級(jí)( 如增加主軸、更換刀具庫(kù)以及集成先進(jìn)的控 制器) 調(diào)整。 圍繞零件族進(jìn)行制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并擁有生產(chǎn)給定零件族的所有零件所要求的定 制柔性。這使系統(tǒng)成本減少。 r m s 由于系統(tǒng)響應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)環(huán)境其功能和能力隨時(shí)間推移而變化，可重 構(gòu)制造系統(tǒng)能夠按需要提供可調(diào)整的結(jié)構(gòu)、可升級(jí)性能和柔性( 這種柔性雖然是定 制的，但提供對(duì)零件族中的所有零件所需的柔性) 。成本效益合理的系統(tǒng)應(yīng)該具有一 定的定制柔性，能夠針對(duì)一個(gè)零件族或者多工具同步運(yùn)行的定制柔性動(dòng)態(tài)創(chuàng)建【9 】。 剛性生產(chǎn)線( d m l ) 在按其最大計(jì)劃能力運(yùn)行的情況下其成本是常數(shù)，對(duì)于更 大的能力必須建立補(bǔ)充的昂貴的生產(chǎn)線。f m s 的成本以定值比例變化( 按并行方式 增加機(jī)床) ，可重構(gòu)制造系統(tǒng)( r m s ) 是比例變化的，但是不是一個(gè)固定的值，其變 化依賴于r m s 的原始設(shè)計(jì)和市場(chǎng)環(huán)境。 r m s 的主要組成成分是c n c 機(jī)床和可重構(gòu)機(jī)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 ，簡(jiǎn) 稱r m t ) 。r m t 是一類模塊化的機(jī)床，它擁有其對(duì)資源進(jìn)行調(diào)整的可變更結(jié)構(gòu)，如 增加第二主軸。除了r m t 之外，在開(kāi)放結(jié)構(gòu)環(huán)境下可快速更改和集成可重構(gòu)結(jié)構(gòu) 是r m s 成功的關(guān)鍵。 2 1 2 可重構(gòu)制造系統(tǒng)定義 可重構(gòu)制造系統(tǒng)( 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 ) 定義為能適應(yīng) 市場(chǎng)需求的產(chǎn)品的變化，按系統(tǒng)規(guī)劃的要求，以重排、重復(fù)利用、革新組元或子系統(tǒng) 的方式，快速調(diào)整制造過(guò)程、制造功能和制造生產(chǎn)能力的類新型可變制造系統(tǒng)f 9 j 。 - l l - 旦重塑型望墨塑笪立翌墮塑望l 一 2 2 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的可重構(gòu)特性 制造系統(tǒng)的可重構(gòu)性是多方面的，它應(yīng)該涵蓋全部制造活動(dòng)和過(guò)程總體看來(lái)， 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的可重構(gòu)性可以分以下幾種： 2 2 1 產(chǎn)品的可重構(gòu)性 為了更好地利用專業(yè)人員的專門技術(shù)、知識(shí)和技巧，根據(jù)市場(chǎng)需求快速地開(kāi)發(fā) 出符合用戶需求的產(chǎn)品。本論文的產(chǎn)品重構(gòu)涉及到從市場(chǎng)、營(yíng)銷、設(shè)計(jì)、測(cè)試到正 式加工制造，直到回收處理、的整個(gè)生命周期。產(chǎn)品可重構(gòu)要求產(chǎn)品具有可重構(gòu)性， 有以下含義： 首先，零件和部件設(shè)計(jì)成具有標(biāo)準(zhǔn)接口的模塊，產(chǎn)品可以通過(guò)重構(gòu)一部分基本 零件模塊，獲得多種多樣的部件和成品，因而在設(shè)計(jì)階段就能夠?qū)υO(shè)計(jì)資源進(jìn)行更 好地配置和使用，對(duì)新部件的要求可以通過(guò)對(duì)已有零部件變形設(shè)計(jì)的重構(gòu)過(guò)程來(lái)實(shí) 現(xiàn)，重構(gòu)技術(shù)減少了零件設(shè)計(jì)方案的數(shù)量，避免設(shè)計(jì)部件數(shù)量劇烈增加。產(chǎn)品可重 構(gòu)性要求對(duì)已有零件和部件的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行新的分類管理，從而可以減少新產(chǎn)品開(kāi) 發(fā)的復(fù)雜性以及降低部件生產(chǎn)成本，更重要的是加快了企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng) 速度。 其次，在設(shè)計(jì)階段，需要按產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和管理產(chǎn)品，以適應(yīng)各種用 戶需求。實(shí)際上，產(chǎn)品的重構(gòu)的方法在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中已經(jīng)隱含地使用了，如大批 量定制生產(chǎn)。大批量定制生產(chǎn)是企業(yè)向客戶提供滿意的產(chǎn)品和服務(wù)，同時(shí)保持大批 量生產(chǎn)規(guī)模效益的一種新型模式，它是通過(guò)重構(gòu)現(xiàn)有產(chǎn)品來(lái)滿足客戶多品種要求的 一種方法。大批量定制生產(chǎn)滿足用戶要求的方法是，在備選方案和功能冗余基礎(chǔ)上 進(jìn)行產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)組合重構(gòu)，從整個(gè)產(chǎn)品系列設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)的角度出發(fā)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和 設(shè)計(jì)，形成一定的產(chǎn)品系列，從而適應(yīng)客戶的多樣化需求。 最后，為了減少生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境的影響，產(chǎn)品重構(gòu)應(yīng)考慮環(huán)境因素，通過(guò) 對(duì)廢品和回收零件進(jìn)行再再加工和利用，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品壽命周期的重構(gòu)。有時(shí)候產(chǎn)品 的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)主要考慮滿足功能上的需求，沒(méi)有考慮環(huán)境方面的影響。在大規(guī)模生 產(chǎn)模式下，制造企業(yè)造成了許多水污染、大氣污染以及一系列的環(huán)境污染，造成了 耗費(fèi)大量精力處理環(huán)境污染這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)，這些只是被動(dòng)地解決環(huán)境問(wèn)題。然而在 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的產(chǎn)品生命周期的開(kāi)始階段，由于加強(qiáng)了產(chǎn)品的可重構(gòu)性，可以主 動(dòng)地解決這些問(wèn)題。零件廢品、回收產(chǎn)品等都將作為新的產(chǎn)品的重構(gòu)材料，這將減 少重復(fù)的零件生產(chǎn)，并且減少了舊零件的廢棄垃圾污染，當(dāng)然，這要求產(chǎn)品在設(shè)計(jì) 1 2 壹室墮窒墮丕盔堂堡主堂堡壘苧一 初級(jí)階段就考慮到產(chǎn)品的模塊化，也就是通過(guò)評(píng)估模塊化參數(shù)、產(chǎn)品材料和產(chǎn)品的 可制造性，提高產(chǎn)品的可重用能力、可回收利用性和減少產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響，最終 提高產(chǎn)品的可重構(gòu)性 1 0 ，1 1 】。 2 2 2 企業(yè)業(yè)務(wù)過(guò)程可重構(gòu)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 業(yè)務(wù)過(guò)程重組) 的思想，是企業(yè) 對(duì)商業(yè)過(guò)程進(jìn)行徹底檢查、質(zhì)疑、重新定義、設(shè)計(jì)，旨在去除一切對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)目標(biāo) 而言非中心性的活動(dòng)，作為企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的一種變革過(guò)程，業(yè)務(wù)過(guò)程重構(gòu)主要關(guān) 注組織中各項(xiàng)活動(dòng)是如何展開(kāi)的最重要保留的是核心業(yè)務(wù)過(guò)程( 如創(chuàng)造附加價(jià)值的 業(yè)務(wù)過(guò)程) ，把非核心業(yè)務(wù)過(guò)程另外處理。 在可重構(gòu)制造系統(tǒng)中，雇員組織更具有柔性，允許雇員將其工作與上游及下游 的活動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，具有不同職能的雇員可以充分地交流思想，這樣，可以打破傳統(tǒng) 遞階組織結(jié)構(gòu)的限制，具有并行結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。 制造系統(tǒng)中業(yè)務(wù)過(guò)程的形式和背景隨情況不同而異，以前的核心業(yè)務(wù)過(guò)程會(huì)變成 非核心業(yè)務(wù)過(guò)程，不再適應(yīng)變化的環(huán)境。為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，一個(gè)企業(yè)必須對(duì)不斷地 對(duì)核心業(yè)務(wù)過(guò)程進(jìn)行重構(gòu)。比如，在一些情況下，一些車床成為了瓶頸過(guò)程，然而 在另外一些情況下，這些車床不再成為瓶頸，所以核心流程相應(yīng)地也要重構(gòu)，來(lái)適 應(yīng)這種變化。業(yè)務(wù)過(guò)程重構(gòu)通常應(yīng)當(dāng)以改良的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，連續(xù)的、積累性的改善 可以減小沖突，使進(jìn)展更加順利。但是，過(guò)程重構(gòu)時(shí)常需要通過(guò)革命性的變革方式 進(jìn)行【1 0 ，1 2 ，1 3 】。 2 2 3 組織結(jié)構(gòu)可重構(gòu)性 組織結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)能力是制造系統(tǒng)快速響應(yīng)變化的基本條件。組織結(jié)構(gòu)可重構(gòu) 性允許企業(yè)以適當(dāng)?shù)姆绞浇M織和管理生產(chǎn)，快捷和經(jīng)濟(jì)完成客戶的訂單。 組織結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)能力可以表現(xiàn)為企業(yè)內(nèi)部的重構(gòu)能力，以及企業(yè)間的重構(gòu)能 力。企業(yè)之間組織重構(gòu)可以分為兩種類型：一類是宏觀經(jīng)濟(jì)意義上的企業(yè)集團(tuán)和資 產(chǎn)重組與合并，以及在經(jīng)營(yíng)不善時(shí)企業(yè)的破產(chǎn)，這種宏觀的組織結(jié)構(gòu)重構(gòu)具有靜態(tài) 性和永久性，通常由宏觀經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)和促成；另一類是組織內(nèi)部單元的動(dòng)態(tài) 和臨時(shí)性組合。組織重構(gòu)支持地理上分散的企業(yè)，建立面向任務(wù)的虛擬企業(yè)以及供 應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。 當(dāng)一個(gè)企業(yè)的訂單來(lái)臨的時(shí)候，本企業(yè)不能全部加工，于是就和自己的聯(lián)盟企 1 3 - 業(yè)談判，形成動(dòng)態(tài)的虛擬企業(yè)，共同完成此訂單，現(xiàn)在在國(guó)際乎聯(lián)網(wǎng)上就可以直接 找尋自己的合作伙伴，將虛擬企業(yè)的地理范圍擴(kuò)展到了全球的范圍。企業(yè)內(nèi)組織重 構(gòu)主要是考慮一個(gè)企業(yè)內(nèi)部組織單元的重構(gòu)，它可以進(jìn)一步分為組織單元內(nèi)部的重 構(gòu)和組織單元之間的重構(gòu)。組織單元內(nèi)的重構(gòu)由組織單元內(nèi)部的各個(gè)對(duì)象根據(jù)組織 單元的整體目標(biāo)，通過(guò)自我重新構(gòu)造，形成完成這個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)化組合。 組織單元之間的重構(gòu)是為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的策略，而進(jìn)行整個(gè)企業(yè)內(nèi)部的組織 之間的重構(gòu)，形成最優(yōu)的人力資源、設(shè)備資源等一系列資源的整體優(yōu)化 1 0 ，1 4 ，1 5 ， 1 6 1 。 2 2 4 車間制造系統(tǒng)的重構(gòu)性 主要涉及加工設(shè)備、物料流動(dòng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)變化能力。 第一，加工設(shè)備和物流設(shè)備應(yīng)具有根據(jù)任務(wù)要求改變其結(jié)構(gòu)和位置的能力。模 塊化機(jī)床、模塊化機(jī)器人等模塊化車間設(shè)備將會(huì)在可重構(gòu)車間中廣泛采用，從而車 間的柔性得到了極大的提高，車間的加工能力也有了很大的完善，使可重構(gòu)車間具 有接近剛性生產(chǎn)線的效率。 第二，加工系統(tǒng)具有即插即用的功用，能夠在不影響車間加工效率的情況下， 能夠動(dòng)態(tài)地增加和減少設(shè)備，使系統(tǒng)布局具有動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力，滿足不同產(chǎn)品生產(chǎn)需 要： 第三，車間控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有可重構(gòu)性，能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能， 向其它模塊提供它們所需要的信息，并且具有一定的自治性f 1 7 ，1 8 ，1 9 1 。 2 2 5 信息系統(tǒng)的可重構(gòu)性 信息技術(shù)是促進(jìn)現(xiàn)代制造業(yè)迅速發(fā)展的一個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)因素，在制造系統(tǒng)中， 由于從市場(chǎng)信息開(kāi)始，到接受客戶訂單，直到訂單在整個(gè)企業(yè)中的監(jiān)控、完成，信 息處理系統(tǒng)都在其中發(fā)揮了很大的作用。 由于可重構(gòu)制造系統(tǒng)的車間、組織、業(yè)務(wù)、產(chǎn)品的可重構(gòu)性的需求，信息平臺(tái) 不能是以一種單一模式的形式出現(xiàn)。企業(yè)組織之間和企業(yè)間組織模塊之間的重構(gòu)， 不僅要求相關(guān)的單元間有標(biāo)準(zhǔn)的接口來(lái)進(jìn)行暢通的通訊交流和信息共享，而且還要 能夠進(jìn)行大量的信息交流，產(chǎn)品從市場(chǎng)、設(shè)計(jì)、試制、到成批生產(chǎn)、質(zhì)量檢測(cè)階段 都需要大量的信息交換和處理，在每一次重構(gòu)的過(guò)程中都會(huì)有大量的信息在企業(yè)中 流動(dòng)，不僅僅是重構(gòu)的模塊要進(jìn)行更新，而且相關(guān)的模塊都要進(jìn)行信息更新，因此， 1 4 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 信息系統(tǒng)必須具有相當(dāng)?shù)娜嵝?，?lái)適應(yīng)這些重構(gòu)過(guò)程 信息平臺(tái)對(duì)可重構(gòu)能力的支持對(duì)于可重構(gòu)制造系統(tǒng)的成功重構(gòu)是非常關(guān)鍵的。 在可重構(gòu)制造系統(tǒng)中，信息系統(tǒng)需要具有很高的柔性，在可重構(gòu)制造系統(tǒng)的信息系 統(tǒng)中，由于各個(gè)模塊都是可以動(dòng)態(tài)重構(gòu)的，所以信息系統(tǒng)的硬件和軟件都應(yīng)該是即 插即用的，能夠隨著系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，當(dāng)制造系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)變化時(shí)， 信息系統(tǒng)可以跟隨制造系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)改變而提供動(dòng)態(tài)支持?！緇 o ，2 0 1 2 3 可重構(gòu)性的技術(shù)基礎(chǔ) 2 3 1 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的使能技術(shù) 在過(guò)去的幾年間，有兩項(xiàng)使能技術(shù)( e n a b l e rt e c h n o l o g y ) 使得可重構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)得以 實(shí)現(xiàn)，一是開(kāi)放式控制體系，另一個(gè)是模塊化機(jī)床( 有別于組合機(jī)床) 。這些新技術(shù) 使得可重構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展成為可能，其關(guān)鍵因素是模塊化的可重構(gòu)硬件和可重構(gòu) 軟件【5 】。 可重構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)不僅僅是這些模塊化機(jī)床和控制器的簡(jiǎn)單組合，而且要開(kāi)發(fā)出 一整套全新的生產(chǎn)系統(tǒng)，包括傳感、檢測(cè)體系等所有生產(chǎn)部件，這些模塊具有標(biāo)準(zhǔn) 的接口，可以進(jìn)行方便的即插即用【2 l 】。也就是說(shuō)生產(chǎn)系統(tǒng)本身是柔性的，它可以 被升級(jí)或更新，而不是被簡(jiǎn)單替換。還有，就是生產(chǎn)線可以制造多樣的產(chǎn)品，而生 產(chǎn)線本身也可改變。 當(dāng)前，隨著模塊化機(jī)床和模塊化機(jī)器人的出現(xiàn)，具有這種性能的生產(chǎn)線將要出 現(xiàn)，而且，已經(jīng)有了可重構(gòu)的裝配線的出現(xiàn)。德國(guó)b o s c h 公司開(kāi)發(fā)出的可重構(gòu)手工 裝配系統(tǒng)，以鋁材為基本結(jié)構(gòu)，所有構(gòu)件全部標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)人員根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選用構(gòu)件 組成裝配線，日本索尼公司開(kāi)發(fā)的柔性裝配系統(tǒng)s m a r t 系統(tǒng)，具備傳送、供 料、配送、裝配四要素，其組成部件采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有可重構(gòu)性，系統(tǒng)平 均節(jié)拍2 0 - - - 3 0 秒，適用于月產(chǎn)3 萬(wàn)件左右的自動(dòng)裝配線 2 2 1 。 2 3 2 可重構(gòu)性的技術(shù)基礎(chǔ) 對(duì)