（企业管理专业论文）资源重构中的制造单元设备布局研究.pdf

摘要 本文通过对可重构制造系统与其他制造系统的分析比较，对可重构 制造系统的优势( 具有大规模生产和柔性制造的优点) 进行了分析，着重 对可重构制造环境下的设备布局、布局类型、每种布局的优缺点以及用 于设备布局的几种主要算法( 模拟退火算法、遗传退火算法等) 进行了研 究；提出了一种适用于可重构制造环境下的设备阵列式混合布局形式； 并针对阵列式混合布局结构中的每一行采用遗传算法进行了优化。 关键词：资源重构设备布局遗传算法 a b s t r a c t t h f o u g ht oc o m p a r cr e c o n f i g u r a t i o nm a n u f a c t u r cs y s t e mw i t ho t h c r m a n u f - a c t u r es y s t e m s ，t 1 1 i sa r t i c l ea 1 1 a l y s e sr e c o n f i g u r a t i o nm a n u f a c t u r e s y s t e mt h es u p e r i o r i t y ( m e r i t sb ml a r g es c a l ep r o d u c t i o na n dn e x i b l e m a n u f a c t u r e ) a n de m p h a t i c a 】l yr e s e a r c be q u j p m e 力tl a y o u t ，l a y o u tt y p e ，e a c h k i n do fl a y o u tg o o da 1 1 db a dp o i n t su n d e rm a n u f a c t u r ee n v i m m e n ta sw e l l a ss e v e m lm a i na l g o r i t l l m s ( s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ， g e n e t i c a n n e a l i n ga l g o r i t a n ds oo n ) i ne q u i p m e n tl a y o u t ；t h em i x a r r a yl a y o u t f o n ni s p r o p o 跎dt o s u i t i nr e c o n f i g u r a t i o nm a n u f h c t u r e ；e a c hl i n eo f m i x a r r a yi a y o u tf o m li so 州m i z c d 、v i t h2 e n e t i c “譬o r i t h i n k e yw o r d s ：r 鹤。吡i l t e c o n n g u r a t i o n e q u i p m e n tl a y o u t g e n e t i c a i g o r i t h m 长奏理鼍大学壤攀位论文纛麓性声骧 本入郑重声明；掰壁交豹硕士学位论文，资源重捣中嬲铡造 摹元设罄毒i i 罨凝窕楚零天在攒弩教舜静据爵下，独立遴行璐究 工作溅敬褥豹成果。狳文中已经波鞠；i 用的内容器，本论文不包 含任何其他令人或繁体已经发表域撰写道的作黯成果。对本文的 研究徽籀重要贡献豹个太稻集律，均已巍文串娃甥臻方式标甥。 本人毙企意识到本弗明的法律结果由本人承掇。 侔者签名；蕊遗蔓毫壁i 年土月竺嚣 长纛翟z 丈学学位论文麓羲莨愚授权书 本学位谂文作者殿指导教婚兜全了解“长卷遐工大学磷士、 媾学镦谂交簸羧镶援耀定”，爨纛长誊瑾差大学镤鍪蒡囱瓣窳骞 关部门藏枫梅送交学缎论文豹复坶l 髂秘电子版，允谗论文被豢游 和借阅。本人授权长睿瑾工大学埘以将本学位论文的全部或躲分 内容编入骞关鼓嚣露逡行捡索，爨采零影繇、缝臻袋羟捺簿复 制手段保存和汇编举能论文。 箨纛签名：蠢2 l z 邕鱼垒舞土嚣：鎏鳝 指搏学拜签名 j 必玉月盟黼 第一童绪诊 1 1 本文研究目的和意义 当今制造业的产品市场竞争异常激烈，谁能快速地适应市场的多样 化需求，谁就能在竞争中获胜。为了适应变化迅速的市场需求、提高竞 争力，现代制造企业必须以最短的时间、晟好的质量、最低的成本和最 优的服务来响应市场、满足顾客的需求。传统的制造模式( 如大规模生 产、低效万能通用设备和劳动密集型的生产方式) 乃至现代的柔性制造 系统，都不能同时满足时间、质量、成本和服务( t o c s ) 的要求。因此， 为了迎接快速变化的市场需求所带来的挑战，一种把大规模生产和柔性 制造系统的优点充分结合起来应运而生新的制造思想，这就是可重构制 造系统( i t m s r e c o 娟g u m b l em a n u f ；屺t u r i n gs y s t e m ) 。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利润率。可重构制造 系统是适应当今和以后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。 而且随着经济形势的发展，制造业的竞争逐步从规模竞争、质量竞 争转向速度竞争。据统计，在一个产品的生产周期内，等待时问占的比 例达到9 0 一9 5 ，真正用于产品加工的时间所占的比例很小，其中车间 内物料流动的时间是影响生产率的主要因索之一，改变车间内设备间的 布局，使设备尽可能按照产品的工艺过程顺序布置，可有效地减少搬运 时问和降低产品生产成本。 因此对可重构制造单元的设备布局形式和基于遗传算法的设备布 局优化进行研究，具有重要的现实意义。 1 2 本文的主要研究内容 随着市场需求的不断变化，从而导致制造单元承担的加工任务也是 动态多变的，这种多变性使单元生产所需设备资源和设备负荷也是动态 变化的。为了解决这一问题，许多学者提出了重构单元的概念。制造单 元经过重构以后可以恢复柔性，提高系统的市场响应能力。制造单元重 构的关键在于如何选择、合理地组织制造资源来完成产品的开发和加 j e 它必须考虑可制造性、加工成本、各种资源所具有的能力、运输费 用等因素。 本文通过深入调研和大量阅读相关文献资料，在分析当今制造业形 势的基础上，阐述了可重构制造系统及其设备布局问题，本文研究采用 一种适用于可熏构制造环境的阵列式混合布局形式，并利用遗传算法对 阵列式结构的每一行进行优化。 第二章可重构制造系统综述 2 1 可重构制造系统定义和形成过程 211 可重构制造系统定义 在1 9 9 9 年的c i r p 年会上，美国m i c h i g a i l 大学的k o r e n 教授等， 第三次正式定义可重构制造系统( r m s ) ：“可重构制造系统的目的是设 计系统、机器、成本效益控制和市场需求及产品变化的快速反应。可重 构制造系统是可修整的，以至于其能被提高和升级而不是被取代。该系 统是富有弹性，不仅生产一系列产品，而且也能变化系统本身。这类系 统的关键是必须被设计可重构的开端，必须由快速的和可靠的布鬻的基 本硬件和软件来创造。”n 。为响应市场或不规则需求的突然变化，迅 速调整制造系统在一个零件族内的生产能力和功能需求，首先为快速改 变结构以及硬件与软件组元而设计的一种可重构制造系统。 清华大学罗振璧教授等认为：r m s 是一种能按市场需求变化，以 重构( 重新组态) 、熏复利用和更新系统或子系统的组态方式，实现较低 的重构成本，较高的质量和投资效益，快速调整制造过程、制造功能和 制造生产能力的可变制造系统，缩短的设计建造时间和斜升时i t 白j 。”所 谓斜升时间( r a n 叩u pt i m e ) ，指的是新建或重构制造系统运行开始后达 到规划或设计规定的质量、运转时间和成本的过渡时间。它是制造系统 重组可行性的一个重要性能测度指标。 沈阳自动化研究所可重构制造系统研究室认为：系统从一个构形状 念向另一个构形状态的转移称为系统重构。系统重构包括两层含义： 当环境稳定变化或业务变化可长期预测时，系统结构随之稳定演变发 展：当环境激烈变化或者业务变化不可预测时，系统结构可以快速彻 底重组进行适应。系统重构可以分成静态重构，动态重构和自我重构。 静态重构指系统经过较长阶段运行后进行重构，而在每个运行阶段保持 系统构形不变。静态重构往往是由系统外部的决策触发的，重构的原阂 是现行系统己经无法满足坏境变化需求。静态重构一般对系统的构形改 变很大，对系统运行产生巨大的冲击。静念重构的成本很高，在许多传 统的制造系统中重构是静态的。动态重构指系统处于非平衡状态，存在 由扰动引起的一定轻微混沌状态，此时，系统通过涨落的作用可以动态 调节系统状态。动态重构体现了系统的敏捷柔性，可以缓冲外部环境变 化造成的冲击。自我重构指系统重构是由内部实体协商做出的，而不足 由外部决策触发的。重构应该更多地考虑系统的“行为复杂性”，更加 重视功能之间的交互作用而不仅是功能本身。能够进行构形变化的系统 称为可重构系统，而系统进行熏构的能力称为可重构性。可重构性是复 杂制造系统适应环境变化的重要保证。 因此，可重构制造系统的最终目的是在制造过程的设计中利用一种 使整个系统、设备硬件和控制软件同步重构的系统方法，可重构制造系 统哲理也将创造新一代有竞争力的、可调节性的可重构设备。可重构的 制造系统设计不仅把可重构的硬件和可复用的软件相结合，而且包括系 统观点、经济学模型、集成方法和智能方法。 因此可重构制造系统1 ( r m s ) 是指为能适应市场的需求变化，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一类新型可变制造系统。它是 基于现有的或可获得的新机床设备和其它组元的、可动态组态的新一代 制造系统。 也有学者从系统哲理的高度对可重构制造系统进行了定义。他们认 为：制造系统( 企业) 是一个动态的系统，其稳定状态暂时的和相对的。 可重构制造系统与环境的边界是变化的，其内部结构和组成也是动态变 化的。可重构制造模式认为制造系统在与外界进行物质、能量和信息交 换时不仅要改变信息和物料，而且，促使制造系统本身在形态上发展变 化。可重构制造系统通过改变系统形态动态适应环境变化，具有更高的 生存和发展能力。制造系统的动态重构是企业增强对环境变化响应能力 的主要途径。 虽然这几个定义阐述的角度不同，但重心都是对系统的重构。制造 资源的重构是为了获得更好的制造有效性和效率，使制造技术、人、和 组织紧密联系，相互适应，彼此促进与共同发展。制造系统重构以快速 响应客户需求为目的，以人为中心，整个重构过程要有利于人的全面发 展。系统重构以组织创新为主线，因此，组织的形式、状态、功能和业 绩和用于刻画制造资源重构的程度与效果。制造资源重构从低层次向高 层次逐步展开，高级的重构以低一级的重构为基础，同时考虑系统功 能、目标等其他因素。例如，工作团队就是以若干“多面手”的员工为 基础，同时考虑系统目标的新要求，吸收与团队整体相适应的技术和技 术进步成果组建而成。 r 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 4 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。 2 1 2 可重构制造系统形成过程 对先进制造模式的研究，西方工业发达国家走在了前列，其中理论 上被认同并在实践中亦取得成效的有：计算机集成制造( c i m ) 及智能制 造( i m ) 、精益生产系统( l p ) 和敏捷制造( a m ) 1 4 】。通过对这四种制造模 式的比较、综合和创新，9 0 年代提出了“可重构制造系统”的概念。 浚模式认为，基于时间的制造战略目标的努力应在多个方面展开，所依 赖的手段应建立在以创新为主、投资与创新并用的基础之上。事实上， 实际的可重构制造系统不大可能同时在各个方面展开，但它提供了一条 思路，展示了一个宽大的范围。制造企业可根据具体情况，选择和确定 某个先进且可行的行动方案，循序渐进地推动生产系统向世界先进水平 发展。 随着科技的进步，人类正在进入一个新的历史时期“信息与知 识时代”，也有人称之为“知识经济时代”等。在这个新的时代，市场 需求变化激烈且逐渐趋于没有规律性，市场竞争空前激烈，信息技术和 通信技术在改变人类生活和工作方式的同时，也加速了企业在经营生产 和商务行为等方面进行适应性的技术进步，有效的利用自然资源和保护 生态环境放在了企业生产经营活动的重要位置。很显然，传统制造模式 己不能适应这种瞬息万变的环境变化，新的制造模式呼之欲出。 可重构的制造模式正是在这种环境下提出的，其基本思想是以变应 变，即制造系统从经营策略、业务过程和技术等方面的重构，来提高企 业响应环境变化的能力。可重构的制造模式的基本目的是提高企业对市 场变化的响应能力，采用的关键手段是动态重构企业内部结构和企业之 间的关系，优化配置企业资源以企业内部变化来适应企业外部变化。实 现系统可重构性的重要基础是重构( 重用) 系统的原有资源和一切可用 的外界资源。 2 2 可重构制造系统的研究现状 北京机床研究所盛伯浩提出了快速可重构制造系统的基本构架，研 究了快速可重构制造系统的随机模型及其组态的优化方法，并研究了快 速可重构制造系统的关键使能技术，建立了规划与设计、快速集成、快 速运行、快速装卸与重复利用四个子系统。清华大学罗振鐾l s 剐提出了 基于过程能力分散系数和能力偏移系数的系统运行测度、评价和控制的 指标体系，并完成隐性故障的统计过程控制法的验证。清华大学蒋任重 提出了基于现场总线分布式控制的可重构制造系统，该系统具有可扩展 性、可维护性、互操作性和可重构性。清华大学刘阶萍提出了系统运行 过程中的可诊断性的概率模型和矩阵模型，该模型能够快速地用于快速 可重构制造系统的可诊断性估计。南京航空航天大学游有鹏在对机床结 构进行拓扑图描述的基础上，基于螺旋理论对加工任务进行运动分析和 机床运动建模，提出了一种可重构机床模块化综合的设计方法。 m i c h i g a l l 大学y k o r e n 【7 ，3 】给出了可重构制造系统的定义，提出了可 重构制造系统的若干关键技术。m i c h i g a l l 大学提出了基于逻辑控制器的 可重构制造系统控制框架，这个控制框架可以在系统的各个层次上进行 集成和重构。z a b k a 提出经济学中的经济决策方法在制造系统成本估算 中的应用方法和范围。k u t a y 和f i n g e r 提出了一种计算在产品生产的全 生命周期内大规模制造系统一个工序段的工序制造成本。w b b e r 讨论了 制造系统的组态和产品的全生命周期内的生产成本之间的关系，指出在 生产单元之间是串联的制造系统比生产单元之间是并联的制造系统的 成本要高，它不但能够提供良好的经济效益，并且能够提供良好的顾客 满意度。在制造系统的系统级设计中，k o r e n 和w e b c r 运用了可缩放性 原理来描述制造系统的生产和功能能力和成本之间的关系。 北京机床研究所和清华大学，在f m s 和c i m s 研究的基础上，从 2 0 世纪8 0 年代以来进行了“制造系统组态( 重构) 的研究”、“随机优化 布置”等基础性研究限”t l ”。在1 9 9 8 年开展了国家自然科学基金重点项 目一快速重构制造系统理论与方法的研究，对r m s 的科学基础、规划、 设计、建造和运行理论与方法，设计应用，规划、性能测试与评价方法 与工具等领域开展了深入地研究，已经受到一些单位的重视。 同本对化工生产设备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 系统避行卜2 次的重构布罱，以适应产品的变化；英国有些公司达到1 次周的重构布置频率。 1 9 9 6 2 0 0 1 年美国n s f 资助美国m i c h i g a l l 大学进行可重构制造系统 的研究，总投资为3 0 0 0 万美元，他们在世界上首先系统地开展了r m s 的研究，对推动这项技术的发展和关注起着重要的作用。主要针对缩短 r m s 设计建造时间、可重构机床与控制器的设计、减少系统重构后达到 正常运行的过渡时间一斜升时间以及进行了“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 可重构制造为课程进行了广泛地企业培训。 美国n s f 予2 0 0 1 年验收m i c h i g a l l 大学的r m s 项目时指出其关键 技术有下列四个方面：( 1 ) r m s 的管理模型；( 2 ) r m s 的布局；( 3 ) 斜升时间( 从系统重构后到能够正常生产所需要的时间间隔) 的压缩；( 4 ) 可重构机床。据m i c h i g a i l 大学r m s 项目评审委员w p i 大学的融亦鸣 教授介绍：这次评审认为m i c h i 2 锄大学在r m s 的布局和可重构机床结 构方面的研究是不成功的，为此建议再延长5 一l o 年投资3 亿美元继续 进行。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。 2 3 可重构制造系统与其他制造系统的比较 1 目前制造工业主要采用大规模生产和柔性制造系统。 大规模生产| 1 2 03 】是单一产品或少品种产品极高重复性的制造，也称 规模制造。大规模生产通常是一种基于不可扩展的、固定化的制造系统， 是针对单一产品而设计的专用制造系统，当产品需求量高时，采用大规 模生产的产品单位成本比较低。1 9 1 3 年，福特建立的汽车装配流水线 具有重要的意义，它标志着作坊式的单件生产模式演变成以流水线生产 为特征的大规模生产模式。大规模生产模式缩短了生产周期、提高了生 产效率、降低了成本、保证了质量。大规模生产模式的最大缺陷在于产 品单一，忽视了顾客的差异化需求。一旦产品设计发生变化，制造系统 将无法适应新产品的加工，必须加以改造，甚至重建。汽车行业大量使 用的大规模生产，由于产品需求变化的原因，其平均有效利用率也仅为 5 3 左右。为了克服大规模生产的缺陷，制造业开始追求多品种的生产 模式。由于新产品不断涌现以及产品的复杂程度不断提高，大规模制造 系统面临了严峻的挑战。在大规模制造系统中，柔性和生产率是一对相 对矛盾的因素。 柔性制造系统( f m s f l e x i b l em a n u f 配t i l r i n gs y s t c m ) ”是指通过 开发多用途的生产单元，并使用计算机技术将物流和信息流有机地结合 起来，从而实现加工系统从“刚性化”向“柔性化”过渡，即通过柔性 化的加工，高效率地制造多品种小批量的产品。美国国家标准局( u n i t e d s t a t e sb u r e a uo fs t a i l d a r d s ) 把柔性制造系统定义为：“由一个传输系统联 系起来的一些设备，传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设 备，使工件加工准确、迅速和自动化。”。 一个f m s 通常包括以下三部分： ( 1 ) 能独立工作的数控机床或加工中心。数目一般在2 0 台以下， 较为合适的规模是5 一l o 个加工工位。 ( 2 ) 在各机床、装卸站、缓冲站之间运送零件和刀具的传送系统。 有运输带、托板、有轨小车、无轨小车、机器人等单项或多项装置组成。 ( 3 ) 使生产系统中各部分协调工作的计算机控制系统。包括设计规 划、生产调度、系统管理、监控及通讯等予系统。 在柔性制造系统中，加工零件被装夹在随行央具或托盘上，自动地 按加工顺序在机床间逐个输送。专用刀具和夹具也能在计算机控制下自 动调度。如果在系统中设罱有测量工作站，则加工零件的质量也能在测 量工作站上检测，甚至进步实现加工质量的反馈控制。由于f m s 是 一种具有很高柔性的自动化制造系统，因此它最适合于多品种、中小批 量的产品生产。对于生产规模为每批2 0 0 2 0 0 0 件产品的中批量生产类 型，采用f m s 是比较经济的。 f m s 有许多优点，但也有明显的不足。由于f m s 主体设备是单刀 具运行、价格昂贵的c n c 机床，因而生产能力较低，产品加工费用较 高，一般不适用于大批量生产。采用多组c n c 构成的制造系统，虽然 适合大批量生产，但仍很难解决加上成本较高的问题。此外，c n c 为 了实现其柔性，不管用户实际需要而将尽可能多的功能化特征包含在制 造系统之中，造成企业投资和资源的极大浪费。显然，f m s 制造系统， 无法满足制造业对制造系统提出的r 益强烈的新要求，例如： ( 1 ) 提供高性能价格比、安全可靠和可持续增长的制造系统。 ( 2 ) 柔性商，允许随时进行硬件、软件集成，构成需要的制造系统。 ( 3 ) 能实现系统资源、生产能力和功能的动态调整，以适应市场快 速变化。 设计可重构制造系统的动机是基于这样的考虑，通过减少柔性制造 系统的过剩生产功能，增加其功能模块可重用性，减少企业的设备投资， 以获得良好的经济效益。r m s 兼有大规模生产线和柔性生产线的良好 特性，旦一个可重构生产线建立，它具有r m s 和d m s 两者的优点。 然而一个建立的可重构生产线仅对一族零件具有一定的柔性，对r m s 来说，一个生产阶段内具有有限的柔性就足够了。当产品或零件族在下 一个生产阶段发生变化时，r m s 可以组合成一个新的组态以适应生产 需求的改变，在相同的投资成本下，可重构能力越高越好，然而增加可 重构能力往往要求更多的投资。 r m s 将大规模生产的生产能力和f m s 制造系统的柔性优点结合起 来，是一种新型的、能有效对市场变化做出快速响应的制造系统。如下 表2 一l 是大规模生产，f m s 和r m s 的各种性能的比较： 表2 1 三种制造系统的比较 项目大规模生产r m sf m s 设备结构固定可调整固定 系统针对性零件 零件族 零件族 缩放性n oy e sy e s 柔性 n o 用户化柔性普通柔性 多刀具运行 y 毫sy e sy e s 相对于大规模生产、f m s 而言，以下是r m s 的主要特点： ( 1 ) 可重构制造系统既有可缩放性，又有产品的快速响应性。 可重构制造系统结构设计在系统级和设备级都是可重构的。例如： 在系统级允许添加或减少生产单元，在设备级允许增减主轴、刀库、或 集成先进的控制系统等。 ( 2 ) 可重构制造系统的设计是针对产品族的。 可重构制造继承了大规模生产和f m s 的优点，可重构制造系统在 生产能力和生产成本两个方面与现行的大规模生产和f m s 制造系统相 比有明显的进步：大规模生产系统的生产能力是固定的，即为其设计时 的最大生产能力，当市场需求过大时只能再新建一条大规模生产来适 应，其费用将成倍增加；r m s 系统的可缩放性和投资额却可以按市场 的实际需求而增减。此外，由于i t m s 具有可重构性，其资源和生产能 力可按市场需求进行调整，是一种动态的、可持续发展的制造系统，因 而能提供长期的高性能效益比，其特点是低成本和具有较长的使用寿 命。 2 可重构制造系统发展的主要趋势是： ( 1 ) 在先进制造战略的指导下，逐步建立完整的r m s 理论、设计 与规划方法、测试和评价方法。 ( 2 ) 与c i m s 等技术起形成能建立和发挥系统“乘积效果”的科 学重构理论技术。 ( 3 ) 在模块化理论指导下研究开发模块化的装置、机床装备和产 品，支持r m s 技术在产品、生产单元的设计与制造和重复使用中的应 用。 ( 4 ) 研究和开发支持r m s 的系统集成管理、生产运作管理以及 r m s 小组组织与管理体系。 3 可重构制造系统的优点 当企业采用可重构制造系统时，可重构技术可使企业达到以下效 益： ( 1 ) 改进制造系统，为产品并行设计提供可能。 ( 2 ) 降低制造系统投资，可重复利用已有或闲爱的设备。 ( 3 ) 可利用节假同快速完成新制造系统( 尤其是设施布置) 的建造， 保证产品变换后较短的生产导入时间。 ( 4 ) 建立能够激励员工创新和积极性的企业文化。可重构制造强调 9 对变化的适应性和主动的引导与管理，打破传统递阶结构的束缚。这要 求企业员工必须具有明确的挑战意识，必须主动掌握各种知识与技能以 便迎接新任务和新岗位的挑战。 ( 5 ) 提高企业与其他企业的合作能力。可重构企业在组织结构、过 程结构和技术结构等方面具有模块化和智能等性质，支持自组织基础上 的动态组合。 ( 6 ) 实现信息和业务流程的柔性集成，建立开放式集成信息环境。 对企业经营、产品设计开发及制造过程中的知识进行系统化归纳整理。 使企业做到信息共享以及充分利用各类知识，提高企业内功能协调和决 策能力。 ( 7 ) 可以有效地改变企业自身构形，显著提高对市场的响应能力。 从组织结构上响应环境变化和不确定性，不断地对企业经营过程和相应 组织机构进行分析、变革和优化，使企业具有敏捷反应能力。 ( 8 ) 使企业具有全面灵活的制造策略和丌放性，更加有效地引进和 利用新技术，有效地协调和管理那些相互交叉作用的活动( 功能) ，快速 生产和交付满足顾客独特要求的产品，极大地提高客户的满意程度。 2 4 可重构制造系统的研究内容和发展趋势 重构制造系统主要研究内容和发展趋势l i 饥”1 如下： ( 1 ) 机床可移动性与性能测试评价的研究。 通过分析、设计和试验，开发功能与结构优化的机床设备、可移动 弹性支持件产品系列。确立机床移动和重构的制造单元和系统的性能测 试、评价系统和方法，逐步形成行业规范。 ( 2 ) 建立r m s 技术平台。 该平台应能支持新产品工艺流程驱动的组态物流分析、优化和评 价；系统或单元重组、布置的规划、设计、仿真和决策支持；系统创新 设计和可诊断性设计；重组后制造产品质量缺陷和设备故障跟踪测试及 溯源诊断的设计、评价：企业提出的r m s 要求、软件试验和人员培训 教育。 ( 3 ) 开发自主版权的计算机化与智能化技术与软件。 研究开发当前企业迫切要求的通专用夹具软件、计算机辅助工艺 技术( 下料图、刀工具选择、切削或操作参数优化) ，并应以微机版本 为主。 ( 4 ) 开发基于经济可承受性的投资、功能与成本或价值控制与决策 支持系统及支持软件。 ( 5 ) 开发r m s 技术实施的系统管理与t e a m 组织管理及其评价体 系。 1 0 ( 6 ) 程基础研究和陂用研究的撼础上开发实用技术和支持系统工 具，改变个别摸索或经黢型为科学化、标准化技术垮作业，并发展支持 产瑟帮系绕工具。 ( 7 ) 程先进裁造战路指导下，逐步建立完整的糊垤s 理论、设计与 规划方法、测试和评价方法与工具，使之与其它先进制造技术形成融合 的第三技术群。 ( 8 ) 深入硒究系统分勰与集成豹蠼论，与集成露4 造等技术一起形成 能建立和发簿系统“乘狻效莱”数秘举重镌理论技术。 ( 9 ) 程模块化理论指导下研究开发模块化的液置、机床装备和产 品，支持r m s 技术在产品、设备设计与建造和重复利用中的应用。 ( 1 0 ) 研究和开发支持r m s 的系统榘成管理、订货化商务和生产运 擘管理，以及r m s 小筑缀缀与管理。 第三章设备布局综述 寿禺设计裁是将一魑秘髂接一宠要求合理地放曼在一个搬定豹空 闻内，遣赣楚按布局窆潮与布局耱俸的形状限涮、尺寸限制霸它们之闻 空阳j 位置关系的拓扑限制，布置这些物体使其符台设计条件并达到某种 设计目标。布局问题是一个涉及参数化设计、人工智能、图形学、信息 处理、优化、仿真等技术躲交叉学术领域，是一个凝杂的组台优化问题。 生产车越设备毒羁浚诗是涛麴工谈餐、兹辩簸送设备、王掺擎元露 通道走廊等布局物体合璃她放置在一个有限的生产空间内的过秘。布局 结果必须满足定性和定缴两方面要求。在定量方丽，设备布局主要考虑 每单位时删段内设备之问域单元之间的材料流、工件流和人流的遮输费 瘸最小纯。藤在定蛙方纛鲻主要考惑挚元之蠲妁穗嚣关系，热安全缝、 邻接关系等。 3 1 设备布局研究的意义 随着“车羽制造模式”的成功，企业的管理人员现在把重点敞在控 蠲金翌肉鼯爨蠲上，笼箕锻造费矮，农翻造瑟瑟中关于设备蠢弱翁磷突 很重要，下面就关于设备椎局进行论述。 设备感企业进行生产的基本单元，合理的设备布局对均衡设备能 力，保持物流平衡、降低生产成本起饕至关重要的作用。研究袭明：大 约2 溅5 0 载蕊王费髑爝予糨辩运输，瑟台理瓣浚釜毒蜀至少缆节约 l o 3 0 的物籽运输费璃。设备布局楚指按照一定的原剐，在设备和车 间内部空闻面积的约束下，对车间内豁组成单元、工作地以及，生产设备 进行合理的布置，使它们之间的生产配含关系最优，物料运送代价最小。 制造系统靛蠢局设计方法霹分为秀类必1 9 i ；强论法秘定量分辑法。圈论 法是墓予辩输入数据及辩生产活动豹佟蘑及萁关系瓣淫簿，进行枣葶籽流 及活动关系分析，形成窳间关系图。然后再根据实际可用的面积做出几 种布局方察进行评价撵优。定量方法中基本的目标函数是车删内零部 牛物流量与运输距离的聚辍最小，以减少物流搬燧费用。 3 。2 设餐希鹾类型和布局逻辑 3 2 1 设备布局类型 1 。按照设备攥放位置划分 ( i ) 梳群式毒蜀 传统的工厂车秘大鄢分是按橇群斌帑置数。每个丰且群出一缀潮类设 备构成，完成相同工艺内容的加工。如车削、磨削等，如图3 。l ： 图3 1 机群式布局 出上爨搿戳囊出，该露蜀由六秘不疑懿设备缎成，媚冠懿设蛋以甥 雨静圈澎褥号表示，梳辩式布蜀豹显港特点就是同一类设备疆梳群式斡 形式集中放置，一批零件在加工过程中就得不断蛾从一个机群避到另一 个机群，以完成不同工范的加工内容。特别是在加工较复杂零件时，由 于工艺流瑕较长，花在鼹上的来来凰圈搬运甜间缀长，不仅增加了生产 周赣，露熬溪热了在潮瑟痒存塞。褒这稃豹玺产系统中，囊正薇庄燕工 零件上的时间只占整个生产周期的1 0 ，余下的9 溉的时间都稳在搬运 和等待上了。显然，这9 0 的时间不仪不会产生增值，而且还焱增加成 本。 掇群式霉是豹饶点； 较弱充分稠瘸囊产设备轻生产籁积； 便于对工艺进行专业化管理； 对产品品种的变换有较强的适应能力。 枧群式稚局的缺点： 鸯羹王籍线长，运骧劳动耋大，热工嗣蘩长； 容翁停工待料，在制品积噩占用流动资众犬： 与麒它车间或工段协作关系比较复杂。 机群式布局一般应用于新产品的试制生产。幽予薪产品试制生产批 量| 、，对麓工零 孛豹翔潮不终严格要求，主要是稔验设计霄元缺终。 另外，各种新产品，外形千差万剐，加工工芑 燕会千差万剐，无法 找出工艺的规律性，按机群式布局这种简单的设备稚局形式，往往还 可以提高生产效率。 ( 2 ) 戏缓革元布局 或缀攀元蠢藩霆成缀按术串瑟予浚餐蠢局貔秘方法。它慧将车闻 按工艺划分为一个或多个单元的一种稚局形式。其中的每个单元供加工 工艺相似的零件族使用，同一单元内按典型工艺盥线布置设备，其布局 qqo氐b氐墨口oqq氐氐&登口o q b b 瑟瑟o o o o o o o oooo 如图3 2 o o oo q o o 氐睑。 氏& &氏氐。 oo艮oo 固囝口oo oq oo 鲁四口口 阁3 2 成组单元布局 出上霾攀浚羲窭，该凑菊按典鍪王慧翅努舞三令藏缀擎元，麴串爰 线条划分单元，每个单冗内设备的种类、数量及布崩都不相同，以适应 不同典型工装或设备负樯的需要。 虽然成缎单元布局农简化工作流栩改善物流方灏非常有效，德一般 露言，单元戆专门舞一缀特定豹零转羧嚣浚诗戆，羧j 迸其黍洼夔。嗣嚣季 在设计单元化稚局时，裔个蘸提假设，帮产晶需求融知虽比较稳定，丽 时其生命周期足够长。实际上，一旦单元形成，通常就专用于那然在单 元内基本能满足加工需求的零件族。当零件分组清晰，且需求量稳定时， 这耪组织裁怒够了，毽一照产晶豹器裳发生波动，农这耪壤况下，单元 奄焉懿毪熊优势羲无法鬣示，甚至褒禁焦经髓撞标上低予瓠饕式舔弱。 成组单元布局的优点： 缩缀了加工运输路线，节约了遴输劳动量； 简化生产管理，提高劳动效率； 馁予采瘸壹囊滚农线终鼗，竣少在鼗是及滚转炎金占矮簿； 便予根摆竣备黝加工能力及受赫来安排生产作监。 成组单元布局的缺点： 产1 5 函品种变化时工艺调整困难，市场适应饿差，产品产擞较小 时不能充分铡蠲荬设备釉生产嚣积； 车黼内部工释繁多耪工艺复杂，不便予工麓管瑾。 成组单元布局一般臌用于外形结构相似的零件族。由于柔性澄，产 品需求量需嚣稳定。 2 ，按照设备摆放形状划分 ( 1 ) 擎行蛮嚣：萃行露羯又势竣形蠢弱、g 型露蔗耪琢形露麓等死 种形式。如黼3 3 ： 卜c 卜。兮 蛾蓐 u 弗 摹妤奄岗 ooo o+o 裕 图3 3 单行布局 在单纾毒揭孛，热王浚冬按爨零佟豹糖工j 羲黟依次l l 敖。攀行毒局 的主要优惠蹩工俘始终沿着一个方囱逡渤，工伟健输的时阚耜费用较 小、延迟也较低、且易于控制并可使用传送带来传输工件。然丽，当多 种零件具有不同的加工顺序时，一般零件不是沿单方向运动，此时单行 匆蹋的效率大大降低。臌以，单行南髑般用于成缀制造单元中藏实施 准霹生产裁缝企鼗孛，璃零迄蘑予柔穗裳造系统中。 ( 2 ) 多行布局，如图3 4 ： 参l 辫瓣 鍪3 。4 多稃蠢麓 多行稚局通常是线形结构的。在多行布局中，不仅犀一行中的加工 设备发生棚豆作用，而熙不同行之间的加工设备通常也相互关联。当多 行布局中黝荦亍数为2 ，势盥行与行之脚没有物流的嶷换时，多行东局就 交盛了爨淹慕耱霖嚣籀焚雳懿辩簧输浚蚕) 纛掇舔敖蟹茨嚣令攀毒亍森 局。多行布髑适用于柔憔制造系统。 ( 3 ) 环形布局，如网3 5 ： oo0 c 3 ooo 珲卷番蔫 闰3 5 环形布局 环形布局同样也适用于柔性制造系统。在这种布局中，机庶沿着半 圆弧或椭阑排列并且工件通常向同一个方向单向燧动。环形布局的主要 优点是给物料传输带来了很大的柔性。 0 2 。2 布群逻辑 森两静逶辑是毒蕊设诗懿指导悉憨，是车潮设螽懿蟹织遂辍。传统 的布局逻辑包括： 1 单元布局 单元布局是将车间内的设备划分为若干个生产制造单元，以单元为 基本单位缎织生产。在攀元毒弱中，一缀瓠器竞戏戆是一缝援撅零锌酝 必需的工蕊。先进行单元( 模块) 划分，看进毒亍荦元内的详细布蒯社计， 符合由上擞下的层次缩构设计思想。单元布局简化了工作流、减少了物 料传输，但因为单元是为一组特定的零件族而设计的，所以柔性较差。 传统懿攀元毒置应粥成组技拳，将设鍪分戒能够擞工形状躐工艺辐 经懿零髂羧静案适摹元。萃元内部设蠢按零律族豹麓工颓窿分蠢。荤元 设计分为三个步骤：零件和机器竣备的分类成缀；车间内制造单元 的布鼍； 制造单元内的设备布置。幽产品需求波幼太或新产晶不断出 现时，制造单元则必须进行自身韵重构或允许制造举元阀的物料交叉运 学。予是囊凌了羧逶懿蘩元毒爱法，魏分形毒弱、纛接隶l 造攀元襁是疆 及整予稚硒等。 ( 1 ) 分彤布局 分形布局”( f r a c t a ll a y o u t ) 是n k a t a d r i 等于1 9 9 9 年提出的利用 分形凡俺中鹣垂耱觳搜概念嚣形残鹃一季申毒局方法。设计过程豹嚣标函 数是最小亿投资成本和黻大亿耪流稳熊。设计过纛主要劳麓4 步：能 力规划，选择每一种类溅工作站的数擐；分形单元的生成，在单元 中伟置工作站；物流的分配；单元及全局稻塌的生成。分形单元 是基本的缎织单元。车间被分成若予个糟似的分形单元，能够加工进入 该系统静缝大多鼗产鑫。分影攀元不薅羧予燕工瓣一零释旗豹零 孛，允 许分形单元间的物料流动及机器共享。分形单元的缀织结构综合了工艺 布置和产晶布景的优点。 ( 2 ) 虑拟制造单元布局 袁孝鼗制造擎元可以建义为攫撂蘩一玢段豹生产任务聚合熬豹翩 遥资源集合，是一； 孛动淼的逻辑蕈元，它总是霸特定的热工任务联系在 一起的，融知加工任务( 包括加工工件的种类、数擞及交货期) 、工艺 规程及加工路线，在允许的制造资源熊含中选择哪魑制造资源构成虚拟 的制造单元来完或加工程务。严格意义上说虚拟制造单元蠢局不是东局 静逻辑设诗方法。 ( 3 ) 黢子布局 整子柿局是一种完念分布式的椭尚，将每台设备看作一个自治体， 1 6 单个设备似乎随机平均地分布于车间的不同位置，其目的在于从车间的 任何一点出发到达某一类型设备和不同类型设备间的平均距离最短。整 子向局的思路来源于h o l o n “”制造系统。h o l o n 制造系统是i m s 计划中 提出的一种新一代制造系统，其特点是具有分布式控制结构以及自治和 协作的构造模块。整子布局对于生产计划与控制系统的要求很高。 m a r c o t t e 提出了一种设计整子布局的方法，。并采用了随机整子卸局和路 径规划算法。整子生产布局能够适于快速多变复杂的外部市场环境，成 为具有高的鲁棒性及反应能力的新一代布局。 2 分布式布局 分布式布局的基本思想是将工艺布置中大的机群式单元分解成小 的子单元，并将它们分布在整个车间。将相同的资源分布于车间的不同 区域，减小了不同类型设备之间的距离，增加了其从车间的不同位置的 可访问性，实现了最小的物料运输距离 3 动态靠局 传统的布局设计假定生产系统处于静止和稳定的状态，一旦生产发 生了变化，又在新的状态下重设计生产布局。动态生产布局是指根据n 个可预知的生产周期进行最优布局设计，其设计方法如图3 5 ： 图3 5 动态环境下设备布局方法 j a y d e e p 等研究了用混合遗传算法解决动态环境下的车间靠局问 题。动态布局优化的目标是使物流运输成本和重布置成本最小，确保重 新布局后带来的物流搬运费减少量一定大于重新稚局过程中需要的代 价。动态生产布局的难点在于对未来的生产需求的预知和重新布鬻费用 的计算。 4 。可整捡布局 交纯懿产鑫释类窥王慧爨线在仗下令震期来浚之蘩乏1 戆确定，这 样只考虑溺前的布局和下一个布局设计更有意义。制造系统的布局重构 是基于零件加工工艺、材料运输成本和设备重新布髑安装成本等来优化 制造系统的设备布局构形。可重构布膈考虑了系统缀成的可重构性，更 多建反映在竣蛋豹可重襁方嚣。热拿大熬l e e 提出了一秘考虑设餐糍嚣 裰搽魏= ：l = 零件变倔丽交纯的翻造系统豢构愿瑾。嗣游，关于制造设备可 重构性的研究得到高度熏视。智能制娥计划立项“黼生产率和可遵构制 造系统( h i p a r m s ) ，支持开发以可煎构的机床为核心的可重构布局是 下一代的生产布局，是凑竭的发展趋势。在未来2 0 年闯，可遥藏性过 程露设备驻波翻造活动秘霹重零莓整慧突璇“舞毒豹滋秘遮鬟著行缝”滋 及“为响戚正在变化着的需求和机会恢速进行企业熏组”目标的两种手 段。 5 。鲁棒性( r 0 乩s t ) 布局 些撩撼禁壹重鬏露鬟设备醚，簧求浚诗一秘跨越整个生产躅羯承 簸优奄弱，邸鲁棒性布惩。对于特定的时闻段来说，它不是最後方案， 但对于整个生产周期来说，它是最优方案。当个规划周期的需对乏无法 确定或预测时，鲁棒性布局提供了一种最佳的折中设备布局方絮。这种 京蜀形式挠凌一些参数发生变动豹壤况下，以“不变应万交”。营棒 经主要反浚了鼹枣场窝系统运孝亍条终瓣逶霾麓力。赣棒往懿谔後攒稼蔗 设计的关键，主要有物流费用和投资效益。 3 3 设备布局研究现状 每嚣设诗阉题( 魏e 爱i 麓p b l 鼬黥d 毛a 弦罐d e s i g 狂；蹩绘定个匆 局空阊和稻波的待布局物体，在满足必簧的约束条停下，将挎布髑物体 合理地摆放征空间中，弗达到某种最忧指标的活动。 布局设计是复杂而广泛的主题，r 落存在于现在缴活中的各行各业。 翻翔：在主本建筑工程审豹整搭结孝驽蠢熙，在奄予工程孛丈援棱繁成电 路翁奄餍，造船鼗孛韵镄扳切裁毒扇，臻l 遗锈蠛审熬设备蠢弱每穆流蔑 划等。根据布局空闻和待布局物体的形状，我们把实际的布局问题抽象 归纳分为以“f 四类： ( 1 ) 二缕援则物体布局闯题 德毒鼹甥巍毒爨窒鞫嚣是瘫形或灏影，蘩装蠢瓣返、乃韬瓣越； ( 2 ) 二绦不规则图形布局问题 待布局物体和布局空问中至少有一个是二维不规则图形。如服装裁 剪中的划印布置问题，造船业板材切割中拼装问题，机械行业冲压下料 问题。 ( 3 ) 三维规则物体布局问题 包括长方体、圆柱体及球体的布局问题，常见的是待布局物体和布 局空间都是长方体的情况，典型的如集装箱摆放布局。 ( 4 ) 三维不规则实体布局问题 待布局物体和布局空问是三维不规则实体。如坦克舱布置设计，航 天器舱内的仪器设备布局问题。 迄今为止，关于布局问题大量的理论研究仅限于第( 1 ) 、( 3 ) 类问题 的矩形物体范围内。这两类中的部分问题可以抽象为纯数学模型的表达 形式，然后用数学规划和启发式方法求得理想的解。此两类的其它问题 已变成n p 完全问题( n 0 r l d e t e r n l i n i s t i cp o l y n o m i a lc o m p e t ep r o b l e m ) ， 随着布局物体数量的增加，解空间呈指数倍的扩大，出现组合爆炸现象， 用基于穷举思想的算法将无法解决。目前，关于它们的求解算法都是基 于特定应用领域的启发式算法，它们的求解效果随着具体问题的不同有 很大的差别，并且都只能找到近似可行解。至于第( 2 ) 、( 4 ) 类问题，由 于布局对象形态的随意性，使得问题变得异常复杂目前国内外对这类 问题的理论研究进展非常小，相关研究报导也很少见。 自1 8 3 1 年g a u s s 研究网格的有关布局。”问题开始，布局问题研究 至今已有百余年的历史。1 9 3 0 年k a n t o