（精密仪器及机械专业论文）可重构制造系统若干使能技术的研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 随着全球经济竞争的日趋激烈，企业的生存环境在剧烈的和不可预测的变化 着。为适应这种变化，制造企业必须提高其制造系统的适应能力，以变应变。可 重构制造系统正是在这一背景下提出的，它能够以较低的成本提高企业对外界环 境变化的响应能力，满足顾客对产品个性化的需求。 制造系统的重构可以在设备层和系统层两个层次上进行，其使能技术问题也 涉及到两个层次。对于系统层重构，本文研究了制造系统重构过程中设备选择、 设备布局、制造系统仿真、系统控制结构四个方面的问题：对于设备层重构，本 文研究了设备故障诊断、数控系统的重构两个方面的内容。 根据生产任务选择制造资源是制造系统进行重构的前提，文中建立了根据生 产任务选择加工设备的指标体系，将模糊数学理论引入设备选择模型的建立中， 通过模糊层次分析法确定了各指标的权重系数，采用模糊积分对备选设备进行综 合评估。制造系统设备布局的优劣对重组后的制造系统性能有着重要的影响，考 虑到设备布局问题属于n p 完全问题，在设备布局问题求解的过程中引入了启发 式算法，针对单一启发式算法存在的不足，将遗传算法和禁忌搜索结合起来，使 这两种算法相互取长补短，应用于布局问题的求解过程中。为研究系统重组方案 的优劣，将计算机仿真技术运用于制造系统的设计中，以q u e s td e l m i a 为 开发平台建立制造系统仿真模型。针对可重构制造系统的特点，将合弄控制结构 引入到可重构制造系统中，在合弄控制结构中，将合弄划分为基本合弄和辅助合 弄两类，通过基本合弄对辅助合弄的建议，在不同的情况下采用不同的对待方式， 使合弄控制结构综合了递阶控制和分布式控制的优点。为了提高辅助合弄的效 率，采用p e t r i 网描述生产调度问题，以p e t r i 网的系列变迁作为调度问题解的表 达方式，将模拟退火算法引入调度算法中，并在模拟退火算法中增加了记忆功能， 提高了模拟退火算法的效率。由于可重构制造系统需要根据生产任务的变化经常 对制造系统重组，从而导致生产设备的移动、增加、减少或更换功能模块，相对 于其他制造系统更容易引起设备产生故障。因此，本文讨论了设备故障诊断的方 法，分析了模糊聚类、粗糙集理论、灰色系统理论应用于设备故障诊断过程中存 摘要 在的一些缺陷，考虑到这些理论的互补性，将它们结合起来，建立了模糊c 均值 聚类一粗糙集一灰色系统的设备故障诊断模型。本文还分析了数控系统的发展趋 势，提出了基于u s b 的可重构数控系统，提出了一种硬件和软件的设计方法， 建立可重构数控系统的原型系统。 关键词：可重构制造系统，设备选择，设备布局，仿真，故障诊断，合弄控制系 统，u s b ，制造业信息化 i i 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t t h eg l o b a le c o n o m i cc o m p e t i t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei n t e n s i v ea n d m a n u f a c t u r i n g e n v i r o n m e n tf o r t h e e n t e r p r i s e s i s u n d e r g o i n g d r a m a t i ca n d u n p r e d i c t a b l ec h a n g e s ，s ot h ee n t e r p r i s em u s te n h a n c et h ea b i l i t i e st or e c o n f i g u r et h e i r m a n u f a c t u r i n gs y s t e m st or a p i d l yr e s p o n dn e wm a r k e tc o n d i t i o n s 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 sa r ep u tf o r w a r di ns u c hac o n d i t i o n i tc a ne n h a n c et h e r e s p o n s i v ea b i l i t yt ot h ec h a n g e so ft h ee n v i r o n m e n tw i t he c o n o m i c a lc o s tt os a t i s f y t h ei n d i v i d u a ln e e d so ft h ed i f 梵r e n tc u s t o m s t h er e c o n f i g u r a t i o no ft h em a n u f a c t u r i n gs y s t e m sc a nb ei m p l e m e n t e do nt h e m a c h i n el e v e lo ro nt h es y s t e ml e v e l ，s ot h ee n a b l i n gt e c h n o l o g i e sc a nb ea l s o c a t e g o r i z e di n t ot w ok i n d sc o r r e s p o n d i n gt ot h et w ol e v e l s t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e s f o u ra s p e c t s ，m a c h i n et o o l ss e l e c t i o n ，m a c h i n e l a y o u t ，d i s c r e t ee v e n td y n a m i c s i m u l a t i o na n dc o n t r o ls t r u c t u r e ，w h i c ha r er e l a t e dt ot h es y s t e ml e v e lr e c o n f i g u r a t i o n ， a n dt h eo t h e rt w oa s p e c t s ，f a u l td i a g n o s i sa n dr e c o n f i g u r a b l en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ， w h i c ha r er e l a t e dt ot h em a c h i n el e v e lr e c o n f i g u r a t i o n s e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t em a c h i n et o o l sa c c o r d i n gt op r o d u c t i o nt a s ki st h ef i r s t s t e pf o rr e c o n f i g u r i n gt h em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，s ot h ec r i t e r i as y s t e mf o re v a l u a t i n g t h em a c h i n et o o l si ss t r u c t u r e d ，f u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s si su s e dt od e t e r m i n e t h ew e i g h t so ft h ec r i t e r i aa n df u z z yi n t e g r a li su s e dt os y n t h e t i c a l l ye v a l u a t et h e a l t e r n a t i v e s w h e t h e rt h em a c h i n el a y o u t si sp r o p e ro rn o ta f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo f t h er e c o n f i g u r e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m sa n dm a c h i n el a y o u tp r o b l e mb e l o n g st on p c o m p l e t eo n e ，s oh e u r i s t i ca l g o r i t h m sa r eu s e dt os o l v et h ep r o b l e m s i n g l eh e u r i s t i c a l g o r i t h mc a l l ts o l v et h ep r o b l e mp e r f e c t l y ；g e n e t i ca l g o r i t h ma n dt a b us e a r c ha r e i n t e r w o v e nt oa v o i dt h es h o r t c o m i n g s i no r d e rt oc o m p a r ed i f f e r e n tr e c o n f i g u r a t i o n b l u ep r i m s ，d i s c r e t ee v e n td y n a m i cs i m u l a t i o ni si n t r o d u c e dt oa s s i s tt h ed e s i g no ft h e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m sa n das i m u l a t i o n m o d e lb a s e do nq u e s t _ d e l m i ai s a b s 仃a c t c o n s t r u c t e d i nt h ed i s s e r t a t i o n ，h o l o n i cc o n t r o ls y s t e mi sp r o p o s e dt oc o n t r o lt h et o t a l m a n u f a c t u r i n gs y s t e m i nt h eh o l o n i cc o n t r o ls y s t e m ，t h eh o l o n sa r ec a t e g o r i z e di n t o b a s i ch o l o n sa n da u x i l i a r yh o l o n s t h eb a s i ch o l o n sa d o p td i f f e r e n ta t t i t u d e st ot h e a d v i c ew h i c hi sg i v e nb yt h ea u x i l i a r yh o l o n s ，s ot h eh o l o n i cc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e s t h em e r i t so f b o t hh i e r a r c h i c a lc o n t r o ls y s t e ma n dh e t e r a r c h i c a lc o n t r o ls y s t e m i nt h e d i s s e r t a t i o n ，p e t r in e ti su s e dt od e s c r i b et h es c h e d u l ep r o b l e ma n dt h et r a n s i t i o n s s e q u e n c ei su s e da sas o l u t i o nt ot h es c h e d u l ep r o b l e m ，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 ， w h i c hi si m p r o v e db ya d d i n gm e m o r yf u n c t i o n ，i sa p p l i e dt os o l v et h es c h e d u l e p r o b l e m i nr 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 ，t h em a c h i n et o o l sa r eo f t e nm o v e d ， 。n e wf u n c t i o n a lm o d u l e sa r ea d d e d ，a n d o ro l df u n c t i o n a lm b d u l e sa r e e m o v e do r r e p l a c e dw i t hn e wf u n c t i o nm o d u l e ，w h i c hc a nr e s u l ti nm o r em a c h i n em a l f u n c t i o n t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h em e t h o d sf o rf a u l td i a g n o s i sa n da n a l y z e st h ed r a w b a c k s w h i c he x i ti nf u z z yc l u s t e r , r o u g hs e tt h e o r ya n dg r e yc o r r e l a t i o nw h e nt h e ya r e a p p l i e dt o f a u l td i a g n o s i s s i n c et h e s et h e o r i e sa r ec o m ei n t o b e i n gi nd i f f e r e n t d o m a i n s ，w h i c hc a ns u p p l e m e n te a c ho t h e r , t h e ya r ei n t e g r a t e dt ob eu s e di nf a u l t d i a g n o s i s t h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e di nt h e d i s s e r t a t i o n ；r e c o n f i g u r a b l en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nu s bi sp u tf o r w a r d ； d e s i g nm e t h o d sf o r h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed i s c u s s e d ；a n dt h ep r o t o t y p eo f r e c o n f i g u r a b l en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi ss e tu pi nt h ed i s s e r t a t i o n k e yw 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 gs y s t e m s ，m a c h i n et o o ls e l e c t i o n ，m a c h i n e l a y o u t ，s i m u l a t i o n ，f a u l td i a g n o s i s ，h o l o n i cc o n t r o l l i n gs y s t e m ，u s b ，m a n u f a c t u r e i n f o r m a t i o n i z a t i o n i v 中国科学技术大学博士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 制造业为人类创造了巨大的社会财富，据统计，发达国家7 0 左右的社会财 富是由制造业创造的【l 】，为保持自己的制造业在国际上处于领先地位，各国政府 都高度重视本国制造业的发展，都在积极地探讨新的制造模式。美国在2 0 世纪 9 0 年代提出了敏捷制造模式，并且成立了敏捷制造企业论坛，研讨敏捷制造的 概念、理论和工程实践：日本联合欧洲、美国、加拿大、澳大利亚等工业国家开 展了智能制造研究计划，以提高制造系统的智能；德国提出了分形公司理论，目 的是在德国社会价值观和文化的基础上，建立一种能凝聚德国优势的新型制造模 式【2 】o 在过去的五十年中，在不断变化的市场需求驱动下，制造系统经历了三次重 大的变革刚1 ( 见图1 1 ) 。 2 0 世纪初 2 0 世纪中叶2 1 世纪 时间 图1 - l 制造系统的发展历程 2 0 世纪初，由于生产能力远远落后于社会消费需求，各种制造业具有稳定 的市场环境。企业的主要任务是：在有限生产能力约束下，有效地生产产品，制 造企业竞争的手段为扩大生产规模，降低生产成本。在这种环境下，制造企业通 过引进大量的专用自动化生产设备取代原有的手工设备，遵循批量法则的“大批 量生产模式”，将这些专用自动化生产设备通过物流系统连接起来形成刚性的、 任务不可改变的机械式流水生产线【5 】，从而极大地提高了制造系统的生产率，降 低了生产成本，满足了人类社会的基本消费需求。 第一章绪论 然而专用制造系统是针对某一具体产品和固定生产能力而设计制造的，它虽 然具有高效率、低成本等一系列优点，但缺少柔性。在当今竞争日趋激烈，市场 需求变化莫测，产品市场寿命周期逐渐缩短的情况下，专用制造系统缺乏柔性的 弊端逐渐暴露出来，导致大批专用制造系统处于停产、半停产状态，造成极大的 浪费。例如，1 9 9 6 年冬季，由于市场对豪华型轿车需求较少，美国通用汽车公 司卡迪拉克生产线近一半处于停产状态；而在同一时期，市场对通用汽车公司的 轻卡汽车的需求却超过其生产能力2 0 ，由于此生产线缺乏柔性，通用汽车公司 只能眼看着大好的市场机遇白白错过。 2 0 世纪下半叶以后，市场逐渐趋于饱和，制造企业的竞争焦点转移到如何 一提高生产柔性、快速向客户提供高质量i 个性化的产品和服务。在这种情况下， 人们提出了柔性制造系统。柔性制造系统是由计算机控制系统和物流系统连接起 来的一系列自动化加工设备和辅助设备，是加工对象、工艺过程、工序内容和生 产节拍等可自动调节的高度自动化制造系统。柔性制造系统由于所生产的产品品 种、数量可变，能适应多品种、各种批量的自动化生产，所以能快速响应用户或 技术发展对于产品品种、性能、数量的需求变化。例如英国m o l i n s 公司于2 0 世 纪6 0 年代在世界上首先建成了s y s t e m2 4 柔性制造系统。该系统大量采用数控 机床等自动化设备，制造系统的柔性通过数控设备的功能冗余来实现。 然而，柔性制造系统其加工零件的品种数量愈多，则设备的结构愈复杂，功 能储备也愈多，其柔性与制造系统的成本成正比，而面对市场需求的不确定性， 这种做法必然会增加初次投资风险。德国斯图加特h s c h u l z 教授曾统计美国、 欧洲和亚洲的2 2 个国家3 7 0 家批量生产厂，发现近乎8 0 的加工中心只利用其 2 0 功能。显然，这种以扩大通用型数控机床的功能来提高其柔性的办法不是一 种合理的措施1 6 j 。 为了适应现代生产的需求，在综合了专用制造系统和柔性制造系统各自优点 的基础上，近年来国内外学者提出了一种新的制造系统。对于该制造系统，当市 场产品需求增大时，可以很快地将新设备无缝地集成到原有系统中，增加原有生 产系统的生产能力；当产品种类需求变化时，可以在设备上增加、更换功能模块， 改变机床的加工功能，从而满足对新产品加工的要求；当产品工艺路线变化时， 可以快速地调整原有系统的布局结构，来满足对新工艺的要求。该制造系统的核 2 中国科学技术大学博士学位论文 心是以企业的自身变化来适应企业环境的变化。这种以变应变的制造模式使得制 造企业既具有很高的生产效率，又具有很好的柔性，是未来制造系统的发展方向。 该制造系统有人将其命名为可重构制造系统( 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 g s y s t e m ，r m s ) ，也有学者称之为快速重组制造系统( r a p i d l yr 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 r m s ) ，在本文中，我们使用可重构制造系统这一说法。 可重构制造系统与专用制造系统、柔性制造系统之间的关系可以通过图1 2 表示【7 j 。从图中可以看出，可重构制造系统的生产能力和生产功能不是固定不变 的，能够根据需要增减和调整。可重构制造系统这种生产能力和生产功能的可变 性取决于其可重构的软件和硬件，因此可重构制造系统既可以成为某种形式的专 用制造系统，也可以成为某种形式的柔性制造系统，或者是二者结合的产物。 一、 廿 棼 r 耀 l 划 生产功能( 产品种类数) 图1 2 三种制造系统在生产功能生产能力坐标系中位置 1 2 可重构制造系统的定义与特征 对于什么是可重构制造系统，至今学术界和工业界没有明确最终的定义。因 为随着可重构制造系统研究的深入，这一概念的内涵和外延在不断的扩展。目前 具有代表性的定义有以下两种。 第一种定义为：可重构制造系统是指为了在一个零件族内快速调节生产能力 和制造功能以适应市场需求或政府调节的突然变化，从一开始就将结构以及硬件 和软件组元设计成可快速变化的制造系纠引。该定义是由m i c h i g a n 大学k o r e ny 第一章绪论 教授等人于1 9 9 9 年在国际生产工程研究会年会上提出的，其特点为【9 1 ：将加 工对象限定在按成组分类的一个零件族内。强调重构由生产能力和制造功能的 需求变化驱动的。要求在可重构机床的基础上进行重构。 第二种定义为：可重构制造系统是一种能够遵循市场需求变化、系统规划与 设计的规定，以重排( 重新组态) 、重复利用和更新系统组态或子系统的方式， 实现低的重构成本、短的系统研制周期和斜升时间、高的质量和投资效益，快速 调整制造过程、生产功能和生产能力的可变制造系统【l0 1 。该定义是由清华大学 罗振璧教授等人于2 0 0 0 年提出的，其特点为【9 】：将加工对象定义在系统规划 与设计的范围内。强调重构是由生产过程、生产功能和生产能力的需求变化驱 动的。强调了制造系统的系统级重构，将重构层次由设备级扩展到系统级，即 不一定等到研究开发出可重构机床后才能实现可重构制造系统。 尽管在学术界和工业界对可重构制造系统没有明确的定义，可重构制造系统 具有以下一些特征【4 j ： 可变性可重构制造系统最大的特点是可变性，其生产能力和生产功能，能够 随着外界环境的变化而变化，可变性是其对外界变化做出及时响应的根本保证。 模块化可重构制造系统要具备可变性其结构必须是模块化的，这样可以根据 需要在原有系统中增减模块，改变其生产功能和生产能力。可重构制造系统的三 个子系统可重构加工系统，可重构物流系统，可重构控制系统都应具备模块化 特性，才能使系统真正地具备可变性，同时模块化降低整个系统的设计难度，也 使系统更便于维护。 标准化只有各种模块具有标准的接口，才能保证各个模块的互换，否则模块 化将失去任何意义。 定制性柔性制造系统走向死亡的原因是其尽可能地包含一切可能的功能，导 致其前期购置费用和后期维护费用高昂，可重构制造系统的设计应该针对某一系 列产品，而不是包含各种各样的产品。 集成性作为新一代制造系统，可重构制造系统应具备集成性，这样才能保证 物质流、信息流、能量流在系统内部顺利流动。 经济性为避免柔性制造系统的覆辙，可重构制造系统重构时应充分考虑原有 系统的利用，而不是推翻原有的制造系统，这样可以以较经济的手段达到新建全 中国科学技术大学博士学位论文 新系统的效果。 可诊断性可重构制造系统需要经常重构，缩短其斜升时间显得尤为重要，可 重构制造系统需要对产品加工质量和可靠性进行识别和分析。 1 3 可重构制造系统的研究内容 可重构制造系统是由客户需求和制造环境驱动，具有动态重构能力，能够通 过调整系统配置来快速响应外界变化的制造系统】，可重构制造系统最大的特点 是能够根据外界的变化进行自身重构，可重构制造系统的重构按照重构粒度可以 分为：设备层的重构和系统层的重构( 见图1 3 ) ，设备层的重构即实现加工设备 的动态变化能力，加工设备通过改变自身结构，灵活地完成多种任务，系统层的 重构即保证系统不产生较大扰动的情况下允许添加设备、移走设备或改变设备位 置，以满足不同产品生产的需求【l2 1 。 图1 3 制造系统重构层次性 由于制造系统的重构涉及到设备层和系统层两个层次，因此相关的研究也在 两个层次进行。在不同的层次中，所涉及的问题是不同的( 见图1 4 ) 。 第一章绪论 可 重 构 制 造 系 统 l可重构制造系统的仿真 l 制造系统控制结构的研究 图1 - 4 可重构制造系统的层次性 1 3 1 可重构制造系统的设备层研究内容 设备层主要涉及以下一些问题：机床模块化设计、机床可移动性研究、机床 可重构数控系统以及缩短斜升时间的故障诊断和过程监控等。 机床模块化设计：设备的可重构性是整个制造系统可重构性的支柱，未来 机床、工装夹具和机器人应该能够通过改变自身的结构，而灵活地完成多种任务， 因此，机床模块化设计是可重构制造系统中一个重要的问题。机床模块化设计涉 及到以下两个问题：功能模块的划分和功能模块的标准化【1 3 】。如何正确划分功 能模块是可重构制造系统的关键技术之一。合理的模块划分可以简化设备的结 构，降低设备的重构频率，提高模块之间的精度匹配。过小、过大的模块划分都 是不合适的，过小的模块划分将导致重构频繁发生，过大的模块划分将使设备的 柔性受到极大的限制。 功能模块的标准化是机床模块化设计的基础和前提。只有实现标准化，才能 组织专业化的大规模生产，实现不同厂家模块的互换。 机床可移动性研究：对于可重构制造系统，由于工艺路线的变化，导致机 床布局的重新调整是经常发生的，因此可重构制造系统的机床必须具有标准的对 6 中国科学技术大学博士学位论文 地基、能源等要求，同时重量较轻，调试容易。 机床可重构数控系统：可重构制造系统的机床由于生产任务的改变，需要 经常增加、减少模块，其控制系统也应该用模块化的设计方法，并应用软构件的 思想支持控制软件重构，允许应用模块方便地在控制系统中“插入和拔出”。 缩短斜升时间的故障诊断和过程监控：所谓斜升时间，指的是新建或重组 制造系统运行开始后，达到规划或设计规定的质量和成本的过渡时间。由于可重 构制造系统需要经常重组，对缩短斜升时间的研究相对于其它制造系统更有必 要，它也是可重构制造系统的一个重要性能测度指标。 l 32 可重构制造系统的系统层研究内容 可重构制造系统的系统层主要需要解决如何根据生产任务优化配置制造资 源，并保证物料流、信息流在各子系统之间无缝流动，从而实现根据生产任务定 制制造系统的生产功能和生产能力，这是通过更改系统的构型来实现的。因此， 系统层主要涉及以下一些问题：系统重组过程中设备选择方法、制造系统可重构 布局研究以及适合可重构制造系统经常重构的制造系统控制结构等一系列问题。 系统重组过程中设备选择方法：根据生产任务选择加工设备进行制造资源 重组是实现可重构制造系统的关键问题之一，由于设备的选择涉及到多种因素， 既有定量指标，又有定性指标，传统的依靠人工经验的方法显得力不从心。因此 需要根据实际情况，建立设备选择评价指标体系，合理确定各评价指标的权重系 数，运用适当的方法对评判指标进行综合评判，为可重构制造系统设备选择提供 一套行之有效的方法。 制造系统可重构布局研究：制造系统布局指加- i - 设备、物料运输系统、零 件库等设施在车间的空间排列。据统计，因布局不合理所产生的运行费用占制造 系统整体运行费用的2 0 5 0 t 1 4 j ，因此制造系统的最优布局设计是一个十分重要 而又很容易被忽视的问题，对于可重构制造系统，由于要经常进行设备布局的调 整，对其设备优化布局的研究显得尤为重要。虽然目前人们提出了多种算法来优 化设备布局，但是这些算法多集中于将给定的机床分配到相应的工位以保证运送 加工材料的时间最小。由于可重构制造系统的设备布局不是推倒现有系统，而是 尽可能利用现有的制造资源，对可重构制造系统设备布局的评价指标，除了运送 第一章绪论 加工材料的时间最小外，还需要考虑原有资源的充分利用，最小的斜升时间，产 品质量等一系列要素。另外，在设备布局设计过程中，还要考虑一些定性因素， 如布局的美观性、设备操作人员的工作舒适性、安全性等。 可重构制造系统仿真：为减少根据生产任务重组后的制造系统可能出现的 问题，可以在制造系统建立之间，通过仿真查看系统运行状况，及时发现可能出 现的问题，使设计者能及时修改。如何建立制造系统仿真模型并进行仿真运行是 设计可重构制造系统重要内容之一。 制造系统控制结构：制造系统的控制系统是在满足市场需求的前提下，对 从原材料到产品转换过程中的所有制造活动进行协调，其决策职责包括工件调 度、路径选择和设备资源分配等。由于可重构制造系统随着生产的变化需要经常 添加或减少设备，因此其控制系统必须具有动态变化的能力。将合弄控制模式引 入可重构制造系统可以使企业获得合再及合弄结构为生物组织和社会组织提供 的面临扰动的稳定性，面对变化的自适应性、灵活性以及有效的利用资源。 1 4 国内外的研究现状 可重构制造系统概念的提出引起学术界和工业界广泛的关注。美国国家研究 院经对世界4 0 位专家咨询后，在1 9 9 8 年提出了( ( 2 0 2 0 年制造业挑战预测，其 中把可重构制造系统列为2 0 2 0 年前制造业面临的六大挑战之首【i 引，近几年来， 国内外学者付出了大量的精力和时间对其进行研究。2 0 0 1 年5 月第一届可重构 制造系统国际会议在美国m i c h i g a n 大学召开，美国、德国、意大利等1 4 个国家 的学者在会议上围绕制造策略、制造系统建模与分析、面向敏捷制造和可重构制 造的新机器设计和敏捷与可重构制造的监控与控制等专题发表了3 5 篇论文i l 引。 2 0 0 3 年8 月第二届可重构制造系统国际会议在美国m i c h i g a n 大学召开，会议上 围绕制造系统设计、系统控制、可重构机床设计、过程监控和故障诊断、费用和 风险管理以及可重构装配和拆卸等主题发表了5 0 多篇论文。2 0 0 5 年5 月第三届 可重构制造系统国际会议再次在美国m i c h i g a n 大学召开，来自美国、加拿大、 法国、日本等2 0 多个国家的学者在会议上围绕制造系统、故障诊断和检测、控 制、应用和可重构机床等主题发表了8 0 多篇论文。虽然到目前为止，整个研究 工作还没有形成完整的体系，可重构制造系统的原型尚未制造出来，但是可重构 中国科学技术大学博士学位论文 制造系统的理论研究在某些方面还是取得了一定的进展，其中有代表性的工作包 括： 1 9 7 7 年，日本启动了f m c ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e mc o m p l e xp r o v i d e d w i t hl a s e r ) 项目。该项目进行了任务驱动的模块化装配研究。加工模块储藏在仓 库里，一旦生产任务到来，将这些模块组装成加工系统，等生产任务完成，又将 这些加工模块拆分储藏在仓库里供下次使用。 2 0 世纪9 0 年代，欧洲委员会在欧洲机床工业的现状和未来中明确提出 按自治功能单元划分模块进行模块化机床设计和制造，并开展模块生产的专业化 协作。h a n n o v e r 大学开展了先进机床模块化综合项目研究，明确按顾客规 定的模块进行机床的重组。 一、 美国c a r n e g i em e l l o n 大学研制开发的可重构机器人包含大量的“可插拔式” 模块，可以根据任务所需要的运动学和动力学性能组成各种接口。 1 9 9 6 年，美国在m i c h i g a n 大学成立了可重构制造系统工程研究中心 ( e n g i n e e r i n g r e s e a r c hc e n t e ro f 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 s ， e r c r m s ) ，该中心的课题研究获得了国家科学资金与工业界的支持，进行了缩 短可重构制作系统设计建造时间、可重构机床和可重构控制器的设计以及缩短系 统重组后的斜升时间等方面的研究【8 】，该中心的目标是发展成为制造系统重构的 科学基地。 从1 9 9 6 年起，中国科学院沈阳自动化研究所针对企业组织与过程的优化重 构、可重构企业管理信息系统、可重构机器人开发等开展了研究，2 0 0 0 年由王 成恩教授等人主编的可重构制造系统是我国第一部全面系统地介绍可重构制 造系统的专著，它的出版标志着可重构制造系统的研究在我国进入了一个新的研 究阶段。 1 9 9 8 年，我国国家自然科学基金资助开展了快速重组制造系统( r a p i d l y 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 s ，r r m s ) 的研究，该研究项目由北京机床 研究所和清华大学合作进行，主要进行了制造系统重组的系统设计理论，可诊断 性设计，基于随机过程理论的系统运行与布置理论，零件工艺驱动的系统规划布 置理论，组态式柔性制造单元的结构体系并利用c a d 技术进行支撑工具的研究 开发和产品创新设计的研究等【l o 】。 9 第一章绪论 2 0 0 2 年中国科学院自动化研究所在国家重大基础科学研究9 7 3 计划的资助 下开展了“生产制造系统重构过程的实时协调控制理论与方法研究”，该课题主 要研究基于智能制造单元的可重构系统的智能建模理论与优化方法和基于智能 制造单元的可重构系统中多自主体协调与控制的理论与方法等内容【1 7 】。 1 5 本论文的研究内容 综合分析可重构制造系统国内外研究现状，我们可以看出，虽然可重构制造 系统的理论研究和实践探索取得了一些积极的成果，但总的来说，它仍然处于起 步阶段，尚有许多问题需要解决。 一 。r_， 在可重构制造系统的研究过程中，一些学者认为，只有完成可重构机床的研 究，才能开始可重构制造系统的研究。这种观点忽视了制造系统的系统层重构的 重要性，使得有关的研究成果短期内无法在企业中得到应用。我们在强调设备层 重构重要性的同时，不能忽视系统层重构的重要性。单纯强调某一点，都是不科 学的。 由于制造系统的重构包括系统层重构和设备层重构，因而本论文分别从系统 层和设备层两个层次对相关问题进行研究。对于系统层重构，虽然涉及到众多问 题，但概括起来，主要有以下几个方面【1 8 l ：根据生产任务选择合适的设备， 根据主要产品的工艺路线合理安排设备的布局，建立仿真模型，对设计结果 进行评估，建立合适的控制结构( 见图1 5 ) ，在本论文，我们用第二章到第五 章共四章的内容分别对系统层的问题进行了研究。相对于系统层，设备层重构涉 及到更多的内容，国内外学者在这方面做到比较多的研究眇2 4 1 ，为避免重复别人 的研究，本文仅对可重构制造系统中设备故障诊断以及可重构数控系统进行研 究。 图1 5 制造系统的系统层重构流程图 该论文共分八章，各章内容如下： 第一章简要介绍制造模式的发展变化，讨论了可重构制造系统的定义、特 l o 中国科学技术大学博士学位论文 征、主要研究内容，介绍国内外研究现状和本论文的研究内容。 第二章建立了可重构制造系统根据生产任务重构时选择加工设备的指标 体系。探讨了不同指标的权重系数的确定方法，以及如何根据各项评判指标进行 综合评判方法。 第三章探讨了设备布局的设计方法，阐述了可重构制造系统布局设计的目 标，利用遗传算法和禁忌搜索的混合算法来求解设备布局。 第四章介绍制造系统仿真模型的特征，指出建立制造系统仿真模型需要解 决的问题，将计算机仿真技术运用于制造系统的设计中，分析制造系统设计中可 能存在的问题。 第五章分析了制造系统控制结构的演变过程，讨论了合弄控制结构应用于 可重构制造系统的可能性，建立了合弄控制结构的框架模型。 第六章讨论了设备故障诊断的方法，指出目前常用的设备故障诊断方法存 在的问题，将模糊聚类、粗糙集理论、灰色系统理论应用于设备故障诊断，建立 设备故障的智能诊断模型。 第七章提出了基于u s b 总线的可重构数控系统，讨论了可重构数控系统 硬件、软件的设计方法，建立可重构数控系统的原型系统。 第八章总结论文所取得的研究成果，本文创新之处，指出进一步研究的方 向。 第二章制造系统重组过程中设备选择模型 第二章制造系统重组过程中设备选择模型 可重构制造系统的重构根据重构粒度的不同，可以分为设备层重构和系统层 重构。设备层重构是指可重构设备通过添加、移去或更换功能模块使其具有新的 制造功能或生产能力；系统层重构以设备为模块，通过对制造系统添加、移去设 备或对整个制造系统中的设备重新布局，使其具有新的制造功能或生产能力。设 备层重构涉及到模块化机床设计构造等问题，这方面的研究还不是很完善，应用 到实际还有一定的距离。迄今对于企业，最有效的是建立一个系统层可重构制造 系统【1 0 】。对于系统层重构，则需要根据不同的生产任务，选择合适的设备，将 其重新组织来满足生产的要求。可重构制造系统重组过程中设备选择与建立全新 制造系统设备选择有所不同，可重构制造系统重组过程中设备选择要充分考虑原 有设备的利用，主要在企业现有设备的基础上，根据生产任务的变化，选择加工 设备进行重组。在重组过程中，机床的类型和数量选择得当，不仅可以减少投资、 维护和运行费用，提高机床利用率，还能完善设备布局、减少零件在加工过程中 的运输量、简化生产调度等，因此，根据生产任务确定加工设备是实现可重构制 造系统的关键问题之一。 由于选择设备牵涉到多种因素，既包含定性因素，又包含定量因素，传统的 依靠人工经验的设备选择方法，难以保证其科学性和合理性。因此探讨可重构制 造系统重组过程中设备选择模型，确保设备的选择合理、科学，具有十分重要的 理论意义和应用价值。 近年来，国内外一些学者对设备选择问题进行了探索、研列2 5 五9 1 。但从有关 文献来看，这些研究结果没能取得很有价值的结果。主要存在以下几个方面问题： 评价指标体系不够完善。有些研究仅考虑加工质量、生产率、生产成本，很少 考虑资源消耗、环境影响、操作性能。随着全球环境污染的加剧和人们环保意识 的增强，资源消耗、环境影响越来越被人们重视。因此，在设备选择模型中，忽 视资源消耗、环境影响是不科学的。良好的工作环境和工作方式能充分发挥人的 积极性，提高工作效率，在设备选择模型中应充分考虑设备的操作性能，忽视设 备的操作性能是不合理的。在选择设备时，需要考虑的指标较多，既有定性指 1 2 中国科学技术大学博士学位论文 标，又有定量指标。为提高综合评判的可信性，对这些指标应作不同的处理。而 目前的一些研究中，对这些指标没有区分对待，所有指标均作定性描述。确定 评价指标的权重是建立设备选择模型重要的一步，目前大多采用层次分析法。层 次分析法是确定指标权重的经典方法，它在确定指标权重时，忽视了信息的模糊 性。目前在设备选择模型的综合评价中，大多采用加权加法。当评价指标完全 独立时，即一个指标的好坏对另外指标的好坏没有任何影响，使用加权加法是很 有效的。然而，在建立设备选择模型时，确保指标评价系统中各指标完全对立是 很难做到的，对于一台设备来说，常常是某一指标很好时，将影响另一指标的优 劣。在这种情况下，使用加权加法来进行综合评价，势必影响评价结果。 2 1 设备选择指标体系的建立 在满足生产工艺要求的条件下，可选的机床设备方案往往有多种。不同机床 的零件加工质量、加工时间、资源消耗、加工成本、环境影响和操作性都不一样， 设备选择是通过多个可选设备进行对比分析、评价和决策，选出最合适的机床设 备，使总体性能最优，因此需要综合考虑以上所有因素，是一个多目标优化决策 问题。 对于设备选择，我们认为应该从零件加工质量、加工时间、资源消耗、加工 成本、环境影响和操作性六个方面综合考虑，而每项指标又可以分解为若干个子 指标【2 5 2 9 】( 见图2 1 ) 。对于设备的选择，长期以来人们总是认为设备的加工质量 越高越好，其实这是一个认识的误区。在可重构制造系统设备选择中，我们强调 所选择的设备应该是“最适合生产需要”为依据，而不盲目追求设备的高、精、 尖，以避免不必要的浪费。加工时间、加工成本、资源消耗都是定量指标，一般 是越小越好。环境影响和操作性不便于量化，可采用定性的方法进行处理。 加工质量由于加工零件质量的好坏，涉及到其尺寸精度、形状精度、位置 精度和表面粗糙度，因此考察设备的加工质量也相应地从这四个方面考虑。 加工时间零件的加工时间一般包括切削时间和辅助时间。其中切削时间是 指从开始切削到完成切削的时间，而辅助时间包括编写数控程序、刀具的安装、 夹具的安装、原材料的安装、零件的卸载以及加工设备的清理等所花费的时间。 资源消耗包括主材消耗、辅材消耗