（机械制造及其自动化专业论文）可重构制造系统capp技术研究.pdf

摘簧 先透翻逵援末砖发展趋势表蠛，泰采鲢翻造系统应该是琵够适瘟事 两始需求变化、能够快速蕊鏊制造遘猩，截遣功能争裁造生产能力的可 霉麴制造系统。可重筠裁造环境下秘c a 弼系统是可重魏餐造系统蟪蘩 螫鲤或毒分，可重稳毒4 造嚣淀下c a 龄系统不再面向固定的镶遗繇城， 硒是面对动态变化的肯i 造资源履加工对象，其最大特征是其柔性扣动态 响应性。可重拘环境下c a p p 技术悬集成机械制造技术、计算机技术、 工程管理技术和软件技术于一体的、多学科交叉的一项复杂技术。可露 构制造系统e a p p 技术的理论与穷，法研究具有相当的难度。论文主癸觐 掘以下死令方委的内容： i 系统馥溪述了可重魏裁缝环境下e a 羚系统设嚣馥理论与方法。 丧借磐精强p 、缸鼯、d 豫部分思想熟基础上，提出了可重稳翻造琢凌下 c a 狞系统弱俸系结披，秀探讨了其实黼方法。 2 对c a p p 系统发展过程申的瓶颥问题复杂工艺尺寸链自动隶瓣 问题提出了一个较为实用的解决方寒。在对大量工艺尺寸链计算问题反 复分析的基础上，通过对单一尺寸形式的抽象，建立基于图论的数学横 型，并最终设计出求解算法。 3 ，； 入了一种适周于可壤构制造环境的阵列式混合布局形式，建 立了可重臻裁造单元设备毒蜀婚数学模爱，并剥曩i 遗谤舅法对薛判式缝 赣酶每一行透嚣了甓稻。 菠锭翅：熬遣系统可重秘e a 摊工艺尺寸链 a b s t r a c t t h et e n d e n c yo fa d v a n c e dm a n u f 砬t u r i n gt e c h n o l o g y ( a m ds h o 娜 t h a t 向t u r em a n l 圭f a c t 嘶n gs y s t e ms h o u l db et h er o c o n 最g u r a b l em a n 证a c t u r - i n gs y s t e m ( r m s ) w h i c hc a nq 啦c k l ya d j u s ti t i sp m d u e t i o nc a p a c i t ya n d f i m c t i o n a l i t ) rw i 出讯ap a r t 如m i l y 浊t e 嬉o n s et os u d d c ne h a n g e si nm 跗k e t 。a s y s t e mo fc a p p ( c o n h ) u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) s u 矗e df 。rr m s i sa i m p o r t 雅tp a r to fr m s w h a ti t d e a l sw 胁i sd y n 锄i ca n dv a r i a b l e m 8 n u f k t u r i n 譬e n v i r o m n e n ti n s t e a do fs t a t i o n a r ys t a t e ，t h es t u d yo n 也e t h e o r ya l dm e 如o do fc a p pt c c h n o l o g ys u i t e df o rr m si s s od j m c u l t b e c a u s ei ti sc o n c e f n e dw i t bs e v e r a lo b e c t s ：m a c h i n em a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g ，r ，c o m p u t e rt e c h n o l o gy ，e n g i n e e r i n gm a n a g e m e n tt e c h n o l o g ya 1 1 d s o r w a r ot e c h n 0 1 0 9 奴e t c t h er n a i nc o n t e n to f t l l ed i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： 1 t h ed i s s e 蛀a t i o no 镌r ss y s t c m i ce x p a t i a t i o no fm e o r ya n dm e m o d si n m ed e 或g no fc a p ps v s t e ms u i t e df o rr m s + b a s e do nt h ei d e ao fn l p e c l p p d t p ，as y s t e ms t m c t u r oo fc a p ps u i t e df o rr m si sp r o p o s e da n d i m p l e m e m a t i o nm e t h o d i sr e s e a r c h e d 2 w i t ht h ed e v e l o p 瑚明1 to fc a p ps y s t c m ，t h ee a l c u l a t i o no fp r o c e s s d i m e n s i o nc h a i nh a sb e c o m eo n eo ft h ec h o k ep o i n t tac r e a t i v ea 重g o r i 渤n b 鹅e do nt h et h e o r yo fg r a p h i c si si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ri nt h ec o u r s eo f a u m o rr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gc a p ps y s t e mf o rr o t a l i o n a lp a n st h r o u 曲 a n a 王y z i n gn u m b e r so f t 量l i sk i n do f q u e s t i o n 1 1 1o r d e rt oa c h i e v eo u rp u f p o s e o f 是n d i n ga ni n t e l l e c t u a l i 嚣e da l g 砸衄n ，t h i sa r t i c l et a k e s t h ef o i l o 撕n g p r o c e d u r e s ，s c e k i n gt h ei n 仃i n s i cc h a r a c t e r i s t i co fs i n g kp r o c e s sd i m e n s i o n ， e s t a b l i s h i n gt h em 矗t h e m 蕊c a lm o d e l ，a b s t r a c t i n gt h ee x p r e s s i o nw a yb a s e d o n 也e 也e o r yo fg r a p h i c s ，i n s t i t u t i n gs o m er e g u l a t i o nd l l r i n gt h ec o n s t r i l c t i o n o fa l g o r i t h m ，a n df i n a l l y 掣o c u r i n gt h ea 1 9 0 r i t h m 3 am i xl a y o u ti na r r a ym o d e 血i c hi s a p p l i c a b l et or e c o n f i g u r a b l e m a n u f a g 州n gc o n d i t i o ni sr o s e a r c h e d n l em a t h e m a t i c a lm o d e io fe q u i p m e - n tl a y o u tf o rr e c o n 蜒1 l r 曲l em a n u f k t u 打n gc e l ia 工l de a c hr o wo ft h ea r r a y o p t i m i z e db yt h eg e n e t i ca l g o r i t k e 州o r d s ：m a n u t 诚n gs y s t e mf e c o 瓶g u r 如1 e c a p p d r o c e s sd i m e n s i o nc h a i n f i 第一耄绪论 1 。1 引言 工艺设诗是零侍设诗信息与设备加工巍力信息捆匹配的过程，霹前 的c a p p ( e o m p u t e ra i d e dp r o c e ssp l a n n i n g ) 系统，大多数是面向固 定制造资源环境的专用系统，依据制造资源的无限可利用性而设计的， 因而对稍造资源的描逮功能较差。这样的c a p p 系统不能随到造资源的 状态变化而变化，如不能适应制造环境、设备敞障、设备负荷及工具短 缺等的焚化，设计出的工艺不具静实时性。可鹫构制造系统是指能够适 应市场需求翡产品变化，接系统规划的要求，以妻排、重复到罔、革暂 纽元或子系统砖方式，快速调整制造过程、截遣功能务稍造生产能力秘 一类新型可变制造系统。传统的c a p p 系统面向的是固定的制造环境和 特定的产品对象，并不适合制造资源及加工对象都是动态变化的可重构 翩造环境。可重构环境下酶c a 聆系统与传统的潞p p 系统最大酶区爨在 于：可落构制造c a p p 系统不再面向固定的制造环境，而是韵对动态变 化的制避资源及力n 工对象。因此，可重构制造c a p p 系统的靛犬特征是 其柔槛和动态响应慷。 可壤构制造单元设计首先要解决的问题是零件的工艺路线选择。由 于同一个或同一族零件可以由不鸸的机床、刀具、夹具和加囊顺序组合 皋完成，辑双对应于麓一族零静，英工艺硌残可姥有多簿，如何胰琉骞 加工设释集合中选择合理的设备蛆合以及相应的工艺路线，鼹可重构制 造单元设计必须解决的问题。 l 。2 虿重稳稠造系统及国内舞辨究现获 1 2 1 可重构制造系统 1 耋今裁遣鼗砖产品市场竞争异常教照，漆琵浃逮媳适应市玛黩予雯 万化，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，现代制造企业必须解决t q c s 难题，即以最快的速度( t t i m e ) 、最好 戆袋量( q q u a l i t y ) 、最低麓成奉e c o s t 、最缆秘黢务( s s e r v i e e ) 券 响应市场，满足顾客的需求。传统的制遗模式己不再适应目前的市场竞 争，于是，人们提出了许多新的制造模式希望既此更好地迎接未来的挑 战。 国外已援出或实施的先进制造模式有：柔性制造系统，计算机袋成 制造、精益生产( l p l e a np r o d u c t i o n ) 、敏捷制遗”“1 ( a m 一心i l e 溉n u f 8 c t u f i n g ) 、疰拟制造( v 醚一v ir u t 8 l n u f a e t u r i n 静、全能辔 遗州8 ( 涨一h o l o n i cm a n u f a c t u r i n g ) 、分彤公司h - 埘( f r a e t a le 。m p a n y ) 、 仿生制造“( b m b i o n i c a lm a n u f a c t u r i n g ) 等。 除此以外，人们还提出了许多蕺的先避燃造模式。南京航空航天大 擎朱捌荚教授狠据近于几年拳参加e i 聍( 蕊际生产工程学会) 年会的切 身缎历及国内外文献资料，总结了3 4 种先进制造模式及39 种数学建模 方法“”。可以肯定，提出的露一种制造模式部反映了在特定时期内人们 希整改进或捉胬翻造系统莱方面往琵的需豢，并促透了翻造技术不停拖 向前发展。然雨，随着全球化经济竞争的愈演愈烈，誉户化、小批霞、 快遮交货要求的不断增加，这些新技术的涌现和应用更加剧了市场的快 速突纯。市场鹋动态多变圣圭迫使铡造全监必须改变战略，二卡一世绝稍 造行业的竞争特是柔性和响应速度的竞争。为了迎接这一挑战，九十年 代中后期国外学者在分析和吸收有关制遗模式研究成聚的基础上，提 交了可重稳翻遗模式。 可重构制遗系统( r m s r o 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 ) 是 指能够适应市场需求的产品变化，按系统规划的要求，以重排、重复利 鹰、萃旃鳃元或子系统瞬方式，快速调螫翻造造程、隶造功能争翻造生 产魏力的一类暂型可变制造系统，它是基于可利弼的、现有的或可获得 的新机床设备和其它纽元，可动态组态的新一代制造系统。 r 煅系统是继2 0 年代的自动化流水线、5 0 年代的n c 机床、6 0 年代 的掰s 和8 0 年代螗c 潲之后，由一些实施先进希造的企妲曾先创造的 叉一类裁穗可雯割造系统。其嚣的在于：天走缩短适应产蒜品鼹与产量 变化的制造系统的规划、设计和建造时问及新产品的上市时间，大幅度 地臻综系统建造的投资、降蕊生产成本、保证质薰、合理弱璃资耀、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 产品创魏与玫遮霹设诗与秀发、系统工程舄分亳晕、篷瓤动态规划与凌篆 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 露藏黼、硬软停接辩每协议技本、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 燃系统是适应今天和明天先避黼遥发展爵新一代技术群体中一释 重鼹藩实用的技泰，对我鞠制造企娩增强党争力有重要意义。它与传统 的制造系统规划、设计和建造的区别在于：企业可随时根据产茹变化， 由产菇工艺过程变化驱动、快速进行纽态规划争设计，在专门的多功能 小组的支特下快速实施系统动态委掏。因它是建立在佘共地基、可随时 移动又可傣证纽态黪挂褥跨瓤廉设备方缎无基砝上的，故具有投资少、 可黉复利用、优化布置、物流合理、保证质量、谈备运行可靠、短交货 襄争诋成本等霞点。它驻是可改遘、可革勰髓雳放系统，又是存在寿争 期、由产品状况决定的一种新的可炎制造系统。 l 。2 2 可蘩构稍造系统的辱争翟 1 l m s 技术可罔于大多数制造系统中，特别是市场竞争激烈、产品番寺 品种和数蚤陡变的快速构建制遣系统。它的基本特征是可爱构( 可纽态) ， 斑，还包括以下主癸特征“： 可变性：对产品，制造技术和过程变化的高柔性适应能力。 可集成挂：可嵌套麓模凌与裁装嚣或设备。 订货亿：可按订单驱动。 模块化：可进行制造过程、制造功能和制造能力的横块化组合。 可诊断性：对产品质量缺陷和设督故障的可跟踪和可溯源性。 经济可承受性：是投资，系统功能和成本综合优化，经济上可 行转。 教捷挂：以强的市场扩展柔襁、增强企亚竞争力，使企业获利。 1 2 3 可重构制遗系统国内外研究现状 制造系统与新产品开发、商务实践构成了制造的三个基本要素。制 遮系统申酌关键褥题是：如何快速设计岛建造羲产品生产的系缝，使企 亚及跨豁住赛孰? 在产品变化晴，如何影成使佥监可以遗逡扩走市场蹬 颥或战胜竞争对手、抢占市场的能力? 是否允许新技术、新装置尽快地 用于制造生产? 在2o 一6 0 年代，刚性的自动化流水生产( 太费生产) 帮 助先进的企业和国家形成制造竞争力的优势。7 0 一8 0 年代以丰田生产方 式为代表改遗了太蚤生产馥划造系统，由疑与e n e 瓤廉争粼s 、f 淑实 瑰中小批量生产的德势。但在8 0 年代以来，不颤全臻化争釜快速多变 的制造货物市场上，它们均不能满意地解决上述3 个问题。c i m s 虽然是 一种解决问题的途径，但一些先进的企业为了实行更大的设镛系统柔性 进行了多种探索。其有代表意义的有：霹本对化工生产设备小型化和数 莰可移动稻连行7 成动烬索；美国等一臻先透酶裁造企韭剩麓弹蛙支 撑，抛弃了单融地基的不变制造系统希藏，成功实现制造系统的可移动 组合布置，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l 一2 次的重组布置，以适应产 嘉张变化：荚罄有秘公司达到1 次嗣酌爱鳃布置颤率；我霉莱液压元 件厂则已实现每年8 次的重组制造系统。在工业界和政府的推广下，发 达阔家从9 0 年代中开展了可霞纽制造系统的基础与应用研究，并已推 广应矮。饲知：i 9 9 4 一l9 9 9 年以美蓬密技安大学为中心的可重捧割遗系 统课题“”获得了n s f 与工业界3 0 80 万美元的支持，进行了“制造系统 重搬方式对系统性能的影响”，“产品装配过程的变流理论与建模” 等穷藩的研究，并以可重纽盼敏捷制造为豫程遗行了广泛秘企业培训， 同3 0 个以上酌企妲进行以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嶷系统的设计进行了研究。 在国内，北京辊廉霹究所和清华大学在蹦s 争e i 淞研究妁基础上， 从8 0 年代以来进行了“翻遗系统纽态( 嬖缎) 的研究82 2 ”、“机床弹性 ，戋特的试验研究”、“随机优化布置”，“质费监控与质量工程”等基础性 的磷究。在19 9 8 年开展了圆寥自然辩学基金重点项霹一快速重纽制选 系统理论与方法酌研究“”，对可重麓制遗系统的科擎麓础、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 工熟，全寿命经济学等开展了深入地研究，已经受到一然苹位的重槐。 因她，可以预晃，一个建立在辩学基砖上可重组翻造系统技豢将成为支 持2 1 世纪初制造业发展的重大技术。 c a p p 是制造系统的重要组成部分之一，它是联系c a d 和c a m 的纽带 寿移粱。e a 静妁本震就是剖菇；计算瓿模拟人酌智慧完成工艺兢程盼浚 计。传统的c a p p 系统主要有检索式、创成式以及混合式三种设计方法， 它们有一个共同的特点：都是渤对某一个制遗企业内相对固定的制造资 源和穰对稳定秘加工对象。传统秘e a 弹系统磊惠翡是溺定姥裁造环辘 和特定的产品对象，并不适合制造资源及加工对象都是动态变化的可甓 构制遗环境。 龆p p 谈诗中工艺黪线的规划或盖艺规葶蔓的设计包括选择机床争刀 具、安排加工顺序、零件的装夹、完成零件加工等操作。通常情况下， 零件加工工艺路线的制订并不考虑加工现场工装状况的动态或意外变 手匕( 如机床故璋、过载或断刀等) ，这掩导致原定的工艺路线不女执行或 零件不接原定的工艺来加工，这种不考虑加工现蚴的动态或意外变化情 况来稍定工艺路线的过程我们称之为线性工艺兢划( l p p ，l i n e 8 r p r o c o s sp l a n n i n g ) 。 藏然，线性工艺规划不能满足可萋构制遗单元的要求。这是霹为可 重稳稍造鼙元不毳馥向醚定稍造环境，而是薅对劝态变化鳃鹳遗资源及 加工对象，所以适用于可重构制造单元的c a p p 系统曲须集成制造系统 底层睁状态及生产调度系统提锫的信息，生成适应性强的最饩工艺。在 诧之前，许多学澎散了相关的磺究工辛享，豫出了如 绒| 生工艺怒鲻 删l p p ，n o n l i n e a rp r o c e ssp l a n n i n 曲”，闭环工艺规划( c l p p ，c l o s e d l o o pp r o e g s sp l a n n i n g ) 5 ”3 ”、以及分布式工艺撬羚l ( d t 弹，i s t r i b u t e d p f o e e s sp l a 髓i n 移“8 等辘惫，并有一些琢委系统霓囊摄遂。 l 。3 可雯构制避环境下c a p p 系统 1 3 。i 可黉绚制遣环境下e a p p 的特点 c a p p 的本质就是利用计算机模拟人的智能完成工艺撬程的设计。传 统教c a p p 系统主舆有检索式、剖成式以及混合式等三葶中没甘方法，它 们有一个共磁的将点：都是面对某一个制造企业内相对固定的制造资源 和相对稳定的加工对象。因此这类e a p p 系统根据稍遣系统底谣资源获 况动态生成工艺规划的聪力较弱，显然不适舍制造资源及产品对象是动 态变化的可重构制造环境。 可蓥鞠希造环境下的e a 豫系统与传统酚c a 拌系统鼗大的区剐在 6 予：可重拣翎遭e a 羚系统不再彝向固定戆裁造霹= 凌，为是蠡茸动态变 化的制造资源及加工对象。因此，可重构制造c a p p 系统的最大特征是 其桀性和动态响应性。概括地讲，它具有如下特点： 对毒逮魏：凌及加王对象蛹囊态响应蛀。为了这到这一襄篷瑶褥， 必须增强可重构制造c a p p 系统定制各种制造资源和描述各类零 件信息的能力。 工艺决簸逻辑的广泛适应蛀。由于零静结镌、工艺、秘糟馥多雯 性，使得可重构制造c a p p 系统蠲颁要有更强的工艺决策逻辑的 适应性。 体系结鞫的分布牲。可重媳制造系统有睁表现为通过网络连接而 成的松散耦合酌动态联盟，所以相应的e a p p 应具有分布式的体 系结构。 l 。3 2e a p p 发展过程申亟耱解决的问题 对c a p p 技术的研究已近3 0 年，虽然已取得了许多成果，但弱前在 理论研究和实际应用上还存在许多问题，许多技术上的难题未能得到解 决，而且问题极其复杂，涉及到相当广泛的领城。完善妁e a p p 系统尚 处于开发之中。综合国杰玲已经爱表翡有美c a 碍狡术敏文献，蟊莆e a 糟 系统的主要技术难题有阻下几点： c a p p 系统零件信息的描述与输入问题 零尊信息秘猫遂与输入鞠题实际上就是蟪与e a 羚系统集成酶闻 题，直接关系到c a p p 系统能否真正实现实用化、商品化。通过构遗一 定的算法，目前可以从c a d 系统中提取出零件的拓扑结构，即几何信息。 诬是知谤将工艺信惠也集成翻零孛 蓬中，这娩需要烈、e a 器、e a 聚建立 一个统一的零件横型，构造邋用的数据结构规范作为产品设计与制造的 产嚣定义模型。现在，大多数c a p p 系统的信息输入都是采用使用者对 7 照已有零件图用手工再次输入零件信息的方法。很显然，这种输入方法 的输入过程过于繁琐，檄易出错。目前在这方面的探索已经作了许多工 作，对特征识别”“这一领域的研究正吸引麓越来越多的学者的注意。 e a p 系统翡通用撼问题 从大量馥国内玲文献中可以看出，大部分已经开发盎来的c a p p 系 统，都是适于某一类零件的专用型系统，更避一步说，是适合菜个生产 企业的某种类型零件的e a p p 系统。这些导数在设计开发c a p p 系统时费 时费力，严重制约e a p p 技术的通用性能，也使锝系统在稳定燃、可靠 蛙及鼹决王程实际阚题翡熊力土较差。造成这静王楚象麓主要蕊爨是工 艺设计的复杂性，要想提供一个适合千差万别的加工条件、零件炎型以 及不同工厂的不同加工思想等等制约因素的通用的c a p p 系统是十分困 难的。所以，近年来有许多专家学者提出了构造c a p p 系统框架的概念， 即构遗一个开放式的系统缝构，其中与具体加工工厂有关的工艺知识库 内容焱髑户鑫行设置。 工序尺寸的自动确定和工序图自动生成问题 一份完整的工艺过粮卡，不仅应包括工艺加工总路线、详细的工序 内容，还应包括必要的工慧参数。从调研的资料中可以看出，目前国内 已雳发建拳馥舒对各类零辱争的e a p p 系统，蚕管是派圭式还是镯成式， 都有一个共同的特点：就是犯精力更多施放在工艺决策这个问题上，都 是以溉终生成工艺总路线及工序内容为目的的。而且从已发表的文章当 中可以统计，在工艺规穰的推理问题上占绝大多数；另一方面，浆些商 品化的软件，更只是把霞点放雀建造各种工苞数据库土，确切的说，为 竭户提供一个可疆整理工艺潞线婚框架，英中穰本不涉及任何磐推理 及工慧决策，当然更没有为用户提供一个用以计算繁琐工艺尺寸疑自动 生成_ 序图的模块。对工序问尺寸的计算问题雨言，其难点在于如何找 到一葶争遵罔的算法，使其能够处理线牲或非线性的工艺尺寸链的计算阀 题，这种嚣法需要愀的工作有：自动找出一个对毛坯零件的整个加工过 程有效的冀艺尺寸镱，其中包括判定每个尺寸链由几个工艺尺寸纽成； 巍动识别在一仓工艺尺寸链申妁增减环；要能处理在不同的尺寸链工序 尺寸时，即出现公共环时的处理方法黼题。对于工序图的自动生成问题， 爵前没有哪一个c a p p 系统涉及诧部分。作为理论上的探讨，长沙铗邀 学院的柳卓之老师曾提出一种尺寸驱动的方法”“，这种方法的思想就是 参数侣遣戮及尺寸驱动，通过公共数据库来建立数据与参簸图形之闲的 联结。这秘方法在辆炎零停土吴有一定镪实嗣幢。可见，羔序尺寸酾蠡 动确定与求解，也是当今c a p p 遵待解决的委癸问题。 1 4 课题的来滁及本文的囊要点作 本课题来源于武器装备预研基金项目“制造资源快速重构成其管理 技拳磋究”。瑟究秘饕麓在于毒g | 入可重载制造攀元旗缎念的基砖土， 给出可重构制造环境c a p p 系统设计方法，其中包括：支持可囊掏制避 环境的c a p p 系统设计、可重构方棠决策优化、工艺尺寸自动求解方法 及可囊棱剿追繇境下的设套书局等。 本文的主要工作包括以下几方面的内容： 可燕构制造环境下e a p p 系统框架设计 c a p p 是制造系统畿重要组成部分之一，它是联系e a d 和e 删的纽带 和桥粱。转统的c a p p 系统面向瓣是固定的制遣环境和特定的产品对象， 并不缝合制造资源及加工对象都是动态变化的可甓掏制遗环境。所眭如 何开发可案构刳遗环境下的c a p p 系统是可藩构单元设计必须解决的首 要问题。 工艺尺寸链鸯劝求解方汝的研究 9 工艺尺寸链自动求解方法是c a p p 系统在发展过程中的一个瓶颈问 题。逯过对大量足寸链蛩算藏题的反复分辑，争黠单一尺寸影式秘抽象， 建立其数学模型，最终设计出求解方法。 可蘩构制造单元的设备布局 设备布患对刳造系统镪生产效李、躲耪传输费髑、传输时溺及生产 柔性都有莆很大的影响。因此，如何选择一个合理的设备布局，也是影 响制造单元性能的一个露要因素。 1 0 第：章可黧构制造环境下e a p p 系统框架设计 割遗系统的重秘蓄先傣现为舒对动态雯讫砖加工对象，如何合理跑 组织各种制造资源，快速、高质、高效地响应市场的变化，为客户提供 满意秘黢务。奉章在；l 八单元嘲遣壤念瞧基础上，系统跑溺遗了可妻穆 制造环境下c a p p 系娩框架设计的理论与方法。 2 。l 可爨耪制造尊元酌定义 2 1 。l 单冗制造系统和制造苹觅的概念 单元鸯造系统( e 沩一c e l l u l a r 搬n u f a e t u f i n gs y s t e 秘) 魏是跨制 造系统重新组织成鸯治和协作的制造单元。其特点是将制逢系统按幂简 蟪稍造零枣 蘧行重缎，而不是按企耍功能来选舒潮分。按照这绅思想， 零件被缎合成族，宪们扣一缎机床、人员( 设诗人员、操作人员、编私 人员、质量管理人员等) 一起构成一个自治的制遣单元，这种组织形式 称为单元稍遣。”。 自从肇元制造的概念产生以来，目前已出现了多种类型的制遗筚 元，如成缘裁造单元、蓉蛙铡避单元”、虚拟巷造单元”3 、动态割造单 元”等。遁然这些不同类型的制造单元具有各自的单元构成及其控制方 式特点，但它们的强妁都是针对制造企业的特点，选用最合适的单元技 术拳提高生产效率，荣幢和快速应变畿力，提高企监砖经漭效益。 因此可以认为，删造单死是敏捷制造环境下生产组织的基本单位， 是吴有自治能力的逻裤或物理翻造系统。多个铡造单元可以遗过骨雾机 网络联结起来，组成松散耦合，分布自制，协同合作的分散网络化制遣 系统。 制遗单元的主鼹特征包括： 可熏梅裁遣系缀e a p p 技术研究 是治娃：制遮单元可以独立地接收定单，并且具有独立地生产 计划、调度和生产监控能力； 协同性：不同酶制造单元可以在一今共瀚机遇产品的驱使下组 织起来协同工作，和谐一致地完成共同的目标； 桀性：制造单元具有适应生产任务动态霞化的能力，是快速响 应市场变亿秘关键。 2 1 l2 可熏构制造单纯 由于市场需豢酌不断变亿，跌辩导致稍遣单元砖加工任务砖动态多 瓷，速稽多受槛使单元生产辑需秘设磐资嚣和谈务受黄也是动态变化 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 适重构以后可踞恢复黎穗，蓰高系统的市场响应能力。 翱遗单元簧构题美键在于圣。何选择、合理鳃织翻造资源拳完成产品 的开发和加工，它必须考虑可制造性、加工成本、各种资源所具有的能 力、运输蛰鞠等霹素。惫于不同秘圣受诗方案可貔导致躐蒸不麓懿费潺选 挎，爨姥剁造单元的蜜捣强须务产游的设诗紧紧联系在一起。 2 2 可霪构制造环境下c a p p 系统的框架设计 可蘩拘单元设计嚣先受解决的问题是零件的工艺路线选择。由于同 一个或一族零件可以由不同的机床、刀具、夹具和加工方法按幂闻的加 工顺序炽舍来完成，所以对于同一族零件，其工艺路线可如有多种，如 何从现有加工设备集合中选释合理的设释纽合以反相应砖工藏路线，是 可重药稍逢苹无设谛必须解决的问题。 2 2 。lv 重构环境下c a p p 系统的特点 可螯桷环境下的c a 聍系统与传统c a p p 系统最大的区剐在予：可重 确稍遣a 姆系统幂箨萄向霹定的翻造环境，两是西聍动态焚亿秘制造 资源蔽加工对象。弱此，可重构制造c a p p 系统的最大特征是其菜性和 动态确应往。概括地讲，窀应具有如下特点“： 对制造环境及加工对象的动态响应性。为了达到这一功能鼹标， 必颓增强可重掏制造c a p p 系统定粼各种制造资源和描述各类 零件信惑麓能力。 工艺决策逻辑的广泛适应性。由于零件的结构、工艺、材料的 多雯褴，使得可萋掏翻造c a p p 系统必须要有更强的工艺决策邋 辑秘适应浚。 体系结构的分布性，可重构制造系统有时表现为通过网络连接 而成纳松散耦合的动态联盟，所以翱瘟的e 艘p 盛葵骞分市式的 体系蟪稳。 2 2 2 可重构制遗环境下c a p p 系统框架设计 矗p p 设诤申工艺路线瓣砉蔻潮或工艺撬程的设诗包括遗释执窳争瑶 具、安瓣加上顺序、零停妁装夹、完成零件加王等撩谗。遗喾谤况下， 零件加工工艺路线的制订并不考虑加工现场工装状况的动态或意外变 纯( 如瓿瘩鼓跨、过栽或錾力等) ，这将导致艨定戆工艺潞线不镌戡行或 零传不按原定的工艺来加工。这稽不考虑加工现场的动态成意外雯亿情 况来制定工艺路线的过襁我们称之为线 盛工艺规划( l p p ，l i n e ar p r o o e s sp l 珏n n i n g ) 。 照然，线蛀工笆规划不能满足可重构稍造单元的要求。这是躜为可 夔构制造单元不再两向固定制造环境，而是面对动态变化的制造资源茂 加工对象，所以适用于可璧的制造单元的c 矗p p 系统必须簸成制造系统 底层的状态及生产调度系统提供的信息，生成适应性强的教优工艺。在 此之髓，许多学者做了相关的研究工作，提出了如菲线性工艺规划 ( n 乙p p ，n o n li n e & rp r o c e s 8p l a n n l n g ) ”、峨环工艺规划( c l p p ，c l o s e d 可鬟掏袅淹系统e a p p 授末蝣究 l o o pp r o c e ssp l a n n i n g ) ”、以及分布式工艺规划( d t ”，d is t r i b u t e d p r o c essp 1 a n n i n g ) ”等概念，并有一些原型系统见诸报道。 非线形工艺规划( n l p p ) ：非线彤工艺规划的主要思想是首先为每个 霉孛 生成所有可能的工艺臻线并跨它翻按装瓣艉到瞳一定妁颇序存姥 在工艺路线数据库中，然嚣将它们依次与底层翻造资源及其生产谲度情 况相比较，直到选出一条最为合适的工艺路线，其框架结构如图2 2 ，1 所示。 蚕2 。2 。l 非线拄工艺怒划榧装缝稳 褥坏置艺规划( c i p p ) ：如图2 2 2 所示， 粥环工艺规划是根据可获 得的资源情况和生产调度系统的反馈来生成工鬯路线。生产调度系炕及 时将下一道工序哪些设备可以使用等信息反馈给工艺规划系统，因此嗣 这类系统生成翡工艺都是切实可行的。对e j 鼯来说，实对槛要求l 常 高，霹女b 扶这个意义上采说，阉环工艺怒划有跨也称为实对工艺撬翊或 动态工艺规划。 图2 2 2 闭环工艺规划框架结构 分布式工艺规划：如图2 2 3 所示，分布式工艺规划的主要特点是 同时进行工艺路线设计和生产调度，它将工艺规划和生产调度任务分为 两个阶段。 翌 。陌丽 茹! 设备_ _ 鎏美 f 设备状 况维护 最i 终i 计 划 能够完成的 加工操作 可利用的设 备( 操作) i 设备未来 操作排程 操作 匹配 i 预工艺规划 ( 操作) 工间操 作顺序 捕获工件和| i 高级操作 设备的操作ji 指示器 工件未来 操作排程 工件 定单工件 管理器 图2 2 3 分布式工艺规划组织结构 第一个阶段叫作预计划阶段( p r e p 1 a n n i n g ) ；在这个阶段，工艺规 划根据产品数据决定产品的制造过程并对设备能力需求作一初步估计。 第二个阶段叫作最终计划阶段( f i n a l 一p 1 a n n i n g ) ，这个阶段将预计划阶 段得到的加工操作顺序与可获得的制造资源能力相匹配。当加工操作所 要求的制造资源可获得时，这就意味着将工艺规划与生产调度和底层资 源集成起来了。分布式工艺规划也称为及时( j u s t i n t i m e ) 工艺规划， 它是集成工艺规划与生产调度和底层资源的一种较为理想的方法但它 要求硬件和软件系统具有很强的吞吐能力，所以这类系统到目前为止还 没真正实现，也基本未见报道。 本文借鉴n l p p 、c l p p 以及d t p p 的部分思想”，提出了面向可重构 可重构制造系统c a p p 拱术研究 制造单元馥e a 羚系统跨设曹襁袈。 如图2 2 4 所示，面向可露构制造单元的c a p p 系统主要由3 个模块 组成：工艺规划模决、制造资源信息模块、决策模块。其中，工艺规划 撰淀主要完成零传跨簦信惠秘提取，菁缘分裁造单元瞧鼠瑟设备信惠， 生成待加工零件的可选工艺路线。制造资源信息模块可方便地实现对资 源设备和工艺知识的定制，实现系统对动态变化环境的适应性。该模块 输出砖底层设务信息为工艺拢划模块生成可选工艺路线以及决蓑模块 生成最终工艺路线提供了支持。决策模块是整个系统的核心，该模块结 合可选工艺路线和底层设备信息生成最终的加工设备集合及工艺路线。 图2 2 4 可重构制造环境下c a p p 系统体系结构 1 6 第三章c 矗p p 系统中王艺足寸自动求舞方法研究 3 1 引言 e 艚p 工艺足寸的确定包含了加工余量的选掺、工序闽尺专的诗算争 工艺尺寸公差的确定。从机制工艺学的角度，加工余量值及工序问尺寸 的公差慎对于机械加工的质量、生产效率、生产成本均会产生影响，并 且三者之间还翘互影响，因此要馋专题研究；从甘算扭转助工艺设计角 度，工艺尺寸的计葬问题也是一个完整的c 矗神系统所应包括的重要组 成部分，但目前许多已经开发出来的c a p p 系统和商品化的c a p p 软件均 没有涉及到这个问题，所以如何找到一个适合计算祝的工艺尺寸链的算 法就显强十分重要。 尺寸链有各种类型。按用途可分成设计( 包括装配) 尺寸链及工艺 ( 包括测量) 尺寸链蹲大类；按构成又可分为室闻尺寸链、平面尺寸链 或线槛( 一堆) 尺寸链。尽管类鬟各秘各释，尺寸链计算方法薛基本源 理确是一致的。 按尺寸链理论计算尺寸链通常包括建立尺寸链及计算出来知尺寸 ( 封 l l 弼：或纽成环) 。当尺寸美系较复象露，这瓣方面袭王锋零是稂繁 杂的。到目前为止，通常的计算尺寸链的方法是图解分析法，但经常使 用图解分析法的工艺人员都知道，这种方法极其繁琐，而且在找组成环 袭遘器申还耱爱容易巍镨，更为重癸媳是虽蒸瓢弹系统不錾发展完善， 但尺寸钝的计算部分囡其繁杂，是一个很少有人涉足的研究领域。基于 图解分析的跟踪法思想所编制的校序不但在算法的逻辑结构上复杂，而 豆喜程序戆输入玲段辑需要耱嚣始数据卡分庞大，不利于杏诗雾瓤土应 用。因此寻找一种适合计算机的尺寸链算法十分追切和必要。 l 了 工序尺专诗算，通常要按工艺足寸钱求簿，虚工艺过程鲢详细设诗， 即工序设计阶段出现： 定位基准与设计基准不重合； 定位基准多次转莰； 多尺寸保证； 等情况时，涉及到尺寸间转挟，就必须按工艺尺寸链进行求解。 幂论是手工诗算工艺尺寸链，还是透过建立一定妁篓法在e a 摊系 统申计算，都需要按尺寸链艨理计算工序尺寸，其内容包括： 确定巢一工艺尺寸链的构成情况： 各工序加工余量的计算确定或捡索确定； 各工序尺寸公差的初步确定与再调整； 求解尺寸链，最终求出备工序尺寸和毛坯尺寸。 3 。2 加工余蚤翘题 3 2 1 加工余赞对机械加工的影响 由于毛坯不能达到零件所鼹求的精度和表面粗糙度，因此要留有加 工会量，以便缀过撰械如王这翻鼓拳要豢。誊熬，每道加工工序凄鸯加 工余量，在机械加工中余量问题十分重要，如果加工余薰过大，则最直 接的会有下面几种负面影响： 不能缳存零件最秘黪戆表蠡层，洚甄了被加工表露秘氨械；陵穗： 增加机械加工工时，降低生产效率： 增加材料、能量、工具等的消耗。 如装加王余量造小，则不能傣证规械加工中去除零停表彝赡缺路崖，灞 且由于刀具在硬的氧化皮申切削，缩短了刀具的寿命，同时由于加工质 量不能得到保证，会造成零件废品率的提高。 可见，不论加工余薰过大还是过小，最终都会造成产品成本的提高， 阉池，要专门研究加工余量问题。 3 2 2 加工余鼹的组成 加工余量主要海三部分鳃成：上一工序秘加工精度、上一工序艇表 馥壤馨和本王序鼹安装谈差。 上一工序鼹加盖耱嶷 加工精度本身可分为：尺寸精度( 如直径、厚度、长皮等) 、形状 精度( 如椭圆度、簿度等) 和位氮精度( 如平行度、饕蛊烧) 。尺寸公 茬包含了尺寸精度和形状精度，可餍疋表示，即一般公差中可以查到的 欠寸公麓。而位置精度则要单独考虑，可用p 。表示。所以对加工余量来 说，上一遭工序的加工精度包括上一工序酶加盖尺寸误差和上一工序 的位嚣精度p 。簿部分。 土一工序的表薅震量 土一工序加工藤留下来媳衰两粗糙度嚣。和表面缺陷厚度。应包含 在本工序的余蚤中，这姥都是应该在加工中去搏的。囊于表面质量，一 般以铸件、自曲锻件的表面粗糙虞较羞，表莉缺陷层也较深，而模锻件、 精密镣造件鲻较好。 本工序的安装谈差 爨装误差恕括定位误差争夹羚误蓑掌。，定位误麓又酝据後诗基准 与定位基准不蘩合璇差如，由于定位元件不准确而造成的熬准位移误差 嚣。，对于通用夹具可查趱产品说明书，对于专用夹具，舅可根据定位元 件的精度进行计算。由于工件定位面不准确两造成的熬准位移误差8 。 也可通过具体方法根据葵体情况来进行计算。夹紧误燕是由于炙巽的夹 紧元件或夹紧装置在夹紧工伟辩对工件定饭位置鲢偏移，或工停的夹紧 变形。 i 争 3 。2 。3 知工佘蚤戆确定 霸王奈羹赡缡定有靖嚣方法：分暂诗雾法争查袁法。 分新谤算法 分析了影嗵瓣工会量蛾霹索鏖，将余蹙醍各项绞蒇部分镰台起拳， 援褥磷工序涟务赣，各工序阉余萤之和便是谈表面戆总参量，考虑潮这 些余蚤的组成部分中，有旗是系统谩菇，有些是随机误菇，可用概率法 朱综合： 互= l 。2 霹+ p ；+ 震未十+ + g 毛+ + 若刍 ( 3 * 1 ) 式中： 互奉建工序酶如盖会萤； 疋上逶工痔戆足寸溪差； 。一上遥王蓐秘位菱g 蠡襞； 憨，上遁基痔趣表蕊箍髓度； ，一上邋工序哟缺稿髌漾度： 一本道工序的基维不骥合谖豢； 艿甜奉遥工序定位萄不准确所速成秘基浓位移误麓； 雷m 拳遗工序定位工件幂准确菇鼋造成的基准位移误惹； g 西本道工序夹紧误差。 鸯于概率涤适于复条，篷毙可翔代数参皋伐替谤葬： z | = 笈窜。寺p ；奇襞。l 。奄嚣癌七s 曲s 啼七s 晦 l 蜀 式申： 爱一谬正慈数，一簸签= ( 8 l 。 熙分耪法磷定务蚤游，还要注意单遗余簧和双逮奈嚣麓题，野霹 乳莰稽宠等楚双速余量，晒干瓣测是单遗余蚤。车速余量的诗冀攒或 ( 3 2 ) ，双边余赞按下式诗算： 互= 踅唆+ ，嚷手2 震五十2 t + s 砖+ s 西+ # 掂s 砷j ( 3 - 3 ) 可见加工余量的计算影响圈素很多，随机性很大，难以建立一个统 一的数学模型来描述。并且由于余量的组成部分中，既有系统误差，也 有醚糖误差，虽可用壤率法拳练舍分专季各种影响霹素，但诗雾也翻当复 杂。所以除了特别贵重零件或大批量生产等少数情况外，目前大多数工 厂采用的是查表与经验相结合的方法。 查袁法和经验法 蠢表法是根据资料整理而得到的通用表格查出工序闻余量推荐值， 比较方便迅速。但正因为表格是通用的，无法考虑具体情况，因此查得 的余量值茬往偏大；而且通用表格的整理本身也是一件不容易鲢工作， 基于这个原因，有一些有丰富工艺经验的技术人员或工人根据经验对羲 表所得值进行修正，或者直接进行确定，这是目前大多数工厂在采用的 方- 法。 本工艺尺寸链计算嫫块对余量的处理采罔的是第二释方法，邵遵过 查表来确定各个加工工序的加工余量值。在数据库中建立加工余量表 时，需考虑三个方商的因素：端曲直径大小、零件长度及加工方式。建 立嚣程序争数据库之翔舔甓接，通过人氟鞠交互选译拳查询确定吴舔加 工工序的余量值，最后由工艺谈计人员根据县体制造资源状况对所查得 的加工余量值做避一步的调整修正。表3 2 1 及表3 2 2 为本计算模块 孛已建立鼹燕玉会量数据库表秘示镶。 综上可知：现在待解决的鹪个问题的焦点就集中在第( 1 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 项( 见3 1 节) ，因为它涉及到曼个具体问题： 如侮透过诗算瓿来蔽交接加工过程辑影成蘸辑有足寸链。 计算菜个工序尺寸的过程，就是解这个工序尺寸所在的尺寸链