（机械制造及其自动化专业论文）可重构制造系统设备布局规划技术研究.pdf

中文摘要 摘要：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 ) 是一种能够 快速响应市场需求变化，通过制造系统的重构，形成适宜的生产能力和功能的新 型制造模式，被称为影响未来制造业的十大关键技术之首，而布局问题一直以来 都是制造系统研究的重要内容和关键技术之一。本文针对r m s 构建初期和建成后 基于零件族的布局问题，分别提出了解决方案，同时研究了r m s 布局中普遍存在 的设备添d i l l 卸除现象。本文提出的方法一方面可被应用于实际的r m s 工程布局， 另一方面，对进一步系统地研究此类问题具有开创和借鉴意义。本文的主要内容 归纳如下： 首先，回顾了r m s 的发展历程，总结了r m s 布局的国内外研究现状，分析 了本课题的研究背景。 接着，研究了r m s 构建初期的布局问题，建立了r m s 的成本模型和r m s 全生产周期工艺路径有向图，提出了采用k 优工艺路径和重构成本组合考虑的方 法求解最优工艺路径，确定了初期布局中设备的类型、数量和顺序。 然后，针对r m s 布局的动态性，分析了基于零件族的r m s 布局与传统布局 的不同，提出了适应r m s 布局的模拟退火算法，运用c + + 编程实现，并在此基础 上运用v i s u a lc + + 开发出了针对某一零件族的可重构制造系统设备布局求解系统。 接下来，进一步对可重构制造系统重构过程中普遍存在的设备添d n 卸除问题 进行了研究，分析了不同形状和尺寸的设备在添d n 卸除过程中对布局的影响，定 义了面积利用率、设备的重叠和添加卸除原则等。提出了模拟退火算法与启发式 算法相结合的求解思路，解决了基于设备添d i l l 卸除的r m s 和局规划问题。 最后对全文进行了总结，同时展望了后续的研究方向。 关键词：可重构制造系统；布局规划问题；工艺路径：添d i l l 卸除 分类号：t h l 6 5 a b s t r a c t a b s t r a c t ：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 t h ec h a n g i n gm a r k e tr e q u i r e m e n tr a p i d l y i ti s s y s t e mi sas y s t e mt h a tc a nr e s p o n s et o an e wt y p eo fm a n u f a c t u r i n gs y s t e mt h a t c a na d j u s ti t sp r o d u c t i o nc a p a c i t ya n df u n c t i o nb yt h ew a y o fr e c o n f i g u r a t i o n i ti sk n o w a st h et o po n eo ft e nk e yt e c h n o l o g i e si nf u t u r em a n u f a c t u r i n g ，a n dt h ef a c i l i t yl a y o u t p r o b l e mo fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m sh a sa l w a y sb e e na l li m p o r t a n ta s p e c to f r e s e a r c ha n d o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s i nt h i st h e s i s ，t h es o l u t i o n st of a c i l i t yl a y o u tp r o b l e m i nt h e e a r l yt i m ea n db a s e do np a r t sf a m i l yl a t e ra f t e r t h ec o m p l e t i o no fc o n s t r u c t i o na r e p r o p o s e d m e a n t i m et h ep h e n o m e n o no ff a c i l i yl a y o u ta d d r e m o v e i ss t u d i e d o no n e h a n d t h em e t h o d sd e s i g n e di nt h et h e s i sc a nb ea p p l i e dt ot h ea c t u a ll a y o u to fr m s p r o i e c t o nt h eo t h e rh a n d ，i th a st h ev a l u eo ff o u n d a t i o na n dr e f e r e n c ef o rf u r t h e r s y s t e m a t i cr e s e a r c ho ns u c hi s s u e s c o n t e n t so ft h e t h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： f i r s t l v ，t h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n tr e s e a r c hs t a t u sb o t hd o m e s t i ca n da b r o a do f r m sa r er e v i e w e d ，t h e nr e s e a r c hb a c k g r o u n di sa n a l y s e d s e c o n d l y ，t h el a y o u to fr m si nt h ee a r l yt i m eo fc o n s t r c t i o ni s s t u d i e d m o d e l so f c o s ta n dp r o c e s s i n gr o u t ed i r e c t e dg r a p h sf o rl i f ec y c l eo fr m s a r ec o n s t r u c t e d t h e m e t h o dc o m b i n i n gk - o p t i m a lp r o c e s s i n gr o u t ea n dr e c o n f i g u r a t i o nc o s t i sb r o u g h t f o r w a r dt oo b t a i nt h eo p t i m a lp r o c e s sr o u t e ，t h e nt h et y p e ，q u a n t i t ya n d o r d e ro ff a c i l i t i e s a r ed e t e r m i n e df o ri n i t i a ll a y o u t t h i r d l y , a i m i n ga tt h ed y n a m i cp r o p e r t yo fr m sl a y o u t ，as i m u l a t e da n n e a l i n g a l g o r i t h mw h i c ha d a p t e dt o r m sl a y o u ti sp r o p o s e do nt h eb a s i so fa n a l y s i n gt h e d i f f 酐e n c eb e t w e e nl a y o u tb a s e do np a r t sf a m i l ya n dt r a d i t i o n a ll a y o u t t h ea l g o r i t h ml s r e a l i z e db yu s i n gc + + p r o g r a m ，a n do nt h i sb a s es o l v i n gs y s t e mf o rr m s f a c i l i t yl a y o u t b a s e do np a r t sf a m i l yi sd e v e l o p e du s i n gv i s u a lc + + t h e n ，t h ep r o b l e mo ff a c i l i t ya d d r e m o v ew h i c h i sp r e v a l e n ti nt h ep r o c e s so fr m s r e c o n f i g u r a t i o ni sr e s e a r c h e df o rf u r t h e r t h et h e s i s ih a sa n a l y s e dt h e e f f e c t so ff a c i l i t i e s w i t hd i f f e r e n ts h a p ea n ds i z eo nl a y o u ti nt h ep r o c e s so fa d d r e m o v e ，a n dh a sd e f i n e d t h ea r e au t i l i z a t i o n ，o v e r l a p p i n go ff a c i l i t ya n dt h ea d d r e m o v ep r i n c i p l ea n ds oo n a t h o u g h tc o m b i n i n gs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mw i t hh e u r i s t i ca l g o r i t h mi sp r o p o s e d t os o l v er m sl a y o u tp l a n n i n gp r o b l e mb a s e do nt h ef a c i l i t ya d d r e m o v e i nt h ee n d c o n c l u s i o n sa r ed r a w na n dt h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n sa r es u g g e s t e d v i l a b s t r a c t k e y w o r d s ：r m s ；l a y o u tp l a n n i n gp r o b l e m ；p r o c e s sr o u t e ；a d d r e m o v e c l a s s n o ：t h l 6 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：际彦馨签字只期：唧年 占月坫日 7 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：际努等 签字日期：卫呷年6 月j 6 日 导师签名：引姐存 签字同期：弘哆年多月，多日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘阶萍副教授的悉心指导下完成的，刘阶萍老师 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，她悉心指导我完成 了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此衷 心感谢两年来刘阶萍老师对我的关心和指导。 在校学习与研究期间还得到了鄂明成老师、陆一平老师、刘伟老师等老师的 指导和帮助，在此一并表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，郭玉兵、曾颖明等同学对我论文中的系统界 面开发研究工作给予了热情帮助，师姐马丽梅同学对我论文中的研究工作也给予 了一定帮助，在此向她表达我的感激之情。 在此机会要感谢我的父母，是他们用勤劳朴素的双手把我培养成材，感谢姥 姥、姐姐和姐夫多年来对我的关心和爱护。他们的关心和默默无闻的支持帮助我 走到了今天。 再次向所有关心、支持和帮助过我的人们表示衷心的感谢，祝福大家幸福、 快乐! 作者：陈彦飞 2 0 0 9 年6 月于红果园 1 绪论 1 1引言 制造业是一个国家经济发展的重要支柱，是一个国家的经济命脉，其整体能 力和发展水平标志着一个国家的经济实力、国防实力、科技水平和生活水准，也 决定着一个国家，特别是发展中国家实现现代化和民族复兴的进程。我国是一个 制造业大国，尚处于工业化进程中，在未来相当长一段时间，制造业仍在国民经 济中占主导地位【l 】。 目前，世界上所有的国家，特别是经济比较发达的国家都非常重视制造技术 的发展。美国一直是制造业的大国，但是在2 0 世纪6 0 年代时，由于只重视高科技 和军用技术的发展，忽视了制造技术的发展，把制造业列为夕阳产业，不予以重 视，从而严重影响其在国际经济竞争中的竞争力。与此同时，日本的汽车、机床 和家用电器等制造业的掘起，使同本成为能够与美国抗衡的经济强国。8 0 年代末， 美国开始重新反思，认识到那种认为信息革命的来临意味着制造业衰退的看法是 不对的，于是大力推动先进制造技术的研究与应用，至1 9 9 4 年美国汽车产量重新 超过日本【2 j 例。 从统计数据来看，无论是发达国家还是我国，制造业都占有最重要的地位。 世界上最大的1 0 0 家跨国公司里，8 0 都集中在制造领域，当今世界上最发达的三 个国家一美、日、德，其中制造业也是最先进的，竞争力也是最强的。美国约1 4 人口直接从事制造业，其余人口中又有约半数人所做的工作与制造业有关。日本 出口的产品中，制造产品占7 0 以上。1 9 9 8 年中国的制造业排在美、日、德之后， 居世界第四位。2 0 0 2 年我国制造业在g d p 中的比重从1 9 5 3 年的1 3 0 7 增加到 3 5 4 4 0 2 【4 1 。因此，无论从我国近6 0 年的国家工业化实践，还是从第一次工业 革命以来世界各国工业化进程来看，制造业是工业化和推动国家经济发展的强大 支柱。 随着世界经济的发展，顾客需求与市场环境开始千变万化，如何让制造系统 快速而经济地响应市场需求的变化，是对当今制造业的一个巨大挑战。传统的机 械自动化生产线具有批量生产的效益，但面对市场的变化不能快速响应；而柔性 制造系统虽然能缩短产品的试制和生产周期，但投资巨大，功能冗余，回收周期 长。可重构制造系统( r e e 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 ，简称r m s ) 正是在这 一情况下出现的，它能够根据需求的变化，利用现有的资源，通过系统结构的快 速重组或更新，经济地转换成新的制造系统，来定制地响应新需求5 。8 】。 1 2可重构制造系统及其发展 1 2 1r m s 产生背景及意义 自2 0 世纪8 0 年代后期以来，世界制造业陷入几个方面的困境：传统大量生 产的产品及其生产能力过剩，制造业从发达国家向发展中国家或地区转移；已经 完成工业化的国家和地区的后遗症高物耗、高能耗与高污染中断了发展中国 家沿用传统工业化进程与方式的可能；各类高中级人才不足，而传统制造业缺乏 对优秀年轻人才的吸引力；利润与投资效益下降；产市场寿命周期迅速缩趔2 1 。 现代制造业中普遍存在两类制造系统，一类是大规模专用制造系统( d m s ) ， 另一类是柔性制造系统( f m s ) 。d m s 是单品种大批量制造系统，它的生产率高， 单件生产成本低，系统没有柔性。f m s 是适应于多品种中小批量生产的制造系统， 具有很大的柔性，但系统投资大，生产率低，单件生产成本高，虽然投资很大、 投资回报期长，但由于系统具有柔性，系统的投资分布在系统的整个生命周期内， 这类系统的投资风险比d m s 低。为了克服这两种制造系统的缺点，美国密西根大 学工程研究中心提出了可重构制造系统( r m s ) 的概念【9 1 1 】。 美国密西根大学可重构制造系统研究中心主任k o r e n 教授最先给出了r m s 的 定义。他指出，r m s 是为响应市场或不规则需求的突然变化，迅速调整在一个零 件族内的生产能力和功能性，首先为快速改变结构以及硬件与软件组元而设计的 一种可重组制造系统【i2 1 。1 9 9 8 年我国在对r m s 深入研究的基础上给出了r m s 的 一个完整、适用的定义：r m s 是一种能按市场需求的变化，在设计的基础上以重 排( 重新组态) 、变形、重复利用和更新元素或子系统的方式，实现以低成本、短 时间、高质量和高效益快速调整制造功能和生产能力的可变制造系到1 3 】。 1 2 2i 洲s 定义 美国m i c h i g a n 大学的yk o r e n 教授于1 9 9 9 年在国际生产工程研究学会( c i r p ) 上首次提出了r m s 的定义。该定义为：“可重构制造系统是一种能在同一产品族 内快速改变其系统结构、软硬件组件的制造系统，其目的是为了快速调整其生产 能力和生产功能以适应快速改变的市场需求”。其特点为：将加工对象限定在同 一产品族：强调系统重构是为了改变生产目的和生产功能；需要加工设备的 强有力支持，即需要可重组机床( r e c o n f i g u r a b l em a c h i n et o o l ，简称r m t ) 。 2 目前，国内外对可重构制造系统的定义各有千秋，其中具有代表性的两种定 义如下【1 4 】： 2 0 0 1 年，罗振璧等人提出可重构制造系统( 或称为可重组制造系统) 的定义 为：可重构制造系统( r m s ) 配置适用功能的机床，一旦出现产品品种和批量变 化时，可以在充分利用原有资源的基础上，通过适当的调整和改变机床或机床上 的模块配置，很快形成一条新的制造系统，满足动态变化的市场需求。它能够通 过系统构建自身变化和数量增减以及构件间连续变化等方式动态地改变构形，实 现缩短研制周期和斜升时间，极高经济效益，能够对多个零件提供定制柔性，同 时提供开放性结构【1 5 】。 2 0 0 3 年，国内由宁汝新、梁福军在上一定义的基础上进行了修订，对r m s 的定义为：“可重组制造系统是一种对市场需求变化具有快速响应能力的可重组构 形的可变制造系统，该系统能够基于现有自身系统在系统规划和设计的范围内， 通过系统构件自身变化和数量增减以及构件之间连续变化等方式动态地改变其构 形，从而达到根据发生的变化调整生产过程、生产功能和生产能力，实现短的系 统研制周期和斜升时间、低的重构成本、高的加工质量和经济效益，能够对多个 零件族提供定制柔性，同时提供开放型结构”。其特点是：加工对象扩展到多个 零件族；强调重构是由生产过程、生产能力和生产功能的变化驱动的；将重 构由设备级扩展到系统级；最大限度地利用原有资源。 国内学者的定义是根据制造系统新的发展趋势，在我国国情的基础上提出的 可重构制造系统的定义，是对国外定义的继承和发展。 1 3可重构制造系统的研究现状 1 3 1国外研究现状 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剖1 6 l ，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。自2 0 0 1 年起，每年都会召开可重 构制造系统国际会议，来自世界各国的学者围绕可重构制造系统的各个方面的主 题发表论文。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【7 】： 19 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罩供下次使用。 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。德国汉诺威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。 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，美国在密西根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 fr 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 ) ，该研究中心 的课题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 造时间和重组后的斜升时间、可重构机床和可重构控制器的设计等方面的研究， 该中心的目标是发展成为制造系统重构的科学基地。 1 3 2国内研究现状 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 年王成恩教授 等人主编的可重构制造系统出版，它是我国第一部全面系统地介绍可重构制 造系统的专著，它的出版标志着我国对可重构制造系统的研究进入了一个新的阶 段。 1 9 9 8 年，在国家自然科学基金的资助下，北京机床研究所和清华大学合作开 展了快速重组制造系统( r a p i d l yr e c o n f i g u r a b l 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，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的研究等。 2 0 0 2 年，中国科学院自动化研究所在国家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”，主要研究了基于智能制造单元 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。 在具体的研究成果方面，北京机床研究所和清华大学罗振璧、盛伯浩对制造 系统可重构性进行了研究，对可重构性进行了理论推导，给出了r m s 设计的定理、 方程等；盛伯浩、罗振璧等还提出了r m s 的基本构架及其特征，建立了r m s 随 机模型及其组态的优化方法，建立了经济可承受性的理论框架，研发了基于组态 4 制造单元组成的新颖的陈列式布局的r m s 在汽车和计算机零件生产线上成功应 用；刘阶萍等对r m s 的可诊断性设计原理进行了论述；中国科学院沈阳自动化研 究所的王成恩等对r m s 的决策支持系统和决策体系结构作了研究；华东理工大学 的许虹等对可重构机床的基本设计原理进行了论述，提出了基于工艺规划和机床 配置并行完成的可重构机床设计方法【j 7 】；蔡宗琰等对可重构制造系统的设备建模和 调度问题进行了研究，提出了赋时面向对象的p e t r i 网模型；南京航空航天大学的 张晓峰提出了面向可重组制造单元的c a p p 系统设计框架 1 7 - 1 9 】。 关于可重构制造系统设备布局方面的研究，国内外研究的学者相对比较少， 在国外，y a m a d ay 等人采用粒子群算法( p s o ：p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) 对制 造单元的布局及传送机器人的分配进行优化【2 们。国内，盛伯浩、罗振璧等提出了 r m s 的基本构架及其特征，以及基于组态制造单元组成的新颖的陈列式布局的 r m s 模式【2 l 】；刘阶萍等对r m s 的布局原则和方法进行了研列1 8 】；浙江大学金哲 等提出了一种工艺路线和系统布局设计的方法【2 2 】；北京理工大学的武志军、宁汝 新等对r m s 布局规划技术进行了研究，提出了改进型和创新性r m s 的概念，并 运用混合遗传算法对改进型r m s 进行了布局优化，提出了一套r m s 布局规划方 案的评价方法【2 3 】【2 4 】。 1 4课题背景与主要研究内容 1 4 1课题背景 在客户需求多样化与个性化的买方市场条件下，传统的制造系统的传统规划、 设计、建造与运行方法和实践已经落后于现代企业的客观需求，使制造系统经常 成为制约企业新产品快速成功上市、按照客户订单进行产品变换和商务运作的瓶 颈。同时，传统制造系统要求的投资额度大、建造和试运行时间周期长、柔性低， 使它经常成为新产品生产、商务活动、企业发展与业绩提升的约束。所以，现代 制造系统的规划、设计、建造与运行成为制造科学研究与开发的热点。 一直以来，设备布局都是现代制造系统设计的关键技术之一，也是难点之一。 制造系统设备布局研究的是如何将加工设备、物料运输设备以及各种设备在满足 各种约束的条件下合理地放置在一个有限的生产空间内。自八十年代来，设备布 局的优化设计在国外就引起人们高度的重视，然而布局设计在国内一直是被忽视 的个领域。许多机械加工企业通常非常重视生产工艺知识，而对设备布局、物 流搬运系统( 包括工件、工艺装备) 的设计则局限于经验水平，没有从专业理论 或科学角度进行系统设计，从而制约了生产效率的提高。 事实上，设备布局的优劣对一个企业产品的成本、产品的交货期有着至关重 要的影响，探讨设备布局对提升企业的市场竞争力具有积极的意义。设备布局设 计是制造系统设计的重要组成部分，设备布局是否合理对整个制造系统的总体功 效起着重要的影响。研究表明：因设备布局不合理所产生的运行费用占系统整体 运行费用的2 0 一5 0 ，而优良的设备布局可使这一费用减少1 0 3 0 【2 5 】，合理的 设备布局还能加快物料处理的效率，减少在制品的停留时间，提高企业的生产率， 使企业对市场需求做出及时的响应，增强企业市场竞争力。反之，若布局设计不 合理，将会导致过量的中间储存，物料流动的阻碍，生产时问的延长和生产效率 的降低。因此，研究制造系统的设备布局具有重要的理论意义和应用价值。 1 4 2论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容是可重构制造系统的设备布局问题，首先按照系统构 建的时间顺序，分别研究了系统构建初期的布局规划和系统构建完成后针对某一 零件族的动态布局，接着进一步分析了基于设备添a n 卸除的可重构制造系统布局 问题。 第一章，分析了制造业的现状，阐述了可重构制造系统的产生背景及意义， 论述了可重构制造系统设计研究的国内外现状。最后，给出了本论文的主要研究 内容与论文的组织结构。 第二章，探讨了可重构制造系统的可重构性性特征，分析了可重构制造系统 的经济性，阐述了r m s 布局研究的相关理论。 第三章，对系统构建初期的布局问题进行了研究。建立了r m s 的周期成本模 型、重构成本模型与全生产周期成本模型。以系统的设备折旧成本、工序成本、 零件加工工序与顺序等为基础，构建了r m s 全生命周期工艺路径有向图，运用多 条较优成本路径与重构成本组合的方法求出了最优工艺路径，进而确定了需要布 置的设备类型、数量和排列顺序。最后用实例验证了所提出的设备布局方法的有 效性与可行性。 第四章，研究了系统构建完成后针对某一零件族产品变化的动态布局问题。 建立了r m s 动态布局的成本模型，包括物料搬运成本、设备重置成本和生产损失 成本，针对r m s 布局的多阶段性提出了适应r m s 布局的模拟退火算法，并以实 例验证了所提出的方法的可行性。最后，在算法的基础上，运用v i s u a lc + + 开发了 针对某一零件族产品的可重构制造系统设备布局求解系统。 第五章，研究了可重构制造系统重构过程中普遍存在的设备添加卸除问题。 结合实际，考虑了布局中尺寸因素的影响，包括面积利用率、设备的重叠、添n 6 卸除原则等，定义了结合面积利用率的目标函数。运用第四章提出的算法求出k 优布局方案，结合设备卸除添加原则，避免设备的重叠，求出k 优布局方案中不 同尺寸设备添加卸除对成本的影响和目标函数值。最后，以某研究所的生产线为 例，对提出模型的有效性进行了验证。 第六章，回顾与总结全文的主要研究内容，归纳了本文的主要研究成果，并 对今后的研究工作做了展望。 1 4 3论文的总体结构 本文的总体结构如图1 1 所示。 1 5本章小结 图1 1 论文总体结构 f i g1 - 1g e n e r a ls t r u c t u r e 本章论述了制造业的现状，阐述了可重构制造系统的产生背景，论述了可重 构制造系统设计研究的国内外现状，以及论文的研究背景，最后给出了论文的研 究目标、研究内容与论文的总体结构。 7 2 可重构制造系统布局理论基础 2 1可重构制造系统的定义及特征 2 1 1制造系统的可重构性 制造系统的可重构性是多方面的，它涵盖全部制造活动和过程。充分了解制 造系统的可重构性有助于理解r m s ，下面从五个方面描述制造系统的可重构性【2 6 】。 1 ) 产品的可重构性 产品的可重构性，指利用现有产品，通过少量的变化和组合，迅速得到用户 所需要的新产品。主要反应在以下方面：( 1 ) 对大规模定制产品，在方案设计阶 段通过与客户对话的方式实现定制；也可以通过产品可调节性来实现客户的适应 性定制；或者在保证功能不变的条件下，通过产品外形的系列化实现定制；( 2 ) 进行面向模块化产品族的设计，在设计过程中充分考虑模块可重用性、公共模块 利用程度、模块化程度等因素，从而在产品全生命周期内降低成本。 2 ) 车间加工系统重构 车间加工系统的重构指其物理重构，主要涉及到物料加工处理设备系统的 动态应变能力。其内涵包括三个方面：( 1 ) 生产资源是可重构的，即生产资源具 备根据任务要求改变其功能和结构的能力。这导致产生可重构的生产资源，如可 重构机床、可重构机器人、可重构的材料传送系统等。( 2 ) 制造系统设备布局是 可重构的，即可在加工制造系统中进行生产资源的增加、减少、替换，以优化系 统设备布局。( 3 ) 与生产资源和设备布局的可重构性相对应，加工制造系统的控 制系统也应该是可重构的。 3 ) 工艺过程的可重构 实现产品工艺的可重构，主要是要实现产品制造工艺的模块化设计。包括工 艺延迟、工艺重构、工艺标准化三大部分。为了最大限度地满足顾客需求，应将 产品的个性化工艺尽可能地推迟到在整个产品制造过程或供应链环节中的最后环 节。惠普公司为避免由于用户设计的更改导致对整个电路板的测试工艺的重新设 计，对测试工艺进行了模块化设计和重构。将电路板测试分为装前与装后测试两 个子工艺。装前可对电路板驱动器等大部分共性部分进行测试，并将这部分工艺 标准化：待用户定制要求最终确认后，再设计电路板定制部分装后测试工艺。 4 ) 组织可重构性 9 生产工艺的重构将导致业务流程的重构；而业务流程的重构需要靠组织结构 的重构来实现。因此要实现制造系统的可重构，在企业内部组织管理模式和生产 管理流程要具有可重构性；在企业外部，要考虑对制造资源的可重构利用。所有 这些，都需要考虑各单元的结构、单元i 日j 的接口方式、以及响应标准。不仅要实 现功能及结构的模块化和兼容性，还要实现信息的可视化与对称性，同时注重实 现制造系统重构的资金流、信息流、物流以及与员工技能相关的知识流的集成应 用。 5 ) 可重构信息集成平台 先进制造系统的共同特点是信息集成和系统优化。计算机技术中的网络、软 件和数据库技术是信息集成的主要技术，信息集成平台好似信息集成实现的手段。 制造系统其它的重构特征决定信息集成平台必须是可重构的，即信息集成平台的 的可重构时制造系统重构的重要f j 提之一。如果信息平台是僵化的结构，制造系 统的可重构性是不可能实现的。目前，通常由集成框架把应用层与硬件平台分开， 这种中间层可以对信息和知识进行有效管理，方便了组织单元间的交互和通讯。 信息集成框架的可重构能力允许应用模块方便地在信息系统内“插入和拔出”。软 件系统应当用模块化的设计方法( 如面向对象的方法) 支持组件重构。由以上分 析可以明确，信息集成平台应该具有可移植性、可重用性和可操作性。 2 1 2可重构制造系统的特征 r m s 具有重构性、集成性和调整性三大特性。其中，重构性是其最基本的特 点，主要是指r m s 由一个生产需求期转向下一生产需求期而使所要加工的产品族 发生变化时，按照变化的生产要求准确、经济地由一种构形向另一种构形转换的 能力；集成性是指制造设备和控制模块等易与其它组元进行接口对接，能够适应 生产要求；调整性是指能够适应生产规模的要求，以自组织能力重构生产单元来 应对市场，并对生产规模快速准确地调型2 7 j 。 此外，r m s 还有可变性、模块化、可定制性、可重用性、可转换性、经济可 承受性、可诊断性等特点。以下对这些特点具体加以说明： 1 ) 可变性是指对产品、制造技术和过程变化的高柔性适应能力。 2 ) 模块化是指可重构制造系统的主要构件是模块化的，可进行制造过程、制 造功能和制造能力的模块化组合。 3 ) 可触发性指为满足一个重构需求，需要首先满足若干相关的重构需求，这 些重构需求会继续触发新的需求，直到不再产生新的重构需求为止。 4 ) 可定制性指r m s 具有柔性定制和控制定制的性能。柔性定制指基于制造 l o 加工的零件族及具体零件加工所需的柔性来选择加工设备和构件系统；控制定制 是指基于丌放性结构技术，通过与控制模块进行集成而提供所需的附加控制功能。 5 ) 可重用性指在满足相同生产需求的前提下，使用r m s 比使用传统制造系 统更节约成本的性能，即用对已有系统进行重构的方式构建制造系统的成本要低 于用首次构建的方式构建制造系统的成本性能。 6 ) 可转换性是指r m s 在优化作业模式下和一定作业时间内，一批作业完成、 下批作业开始之间快速平稳过渡转换的性能，在转换过程中应尽快完成必要的操 作，如更换刀具、夹具及进行其它必要的手工操作，力求转换时间较短。 7 ) 经济可承受性是指投资、系统功能和成本综合优化，经济上是可行的。 8 ) 可诊断性指对r m s 重构后提供辨识产品的质量缺陷、制造系统运行过程的 故障，同其产生原因问的有效相关关系的信息或知识的能力。 从经济效益的角度来看，可重组制造系统的最大特点是能以较小的投入满足 多种产品的生产，从而产生较大的经济利益，这正是企业所关心的。为了实现这 一目的，可重组制造系统本身应具备可重组性、系统模块化、可集成性等主要枷7 征。其中，可重组性强调一种可以按照规划和设计规定的变化，利用子系统、模 块或组元的重排、更替、剪裁、嵌套和革新等手段对系统重新组态、更新过程， 变换功能或改变系统输出量迅速响应市场变化的能力。而系统模块化，可集成性： 正是可重组性的基础和关键。在可重组性、系统模块化和可集成性的基础上，制 造系统整体呈现出敏捷性的特征，能在需要的时间提供需要数量的需要的产品。 为了构成实用的可重组制造系统，一系列相关的使能技术需要研究，包括模块化 机床、开放的控制结构、以及动态建模和优化算法等【2 8 】。 为了更加清楚的说明可重组制造系统的特征及其优势，把典型的三类制造系 统的特征进行比较如下表所示。 表2 1 制造系统特征比较 t a b 2 一ic o m p a r i s o no f m a n u f a c t u r i n gs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s 葡卜娄型 刚性制造系统( d m s ) 柔性制造系统( f m s )可重构制造系统( r m s ) 产品特征单一或少品种大量生产 同组零什批量生产多种族零件批量生产 制造柔性极低中等按订货变化 生产率最高中等较高或高 过程可变性极小 中等大 功能可变性无无或小大 输入出可缩放性无中等大 系统组态能力不可重组不可重组 软硬什均可重组 2 2可重构制造系统的经济性 可以说，对于任何一个制造系统，经济性都是必须考虑的重要因素之一。对 于可重构制造系统而言，经济性显得尤为重要。若系统重组的成本过高，可能会 导致其产品的价格过高，难以推向市场。因此，在进行制造系统重组前，必须考 虑该系统的配置和布局能够保证产品的综合成本以及企业的最终效益。 r m s 的应用需要考虑企业的经济、人员和设备等方面的资源，因为任何企业 的资源都是有限的，不是在任何情况下都能随意进行重组的。制约r m s 重组的因 素有很多，其中，关键成功因素主要有重组费用、可用设备、人员以及布局可用 的面积等。究其根源，这些因素都可以归结为系统重组成本的限制上，因为设备 限制可以通过购买新的设备来解决，人员限制可以通过聘用熟练的操作工人来解 决，系统布局面积可以通过扩充车间或厂房来解决，而这样做最终都会导致系统 重组成本的增加。因此，在r m s 每次重组前都需要根据重组进行成本分析，以确 定系统重组的可行性和经济性。 2 3可重构制造系统布局相关理论 可重构制造系统的重构关键在于怎样合理利用系统有限资源，本质上是决策， 因此，就研究方法而言，可以借鉴运筹学的决策科学知识和及时方法。运筹学是 一门应用于管理有组织系统的科学，其应用分析、试验、量化的方法，对经济管 理系统中人、财、物等有限资源进行统筹安排，为决策者提供有依据的最优方案， 以实现最有效的管理【2 9 1 。运筹学研究的基本特征是具有系统的整体观点，以及模 型方法的应用。起源于2 0 世纪3 0 年代的运筹学经过几十年的发展，运筹学已经 形成了一个包括图与网络理论、决策论、存储论、数学规划等许多分支的庞大体 系【3 0 】【3 1 1 ，其运用领域也已经从原来的军事领域，推广到社会生产的各个行业，如 制造业的生产计划制订、库存管理、市场销售运作、工程优化设计等许多方面【3 2 1 。 有向图与网络模型随着电子计算机的发展迅速成为运筹学中十分活跃的重要 分支。生产建设中的大量实际问题其规划与安排的优化，可以应用图论、网络模 型来描述和求解，一些特殊类型的线性规划或者整数规划问题，应用网络方法来 求解，从模型的直观性和求解的有效性来评价，都有其一定的优越性【3 引。可重构 制造系统是为零件族设计的既具有定制的柔性又具有高生产率的制造系统，它通 过重构来适应市场需求中品种与批量的变化【3 4 1 。制造系统为了完成零件的生产， 需要不同型号与数量的机床进行多道工序的加工，这些工序之间存在着顺序关系。 所以，本文运用有向图与网络理论，根据可重构制造系统的零件加工过程，建立 1 2 工序有向图，并使用相关的求解算法求解本文要解决的问题。 2 3 1有向图与网络模型 自然界与人类社会中，大量的事物以及事物之间的关系，常可以用图形来描 述。一般用点表示具体的事物，用点与点之间的连线表示事物之间的联系。一个 图是由点集v = v ，) 和v 中元素的无序对的一个集合e = e 。) 所构成的二元组，记 为g = ( y ，e ) ，v 中的元素y ；叫做顶点，e 中的元素e 。叫作边。 把顶点1 ，和顶点v ，之间有方向的线段成为弧或者有向边，记为( y ，y ，) ，这时 候的图g 称为有向图。相反，如果对于任意一条属于e 的边，其端点无序，此时 图g 称为无向图。例如，在机械加工中要先进行粗加工再进行精加工，次序不能 颠倒，这种关系就可以表示为顶点和弧，构成有向图；又如，甲乙两种机械元件， 甲不能与乙组装起来，乙也不能与甲组装起来，此时甲与乙的关系可以用无向图 来表示。 w 3 w 4 图2 - 1制造系统加j ：过程有向图 f i 9 2 ld i r e c t e dg r a p hf o r t h ep r o c e s so fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 在实际问题中，只用图来描述所研究对象之间的关系还是不够的，与图联系 在一起的通常还有与点或边有关的某些数量指标，被称之为“权”，权可以表示如距 离、费用、通过能力等等。这些点或边带有某种数量指标的图成为网络。例如构 建一个加工某个零件的制造系统，其d n i 工序为车一个阶梯轴，加工过程可以由 普通车床完成，可以由数控车床完成，加工每道工序消耗的成本是已知的，这样 的一个加工过程可以用如图2 1 所示的有向图来表示。这个有向图可以记为 g = ( y ，e ) ，顶点圪，k 之间共有两条路，分别代表两种不同的加工过程，第一条路 是k 专m 。jk ；第二条路是k m ：一。顶点集合v = k ，m 。，m ：，形) 中各元素 分别代表毛胚、普通车床、数控车床和成品；有向边集合 e = ( k ，m ) ( m 。，形) ( k ，m ：) ( 肘：，杉) ) 中的各元素分别代表毛胚进入各种机床加工 阶段轴到成品的过程；权集合w = w ，w 2 ，w 3 ，w 4 ) 中的各元素分表代表相应加工过 程中消耗的成本【3 引。 2 - 3 2最短