（机械设计及理论专业论文）可重构制造系统的关键技术研究.pdf

硕f 学伊沦文 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、不可预测的变化 着为适应这种变化，制造企业需要发展一种能够通过产品结构调整和制造系统 的快速重构，以满足顾客对产品个性化的要求的新型制造系统。可重构制造系统 就是在这一背景下被提出的，它能够适应市场需求变化，快速调整制造过程、生 产功能和生产能力。 可重构制造系统作为先进制造模式的新型制造系统，受到了理论界和工程界 的广泛关注和深入研究，但是可重构制造系统理论和技术正处于发展阶段，还需 要进一步研究支持制造系统进行重构的方法和技术。因此，对可重构制造系统的 若干关键技术进行研究具有重要的意义。 论文主要包括以下几方面的内容： ( 1 ) 阐述了制造系统的发展及可重构制造与其它两种制造模式的区别，论述 了可重构制造系统的定义、特征、组成及关键技术，介绍了国内外对可重构制造 系统理论的研究现状，并提出了本文所研究的几项关键技术问题。 ( 2 ) 论述了制造系统的各种建模方法，并进行分析比较，提出了基于广义随 机p e t r i 网的可重构制造系统的建模方法。阐述了p e t r i 网的基本理论，分析广义 随机p e t r i 网在制造系统中的建模应用。采用自下而上的广义随机p e t r i 网建模方 法，对实例中的可重构制造系统进行建模和分析。 ( 3 ) 制造系统设备布局的优劣对可重构制造系统性能有着重要的影响，根 据实际情况建立了两种类型的设备布局数学模型，针对设备布局问题属于n p 完 全问题，提出了采用遗传算法工具箱进行求解，并引入了q u e s t 仿真工具对求 得的最优布局设备序列进行仿真优化。 ( 4 ) 根据可重构机床设计理念，对可重构机床的机械系统模块化设计方法 进行了较深入地探讨。通过对工件工艺特征进行辨认，制定、区分和组合出加工 工序。利用旋量理论建立机床基本功能模块的运动学表达式，并在此基础上完成 机床机械系统的运动功能模块的建模，最后得到可重构机床模块配置结构。 ( 5 ) 阐述了设备故障诊断的重要意义，对基于知识的故障诊断方法进行了 探讨，着重研究了基于模糊p e t r i 网的故障诊断，以及推理算法，并以机床电主 轴故障事例进行研究分析。 关键词：可重构制造系统：广义随机p e t r i 网：设备布局：可重构机床：故障诊断 可币佝制造系统的关键丰之术研究 a bs trac t w i t ht h ei n t e n s i v e c o m p e t i t i o n o ft h e g l o b a le c o n o m y , 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 rt h ee n t e r p r i s e si su n d e r g o i n gd r a m a t i ca n du n p r e d i c t a b l ec h a n g e s s ot h em a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e sm u s td e v e l o pan e wm a n u f a c t u r i n gs y s t e mt h a tc a n s a t i s f yt h ei n d i v i d u a ln e e d so ft h ed i f f e r e n tc u s t o m e r sb ym e a n so fa d j u s t i n gp r o d u c t s t r u c t u r e sa n dr a p i d l yr e c o n f i g u r i n gt h e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m 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 s ( r m s ) a r ep u tf o r w a r di ns u c hc o n d i t i o n i tc a na d a p tt ot h e c h a n g e sf o rm a r k e td e m a n d s ，q u i c k l ya d j u s tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，f u n c t i o na n d c a p a c i t y a san e wa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，r m sh a sb e e n i n c r e a s i n g l yp a i d a t t e n t i o nt o ，a n dh a sb e e nc a r r i e do u td e e pr e s e a r c hi nt h ea r e ao ft h e o r ya n d a p p l i c a t i o n b u tt h et h e o r i e sa n dt h et e c h n o l o g i e so fr m sa r ea ta ni n i t i a ls t a g eo f d e v e l o p m e n t ，t h ef u r t h e rr e s e a c hf o rt h em e t h o d sa n dt e c h n o l o g i e s p r o m o t e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m st o b er e c o n f i g u r a t e di s n e e d e d s ot h e r ea r e s i g n i f i c a n t m e a n i n g st oc a r r yo u tr e s e a r c h e so nk e yt e c h n o l o g i e so fr m s t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ec o n t e n t sf o rt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n t sa n de v o l u t i o nf o rm a n u f a c t u r i n gs y s t e m sa r ee x p o u n d e d a n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nr m sa n do t h e rt w o m a n u f a c t u r i n gp a t t e l 1 1 sa r e d i s c u s s e d t h ed e f i n i t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s ，c o m p o s i t i o na n dk e yt e c h n o l o g i e so fr m s a r es t u d i e d ，a n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fr e s e a r c ho nt h et h e o r i e sf o rr m s a th o m e a n da b r o a di si n t r o d u c e d t h ek e y t e c h n o l o g i e sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ra r ep r o p o s e d ( 2 ) a l lk i n d so fm o d e l i n gm e t h o d so fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m sa r ed i s c u s s e d a n d t h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h e ma r em a d et h i s p a p e r am o d u l a rm o d e l i n g a p p r o a c hb a s e dg e n e r a l i z e ds t o c h a s t i cp e t r in e t s ( g s p n ) i sp r e s e n t e d t h eb a s i c t h e o r yo fp e t r in e t si sd e s c r i b e da n dt h em o d e l i n ga n da p p l i c a t i o no fg s p ni nt h e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m sa r ea n a l y s e d b a s e do nb o t t o m u pm e t h o d ，t h em o d e l i n ga n d a n a l y s i sf o rr m sg i v e ni nt h ee x a m p l ea r ec a r r i e do u t ( 3 ) w h e t h e rt h em a c h i n el a y o u ti 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 fr m s s e r i o u s l y a c c o r d i n gt oa c t u a ls i t u a t i o n ，t w ok i n d so fm a t h e m a t i c a lm o d e l sf o r f a c i l i t yl a y o u ta r ee s t a b l i s h e da n dw i t hr e s p e c tt ot h ef a c tt h ef a c i l i t yl a y o u tp r o b l e m b e l o n g st on pc o m p e l e to n e ，t h eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t o o l b o xi su s e dt os 0 1 v e t h ep r o b l e m t h e nt h eq u e s ti si n t r o d u c e dt os i m u l a t ea n do p t i m i z et h eo p t i m a l s e q u e n c eo fl a y o u to b t a i n e dt h r o u g hg a i i 硕十学伊论文 ( 4 ) a c c o r d i n gt od e s i g nt h e o r yo fr e c o n f i g u r a b l em a c h i n et o o l ( r m t ) ，t h e d e s i g nm e t h o do fm e c h a n i c a lm o d u l a rf o rr m ti s d i s c u s s e dd e e p l y t h ep r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew o r k p i e c ea r ei d e n t i f i e d ，a n dt h ep r o c e s s i n go p e r a t i o n sa r e f o r m u l a t e d ，d i s t i n c t e da n dc o m b i n e d t h ek i n e m a t i c se x p r e s s i o no fb a s i cf u n c t i o n a l m o d u l e sf o rm a c h i n et o o li se s t a b l i s h e db ys c r e wt h e o r y ，a n dt h e nt h em o t o rf u n c t i o n m o d u l eo fm a c h i n em e c h a n i c a l s y s t e m i s c o m p l e t e d f i n a l l y ，t h em o d u l a r c o n f i g u r a t i o no fr m s i sg a i n e d ( 5 ) t h ei m p o r t a n tm e a n i n g so ff a c i l i t yf a u l td i a g n o s i sf o rr m sa r ee x p o u n d e d a n dt h em e t h o d so ff a u l td i a g n o s i sb a s e do nk n o w l e d g ea r ed i s c u s s e d f a u l t d i a g n o s i sb a s e d o nf u z z yp e t r in e ta n di t s r e a s o n i n ga l g o r i t h m a r es t u d i e d e m p h a t i c a l l y , t h e nt h ee x a m p l ea b o u tf a u l t so fs p i n d l ef o rm a c h i n et o o li sr e s e a r c h e d a n da n a l y z e d 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 ；g e n e r a l i z e ds t o c h a s t i cp e t r i n e t s ；f a c i l i t yl a y o u t ；r e c o n f i g u r a b l em a c h i n et o o l ；f a u l td i a g n o s i s i i i 可币佝韦l 造系统的关键技术研究 蔓! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼! i ：| 一 一i m _ i = i i i 曼! ! ! 曼曼 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 插图索引 制造系统的发展经历2 r m s 的结构和组成8 p e t r i 网模型及其可达图2 l r g v 的g s p n 模型2 3 工件g s p n 模型2 4 r m t l 的g s p n 模型2 4 r m t 2 的g s p n 模型2 4 r m s 完整g s p n 模型o 2 5 图2 6 模型的马尔可夫链2 6 退化嵌入马尔可夫链2 6 设备布局形式2 9 参数和决策变量示意图3 2 遗传算法工作流程图一3 4 设备布局仿真优化流程图3 7 适应度函数求解过程3 9 制造系统布局仿真3 9 零件a 、b 的特征模型一4 3 串、并联模块5 0 功能拓扑结构5 1 可重构机床的拓扑配置方案5 2 可重构机床配置结构一5 2 f p n 示例5 8 类型1 的标记f p n 5 9 类型2 的标记f p n 5 9 类型3 的标记f p n 6 0 电主轴过热故障的f p n 模型6 3 i v 硕f _ 学伊论文 曼曼! 曼! ! 曼! ! ! 曼! ! ! ! 曼! 曼! ! ! ! 曼! ! ! ! ! 曼! 曼! 曼苎皇! ! ! ! 曼曼曼曼_ ii i ! 曼! 曼! 曼! 曼曼皇! 曼! 曼! 皂! ! ! ! ! ! 皂! ! 曼曼舅 附表索引 表1 1 可重构制造与刚性制造、柔性制造的比较2 表2 1 图2 2 模型的变迁及库所含义2 3 表2 2 图2 3 模型的变迁及库所含义2 4 表2 3 图2 4 模型的变迁及库所含义2 4 表2 4 图2 5 模型的变迁及库所含义2 4 表2 5 图2 6 模型变迁的特性说明2 5 表2 6 图2 6 模型的g s p n 状态集2 6 表3 1 设备尺寸3 8 表4 1 多零件工序组合4 5 表4 2 零件a 、b 加工工序信息4 8 表4 3 完成各工序机床所需执行的运动4 9 表4 4 完成工序族机床所需的运动：5 0 表5 1 图5 5 库所的立即可达集合与可达集合6 4 表5 2 图5 5 的库所的相邻库所6 4 v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特另w l d i ：i 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者躲耕帚 吼巾年f 月眵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期： 弘p 年多月厶日 日期：矽p 年石月多日 硕+ 学何沦文 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀 t 匕 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 富是有制造业创造的【l 】。制造业是国家的经济支柱产业之一。制造业是国民经济 的重要物质基础，是国家竞争力的重要体现。改革开放以来，制造业一直是我国 经济高速增长的的发动机，其市场化与国际化的发展程度始终引领着我国经济的 发展方向1 2 】。据统计，我国制造业生产总值超过全国g d p 的4 0 ，占工业增加 值的8 8 。制造业交纳的税收占国家税收的近三分之一。制造业就业人员8 0 0 0 万，占全国工业就业人员的9 0 t3 | 。同时工业化的进程亦表明，制造业的发展是 国民经济支柱产业得以实现高效产出的关键，制造系统的投资一般为企业总投资 的3 0 一5 0 ，因此它对企业的运营结果有重大的影响1 4 】。 各国工业化实践表明，制造业是工业化和推动国家经济发展的强大支柱。因 此，在1 9 9 1 年美国工程科学院把科学、技术和制造作为“发展国家经济的三大 必保主题”。在预测2 0 2 0 年的未来制造时，1 9 9 8 年美国国家研究委员会( n r c ) 明确断言：制造仍然是新世纪创造社会财富最基本、最有效的手段，是国家经济 发动机的支柱【5 】。所以我们必须清醒地认识到，制造业是一个国家国民经济发展 水平和综合国力的具体体现，它的发展对提高综合国力和促进社会稳定有着独特 而不可替代的作用。 全球化经济激发的市场激烈竞争和客户对产品需求的日益个性化趋势，引起 产品品种增多及市场生命周期不断缩短。为了获得和保持竞争力，制造企业需要 一种既有规模生产的经济效益，又能快速适应动态多变的制造环境的新型制造系 统。可重构制造系统正是适应这一需求的一条有效途径，它通过配置合适功能的 机床，对给定范围的生产需求提供定制化柔性，当需求变化时，在最大化利用现 有资源的基础上，通过对制造系统结构及组成单元快速重组或更新，经济地转换 成新的制造系统，来定制地响应新需求【6 】。 1 2 制造系统的发展演变及可重构性 1 2 1 制造系统的发展演变 社会生产力的不断发展、市场需求的变化和技术水平的进步，使得制造系统 总是处于不断的变化和发展之中。从2 0 世纪2 0 年代至今，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7 】( 如图1 1 ) 。 可重构制造系统的关键技术研究 追 追求可变性、快速响应 2 0 世纪初2 0 世纪中期2 l 世纪 时间 图1 1 制造系统的发展经历 刚性制造、柔性制造和可重构制造，这三种制造模式的比较结果见表1 1 。 表1 1 可重构制造与刚性制造、柔性制造的比较 特征刚性制造( d m )柔性制造( f m )可重构制造( r m ) 生产特征 单一或少品种大量生产多品种中小批量多品种变规模 基 可定制性几乎没有中等高( 订货要求变化) 本 过程可变性几乎没有中等大 制 功能可变性无小或中等大 造 可缩放性无无或小大 特 成本效益 最高 中等较高或高 征 投资回报率较高中最高低中等或低高 可重构性 无无软硬件、控制系统 设备结构专业固定式通用固定式 可重构设备 系 部件结构固定式 固定式可重构部件 统 控制系统结构专用式开放式分布式、开放式 特 信息系统平台 征 几乎没有较小高 集成性 2 0 世纪初，亨利福特提出了大批量专用制造系统( d e d i c a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m s ，d m s ) ( 又称刚性制造系统) 的概念，极大地提高了生产率，推动了世 界制造业的进步，满足了当时巨大的市场需求。至今d m s 还大量应用于各类产 品的制造中。随着市场逐渐由卖方市场转变为买方市场，客户需求的多样性与新 产品出现周期的缩短，d m s 的建设周期长、一次性投资大并且不具有柔性的缺 陷限制了这类制造系统的发展，为此人们提出了柔性制造系统( f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，f m s ) 的概念。f m s 使用高性能的加工中心或数控机床， 2 硕十学伊论文 具有很大的柔性，可以在不改变制造系统组态的条件卜，在零件族内快速地由一 种零件的生产转换到另一种零件的生产【3 】。与d m s 相比，f m s 增加了柔性，降低 了系统的投资风险，但f m s 存在系统功能冗余大、生产率、一次性投资规模大等 缺陷。为综合f m s 和d m s 的优点并克服它们的缺点，在2 0 世纪9 0 年代中期，以 美国密西根大学可重构制造工程研究中心为首的研究人员在前人工作的基础上 较全面地提出了可重构制造的概念，并联合美国3 0 家企业，在美国国家自然基金 的支持下对可重构制造系统( 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 s ，r m s ) 进行 了大量深入的研究【7 9 】。 从2 0 世纪8 0 年开始，随着市场竞争的加剧、信息技术的快速发展以及资源、 环境等问题逐渐引起人们的重视，涌现出了大量的先进制造模式和制造系统【l 0 1 ， 其中比较有代表性的有： ( 1 ) 计算机集成制造系统( c i m s ，c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m s ) 随着计算机技术在制造业中的推广应用，出现了诸如c a d 系统，c a p p 系统、 c a m 系统一类的自动化孤岛，发展c i m s 的初衷就是要将这些系统有机地结合起 来，运用系统工程的观点，将现代信息技术和生产技术综合应用，从信息技术和 组织上将生产全过程的各个工作系统和信息系统连接起来，以便有效地提高企业 对市场需求的响应能力和生产率。但迄今为止，c i m s 的实践应用效果并不理想， 关键是因为它过于依赖自动化技术，而忽视了人的作用。c i m s 要想获得更大的 发展，必须从“技术驱动”转到“效益驱动”和“需求驱动”的轨道上来。 ( 2 ) 并行工程( c e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程( 包括制造过程和 支持过程) 的系统方法。它通过集成企业内的所有相关资源，使产品生产的整个 过程在设计阶段就全面展开，其目的在于设法保证设计与制造的一次性成功，提 高整个制造过程的质量，降低产品生命周期费用并缩短研发周期，从而增强企业 的竞争能力。 ( 3 ) 精益生产( l p ，l e a np r o d u c t i o n ) 精益生产又称精良生产，它以“人”为中心，在组织机构上以“精简”为手 段，在工作方法上采用t e a mw o r k 和并行设计，在供货上采用j u s ti nt i m e 方式， 旨在消灭故障，消除一切浪费，向零缺陷、零库存进军，最终达到“尽善尽美 的目标。精益生产综合了大量生产与单件生产方式的优点，力求在大量生产中实 现多品种和高质量产品的低成本生产。 ( 4 ) 绿色制造( g m ，g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) 绿色制造即指在制造过程的每个阶段，同时考虑产品对人和环境的影响，并 使之最小化。其实质是一种物料和能耗最少的生产活动的规划和管理，将废弃物 3 口】震构制造系统的关键技术研究 减量化、资源化和无害化，或将其消灭在生产过程中。 ( 5 ) 大批量定制( m c ，m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 大批量定制是一种将基于相似性原理、重用性原理和全局性原理与应用实践 相结合的生产方式，以减少产品内部多样化、增加产品外部多样化为基础，在空 间上对整个产品族、在时间上对产品全生命周期进行全方位的优化，低成本、快 速地生产定制产品。与大批量定制相适应是模块化的、可快速重构的制造系统。 ( 6 ) 可重构制造系统( 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 s ) 融合了制造系统中存在的生产率和柔性之间的矛盾，是一种能准确地提供所 需的生产能力和生产功能的制造系统。在加快新产品上市速度的同时，利用系统 的可重构性实现系统的柔性，尽可能降低系统的冗余生产能力和生产功能，减少 制造商的投资风险。 随着现代制造系统的发展，各制造模式之间出现了一些相互融合的特点：它 们都开始注重发挥人的创新作用；从企业利益驱动转向用户和社会利益驱动，以 追求用户满意为目标；加强了对企业的管理工作，使管理更人性化和科学化；注 重对资源和环境的考虑，每一环节都尽量对资源有效利用、回收和再利用，采取 措施使制造系统对环境的影响降到最低；对产品质量提出了更高的要求，并想办 法满足客户的需求。 1 2 2 制造系统的可重构性 制造系统具有可重构能力是其生存和发展的基本手段，具有较高可重构性的 公司在风云突变的环境中将远远超过其竞争对手。为了对市场扰动作出反应，制 造系统必须有能够动态地改变其构形( 重构) 的能力。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。制造系统的可重构性是指一种可以按照规划 和设计规定的变化，利用子系统、模块或构件的重排、更替、剪裁和革新等手段 对系统进行重新构形、更新过程、变化功能或改变系统的输出量以快速响应市场 变化的能力【1 1 1 。主要表现在以下的方面 1 2 1 。 ( 1 ) 产品的可重构性 产品可重构要求产品在设计初期必须考虑产品从设计、加工制造到营销、使 用，直至产品回收处理循环利用的全生命周期全面影响因素。要求产品在每个阶 段都具有重构性能。 ( 2 ) 组织的可重构性 组织的可重构能力可以表现为企业内部的合作能力以及企业间的合作能力。 组织的可重构性支持企业间的重构和企业内部的重构。企业间的组织重构可以分 为两种类型：一类是宏观意义上的企业集团和资产的重组与合并，以及在经营状 况极度恶化时的企业的解体( 破产) ；这种宏观的组织重构具有静态性和永久性； 4 硕十学何沦文 另一类是组织单元的动态和临时性组合。因此组织重构可以支持地理上分散的企 业，建立面向任务的虚拟企业以及供应网络。 ( 3 ) 业务过程的可重构性 业务过程的可重构性打破了传统递阶组织结构的限制，允许雇员将其工作的 上游及下游的活动联系起来，使具有不同层次人可以充分地交流思想，从而使制 造系统更加面向业务流过程。可重构制造系统的运作可以根据不同的业务类型划 分为若干个业务过程，各个业务过程重构通常以进化的方式来实现连续的、积累 性的改善，可以减少冲突，使业务流程更加顺利，业务流程的重构有时需要通过 革命性的变革方式来实现。 ( 4 ) 车间加工系统的可重构性 车间制造系统的重构性表现为各种设施及设备面向不同的任务可以快速的 完成机床、夹具工装和物流等设备重构，生产系统布局的快速重构以及各种控制 系统的重构。 ( 5 ) 信息平台的可重构性 个生产系统在某种意义上可以认为是各种信息处理系统的集合，企业内部 和企业间组织重构要求相关处理单元有足够的通讯交流和信息共享功能，产品设 计也同样需要大量的信息交流和处理，因此信息平台的可重构性应该允许各应用 模块系统在信息系统中可以方便的实现“即插即用 。 1 3 可重构制造系统及其国内外研究现状 1 3 1 可重构制造系统的产生背景、定义和特征 1 3 1 1 可重构制造系统产生背景及定义 全球竞争的日益激烈和制造技术的快速发展给制造业带来了机遇和挑战，如 何迅速准确地响应复杂变化的市场需求，成为决定一个企业是否具备核心竞争力 的重要因素。制造企业为了降低生产成本和获取更多的经济利益，曾把具有生产 批量大、产品功能固定、产品成本和价格低等特点的大批量生产作为主导生产模 式。随着科学技术的不断进步、产品供应市场的日益国际化和消费需求的日趋个 性化、多样化，一种由客户订单驱动、以小批量、多品种、多功能、快速交货和 短的产品市场寿命等为特征的顾客化大生产( m a s sc u s t o m i z e dm a n u f a c t u r i n g ， 也称大批量定制生产) 模式便应运而生。传统制造系统不能适应这一形势的发展 要求，需要发展一种能够通过产品结构调整和制造系统快速重构，将定制产品的 生产问题全部或部分地转化为批量生产的新型制造系统【l3 1 。在这种背景下，制 造系统的快速重构成为不可避免的主流革新方向。为此，在9 0 年代中期，国外 一些学者提出了一种新型的制造系统一可重构制造系统( r e c o n f i g u r a b l e 可霞构制造系统f f 勺关键技术研究 m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，简称r m s ) 。 目前，学术界和工业界对可重构制造系统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。 1 9 9 9 年，美国密歇根大学k o r e ny 教授在国际生产工程研究学会( c i r p ) 年会 上首次提出r m s 的定义。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和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统【l4 1 。其特点是：将加工对象 限定在按成组分类的一个零件族内。强调重构是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( r e c o n f i g u r a b l em a c h i n et o o l s ，简称r m t ) 的基础上进行重构。 2 0 0 0 年，清华大学的盛伯浩、罗振壁等在k o r e ny 的定义基础上，提出了r m s 的新定义。将可重构制造系统定义为一种能够遵循市场需求变化和系统规划与设 计的规定，以重排( 重新组态) 、重复利用和更新系统组态或予系统的方式，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、制造功能和制造生产能力的可变制造系统【”】。其特点是：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( 工艺) 、生产功 能和生产能力的变化驱动的。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。 1 3 1 2 可重构制造系统的特征 尽管学术界和工业界对可重构制造系统没有明确的定义，可重构制造系统作 为新型的制造系统具有以下一些主要特征【1 3 】： ( 1 ) 可重构性( r e c o n f i g u r a b i l i t y ) 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集发生变化时，按照变化了的生产要求准确、经济性地 由一种构形向另一种构形转换的能力。 ( 2 ) 模块化( m o d u l a r i t y ) 指r m s 的主要构件( 如结构化元件、主轴、控制器、 软件和组合夹具、刀具等是模块化的。 ( 3 ) 可集成性( i n t e g r a b i l i t y ) 指r m s 中的设备和控制模块等构件具有与其他 构件进行集成的接口以及易于新技术引入的性能。 ( 4 ) 可定制性( c u s t o m i z a t i o n ) 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 构建系统；控制定制者指基于开放性结构技术，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( r e u s a b i l i t y ) 指在满足相同生产需求的前提下，用对已有的 系统进行重构的方式构建制造系统的成本要低于首次构建的方式构建制造系统 6 硕十：伊论文 蔓曼! 曼曼曼! 曼! ! ! ! ! 罡曼曼! 曼曼笪! ! ! 曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼! ! ! 曼曼i i 一_ i i：一一一一：_ i 的成本的性能。 ( 6 ) 可转换性( c o n v e r t i b i l i t y ) 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，如更换工艺装备和c n c 程序及进行其他必要的手工操作。 ( 7 ) 可诊断性( d i a g n o s a b i l i t y ) 指对r m s 重构后的产品加工质量和可靠性( 故 障产生的原因) 等进行辨识和探测的能力。 可重构制造系统的以上这些特征决定了重构制造系统的难易程度和成本高 低，具备这些主要特征的制造系统具有较高的可重构性。从经济效益的角度来看， 可重构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，可重构制造系统本身 应具备可重构性，系统模块化，可集成性等主要特征。其中，可重构性强调一种 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、可集成性正是可重构性的基础和关键。在 可重构性、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构制造系统， 一系列相关的使能技术亟待研究。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。 1 。3 2 可重构制造系统的组成 可重构制造系统由可重构控制系统、可重构加工系统以及可重构物流系统三 个子系统组成【1 6 】，这些子系统有机结合，构成r m s 的物料流、能量流和信息流。 具有可重构性的子系统、构件是可重构制造系统的重要组成部分，如图1 2 所示。 可重构控制系统用于迅速响应系统内外部的变化，及时调整系统的物理组成 及运行状态，以保证加工系统中不同加工设备、同一加工设备的不同工装、加工 系统与物流系统之间自动协调的工作。它基于准确、实时的生产信息以及准确的 信息流规划。 可重构加工系统在可重构控制系统的指导下，根据不同的订单，转换为可完 成新任务的可重构执行系统，加工系统通过控制系统的信息与物流系统相关联。 可重构物流系统与加工系统的组态、运行直接相关，主要用于建立加工设 备间的联系，其能否高效、合理地工作，一定程度上决定着整个可重构制造系统 的生产效益。 可币构制造系统的关键技术研究 可重构制造系统( r m s ) 可重构控制系统 过程控制il 过程调度l i 过程监控i 嚣 可重构加工系统 八 可重构加工设备ii 普通加工设备l 辅助设备ii 检测设备ll 清洗设备i 嚣 可重构物流系统 存储系统il 输送系统i l 操作系统i 工件流fi 刀具流i i 配套流i 图1 2r m s 的结构和组成 1 3 3 可重构制造系统的关键技术 为实现制造系统按照市场导向快速地重构这一目标需要进行大量的工作。特 别需要对一些关键的使能技术进行深入的研究与探讨，这些关键技术的发展与成 熟一方面将有助于可重构制造系统的实施，同时也有利于带动其它相关学科的发 展。 可重构制造系统具有高度的复杂性，它不仅涉及到工件、机床、物流、控制 以及工艺规划等基本数据的管理，而且要进行定制生产计划的混流分批、系统规 划、生产线建模、生产资料的重构和重构后系统性能的评价等复杂工作，同时还 必须按照加工资源与优化目标进行计划调度，并将生产任务传递到控制器，从而 完成对控制和管理系统、加工系统、物流系统的控制。故可重构制造系统的关键 技术可归为：系统建模技术、布局规划与优化技术、可重构机床设计技术、车间 作业调度技术、模块化控制器设计技术、可拼接物流技术、构件集成和整合技术、 系统快速可诊断技术【1 6 】。 ( 1 ) 系统的建模技术 由于r m s 各要素随时间而变化的特征使得系统的生产调度与控制更加困 难，为此必须建立全生命周期的、能够反映其内涵的动态随机模型，通过建模， 对工艺装备和生命周期成本以及系统投入等因素进行研究，确定出r m s 布局规 划与优化模型、物流系统优化设计模型和生产控制调度决策模型等。r m s 的建 模方法也是离散事件动态系统的建模方法，即用一定的方法建立能够本质和精确 地揭示r m z 内涵的动态随机模型，并描述r m s 性能和要素之间的关系。 ( 2 ) 布局规划与优化技术 硕f4 学伊沦文 r m s 的布局规划和优化技术町以根据彳i 同的要求，对设备布局提供最佳配 置，并能实现在可变目标下的优化算法。它是r m s 的一个重要研究内容，布局 规划设计的优劣将直接影响到制造系统的运行结果。为了在最大限度地利用企业 资源的同时，满足客户的不确定性要求，可重构制造系统的布局必须具有柔性强、 重构加工质量费用小、便于进行生产管理和质量控制的特点。 ( 3 ) 可重构机床设计技术 为了实现制造系统的可重构性，可重构制造系统必须采用能根据市场变化快 速转换机床模块的可重构机床。可重构机床设计除了要考虑普通机床设计中的动 力、精度等要求外，更需要考虑如何重构才能适应零件族中零件的现有差异和未 来变化。为了满足上述要求，机床的各个模块及其接口必须做到模块化和开放式。 ( 4 ) 车间作业调度技术 可重构制造系统的生产调度问题是在一定的约束条件下，在满足系统并发、 共享资源和可选加工路径等特点之外，不仅要解决批量及相应加工排序问题，而 且要解决如何对资源进行快速重构，力求获得高的成本经济和设备利用率。与其 他制造系统不同，r m s 的调度模型及其算法要充分利用制造系统的可快速重构 这一新的特征。 ( 5 ) 模块化控制器设计技术 考虑到可重构制造系统的特点和要求，其控制器应具有开放式的体系结构和 动态重构能力，具有