（机械制造及其自动化专业论文）多零件族变批量可重构制造系统组态与组态路径设计.pdf

卜 0 ， f 0 摘要 摘要 可重构制造系统( r m s ) 是面向多零件变批量设计的既具有定制的柔性又具有高生产率 的制造系统。可重构制造系统的组态与组态路径设计是其设计中的核心内容之一本文结合 国家8 6 3 项目。可重构制造系统技术”( 编号：2 0 0 1 a a 4 1 2 1 6 0 ) ，运用图论、排队论与概率 论等数学方法，对不同生产环境下r m s 的组态与组态路径设计展开研究。 第一章，阐述了可重构制造系统产生的历史与技术背景，阐明了可重构制造系统设计的 研究内容，论述了可重构制造系统设计研究的国内外现状，给出了本论文的研究目标，研究 内容与总体结构。 第二章。阐述了面向多零件族变批量的可重构制造系统组态与组态路径设计的基本内 容、设计过程、设计方法及相关的理论与算法；给出了可重构制造系统的基本结构与组态问 重构方法及重构成本计算等设计条件；阐述了可重构制造系统设计中多零件工序成族的原 则，方法与步骤；给出了可重构制造系统组态与组态路径设计中的三大关键技术。最后，给 出了与本论文相关的图论、排队论的基本内容、算法与各种建模方法。 第三章，研究了多零件族确定性批量环境下砌俗的组态与组态路径设计。首先建立跳s 的各生产周期成本模型、重构成本模型与全生产周期成本模型，再构建各生产周期的组态有 向图，利用双向扫视算法求得r 峪在各生产周期的成本k - 优组态。根据各生产周期的零件 批量，求出各生产周期的常规生产周期时问长度，分析r m s 中各工作站的机床成本冗余，调 整常规生产周期，得到多组偏差生产周期。分别求出r 螨在各种生产周期下所有生产排序的 k _ 优组态路径。比较这些组态路径，求得一条最优与多条次优组态路径，从而确定r 鹇加工 各生产周期的时间长度、生产顺序及其所用的组态。最后用实例验证了所提出的方法。 第四章，研究了单零件族随机需求环境下删s 的组态与组态路径设计。构建了r 船的捧 队模型与状态概率转移图，建立了平稳条件下系统的概率转移方程。以系统生产能力与仓储 容量为设计参数，给出了r m s 利润模型，同时给出了r i i s 与f m s 的性能评价指标并对两种系 统的性能作了比较。提出了单零件族随机需求条件下r 峪组态与组态路径的设计方法。最后 用实例验证了所提出的方法的可行性。 第五章，研究了双零件族随机需求环境下r m s 组态与重构策略设计方法。基于概率论、 排队论，图论与更新理论的方法，构建了双零件族随机市场需求环境下r m s 长期稳态运行 时使单位时间内系统平均利润最大化的可重构生产与控制模型，通过优化得到了r m s 的最优 生产能力与最佳开机数量，从而构建r l i s 生产各零件族的组态有向图与一个循环周期的组态 路径有向图，用双向扫视算法求得生产各零件族的最优组态。提出了双零件族随机需求条件 下r 惦的组态与重构策略的迭代设计方法，给出了r 粥的订单接受率与切换周期等性能指标。 最后用实例验证了所提出的方法的可行性。 第六章，结合企业实际情况，开发了r m s 组态与组态路径设计的原型系统，给出了系 统的基本组成和主要功能模块。对一组实例进行了设计验证工作。 第七章，对本论文的研究工作和成果进行总结，并对本研究领域的今后工作做了进一步 的展望。 浙江大学博士学位论文多零件族变批量可重构制造系统组态与组态路径设计 关键词： 可重构制造系统组态组态路径重构成本工序聚类工位操作生产周期常规生产周期偏差生 产周期全生产周期生产能力冗余成本图论排队论取零件族随机需求d i j k s t r a 算法双向 扫视算法 i i c t n n # n gd e m a n do rs t o c h a s t i cd e m a n do fr m sa s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h et h e s i sa i m st oc r e a t et h e o r e t i c a lb a s i sf o r p a r t i c u l a rd e s i g na n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho f r m s a s w e l la s t op r o v i d et h e o r e t i c a la n dm e t h o d o l o g i c a lg u i d a n c ef o ri m p l e m e n t i n gr m ss u c c e s s f u l l y 1 i lc h a p t e r1 h i s t o r i c a la n dt e c h n i q u eb a c k g r o u n db r i n g i n gr m sa r ei n t r o d u c e d r e s e a r c h c o n t e l l l so fr m sd e s i g na r ci l l u s t r a t e d s t a t e - o f - t h e - a r ti nr m sr e s e a r c hi ss u m m a r i z e d t h e r e s e a r c hm l l i i i 舀p r i m m yc o n t e n t s , o b j e c t sa n dg e n e r a ls t r u c t u r eo f t h et h e s i sa r _ 巳g i v e n h lc h a p t 盯2 ，t h em e t h o d o l o g i e sa n db a s i ct h e o r yo f r m sd e s i g na r cd i s c u s s e d t h ee s s e n c e c o n c e p ta n di d e a so f r m sc o n f i g u r a t i o n sa n dc o n f i g u r a t i o np a t h sd e s i g nu n d e rm u l t i p r o d u c t sa n d c h a n g i n gd e m a n da r cp r e s e n w d t h eb a s i cc o n t e n t s , d e s i g np r o c e s sa n dm e s , c o r r e l a t i v et h e o r y a n da l g o r i t h mo fr m sc o n f i g u r a t i o n sa n dc o n f i g u r a t i o np a t h sd e s i g n 勰i l l u s m a m d r m s c o n f i g u r a t i o ns t r u c t u r ea n dr e c o n f i g u r a t i o nw a y sb e n v 咖r m sc o n f i g u r a t i o n sa n dc a l c u l a t i n gt h e r e c o n f i g u r a t i o nc o s ta r eg i v 饥t h ep r i n c i p l e ，a p p r o a c ha n ds t e po fo p e r a t i o nc l u s t e r i n gi np a r t f a m i l ya g ei n t r o d u c e d t h r e ek e yd e s i g nt e c h n o l o g i e so fr m sc o n f i g u r a t i o n sa n dc o n f i g u r a t i o n p a t h sa 托p r e s e n t e d f i n a l l y , t h ee s s e n c ec o n t e n t s a l g o r i t h ma n dm o d e l i n gm e t h o d o l o g i e so f g r a p h t h e o r ya n dq u e u i n gt h e o r yt h a tu s e di nt h i st h e s i sa r eg i v e n i nc h a p t e r3 ，r m sc o n f i g u r a t i o n sa n dc o n f i g u r a t i o np a t h sd e s i g nu n d e rm u l t i - p r o d u c t f a m i l i e sa n da n - s t o c h a s t i cc h a n g i n gd e m a n da r cr e s e a r c h e d f i r s t , t h ec o s tm o d e l sf o re v e r y p r o d u c t i o np e r i o do fr _ m s t h er e c o n f i g u r a t i o nc o s tm o d e l sa n dt h el i f e t i m ec o s tm o d e io fr m s s e c o n d , t h ed i r e c t e dg r a p h so f c o n f i g u r a t i o n so f r m s a te v e r yp r o d u c t i o np e r i o da r eb u i l t f i n a l l y , b a s e do nt h ed i r e c t e dg r a p h , t h eg - o p t i n l a lc o s tc o n f i g u r a t i o n so f r m s 砒e v e r yp r o d u c t i o np e r i o d a r c f o u n d b y u s i n g d o u b l es w e e p a l g o r i t h m a c c o r d i n g t o 吐埒d e m a n d v o l u m eo f e a c h m e m b e r o f p a r tf a m i l i e s , t h ec e n t r a lp r o d u c t i o np e r i o do fe a c hm e m b e ri sd e c i d e d a n a l y z i n gt h eu n a b l e m a c h i n i n gc a p a c i t yo f t h e s t a t i o ni na nr m s ，t h en o n - c e n t r a lp r o d u c t i o np e r i o do f e a c hm e m b e ri s f o u n db ya d j u s t i n gt h ec e n t r a lp r o d u c t i o np e r i o d u n d e rd i f f e r e n ts e q u e n c eo f e a c hm e m b e ri np a r t f a m i l i e s , b a s e do l lt h ec e n t r a la n do n - - c e l 恤ip r o d u c t i o np 硝o d , t h ek - o p t i m a lc o s tc o n f i g u r a t i o n p a t h sa r cf o u n d ，r e s p e c t i v e l y c o m p a r i n gt h ef o u n dk - o p t i m a lc o s tc o n f i g u r a t i o np a t h sa b o v e , t h e o p t i m a la n ds u b - o p t i m a lc o n f i g u r a t i o np a t h sa c r o s st h ep r o d u c t i o np e r i o o sa r ef i g u r e do u t ac a s e s t u d yi l l u s t r a t e st h ed e v e l o p e dm e t h o di sv a l i d i nc h a p t e r4 r m sc o n f i g u r a t i o n sa n dc o n f i g u r a t i o np a t h sd e s i g nf o rs i n g l ep r o d u c tf a m i l y u n d e rs t o c h a s t i cd e m a n da r er e s e a r c h e d t h eq u e u i n gm o d e la n dt h es t a t ep r o b a b i l i t yt r a n s i t i o n m 塑堡奎兰堕圭兰堡丝塞 兰墨竺塑壅丝墨里里塑型壅墨竺塑查皇丝查堕堡堡生 g r a p ho fr m sa l eg i v e mt h ep r o b a b i l i t yb a l a n c ee q u a t i o n su n d e rs t a t i o n a r yc o n d i t i o na r e c o n s t r u c t e d u s m gc a p a c i t ya n ds t o r a g ev o l u m eo fr m s 私p a t a n l e t e r s t h ep r o f i tm o d e l so ft h e r a m sa n df m smc o n s 廿u e t e x l p e r f o r m a n c em c r r ei n d e x e so fr m sa n dc o n v e n t i o n a l m a n u f a c t u r i n gs y s t e ma r ep r e s e n t e d t h ep e r f o r m a n c e sb e t w e r m sa n df m sa mc o m p a r e d t h eo p t i m a lc a p a c i t ya n ds t o r a g ev o l u m e sa g ef o u n db ys o l v i n gt h ep r o f i tm o d e l s t h ei t e r a t i o n d 船i g nm e t h o d o l o g yo f r m s i sp r e s e n t e d f i n a l l y , ac a s es t u d yi l l u s t r a t e st h ed e v e l o p e dm e t l l o di s v a l i da n dt h ea d v a n t a g e so f r m sa s h o w n i nc h a p t e r5 ，r m sc o n f i g u r a t i o n sa n dc o n f i g u r a t i o np a t h sd i g nf o rd o u b l ep r o d u c tf a m i l i e s u n d e rs t o c h a s t i cd e m a n da r er e s e a r c h e d b a s e do np r o b a b i l i t yt h e o r y , q u e u i n gt h e o r y , g r a p ht h e o r y a n dr e n e w a lp r o c e s st h e o r y , t h em o d e l so f t h es t o c h a s t i cm a r k e td e m a n da n dp r o d u c m gf o rd o u b l e p r o d u c tf a m i l i e sa l ec o n s u l | c t e c lt h eq u e u i n gc o n t r o l l e dm o d e lo fd o u b l ep r o d u c tf a m i l i e sf o r r m si s b u i l t u s i n gp r o d u c t i o nc a p a e i t ya n ds t o r a g ec a p a c i t yo ft h er m sa sp a r a m e t e r s , a c c o r d i n gt ot h er e c o n f i g u r a t i o nc o s t , d e p r e c i a t i o nc o s ta n ds t o r a g ec o s to f t h er m s 。u n d e rs t e a d y a n dl o n gt i m ep r o d u c t i o n , t h ep r o f i to p t i m i z a t i o nm o d e lf o ru n i tt i m ei se s t a b l i s h e d t h eo p t i m u m p r o d u c t i o nc a p a c i t ya n ds t o r a g ec a p a c i t yo ft h er m sa r eg a i u e db ys o l v i n gt h em o d e l b a s e do n t h eo p t i m u mp r o d u c t i o nc a p a c i t yo ft h er m sa c h i e v e da b o v e ，t h ed i r e c t e dg r a p h so ft h e c o n f i g u r a t i o np r o d u c i n ge a c hk i n do f p r o d u e tf a m i l ya n dt h ec o n f i g u r a t i o np a t hf o ro n ep r o d u c t i o n c y c l ea f ec o n s 廿u e t o db yu s i n gg r a p ht h e o r y t h eo p t i m i z a t i o nc o n f i g u r a t i o n sf o rt h ep r o d u c t i o no f e a c hk i n dp r o d u c tf a m i l ymf o u n db yu s i n gd o u b l es w e e pa l g o r i t h m t h ei t e r 砒i o nd 嚣i g n m e t h o d o l o g yo fr m sc o n f i g u r a t i o n sa n dc o n f i g u r a t i o np a t hf o rt h es t o c h a s t i cm a r k e td e m a n do f d o u b l ep r o d u c tf a m i l i e sa l ep r e s e n t e d t h ep e r f o r m a n c ei n d e x e so f t h er m s ，s u c h 目帮吻n c c r a t eo fd e m a n do r d e ra n ds w i s hc y c l et i m ea g i v e n - f i n a l l y , ac a s es t u d yi l l u s t r a t e st h e d e v e l o p e dm e t h o di sv a l i d i nt h ec h a p t e r6 ，c o m b i n e dw i t hp r o d u c t i o np r a c t i c eo fa p l a n t , t h es o f t w a r ep r o t o t y p eo f r m sc o n f i g u r a t i o n sa n dc o n f i g u r a t i o np a t h s d e s i g nf o rt h r e ek i n d so fm a r k e td e m a n d sm d e v e l o p e d t h ee s s e n t i a lb u i l d u pa n dm a i nf u n c t i o nb l o c ko f t h es o f t w a r ep r o m t y p e sa g eg i v e n t h ed e v e l o p e ds o f t w a r ei su t i l i z e df o rt h ed e s i g no f r m s c o n f i g u r a t i o n sa n dc o n f i g u r a t i o np a t h s o f t h es e l e c t e dd e m a n d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ed e v e l o p e dm e t h o d o l o g i e sa n ds o f t w a r e p i d t o t y p e a mv a j i d i nt h ec h a p t e r7 ，a l lw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da n dt h ef u t u r er e s e a r c ha b o u tt h e v a r e ao f r m s c o n f i g u r a t i o n sa n dc o n f i g u r a t i o np a t h sd e s i g ni sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ： r e c o n i 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 , c o n f i g u r a t i o n s ，c o n f i g u r a t i o np a t h s , r e c o n f i g u r a t i o n c o s t , o p e r a t i o nc l u s t e r i n g , s e t u p , p r o d u c t i o np e r i o d , c e n n a lp r o d u c t i o np e r i o d , n o n - c e n t r a l p r o d u c t i o np 嘶o d , l i f ep r o d u c t i o np e r i o d , c a p a c i t y , u n a b l ec o s t , g r a p ht h e o o , q u e u i n gt h e o r y , d o u b l ep r o d u c t s ，s t o c h a s t i cd e m a n d , d i j k s t r a a l g o r i t h m , d o u b l es w e e p a l g o r i t h m i v 学号! q 2 q 8 q 1 2 独创性声明 木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及取得的研究成 粜。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鎏盘望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 示谢意。 学位论文作者_ 鍪名：谖谨孽签字日期。 冲占年，月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全- r 解逝垂盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盘 姿盘鲎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，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位沦文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 梭老罂 导师签名 荔一碉 签字日期：帅0 年3 月fo 日签宁日期：妒6 年；月d 日 学位论文作者毕业后去向：中国计量学院 ：f 作单位：中国计量学院机电工程分院 通讯地址：中国计量学院机电分院 电话：8 6 9 1 4 5 9 5 邮编：3 1 0 0 1 8 第一章 绪论 第一章绪论 摘要：制造韭是国民经济的基础，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穗定有着独特而不可替代的作用本章回顾了制造系统的发展历 程，阐明了可重构翻造系统设计的研究内容，论述了可室构制造系统设计研究的国内外现状曩 后给出了本论文的研究目标、研究内容与论文的总体结构 1 1 引言 制造业是国民经济的基础，制造系统是制造业的根本无论一个国家还是一个企业，要 想自己的产品在市场竞争中立于不败之地，首先要使生产该产品的制造装备处于领先地位， 所拥有的制造系统必须具有快速提供高质量、低成本产品的能力i ”1 制造业从主体上来说属于传统产业，但无论从技术角度、经济角度还是历史角度，制造 业都是极为重要的，是国民经济的支柱产业，国家竞争力的根本。纵观世界发达国家的发 展历程，其信息化和高新技术产业都是在传统制造业高度发达的基础上发展起来的。没有制 造业作为基础，信息化和高新技术将成为无源之水，无本之木。经济学家张五常说：“大国 的经济发展，重点永远是制造业水l 。在世界的整个工业化进程中，制造业始终都处于核心 和基础地位”j 工业化国家中，5 0 0 , 6 以上的社会财富来源于制造业，大约有1 4 的人口从事各种形式 的制造活动，在非制造业部门中，约半数人的工作与制造业密切相关唧在我国，制造 业占g d p 的比重达1 ，3 以上，占工业总产值的7 0 0 , 6 以上，比整个第三产业还要略高一点， 在出口贸易中，制成品已占近9 0 。制造业已成为我国最大的产业，在世界上名列第四。 我国目前正处于工业化的中期，经济增长主要还是依靠工业，工业增加值不仅占g d p 的4 0 0 , 6 以上，并且每年增长速度比g d p 增长快2 3 个百分点因此制造业仍是今后相当长一段时 期内经济增长的主要支柱州。 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 年美国工程乖4 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棚在预测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口l 。由美国麻省理工学院著名专家教 授集体撰写的美国制造业的衰退及对策一夺回生产优势一书中写道：- - 个国家要想生 活好，必须生产好删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。 设备制造业本身在g d p 中所占的份额并不高，但设备制造业影响制造业的整体水平与 国际竞争能力，进而影响国民经济的发展。没有先进的设备制造业，就不可能在该行业达到 浙江大学博士学位论文 多零件族变批量可重构制造系统组态与组态路径设计 国际领先水平。我国是制造业大国，但制造业水平并不高，在国际市场上竞争力也不强，其 根本原因就在于我国的设备制造业没有达到国际领先水平在许多高、精设备的制造上我国 要落后国际先进水平几年至几十年，我国的数控机床制造业在国内的占有份额在逐年减少 2 0 0 4 年数控机床的进口数量同比年增长3 0 ，而进口消费额的增长却达5 2 ，国产数控机 床在国内市场消费额中的所占比例已不足3 0 。之所以出现这一现象。其主要原因在于国 内市场对技术和附加值高的高效、精密和高性能大型、重型数控机床的需求增长，需要依靠 进口解决i l q 。科技部部长徐冠华2 0 0 4 年9 月在“第三届中国科学家论坛”上指出，我国对外 技术依存度高达百分之五十，百分之六十以上的装备依靠进口满足，高科技含量的关键装备 基本上依赖进口i i i j 。 2 0 世纪初，享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 m r i n g s y s t e m s - - d m s ) 的概念1 1 2 1 ，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 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 em 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， 具有很大的柔性，可以在不改变制造系统组态的条件下，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 t 3 1 。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、生产率低，一次性投资规模大等缺陷【1 4 1 5 。为综合f m s 与 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( t h eu n i v e r s i t y o fm i c h i g a n ) 可重构制造工程研究中心( e n g i n e e r i n gr e s e a r c hc e n t e rf o rr e e 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 ) 为茸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( n s f ，n a t i o n a l s c i e n c e f o u n d a t i o n ) 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1 1 6 - 2 1 | 1 2 制造系统的发展与演变 2 0 世纪2 0 年代初，h f o r d 利用传送线把机器连接成大量生产的自动化流水线，开创 了大量流水生产方式，并逐渐成为制造业的主导生产模式由于该制造模式具有低成本、高 效率的优越性，至今仍被大量应用于制造业之中田j 从2 0 世纪2 0 年代至今，制造系统已 经出现了机群式制造系统、刚性制造系统( 又称专用制造系统) d m l t t l 和柔性制造系统 f m s f m c f m l 三类制造系统。 随着用户个性化需求的增加，产品的更新换代速度越来越快。中小批量的生产逐渐成为 主导生产模式，d m s 单一品种的生产模式已经越来越不能适应市场要求。制造商为了满足 不断变化的市场需求，不得不花费大量的人力、财力进行制造系统的改进，有时甚至重建与 改造的速度还赶不上产品需求的变化，增加了制造商的投资风险。自2 0 世纪6 0 年代起，随着 电子技术、计算机技术的发展，以数控机床为基础的柔性制造系统在汽车、飞机等一些行业 中得到应用和发展。实践结果表明，柔性制造系统适用于多品种、变批量产品的生产。f m s 2 t 第一章 绪论 由高性能的加工中心或数控机床构成，具有很大的柔性，但f m s 的柔性是利用生产功能的大 量冗余实现的，设备造价昂贵，从而阻碍了它的进一步推广应用。根据德国斯图加特大学 l s c h u l z 教授的调查统计表明，在美国、欧洲和亚洲2 2 国3 7 0 卟 厂家中，有近8 0 的加工中心 只利用了它们功能的2 0 ，造成了大量的资金浪费田, 3 3 1 。因此现在的制造企业都采用f m s 与 d m s 联合的形式进行生产，以满足市场需求口l 。 从8 0 年代开始，随着国际市场竞争的加剧、计算机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口5 问，朱剑英鲫 根据国际生产工程学会( c i r p ) 近l o 年来发表的论著归纳出3 4 种现代$ h j f f t 系统的模式 其中较有代表性的有： 计算机集成制造系统( c 1 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 gs 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。 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。其目的在于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。 并行工程作为一种经营哲理和工作模式，它注重人的作用，强调管理体制。 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。 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，将废弃物减量化、资源化和无害化， 或将其消灭在生产过程中 可重构制造 融合了制造系统中存在的生产率与柔性之间的矛盾，是一种能准确地提供所需的生产能 力与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与生产功能，减少制造商的投资风险。 需要指出的是，所有这些制造模式分类不是绝对的，之间是互补关系，而不是替代关系， 只是其适应的市场需求环境与作用范围不同。在一定条件下，各种类型的制造模式之间有可 能出现相互融合的状态。 3 浙江大学博士学位论文 多零件族变批量可重构制造系统组态与组态路径设计 1 3 可重构制造系统的产生及其意义 自2 0 世纪8 0 年代后期以来，世界制造业陷入以下几个方面的困境：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4 6 个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；产品的市场寿命周期迅速缩短。在以上因素的综合作用下。迫使企业更快、 更多地推出新产品，改变单一或少数品种大批量生产的方式；寻找与利用新理论、新技术与 新工具，以迅速缩短产品的开发周期与商务运作周期。在这种趋势下，制造系统的快速重构 成为不可避免的主流革新改进方向【1 瑚。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( a m s ) ，并开展对这一类制造系统的研究闭。 美国密西根大学的k o r e n ，y 激授将r m s 定义为这样一种制造系统：它在一开始时就被 设计成能够在结构、软件，硬件方面进行快速改变，以便迅速地调节生产功能和生产能力， 对突发的市场变化和( 产品) 要求的改变作出反应【1 q 可重构制造系统的核心是一系列按 工艺要求选配的加工设备连接而成的加工单元，系统中配置的加工设备的类型和数量可按工 艺优化的原则进行重构，其重构过程由市场需求驱动。国内学者将可重构制造系统定义为： 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进行重新组态，更新过程、变换功能或改变系统输出( 产出) 量，迅速 响应市场变化的新型可变制造系统口”。它使企业灵捷化，易于获取新系统、新产品、新制 造过程、新制造功能或新的制造生产能力。r m s 综合t d m s 和f m s 二者的优点，又克服了 它们的不足之处： ( 1 ) r m s 通过重构来实现系统定制的柔性，能够在需要的时候面向市场需求进行重构，以准 确地提供所需耍的制造功能，不存在功能冗余。设备造价低，可靠性好。 ( 2 ) r m s 可以根据产品质量与批量采用最适用的工艺和高效的加工方式，如多刀作业、复 合加工等，具有很高的生产率，可以根据市场需求曼的变化通过重构来随时调节其生 产能力，不存在生产能力的大量冗余。 综上所述，可重构制造系统是一种以市场和产品为驱动，具有组态( c o n f i g u r a t i o n ) 可 变能力的先进制造系统，和传统的制造系统相比，它具有更大的创造性，是全球化市场经济 发展的产物，它对增强企业竞争力，实现企业的跨越式发展有着重要意义。为应对未来制造 的挑战，美国国家研究委员会( n r c ) 在1 9 9 8 年公布的对未来制造挑战的十个应该优先攻关 的制造技术中，将可重构制造系统列为第一项关键技术嗍。 1 4 可重构制造系统的特征 与d m s 、f m s 相比。r m s 具有以下不同，首先其柔性是依靠系统更换机床- y a - 与机床模 块，不断重构而实现的，不存在大量的生产能力与功能冗余。其二，r m s 的重构成本可能 较高，但系统中使用的机床及机床模块是定制的，比f m s 中使用的机床便宜，因i i r a 4 s 的 总体成本比f m s 低。其三，由于r m s 具有生产能力的可缩放性与生产功能的可转换性，系 4 ， 第一章绪论 统的投资不需要一步到位，将来所需的生产能力与生产功能可以延迟到系统真正需要时再投 入，从而有效地降低了制造商的投资风险。其四，r m s 具有快速构建、重构与斜升的能力， 可以对市场需求变化作出快速反应。因此r m s 具有以下特征| ”- 3 4 1 ： 可以采用多轴多刀作业方式，具有与d m s 相当的生产效率： 使用模块化( 包括软件与硬件) 机床或可移动机床。能快速地设计与建造新的制造装备 以准确地提供所需的生产能力与生产功能； 能通过重构快速准确地提供新的生产功能与生产能力以生产新的产品，在同一零件族 内实现与f m s 相仿的柔性； 能容易地与新的生产技术集成，使系统的生产功能得到提升 设计r m s 的目的之一是为克服d m s 与f m s 的大量的生产能力与生产功能冗余。要求 r m s 在各零件族内具有柔性，其生产能力按市场实际需求设计。随着市场需求的变化，系 统按市场需求进行生产功能与生产能力的重构，r m s 的这两种能力分别定义为可转换性与 可缩放性，相应的重构过程定义为功能性重构与缩放性重构( 或生产能力重构) 。因此r m s 可简单定义为；r m s 是在市场需要时能准确快速地提供所需的生产能力和生产功能，并能 充分利用现有制造资源的制造系统f 1 2 2 1 。r m s 具有以下功能与特点： 1 模块性 包含两个方面的内容，一是指构成r m s 的可重构机床的主要软硬件是模块化的。如机 床的主轴、床身、进给箱等硬件与具有开放式结构的系统控制软件都是模块化的。系统可以 通过机床软硬件模块的替换、增减以改变或增减机床的生产能力与生产功能，从而改变整个 系统的生产能力与生产功能；二是