（机械工程专业论文）模块化制造关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 摘要 模块化制造是把模块化思想用于产品的制造过程，按照模块化原则将制造要 素分解成一些结构和功能相对独立的单元模块，然后按照产品的制造需求进行模 块的配置、组合与重构，通过构造一种可重构制造环境，使得制造系统能够快速 适应多品种、变批量产品制造的需要。本文对模块化制造中的工艺模块化重用、 制造系统重构和工装模块化设计等问题进行了深入的研究，主要研究内容与成果 包括： ( 1 ) 分析了模块化的主要过程，提出了模块化制造的总体思路，并引出了模块 化制造的关键技术。 ( 2 ) 将模块化思想引入到零件结构分析，基于特征模块，建立工艺模块化理念， 通过特征模块的相似性检索，实现工艺重用，提高了工艺设计师的工艺规划效率。 ( 3 ) 针对制造系统重构，通过建立设备重构的多目标规划模型，并引入模拟退 火算法进行仿真，结果表明，该过程能较好地支持设备优化选择。 ( 4 ) 把模块化思想应用于工装设计，引入f p b s 的设计建模与分解方法，通过功 能聚类，建立工装模块，采用基于物元描述的相似性匹配，实现工装快速配置。 ( 5 ) 为了更有效地应用研究成果，结合计算机技术，设计开发了模块化制造支 持系统，初步实现了系统的工程应用。 主题词：模块化制造工艺模块系统重构工装模块化 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t m o d u l a rm a n u f a c t u r i n gi sg e n e r a l l yd e s c r i b e da st h ep r o d u c t i o np r o c e s sd i r e c t e d b yt h em o d u l a rc o n c e p t s t h ec o m m o ns t e p so ft h em o d u l a rm a n u f a c t u r i n ga r ea s f o l l o w ：f i r s t l y ，t h em o d u l e sw h i c hc o n s i s t so fm a n u f a c t u r i n ge l e m e n t sa r ei d e n t i f i e d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l et h a te a c hm o d u l eh a sr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n ts t r u c t u r ea n d f u n c t i o n ；s e c o n d l y ，m o d u l e sa r er e a r r a n g e dt h r o u g hc o n f i g u r a t i o n ，c o m b i n a t i o na n d r e m o d e l i n gt om e e tt h es p e c i a lm a n u f a c t u r i n gr e q u i r e m e n t s t h u s ，t h er 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 mi sc o n s t r u c t e d ，w h i c hi ss u i t e df o rr a p i dr e s p o n s i b l ep r o d u c t i o no f v a r i e t i e sa n ds m a l lb a t c hm a n u f a c t u r i n g i nt h i sp a p e r , t h er e u s i n go fp r o c e s sm o d u l e ， r e c o n f i g u r a t i o no fm a n u f a c t u r i n ge l e m e n t sa n dd e s i g no f m o d u l a rt o o l i n ga r er e s e a r c h e d t h em a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t sa r el i s t e db e l o w ： ( 1 ) i na d d i t i o nt oa n a l y z i n gt h em a i np r o c e s so fm o d u l a r i z a t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e s t h eg e n e r a la r c h i t e c t u r ea n dt h ek e yt e c h n o l o g i e s ( 2 ) t h em o d u l a rt h i n k i n gi si n t r o d u c e dt op a r t sa n a l y s i s ，a n dt h ep r o c e d u r eo f p r o c e s sp l a n n i n gi se s t a b l i s h e db a s e do nt h ef e a t u r em o d u l e s t h ep l a n n i n gi sr e u s e d t h r o u g ht h es i m i l a r i t ys e a r c h e so ft h ef e a t u r em o d u l e s ，t h a ti m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo f p r o c e s sp l a n n i n g ( 3 ) t h em u l t i o b j e c t i v ep r o g r a m m i n gm o d e li sc o n s t r u c t e d ，a n dt h es i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h mi su s e dt os o l v et h ep r o b l e m ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dc a l l s u p p o r tt h es e l e c t i o no fe q u i p m e n t s ( 4 ) t h ei d e a so fm o d u l a rt h i n k i n ga n dt h em e t h o d so ff p b sa r ei n t r o d u c e dt ot h e p r o c e s so ft o o l i n gd e s i g n t h et o o l i n gm o d u l e sa r ei d e n t i f i e dt h r o u g hf u n c t i o n a l c l u s t e r i n g ，a n dr a p i dc o n f i g u r a t i o no ft o o l i n gi si m p l e m e n t e dt h r o u g ht h es i m i l a r i t y m a t c h i n go ft h em o d e l sd e s c r i b e db yt h em a t t e r - e l e m e n tt e c h n i q u e ( 5 ) t h ec o m p u t e ra i d e dm o d u l a rm a n u f a c t u r i n gs y s t e mw h i c hu s e st h ea b o v e t e c h n i q u e si sd e v e l o p e d t h ea c c i d e n c ea p p l i c a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h es y s t e mc a n b e u s e di nr e a le n g i n e e r i n gf i e l d s k e yw o r d s ：m o d u l a rm a n u f a c t u r i n g , p r o c e s sm o d u l e ，s y s t e mr e c o n f i g u r a t i o n ， m o d u l a rt o o l i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 表3 1 表3 2 表4 1 表4 2 表4 表4 表4 表4 表4 7 表4 8 表4 9 表4 1 0 表4 1 l 表4 1 2 表5 1 表5 2 表5 3 表目录 特征模块加工精度变化引起的工艺路线的变化1 8 钻床主轴机械加工工艺过程2 4 工序工序数量关系表3 2 设备可用时间关系表3 2 设备设备台时费用关系表3 2 工序设备数量关系表3 2 工序设备时间关系表3 2 零件数量表3 6 现有可选机床设备信息。3 6 零件工序种类及其在可选加工机床上的加工时间表3 6 迭代长度与目标函数值关系表3 7 冷却系数与目标函数值关系表3 7 起始温度与目标函数值关系表3 8 零件工序设备优化结果表3 8 模块化工装与一般工装区别4 2 定性属性水平值模糊分级量化表5 2 夹具模块配置矩阵5 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 11 图4 1 图4 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图 图 图 图 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图目录 论文组织结构6 模块组合过程10 模块化制造总体方案1 1 零件特征模块一特征组成关系1 4 快速工艺准备过程模型1 5 工艺模块拓展1 7 工艺模块纵向拓展一l8 工艺模块横向拓展1 9 工艺模块复合拓展2 0 钻床主轴2 1 花键加工工艺模块2 2 带键槽轴加工工艺模块2 2 两典型特征模块的工艺模块合并。2 3 两典型特征模块工艺融合。2 4 设备划分框架3l 目标函数优化曲线3 9 工装模块化设计过程4 2 夹具的运动功能模板4 3 面向功能的产品分解模型4 4 夹具功能映射分解模型4 5 夹具功能结构模型4 5 夹具模块划分4 6 工装模块系列化设计流程4 8 夹具配置与重构过程4 9 模块配置矩阵5 0 模块变换策略5 3 夹具模块族配置模型5 5 模块化制造支持软件体系结构一5 9 系统功能树6 0 工艺快速准备信息模型6 1 制造设备重构信息模型6 l 工装模块配置信息模型6 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 11 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图6 1 5 安全与访问控制信息模型6 2 技术实现示意图6 4 p r o e 文件自动入库流程6 4 文件入库伪代码6 5 特征模块管理6 6 工艺模块管理6 6 系统设备重构6 7 工装模块管理配置6 7 模块族管理6 8 文档管理6 8 第v i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 1 1 1 课题来源 第一章绪论 1 1 课题来源与选题背景 本课题来源于“十一五国家部委级项目嘲x x 单元化模块化设计与制 造技术。 1 1 2 选题背景 从近年来战争中可以看到，高技术局部战争成为当前战争的主要形式，高技 术武器装备在战争中发挥着越来越重要的作用。随着武器装备体系的不断扩大、 结构的日趋复杂，品种呈现多样化发展趋势，要求制造系统能快速响应装备的制 造需求，传统制造方法和手段已经不能满足这些要求。因此，在提高武器装备科 技含量和作战性能的同时，如何缩短武器装备的研制周期，提高制造质量并降低 其成本成为亟待解决的问题。 在武器装备的发展中，制造技术起着支撑作用。不管多么先进的设计思想， 最后都要经过制造这一环节才能成为实体，制造技术的发展水平高低将直接影响 着武器装备的制造周期与效果。为了快速响应不断变化的需求，世界各国对现代 制造模式展开了广泛深入的研究，认为先进的制造技术只有实施在相匹配的制造 模式中，才能最终转化为市场竞争力。因此，需要发展一种新的生产制造组织模 式以适应武器装备多样化的发展。 针对武器装备多品种、变批量、研产并重生产制造方式，迫切需要建立适应 的制造技术与系统。目前我国武器装备的生产、制造仍然主要按传统模式组织， 生产流程的组织管理、系统结构是刚性的、固定的，产品生产制造的速度达不到 快速响应需求。虽然从2 0 世纪6 0 年代后期发展起来的柔性制造系统能高效率地 制造多品种中小批量零件的加工，但过多地强调自动化、无人化程度，导致系统 复杂，控制和管理难度大，可靠性低，柔性制造系统由加工能力强大的设备组成， 功能冗余大，价格昂贵，且其柔性是在定范围内的，只能加工某一大类零件， 在需求变化较大时往往难以满足制造需求。 以模块化设计、控制和管理为特征的模块化制造技术在充分利用原有资源的 基础上，通过适当地调整和改变资源模块，快速形成适应新的制造环境的生产系 统，以应对需求的快速变化。模块化制造技术的发展将大幅度缩短武器装备生产 制造周期，降低制造成本，提高对战场需求的快速响应能力。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 1 2国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 模块化制造是一种先进制造思想，国内外从不同角度对模块化制造进行了研 究，主要包括以下几个与本文相关方面。 ( 1 ) 模块化制造 模块化制造的思想来源于人们长期的生产实践。在机床制造业，德国于1 9 3 0 年首先提出了“模块化构造 ( m o d u l a rc o n s t r u c t i o n ) 的设计方法。由于用这种方法 设计制造的机床具有很好的经济效益，因而采用“模块化构造在世界得到迅速 发展【l 】ot s u k u n e 等【2 】研究基于模块化理论的模块制造模型，将模块化制造系统与 虚拟制造联系起来，在虚拟环境下构造制造系统，在产品设计、制造装备设计和 制造系统设计均采用模块化设计方法，把产品和制造系统设计统一起来，使部件、 产品、制造设备，连同设计、操作活动都以模块为单位，以模块的组合来构造和 运行制造系统。r o g e r s 掣3 】针对模块化生产系统( m p s ) 的实现问题，首先建立模块 标准，然后建立有限的部件级的基本生产加工单元( 标准模块) ：架上单元、运动单 元、模块化刀具装卡单元以及可配置的控制系统，通过从模块目录中选取适当的 模块就能建立适应范围宽的自动化、集成化的生产系统。x i u - t i a ny a n 4 l 讨论了模 块化制造系统的连接和分布式配置，并描述了它们在混合应用中的仿真环境，以 说明该环境的能力，最后给出了某些系统使用的实例，说明系统可在实时生产中 应用。杨笑【5 】针对模块化企业模块化后所形成的组织模式，以核心能力理论为基础， 对复杂产品系统的特性剖析，把复杂产品系统适应模块化设计制造的模式归纳为 一体化的模块化制造模式、技术联盟的模块化制造模式、核心企业协调下的模块 化制造模式、集群化的模块化制造模式等四类模式，并对各制造模式的影响因素 进行了分析。盛伯洲6 】提出了快速可重构制造系统的基本构架，研究了快速可重构 制造系统的随机模型及其组态的优化方法，并研究了快速可重构制造系统的关键 使能技术，建立了规划与设计、快速集成、快速运行、快速装卸与重复利用四个 子系统。 ( 2 ) 工艺的快速制定 当前工艺快速制定主要有以下几种方式：一是基于实例推理的工艺制定。基 于实例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c a r ) 技术最先由美国耶鲁大学r o g e rs c h a n k 教授提出。c b r 核心思想是相似问题有相似的解决方案，利用已存在的实例或累 积的经验作为储存知识的基础，去解决新的问题。将c b r 技术应用到工艺规划中， 有助于解决专家系统知识难以获取和推理的脆弱性的“瓶颈，同时较人工神经 网络更易实现，从而使得设计、决策过程大大缩短【7 ，8 ，9 1 。刘晓冰等【l o l 针对混合型 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 行业提出了基于分层实例推理的混合型行业的工艺设计策略，研究了不同层次下 工艺实例的知识表达，实例库的组织结构等。吕民等【l l j 利用基于实例推理技术开 发了基于实例面向产品的工艺信息推理系统；李海刚等2 1 提出一种新的基于耦合 神经网络实例与知识的混合推理策略，采用面向对象的方法表达实例和知识，将 神经索引模型引入实例推理中，在此基础上实现了c a p p 的变异设计。二是基于 典型工艺的工艺制定。这种方法主要过程是首先形成适合自己企业的典型工艺库， 然后通过相似性匹配检索找到可重用工艺，实现工艺的快速制定。施振金等【1 3 l 在 模具制造过程中，把零件相似处提炼出来，结合企业多年积累的典型工艺经验， 采用典型工艺的设计方法，构建典型工艺库，再利用成组技术原理，将相似零件 的典型工艺进行检索，同时进行工艺设计研究，实现了相似零件典型工艺的自动 检索。刘书暖等【1 4 】提出了基于聚类分析法的典型工艺路线发现方法，建立了工艺 路线实例聚类的问题模型，针对工艺路线实例聚类的需求，设计了一种计算工序 间距离的方法，详细讨论了应用凝聚层次聚类方法的工艺路线聚类分析过程，给 出了确定聚类粒度的几种参考方法，最后通过方法的计算实例和结果表明该算法 能有效地实现工艺路线的聚类问题。三是基于成组技术的工艺制定。成组技术从 5 0 年代出现的成组加工，发展为6 0 年代的成组工艺，7 0 年代后，成组工艺与计 算机技术结合，发展为成组技术。当前成组工艺主要是以零件在几何形状、尺寸、 功能要素、精度、材料等方面的相似性为基础，形成工艺路线的相似，实现工艺 的快速制定。张国海【l5 l 系统地研究了大规模定制生产下工艺快速设计的方法，将 基于实例的推理方法和特征技术结合起来，利用已解决问题的答案解决新问题， 充分利用了企业的成熟资源，实现工艺的快速设计。 ( 3 ) 制造系统重构 当一个新的加工任务下达时，模块化制造系统需要迅速选择制造设备模块， 构成满足用户需求的制造系统。因此，制造设备的可重构是模块化制造的一个重 要研究内容。国内外学者对制造设备，尤其是机床的规划选择进行了研究，并提 出了一些评价模型。密执安大学工程研究中心在国家科学基金( n a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ，n s f ) 和2 5 家公司资助下，开展了重组制造系统( 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 ，r m s ) 项目的研究，主要针对缩短r m s 设计建造时间、可 重组机床与控制器的设计、系统重组后达到正常运行的过渡时间斜升时间三 方面进行【1 6 ，17 1 。盛伯浩等【1 8 】在我国国家自然科学基金委员会的资助下开展了快速 重组制造系统理论与方法的研究。在此基础上，文献f 1 9 】讨论了快速重组制造系统 的科学原理、理论和方法。蔡宗琰等【2 0 】提出了一种可重构模块化机床的概念设计 模型，并在原理上实现了该机床的各种可能重构方案。曹华军等【2 1 】建立了一种面 向绿色制造的机床设备选择目标分解参考体系，对机床设备选择问题进行了三级 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 分类和数学描述，针对具有代表性的零件单个特征的机床设备选择问题，建立了 多目标优化决策模型，并将灰色关联分析法和层次分析法相结合，应用于上述模 型的求解。刘忠等【2 2 】以零件加工的时间目标作为模型的优化目标，以机床的购买 成本作为约束，提出了f m s 机床选择模型，结合遗传算法快速高效的搜索特性， 对机床选择问题进行求解。 ( 4 ) 工装模块化设计 马强【2 3 】结合模块化技术进行飞机工装设计技术研究，研究飞机工装模块化设 计的过程及关键技术，飞机工装的设计族提取和模块提取技术，重用经验与知识， 基于设计族和模块实例推理技术实现飞机工装的快速设计。王巍等【2 4 】采用模块化 设计思想，综合分析框类零件的结构形式和连接特点，结合柔性工装装配技术， 设计一套某机型后机身三个框的通用工装，进行三维实体建模，实现工装的快速 定位和拆装，减少夹具和定位器的数量，验证工装模块化设计方案。通过工装的 模块化设计实现了工装的通用性要求，从而达到节约生产用地，降低制造成本， 缩短生产准备周期的基本要求。李宏亮等【2 5 】认为模块化集成夹具是一种新的机床 夹具，广泛应用于多品种、小批量生产，可以大大减少机床夹具的设计、制造时 间和费用，具有很好的柔性，有利于保证加工精度，降低生产成本，提高生产效 率。张广锋等【2 6 】从工装模块化设计的方法出发，对基于模块化思想的工装快速准 备进行了研究，提出了工装模块划分和编码的原则和方法，结合夹具模块编码实 例说明模块编码的体系结构，直观、形象而科学准确地对模块信息进行编码描述， 从而为建立模块化工装设计、制造和生产管理打下良好的基础，为最后选择合适 的工装准备方法提供了方向和思路。孙海涮2 7 】对漏斗类货车底架组对夹具进行了 分析，对夹具中相似的部分进行模块划分，形成几个相互独立的功能模块，最后 通过模块的组合满足不同的夹具需求，并在生产中取得了较好的效果。 综合上述国内外研究现状，可知从模块化制造被提出至今，各方面的研究工 作取得了一定的成果，分析前面列出的大量研究文献，得出以下结论： 模块化制造思想在制造中已有应用，不过这种应用更多的依靠经验，而不是 在模块化制造理论指导下进行的，具有一定的随意性。模块化制造更多的是一种 局部应用，没有形成系统化的模块化应用体系。 综上分析，当前模块化制造的研究存在如下不足： ( 1 ) 工艺知识重用程度不够。当前的工艺快速制定基于现有零部件整体工艺知 识的重用，这忽视了零部件部分工艺的相似，限制了工艺重用的范围。 ( 2 ) 制造系统重构更多停留在理论描述阶段，已有的相关建模主要从设备规划、 选择及生产调度角度出发，没有建立通用基于通用重构单元的重构模型。 ( 3 ) 工装准备效率低。工装准备做为生产准备的重要内容，对生产的进行及成 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 本有重要影响，而传统的工装准备周期长，不能满足工装需求的快速变化。 1 2 2 发展趋势 模块化制造技术随着研究的深入，逐渐涉及制造领域的各个环节，但是很多 关键技术还没有得到很好的解决，模块化制造体系尚未建立。通过考察国内外研 究的动态，总结得到模块化制造未来的发展趋势主要包括： ( 1 ) 向智能化方向发展。现代需求多变的制造环境要求制造系统具有一定的智 能性和自适应性，能够快速对市场进行自适应，响应需求。 ( 2 ) 与模块化产品设计思想相结合，在产品、制造设备及制造系统的设计中均 采用模块化方法，建立以模块化思想为指导，全面支持产品的模块化设计、模块 化制造以及模块化管理的综合制造模式。 1 3 论文主要研究内容 本文针对当前制造模式所存在问题，深入分析模块化制造相关技术，主要研 究内容如下： ( 1 ) 模块化制造过程总体研究 从系统工程角度构建模块化制造总体过程模型，针对制造过程中的工艺的快 速制定、系统的快速重构、工装的快速准备，提出工艺模块化、模块化制造系统 重构、工装模块化设计等关键技术。 ( 2 ) 工艺模块化 针对小批量多品种生产需求带来的工艺多样化，利用零件问部分工艺相似性， 将模块化思想引入工艺制定过程，提出工艺模块的概念、工艺模块化实施的关键 技术，研究基于特征模块的工艺重用，实现工艺的快速准备。 ( 3 ) 模块化制造系统重构 制造系统设备重构的关键问题是建立合适的制造系统设备重构模型。对制造 系统的重构规划进行分析，并对制造设备的重构过程建立有约束多目标规划模型， 确定目标函数，并对模型进行优化求解。 ( 4 ) 工装模块化设计 工装的设计制造是生产准备中的重要内容。针对当前工装设计中的问题，将 模块化思想引入工装的设计过程，以夹具为例提出夹具设计可以遵循的一般过程， 以提高工装设计效率，减少生产过程中工装准备时间，快速响应需求。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 1 4 论文组织结构 按照课题的主要研究内容，论文共分为七章，各章研究内容之间的关系如图 1 1 所示。第一章提出本文研究背景，综述模块化制造相关理论、方法，阐述本文 的主要研究内容。第二章是模块化制造的总体框架。通过分析模块化制造过程， 给出了模块化制造过程模型，提出了模块化制造的关键技术。第三章提出工艺模 块化、工艺模块的概念，在此基础上实现工艺的快速制定模型。第四章研究模块 化制造系统的重构，包括系统重构的内容，并建立设备重构的模型。第五章研究 工装模块化技术，将模块化思想引入工装的设计过程，提出工装模块化设计的一 般规则。第六章介绍模块化制造支持系统的实现方法，说明系统功能组成、体系 结构和信息模型，分析系统开发环境，介绍已完成系统的各项功能。第七章对全 文做出总结，并对下一步工作进行展望。 l 第一章绪论 目题的提出 第二章模块化制造总体研究 模块化制造相关概念 模块化主要过程 模块化制造总体方案 模块化制造关键技术 第三章基于模块化的快速工艺准备 第四章模块化制造系统重构 第五章工装模块化设计 。i ：艺制定现状及模块化l 艺的提出模块化制造系统的町重构性上装模块化设计的提出 基j ：模块化的快速工艺准备过程模型 制造设备重构工装模块化过程模璎 工艺模块划分与匹配 多h 杯规划模型与模拟退火算法工装的模块划分技术 摹r t 艺模块的工艺重用 设备选择模型建立 工装模块系列化 应用实例 应用实例 工装配置与重构 fl 原理、方法及其应用 第六章模块化制造支持系统 系统设计 系统关键技术 系统开发与功能实现 初步应用效果 - z r 知， ，l l r l 廿d h 口| 承哭a 月 l 第七章结论与展望 结论 图1 1 论文组织结构 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第二章模块化制造总体研究 本章探讨模块化制造相关概念，分析模块化主要过程，以产品为输入，分析 模块化制造过程，建立模块化制造过程模型，提出模块化制造关键技术。 2 1 模块化制造相关概念 2 1 1模块 目前，模块并没有统一的定义，国内外许多文献中从不同角度给出了模块的 定义，综合来说f 2 8 2 9 1 ，模块是可组合成系统的、具有某种确定功能和接口结构的、 典型的通用独立单元。模块具有以下特性： ( 1 ) 功能独立。模块是系统的组成部分，是独立的不依赖系统其他组成部分的 组成。模块不是对系统任意分割的产物，它具有明确的特定功能，这一功能不依 附于其他功能而能相对独立地存在，并不受其他功能的干扰。这种特定功能可以 是系统按物理性能分解而得的功能部件；或者是整机电路按功能分解而得的单元 电路；或者是系统按结构分解而得的机械部件；或者是大型程序分解而得的子程 序段。没有确定功能的单元不能算是模块。由于模块具有特定的独立功能，因而 可以作为一个单独的设计单元分头进行并行设计，可以单独制造、储备、运输， 对模块的功能及性能可以单独进行检验、调试、测试和实验。 ( 2 ) 结构独立。结构上与系统其他组成部分耦合低，内部耦合程度高，具有一 定的相对独立性。模块是系统的组成部分，即它是系统分解的产物，离开了系统 就失去了其实用价值。用模块可以组合成( 新) 系统，即系统本身是组合式结构。在 此组合的含义是通过接口进行连接，而不包括融合、化合及综合等概念，但包括 集成在内。 ( 3 ) 接口统一。接口是模块与其他模块进行能量、物质传递的接口，也是实现 互换性的前提。模块应具有能传递功能、能组成系统的接口( 输入、输出) 结构。系 统是一个有序的整体，组合成系统的模块既有相对独立的功能，又互有联系，模 块通过接口进行串联、并联、辐射状或网状连接而构成具有一定功能的系统。这 种接口统一是一定范围内的统一，范围的确定取决于统一带来效益与成本的对比。 ( 4 ) 通用性和系列化。系列化是模块的必然选择，只有实现了系列化，才能满 足多样性要求，发挥模块的最大优势。模块具有典型性、通用性或兼容性，并往 往可构成系列，即模块具有标准化的属性。模块的通用性是通过其接口的标准化 或通用化实现的，并且还常常按照系列化原理，使其功能和结构形成系列，以满 足不同规格、不同容量产品的需要。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 2 1 2 模块化 模块化【2 8 ，2 9 】是一种思想，是为了取得最佳效益，从系统观点出发，研究产品( 或 系统) 的构成形式，用分解和组合的方法，建立模块体系，并运用模块组合成产品( 或 系统) 的全过程。模块化具有以下特点【3 0 3 1 l ： ( 1 ) 模块化的主要方法是产品( 系统) 的分解和组合。模块化产品( 系统) 是由模块 组成。产品( 系统) 分解和组合方法的运用是模块化的核心问题。 ( 2 ) 模块化的宗旨是效益。模块化的意图和最终目的是为了满足人们对产品多 样化的需求和适应激烈的市场竞争，在多品种、小批量的制造模式下，实现最佳 的效益和质量。模块化是解决标准化与多样化矛盾的有效手段。 ( 3 ) 模块化的目标是建立模块或产品系统。模块化的目标有两个，即形成模块 系统和模块化的产品系统。建立模块系统是实施模块化设计的前提，形成模块化 产品系统则是模块化的最终归宿。 ( 4 ) 模块化是一个活动过程。模块化是一个有目标、有组织的活动过程。其中 既有产品( 系统) 设计与制造过程，也有其管理( 规划、计划、鉴定、实施、协调) 过 程。产品( 系统) 模块化过程中还有模块化系统的形成、发展、完善、成熟和更新过 程。模块化系统需要随着技术的发展和需求的变化而不断修改、更新。 2 1 3 模块化设计 模块化设计1 2 8 】是将模块化思想用于设计，对一定范围内的不同功能或相同功 能不同性能、不同规格的产品进行功能分析基础上，划分并设计出一系列功能模 块，通过模块的选择组合来构成不同产品，以满足市场不同需求的一种设计方法【2 8 ， 3 2 】 o 模块化设计方法不同于传统设计方法，传统设计方法是针对某一特定设计任 务，在经验的支持下，从具体结构形式分析出发，设计方案结果是一个产品；而 模块化设计方法是在对某类产品进行功能分析和分解的基础上，划分并设计出一 系列功能模块，新产品的设计可以通过对模块、修改后的模块、不重新设计的专 用模块和零、部件进行选取与组合完成，避免了传统设计方法中每个具体设计都 要经过从零件到部件再到装配的设计过程，缩短了设计周期，实现快速设计的目 的。 2 1 4 模块化制造 模块化制造【3 3 1 是把模块化思想用于产品的制造过程，实现制造要素的分解与 重构。包括两个内容：一是按照模块化原则将制造系统分解成一些结构和功能相 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 对独立的单元模块；二是按照特定产品的制造需求进行单元模块的重构与组合， 通过构造一种可适应性制造环境，使得制造系统能够快速适应新产品的制造需求。 2 1 5 模块化制造系统 模块化制造系统 3 3 1 是以模块化思想来组织制造系统的构建、生产过程的管理 和实施，在装备设计和制造系统设计中均采用模块化设计方法，以模块的组合来 构造和运行制造系统，通过制造特定的产品完成对制造系统的再设计。 2 2 模块化主要过程 模块化主要包括两个基本过程，即模块分解和模块组合。模块分解是将研究 对象划分为具有一定功能的相对独立的模块；模块组合是通过模块配置组合成不 同的对象。 2 2 1 模块分解 模块分解是模块化的基本过程，是依据相应原则，从不同的角度将对象划分 为若干基本单元，最后聚类成模块。模块分解的一般原则是以尽可能少的模块， 组合成尽可能多的对象。 模块分解首先对研究对象进行整体分析。模块化的研究对象一般由有机单元 组成的一个整体，可将其看做一个系统，而整体性是系统的基本属性。把研究对 象做为有机整体看待，构成对象的各要素具有不同的性能，它们是根据逻辑统一 性的要求而构成的整体。系统不是各要素的简单集合，系统中各单元及其组合要 服从整体要求，以整体观念来协调系统的组成单元。 模块分解根据其划分角度的不同，有不同的划分方式，最终得到不同的基本 单元。实际对象模块划分角度一般由划分人员从一个或多个角度出发进行划分。 无论出于哪种考虑，模块分解一般遵循以下原则： ( 1 ) 保持模块在功能和结构方面有一定独立性和完整性。模块结构具有相对独 立性，不依赖其他部分，能够支持按客户功能和性能要求进行模块的选择与配置。 ( 2 ) 模块间的接口要素要便于联接和分离。接口要在满足要求条件下尽可能简 单，易用，便于联结和分离。 ( 3 ) 模块与模块之间的相关要尽量的少，即弱耦合；模块内部各部分之间具有 强耦合。 ( 4 ) 分解的粒度要适中。粒度太粗，柔性太低，不能满足需求的多变；粒度太 细，则会使产品组成复杂化。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 ( 5 ) 典型性和通用性原则。典型性和通用性保证了能够在一定范围内通用，具 有更大的适应性。 2 2 2 模块组合 模块组合【3 4 ，3 5 】是根据实际需求，对划分好的模块进行配置组合，以满足不同 的需求变化。具体过程是按照某种确定的有效性规则，使对象属性与用户需求逐 级匹配，通过匹配问题求解，最终组合形成满足需求的对象。配置的作用就是根 据实际需求，通过模块族通用模型参数选配，以及对模块进行相应的变换，快速 组合成满足需求的对象。 模块组合一般包括组合模块信息表达和配置求解两部分。模块信息表达可以 有效的组织已有的模块，建立对象模块族组成模型；模块配置求解是在已知对象 模块族组成的基础上，按照相应的需求进行期望组成模块求解，在此基础上依据 相应的算法，进行配置，求得满足要求的对象。 图2 1 模块组合过程 对象模块族模型建立阶段是对对象需求和已有成果，以及两者之间的映射关 系进行分析，采用一定的方法( 如约束条件等) 表达该映射关系和变型方法，形成对 象模块族模型。 设计实例获取阶段是在模块族模型的基础上，对新的对象需求进行分析和定 义，采用相应的方式得到符合或尽可能符合需求的设计实例。 配置设计评价与优化阶段是对获得的设计实例进行评价，以选出最优设计实 例，在这一阶段，可以对设计进行优化，得到符合对象需求的配置设计。如果有 新设计产生，则更新对象模块族模型。如果对象模块族模型不能通过变型满足对 象需求，就必须进行定制设计。组合设计的实现基础是已有资源库，同时也要有 信息管理环境的支持。 2 3 模块化制造总体方案 根据对模块化制造的分析，建立模块化制造总体方案如图2 2 所示。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图2 2 模块化制造总体方案 模块化制造是模块化思想用于产品制造过程，制造系统的构建以产品为输入， 以制造设备规划和工艺路线为输出。制造过程为首先根据生产产品情况进行制造 资源初选，初步确定所需制造资源，主要是各种设备的种类；确定制造资源后确 定零部件工艺，通过工艺重用实现零件工艺的快速制定；确定工艺方法后需要进 行制造设备重构规划，根据工艺能力需求及工序能力需求，确定选择或购买的设 备种类及数量，并进行仿真分析；确定设备后，进行工装规划，主要是通用工装 的选购及专用工装的设计制造；最后进行制造系统评估，如果满足制造需求，则 完成了制造系统的构建及制造工艺路线的确定，若不满足制造需求，则返回到制 造设备重构规划。 模块化制造的实施，实现以下目标：成本最低：整个制造过程能以最低的成 本实现生产任务，主要通过工艺模块重用实现快速工艺准备，通过制造设备重构 实现以更少的设备完成加工任务，通过重构过程的优化，实现加工成本最低，通 过工装模块化实现工装的快速准备，整个过程的实施，可以有效降低综合生产成 本。最大覆盖：制造系统能够完成尽可能多的加工任务，这里主要是在制造设备 重构时，使设备加工能力涵盖尽可能多的加工任务，以减少外协或外购成本。最 高效率：通过工艺模块重用，实现工艺快速制定，通过系统重构及工装快速准备， 促进制造过程的进行，使整个制造过程高效。最少调整：整个制造过程调整最少， 以减少装夹调整次数，减少非加工时间消耗。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 2 4 模块化制造关键技术 根据以上对模块化制造分析，并结合已有理论、知识基础可知，工艺制定、 系统规划及工装准备是制造过程中的重要环节，针对以上环节，提出以下模块化 制造关键技术：基于模块化的快速工艺准备、模块化制造系统重构、工装模块化 设计。 ( 1 ) 基于模块化的快速工艺准备 针对传统工艺制定效率低，成组工艺工艺知识重用度低，提出了基于模块化 的快速工艺准备模型。首先引入特征模块，在此基础上提出工艺模块化和工艺模 块概念。通过提取零件典型特征模块，为其制定工艺，形成工艺模块；为零件制 定工艺时，首先划分出零件包含的典型特征模块，通过检索相似典型特征模块对 应的工艺模块，进行工艺重用，与零件其他部分工艺融合后，形成零件工艺路线， 实现工艺的快速准备。 ( 2 ) 制造系统重构 研究模块化制造系统重构，以单位设备为重构组成单元，在工序及单位设备 之间建立映射，建立多目标、多约束优化模型，用模拟退火算法进行试验，确定 本模型合适参数选择范围，最后对模型进行优化求解，找到最优制造设备配置组 合。其中重构模型的建立是制造系统重构的关键。 ( 3 ) 工装模块化设计 确定工艺路线后，需设计专用工艺装备。工装的设计制造是生产准备的重要 内容，当前工装准备成本占生产准备过程成本的极大比例，且效率低，成本高， 周期长，已成为影响快速响应市场需求的障碍。本文将模块化设计思想引入工艺 装备的设计制备，由技术特征和技术特征目标值需求，建立工装模块的期望模块 物元，以此为输入条件，在工装模块的存在物元中进行相似性检索，比较最相似 存在物元和期望物元，如果满足需求，则完成模块组合，否则，对工装模块进行 变换，得到满足需求的工装模块物元。 这三项关键技术涵盖了模块化制造中从工艺制定到制造系统规划重构和工装 快速准备，与已有的相关理论形成了较为完整的模块化制造理论体系。 2 5 本章小结 本章讨论了模块化制造基本概念，给出了论文涉及的模块分解、模块组合、 配置与重构等基础理论，构建了模块化制造总体方案，提出了模块化制造关键技 术：基于模块化的快速工艺准备、模块化制造系统重构、工装模块化设计。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第三章基于模块化的快速工艺准备 生产准备主要包括设计准备、劳力准备、物资准备和工艺准备，其中工艺准 备是生产准备中的重要一环，是保证产品按照设计要求进行制造的重要准备工作， 随着生产需求向多品种小批量方向发展，工艺制定的工作量也变得越加繁多，如 何快速制定工艺路线是一个亟待解决的问题。本章针对此问题，提出工艺模块化 概念，采