（机械制造及其自动化专业论文）基于petri网的可重组制造系统建模、调度及控制方法研究.pdf

摘要 摘要 可重组制造系统作为可以适应多品种、变批量、多功能、快速交货和短的 产品市场寿命生产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。由于可重组制造系统具有模块化、可集成、可定制、可变结构以及 可诊断的新特点，发展与之相适应的关键使能技术成为一项重要的研究课题。 建模、调度和控制作为支撑制造系统提高管理水平、优化水平以及自动化水平 的关键理论与方法，其研究和应用的成果已经成为制造系统总体应用水平的一 个重要标志。本文基于系统动态重构和模块化的特点，利用p e t r i 网这一形式化 和图形化分析工具，提出和设计了可重组制造系统的建模、调度和控制方法， 并进行了大量的数值仿真和比较研究。本文的研究成果推进和丰富了可重组制 造系统关键技术的研究，并对解决与之相关的制造系统问题具有一定的指导作 用。 本文的研究问题及所取得的主要成果归纳如下： ( 1 ) 提出可重组制造系统的理论框架及其关键使能技术。分析了多品种、 变批量的生产方式对制造系统的要求，对适应这一发展趋势的可重组制造系统 定义、特性和组成进行了描述，提出可重组制造系统的结构和设计原则，给出 了可重组制造系统的理论框架，指出和详细分析实现可重组制造系统关键使能 技术，并阐述如何运用这些技术实现可重组制造系统。从技术角度提出实现可 重组制造系统的一个切实可行的完整体系。 ( 2 ) 提出基于扩展随机p e t r i 网的可重组制造系统建模方法。为适应可重组 制造系统变结构的特点，采用自底向上建模方法，将可重组制造系统不同类型 的加工资源对应于相应的扩展随机p e t r i 网基本模块，采用过渡变迁合成扩展随 机p e t r i 网模型。该模型通过反殃可重组制造基本特征的模块，可方便、有效地 描述可重组制造系统的组元升级和组态调整。模型能适应任意分布的制造系统， 可精确的反映生产过程。 ( 3 ) 提出基于行为表达式的可重组制造系统性能分析方法。为克服目前常 用的基于p e t r i 网可达图的性能分析方法存在状态空问爆炸的问题，将行为表达 式的性能分析方法引入可重组制造系统的扩展随机p e t r i 网模型，给出了可重组 制造系统性能分析方法，该方法可不必画出系统可达图就可进行系统性能分析 摘要 并直接得到系统参数之间的定量函数关系，利用该关系式可直观、简洁的得到 系统性能及相应趋势图，计算仿真结果验证了该方法相对于基于传统马尔可夫 理论链分析方法的优越性。 ( 4 ) 提出一种基于确定性时间p e t r i 网和遗传算法的调度方法解决可重组制 造系统的生产调度问题。为描述可重组制造系统的可变结构，给出了基于确定 性时间p e t r i 网的基本调度模块，并建立了系统的调度模型。遗传算法采用了可 重组制造系统p e t r i 网模型的激发序列作为染色体，选择、交叉及变异算子都是 对p e t r i 网元素进行操作，与问题空间无关；目标函数采用系统重组费用与提前 拖期惩罚相结合的多目标优化。该算法在满足交货期的前提下，有效降低了系 统重组费用，减少了成品半成品的库存占用时间，提高了系统的成本经济效益。 ( 5 ) 提出一种基于p e t r i 网并支持混流生产的可重组模块化逻辑控制器设计 方法。针对可重组制造系统模块化结构、混流生产等特点，可重组模块化逻辑 控制器包括产品决策逻辑控制器以及加工设备逻辑控制器，通过施加不同的条 件变量以明确相互之间的时序关系，并给出了相应的模块连接算法。通过p e t r i 网自身特性验证了可重组模块化逻辑控制器是活性、安全和可逆的。该方法的 特点为高度模块化、易于重构、支持混流、可方便的实现分布式控制。 关键词：可重组制造系统，建模，调度，逻辑控制器，p e t r i 网 a b s t r a c t a b s t r a c t a 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 ) i sd e s i g n e da tt h eo u t s e to fr a p i d c h a n g ei ns t r u c t u r ei nr e s p o n s et om u l t i t y p e ，v a r i e d l o t i n g ，m u l t i f u n c t i o n ，q u i c k d e l i v e r y , s u d d e nc h a n g e si nm a r k e t a sa l la 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 s b e e ni n c r e a s i n g l yp a i da 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 a o ft h e o r ya n da p p l i c a t i o n s b e c a u s eo ft h en e wc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sm o d u l a r i t y , i n t e g r a b i l i t y , c u s t o m i z a t i o n ，c o n v e r t i b i l i t ya n dd i a g n o s a b i l i t y , t h ed e v e l o p m e n to ft h e s u i t e dk e ye n a b l i n gt e c h n o l o g i e si sc o n s i d e r e da so n eo ff o c u s e si nt h ef i d d t h e m o d e l i n g ，s c h e d u l i n ga n dd e s i g no fc o n t r o l l e ra r et h ek e yt h e o r i e sa n dm e t h o d sf o r i m p r o v i n gt h em a n a g e m e n t ，o p t i m i z a t i o na n da u t o m a t i o nl e v e lo fm a n u f a c t u r i n g s y s t e m t h e r e f o r e ，t h e i rr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o nr e s u l t sm a r kt h el e v e lo f m a n u f a c t u r i n gs y s t e m i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em e t h o d o l o g yo ft h em o d e l i n g ， s c h e d u l i n ga n dc o n t r o l l e rd e s i g no fr m s a r ep r e s e n t e db a s e do ni t sc h a r a c t e r i s t i c s u s i n gp e t r in e t sw h i c hi sap o w e r f u lf o r m a l i z e dt o o lf o rd e d s m o r e o v e r , 也em a s s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n dc o m p a r i s o ns t u d ya r ei n v e s t i g a t e d o u rr e s u l t sp r o m o t et h e r e s e a r c ho f r m s ，a n dh e l pt os o l v et h er e l a t e dp r o b l e m sa sw e l l s t h em a i nc o n t r i b u t i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m e du pa sf o l l o w s ( 1 ) t h ef r a m e w o r ka n dk e ye n a b l i n gt e c h n o l o g i e sa r ep r e s e n t e d b ya n a l y z i n g t h ed e m a n d so fm u l t i t y p ea n dv a r i e d l o t i n g p r o d u c t i o nm o d e ，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 sa n dc o n a p o n e n t so fr m sa r ed e s c r i b e d m o r e o v e r , i t ss t r u c t u r ea n d d e s i g np r i n c i p l e a r e p r e s e n t e d t h e n a l lt h ei s s u e sr e l a t e dt ok e ye n a b l i n g t e c h n o l o g i e st oc o n s t r u c ta ni n t e g r a t e da n df e a s i b l er m s a r ep r o p o s e da n dd e t a i l e d d i s c u s s i o ni n c l u d i n g c o n f i 粤w a b l ep l a n n e dl a y o u ta n do p t i m i z i n g ，s y s t e mm o d e l i n g t e c h n o l o g y , s c h e d u l i n gt e c h n o l o g y , r e c o n f i g u r a b l em a c h i n et o o ld e s i g n ，m o d u l a r i z e d c o n t r o l l e rd e s i g n ，s t i t c h i n gm a t e r i a lf l o wt e c h n o l o g y , i n t e r f a c ec o n f i g u r a t i o np r i n c i p l e a n ds y s t e m q u i c kd i a g n o s i st e c h n o l o g y t h ei m p l e m e n t a t i o n s c h e m ei sa l s o i l l u s t r a t e d ( 2 ) am o d u l a rm o d e l i n ga p p r o a c hb a s e de x t e n d e ds t o c h a s t i cp e t r in e t s ( e s p n ) i a b s t r a c t i sp r e s e n t e d r m se m p h a s i z e sq u i c kr e a c t i o nt om a r k e tc h a n g e s ，w h o s ec o m p o n e n t s a r er e c o n f i g u r a b l es t r u c t u r e s t h em o d e lo fs u c hs y s t e mi se x t r e m e l yd i f f i c u l tt o d e v e l o p b a s e do nb o t t o m u pm e t h o d ，t h er m s m o d e li sd e s c r i b e db yc o n n e c t i n ga s e to fb a s i ce s p nm o d u l e st h a ta r ed e s i g n e dw i t hr e s p e c tt od i f f e r e n tr e s o u r c e sa n d r e c o n f i g u r a b t eo p e r a t i o n s ；t h e i rc o n n e c t i o nm e t h o di sa l s op r o v i d e d t h e s em o d u l e s r e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr m s t h ep r e s e n t e dm o d e l i n gm e t h o df a c i l i t a t e st h e r e c o n f i g u r a b l ep r o c e s s i n gm o d e l i n g ，a d a p t s t ot h e a r b i t r a r y d i s t r i b u t i o n s m a n u f a c t u r i n gs y s t e ma n da c c u r a t e l yd e s c r i b e st h ep r o c e s s i n g ( 3 ) t h ea n a l y s i so fe s p nm o d e lb a s e do nb e h a v i o re x p r e s s i o ni sp r e s e n t e d t o o v e r c o m et h ep r o b l e mo fs t a t ee x p l o s i o ni nt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sm e t h o db a s e d o nt h er e a c h a b l eg r a p ho fp e t r in e t s ，t h eb e h a v i o re x p r e s s i o ni si n t r o d u c e di n t ot h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i s o fe s p nm o d e lf o rr m s b a s e do nt h i sm e t h o d ，t h e p e r f o r m a n c em e a s u r e so fr m sa r ec o m p u t e ds u c ha sp r o d u c t i o nr a t e sv st h en u m b e r o fs t a n d b ym a c h i n e s ，p a r tt y p em i xr a t i o ，a n dr u m p u pt i m e t h eb e n e f i to ft h e p r o p o s e dm e t h o di s t h a tt h er e l a t i o n s h i pf u n c t i o no fp e r f o r m a n c ec a nb ee a s i l y o b t a i n e dw i t h o u tt h er e a c h a b i l i t yg r a p ho fp e t r in e t s t h u s ，t h ea n a l y s i sp r o c e s si s s i m p l ea n ds t r a i g h t f o r w a r d a ne x a m p l eo fad cm o t o rr e c o n f i g u r a b l ep r o d u c t i o n l i n ei sp r e s e n t e dt oi n d i c a t et h ea d v a n t a g e so ft h i sm e t h o d o l o g yb yc o m p a r i n gw i t h t h et r a d i t i o n a lm a r k o vt h e o r ym e t h o df o rp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ( 4 ) ag e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) e m b e d d e dw i t h d e t e r m i n i s t i ct i m e dp e t r i n e t s ( d t p n ) f o rr m s i sp r o p o s e dt os o l v ei t ss c h e d u l i n gp r o b l e m t h eb a s i cd t p n m o d u l e sa r ep r e s e n t e dt om o d e lt h ec o r r e s p o n d i n gv a r i a b l es t r u c t u r e si nr m s ，a n d t h e nt h es c h e d u l i n gm o d e lo ft h ew h o l er m si sc o n s t r u c t e d a n di nt h es c h e d u l i n g a l g o r i t h m ，f i r i n gs e q u e n c e so f t h ep e t r in e t sm o d e la r eu s e da sc h r o m o s o m e s ，t h u st h e s e l e c t i o n ，c r o s s o v e r , a n dm u t a t i o no p e r a t o rd on o td e a lw i t ht h ee l e m e n t si nt h e p r o b l e ms p a c e ，b u tt h ee l e m e n t so f p e t r in e t sm o d e l a c c o r d i n g l y , a l lt h ea l g o r i t h m s f o rg ao p e r a t i o n se m b e d d e dw i t hp e t r in e t sm o d e la r ep r o p o s e d m o r e o v e r , t h en e w w e i g h t e ds i n g l e - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nb a s e dr e c o n f i g u r a t i o n c o s ta n de ti s i n t r o d u c e d t h er e s u l t so fad cm o t o rr m ss c h e d u l i n gs u g g e s tt h a tt h ep r e s e n t e d d t p n g as c h e d u l i n ga l g o r i t h mh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nr m ss c h e d u l i n g ，a n d p r o v i d eo b v i o u si m p r o v e m e n t so v e rt h ec o n v e n t i o n a ls c h e d u l i n gm e t h o di np r a c t i c e a b s t r a c t t h a tm e e t sd u e d a t e ，m i n i m i z e sr e c o n f i g u r a t i o nc o s t ，a n de n h a n c e sc o s te f f e c t i v i t y ( 5 ) au n i f i e d f o r m a ld e s i g n m e t h o d o l o g yo fr e c o n f i g u r a b l e m o d u l a rl o g i c c o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d ，w h i c hs u p p o r t st h ec o n t r o lo fm i x b a t c hp r o d u c t i o n w i t h r e s p e c tt ot h em o d u l a r i t ya n dm i x b a t c hp r o d u c t i o no fr m s ，t h en o v e ld e s i g nm e t h o d o fc o n t r o l l e ri s p r o p o s e dw h i c hc o n s i s t so fac o n t r o lm o d u l ef o rp r o d u c t i o nt y p e d e c i s i o na n do t h e r sf o rs t a t i o nl o g i cc o n t r o l l e r s e a c hc o n t r o l l e ri sr e p r e s e n t e da sp e t r i n e t sb yc o n n e c t i n gc o n d i t i o n a lv a r i a b l ea n dt h e i rc o n n e c t i o na l g o r i t h mi sa l s o s u g g e s t e d m o r e o v e r , t h ep r o p e r t i e so fl i v e ，s a f e ，a n dr e v e r s i b l ea l ev e r i f i e du s i n g p e t r in e t s h a v i n gam o d u l a rr e p r e s e n t a t i o nf o rt h ec o m p o n e n tm a c h i n e sf a c i l i t a t e s t h em c o n f i g u r a f i o no ft h el o g i cc o n t r o l l e r , w h i c hs u p p o r t sm i x b a t c hp r o d u c t i o na n d d i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：r e c o n f i g n r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，m o d e l i n g ，s c h e d u l i n g ，l o g i c c o n t r o l l e r , p e t f in e t s v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：诤印 冽名年7 月b 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年 月日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：沸柿 撕厶年9 月日 第t 章绪论 第1 章绪论 本章将介绍本文的研究背景，与本文相关的国内外研究现状，本文的主要 研究内容和意义，以及本文的内容安排。 1 1 研究背景 制造业是国家的经济支柱产业之一。在中国，占到全国g d p 的4 0 以上， 2 0 0 4 年达到6 万亿元【l 】。2 0 0 4 年全国设备制造业和电气机械器材制造业分别比 上年增长了2 2 2 和1 7 7 1 2 j 。以上海为例，其制造业每年对g d p 增长的贡献 率高达6 5 1 3 l 。优先发展先进制造业，具有重大的现实意义，提高先进制造技 术水平是提高制造业核心竞争力的必然要求。 随着现代科学技术的日新月异，现代制造业正面临不可预钡4 、快速多变和 不断增强的市场竞争等一系列问题，表明在由激烈的全球化竞争、逐步提高的 客户素质和创新的工艺技术直接驱动的新产品上市速度、产品零部件、客户需 求、工艺技术和政策法规等多个方面的变化，反映了经济、技术和社会之间的 平衡。企业只有具有快速、高效和低成本地适应各种变化的能力才能在新的环 境中生存i “。因此，如何快速响应瞬息万变的市场成为业界共同思考的问题。 2 0 世纪9 0 年代左右，计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 的广泛应用极大地缩短了产品设计时间。另一方面，制造企业也试图通过对制 造部门的资金投入，配置更多的加工设备和物流设备来减少产品生产周期并实 现快速转产。如何根据市场订单快速调整制造过程，从客观上要求一种由客户 订单驱动，以多品种、变批量、多功能、快速交货和短的产品市场寿命等为特 征的生产模式。传统制造系统显然不能适应这一形势的发展要求，需要发展一 种能够通过制造资源构件调整和制造系统快速重构，适应生产系统内外部各种 影响因素的变化，将多品种、变批量的生产问题全部或部分地转化为定批量 生产的新型制造系统，即可重组制造系统( 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 ， 简称r a m s ) pj 州。 建模、调度和控制作为支撑制造系统提高管理水平、运筹水平、优化水平 第1 章绪论 以及自动化水平的关键理论与方法，它们的发展将极大地提高了制造系统总体 应用水平。本文将进一步丰富和扩展制造系统的建模、调度及控制方法，尤其 是应用于可重组制造系统的建模、调度和控制方法，因此具有一定的理论意义。 另一方面，作为先进制造技术中的重要基础理论之一，本文的研究成果将为采 用多品种、变批量生产方法的企业进行可重组生产线的技术革新和改造提供理 论、技术和实践依据，并促进以个性化服务为宗旨的生产行业( 如汽车、电器、 机电等) 中包括准时制生产、敏捷制造、成组技术等在内的先进生产管理技术 的发展，因此也具有重要的实际意义。 1 2 制造系统发展现状 1 2 1 生产模式的变迁 制造系统的生产模式总是随着制造企业竞争目标和竞争要素的变化而不断 发展的。2 0 世纪2 0 年代以福特为代表的大规模生产成为工业界广泛采用的生产 模式。大规模生产采用的刚性制造系统以流水线为特征，通过形成规模经济实 现低成本。它的一个原则就是面向统一的市场标准化产品，从而导致了稳定的 产能和缓慢的产品变化。2 0 世纪8 0 年代后，世界市场发生了重大变化，经济全 球化、用户需求个性化、大市场和大竞争等促使企业采用新的技术和新的管理 方法。于是，一种新的生产模式大规模定制开始浮出水面。大规模定制旨 在以大规模生产的效率和成本提供个性化的定制产品p l 。表1 1 为大规模生产与 大规模定制生产模式的对比【8 1 1 9 。 表1 1 大规模生产与大规模定制的对比 、丰产模式 大规模生产大规模定制生产 指标 经济模式 规模经济知识经济 稳定的需求、统一的市场个性化的需求、多元化的市场 关键特征低成本、质量稳定、标准化产品低成本、高质量、定制化产品 产品生命周期长产品生命周期短 主要生产要素劳动力知识 对制造系统的要求刚性和专用性柔性和重组性 近年来，随着用户对产品个性化定制的不断增长和市场需求的剧烈变化， 第1 章绪论 企业在产品的快速设计时采用了既继承又创新的方式，因此，制造系统的生产 产品势必混合了具有较大规模的标准化产品以及符合不同客户要求的个性化产 品，这样必然造成制造系统的混批、变批生产，原有大规模定制生产模式的部 分特征也逐渐演变为多品种、变批量。 1 2 2 先进制造系统 由于生产模式的变更，世界各国对现代制造系统也展开了广泛而深入的研 究，这不仅是发展制造业本身的需要，也是各国适应全球经济发展对本国的企 业进行产业结构调整的需要f 9 】。任何一种制造系统的存在和发展都是为了适应生 产模式的某一变化【1 0 i i “i 。由此，在制造领域相继提出了许多新思想、新概念， 产生了新的制造技术和制造系统。 根据c i r p ( 国际生产工程学会) 近1 5 年来发表的论著统计，所提出的先进 制造系统的模式多达三十多种，如：柔性制造系统、计算机集成制造系统、并 行工程、精益生产、敏捷制造、多智链体制造系统、协同制造、绿色制造、智 能制造、全球制造、可重组制造系统等。以上各种制造系统中，有的已经研究 了很多年，并有了成熟的系统，如柔性制造系统等；有的近年来展开一定规模 的研究并有一些己实现的系统，如精益生产等；还有的尚处于研究之中，未形 成成熟的系统，如可重组制造系统等1 9 1 。 其中最具代表性的有以下几种： 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 ，简称f m s ) 柔性制造系统基于所有可用柔性和功能构建，针对某一特定产品族实现多 功能、高效能生产。f m s 以其良好的产品适应能力一经提出就在日本和欧洲得 到了较快发展，然而，f m s 引入美国工业界的速度相对较慢，其中主要的原因 包括：f m s 有限的投资回报率、对操作员工的高要求以及系统复杂性1 1 2 j 【1 3 1 。 精益制造( l e a nm a n u f a c t u r i n g ，简称l m ) 作为适应大规模定制生产模式的一个有效手段，精益制造的提出主要是为 了减少生产过程的浪费、降低成本同时提高质量【1 4 】i ”】。 敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ，简称a m ) 美国里海大学在1 9 9 1 年发表的“2 l 世纪制造企业战略”报告中提出了敏捷 制造【1 6 】【1 7 1 储1 。敏捷制造关注的焦点是企业内部以及企业之间的灵活管理，它借 第1 章绪论 助网络化制造平台，使得信息在企业内部、企业与用户、企业与供应商直接连 续流动。 可重组制造系统 2 0 世纪9 0 年代末，为适应新的市场环境，美国的y k o r e n 教授等首次正式 提出r m s 的概念l 翻。r m s 具有制造系统的组元( 结构化的元件、主轴、控制器、 软件、夹具及刀具等) 可升级，组态( 物理构形) 可调整的特征，能根据市场 变化形成新的生产能力和生产功能【i 。上述r m s 的概念关注生产系统的加工、 物流和控制系统，是广义敏捷制造概念中制造系统的主要发展模式。 1 2 3 可重组制造系统与其他制造系统的比较 多品种、变批量的产品生产需要可重组制造系统既具有一定的刚性和专用 性来保证高的生产效率，又具有快速转产的柔性能力和通用性。因此，既具有 刚性制造系统( d e d i c a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，简称d m s ) ，也具有f m s 的特 点。然而，f m s 在设计之初就固定了软硬件结构并将其集成到一个系统，很难 严格区分某项具体功能与某个具体组( 部) 件的对应关系，这样导致了系统几 乎没有可能根据要求进行升级、定制、改变自身生产能力【l 引，因此，r m s 作为 f m s 的继承和发展正日益受到关注。以下对d m s 、f m s 和r m s 三种制造系统 进行比较【4 1 【5 1 【6 1 。 1 设计原理及设计目标比较 表1 2 为三种制造系统的设计原理和目标比较。 表i 2 三种制造系统的设计原理和目标 4 第1 章绪论 与柔性制造系统不同，可重组制造系统可有效减少因系统重组或再设计导 致的系统r u m p u p 时问和费用，并可将现有生产系统与新的技术和功能进行快 速集成f 俘l 。 2 生产能力一生产功能关系比较 三种制造系统生产能力一生产功能关系如图1 1 所示。 鐾 鬯 蠡 生产功能( 产品变化) 图1 1 三种制造系统生产能力一生产功能关系图 与d m s 和f m s 不同，r m s 的生产能力是个动态演化的过程，如图1 2 所 示。 d m s 具有很高的生产率，但是其生产品种单一，生产能力和功能在设计之 初就固定不可改变。在统一市场需求稳定的情况下，d m s 表现出高效率和低成 本，随着全球市场竞争的加剧，d m s 生产能力的发挥受到了限制。 f m s 是采用“先设计后使用”的方法，即针对特定用户，适合某一特定零 件族，在构建之初往往预留了很多功能，使得f m s 大量可用生产能力得不到充 分的发挥，一些预设的生产功能往往满足不了新的需求。 r m s 弥补了d m s 和f m s 的不足，其生产能力和生产功能介于两者之间， 不同阶段表现出不同的状态。 第1 章绪论 生产功能 图1 2 可重组制造系统生产功能一生产能力演化 3 生产率和系统构建费用关系比较 d m s 在设计的最大生产能力范围内其系统构建费用和生产率之比为一个常 数，当d m s 需要扩充其生产能力时需要昂贵的构建费用。f m s 在其设计柔性范 围内的系统构建费用和生产率之比为一个常数。与f m s 不同，r m s 的系统构建 费用和生产率之比不是一个常数，不同的构建阶段其比值取决于r v i s 的初始设 计和市场环境。具体比较如图1 3 所示。 旺 积 倒 嚣 螺 懈 图1 3 三种制造系统系统构建费用和生产率之比 6 第1 章绪论 4 总体性能指标比较 三种制造系统总体性能指标对照见表l3 。 表1 3 三种制造系统总体性能指标比较表 、类型 痔豇 d m sfms砌s 基生产特征单一或少品种、大批量生产 一族零件、批量生产多族零件、变批量生产 本生产柔性无极低中等高 制过程可变性无极低中等太 造功能可变性无无4 大 特可缩放性无巾等大 征 生产成本低中等低较低 系可重组性不可重组不可重组可重组 统 设备结构固定式( 专用)固定式( 通用)可重组 特 工装固定式( 专用)模块化( 通用)可重组 征加工作业多刀为主单刀为主可变 1 3 国内外研究现状 1 3 1 可重组制造系统的国内外研究现状 1 9 9 1 年，在美国里海大学向美国国会提交的( 2 1 s tc e n t u r ym a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s es t r a t e g y ) ( 2 1 世纪制造企业战略) 【l6 j 研究报告中首次提出了敏捷制造 的概念，报告中指出，为实现敏捷制造的战略要求制造系统是可重组 ( r e c o n i i g u r a b l e ) 的。 1 9 9 5 年，在美国国防部、能源部、美国国家标准局和技术研究所以及美国 自然科学基金委员会共同资助下，由麻省理工学院的“敏捷性论坛”( a g i l i t y f o r u m ) 和“制造先驱”( l e a d e r f o r m a n u f a c t u r i n g ) 以下一代制造( n e x t g e n e r a t i o n m a n u f a c t u r i n g ，简称n g m ) 为题展开研讨。于1 9 9 7 年公布了下一代制造一 行动框架【2 “，该行动框架中提到：“一个n g m 企业必须具备以下属性：顾客 响应度、企业响应度、人力资源响应度、全球市场响应度、组织响应度、快速 第1 章绪论 响应度的运作实践和文化”。 1 9 9 8 年，美国国家研究委员会对2 0 2 0 年制造业面临的挑战进行了研究，以 便能更加合理有效地确定研究投资重点，最终形成( ( v i s i o n a r ym a n u f a c t u r i n g c h a l l e n g e sf o r2 0 2 0 ( 2 0 2 0 年制造挑战的设想) 报告1 。该报告指出了制造企业 面临的六大挑战并给出了迎接这些重大挑战的关键技术，并按重要性依次列出： 可重组制造系统； 绿色制造： 技术创新工程； 用于制造的生物技术； 建模与仿真技术： 知识工程； 产品和过程设计的新方法； 改善人一机界面； 新的教育体系和方法； 智能化软件。 我国8 6 3 及9 7 3 计划将现代制造系统及其集成技术列为一个主题。1 9 9 8 年 以来，国家自然科学基金委对涉及可重组、制造系统为关键词的基础项目进行 了一定数量的资助1 。 上述国家制造战略的确定，使得可重组制造系统及其相关技术成为国内外 研究的热点之一。2 0 0 1 年、2 0 0 3 年、2 0 0 5 年国际生产工程研究学会( c i r p ) 都 召开了可重组制造系统国际会议。表1 4 列出了2 0 0 5 年于密歇根大学召开的可 重组制造系统国际会议主题，从中也可以看出可重组制造系统包含的内容、研 究重点和发展趋势1 。 表1 42 0 0 5 年可重组制造系统国际会议议题 领域议题 系统级 制造系统配置 制造系统生产能力及其可缩放性 制造系统可转换性 生产线均衡生产 生产调度 第1 章绪论 面向可重组制造的加工工艺设计 ( 续) 欧美、日本等许多学者在9 0 年代初就提出了制造系统及制造单元的可重组 性并展开了深入的研究。其中，最著名的国外研究院所如下： 1 9 9 6 年美国密歇根大学同一批企业在美国国家自然科学基金委员会 ( n s f ) 和工业界3 0 8 0 亿美元的资助下开始了“基于物理组态可变的可重组制 造系统”、“产品装配过程的交流理论与建模”等基础理论方面的研究f 2 4 1 ，美国 密歇根大学对机械加工、装配和焊接的可重组自动化装备的硬件和软件进行了 系统研究，并成立了r m s 工程研究中心( r m s e r c ) ，首次完整地提出了可重 组制造系统的概念【2 ”。 密歇根大学r m s 工程研究中心在全球r m s 的研究中起到至关重要的地位。 该研究中心的研究工作集中在以下几个方面。 系统级设计： 目标：通过研究可重组算法来发展高效的可重组系统，其主要目标是减少 系统重设计时间降低系统费用。主要研究内容包括以下几个方面：针对某一具 体零件族的可重组设计算法；基于产品多样性、质量、系统可扩展性的系统配 9 第1 章绪论 置研究：产品全生命周期的经济性模型。 控制系统 目标：新一代可重组机床及机床控制器的设计方法研究。主要研究内容包 括以下几个方面：可重组机床的设计理论研究；可重组机床原型设计；逻辑控 制系统的控制方式；开放式控制器。检测及r u m p u p 时间 目标：减少形成新的可重组系统的r u m p u p 时问的研究。主要研究内容包 括以下几个方面：变流理论；加工过程中，可重组监控和诊断；针对实时零件 测量，发展光传感器技术。 能及时响应的系统维护 目标：通过利用i n t e m e t ，w e b 等技术预测系统维护，将正常生产的中断减 少到最小，将系统响应水平提到新的层次。主要研究内容包括以下几个方面： 开发一种工具用来更好的监控加工过程；预测生产水平下降的原因，利用预测 信息来防止意外生产中断；努力实现生产过程不停产。 2 0 0 6 年，密歇根大学r m s 工程研究中心对上述的第四点研究内容进行调整 和补充，更新为： 系统操作 目标：针对产品混流生产模式下，开发适用r m s 系统过程操作的理论和方 法，主要包括生产路线的重调度以及快速响应策略等。主要研究内容包括以下 几个方面：研究有效的决策系统以减少维护对系统生产率的影响；针对市场波 动研究生产调度问题；研究设备故障时保证最大产品完成率的调度策略。 德国机床联合会( v d m ) 提出的新型控制器方案的原则为：可组配、模 块化和开放式。德国斯图加特大学的机床研究所对可重组机床及可重组的控制 系统进行了研究，给出了车间可重组控制系统的原型架构以及基于可重组的车 间信息流模型 2 6 1 2 7 1 。