（机械制造及其自动化专业论文）可重组电机生产线及转子精度控制方法研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的日新月异，快速多变的市场需求、技术支撑环境的变化和 不断增强的市场竞争等一系列问题，现代制造业正面临着如何通过企业自身制 造资源的快速升级以及系统控制方式的快速重组以适应市场的动态需求变化。 “汽车电机可重组装配生产线关键技术与装备的开发应用 是上海市科委重点 攻关项目的一部分，“可重组电机生产线电枢出轴端精度控制方法研究”是该项 目中的一部分。 本文以舒航电器分公司目前的汽车电机生产线为研究对象，全面分析了电 机生产线的生产现状和目前所面临的主要问题，提出了运用可重组技术改造现 有电机生产线。并通过对现有生产线硬件、工装、装备的改造和组合，使电机 生产线成为可根据产品品种和批量进行重新构型的生产线，从而在生产品种经 常变动的情况下，有效实现生产线的动态重组。 本文在对生产线进行可重组改造方案论述的基础上，根据可重组生产方式 的需要，重点研究了影响电机质量的关键工位电机出轴端误差检测与校直， 运用神经网络b p 算法理论计算校直量，实现了电机转子出轴端半自动校直， 并在实践中获得成功应用。不但有效地减轻了工人的劳动强度、提高了校直效 率及精度，而且为批量生产的质量控制提供了有效的保障。该装置已申请了国 家发明专利。 关键词：可重组制造质量保证统计过程控制校直机b p 网络 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h en e e do fr a p i da n d c h a n g e dm a r k e t 、t h ev a r i e t yo ft h et e c h n o l o g ye n v i r o n m e n ta n ds t r e n g t h e n s c o n t i n u o u s l yw i t hm a n yq u e s t i o n ss u c ha sf r e q u e n tl e v i t y 、f u r i o u s c o m p e t i t i o no fm a r k e ta n ds oo n t h em o d e r nm a n u f a c t u r i n gi sf a c i n gh o w t op a s st h eb u s i n e s se n t e r p r i s eo n e s e l fm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sf a s tt o u p g r a d ea n ds y s t e m h o wt oa d a p tt h ec h a n g e so fd y n a m i c r e q u i r e m e n ta b o u t m a r k e tb yf a s tu p g r a d i n gm e c h a n i c a lr e s o u r c ea n dr e c o n f i g u r i n gt h e p a t t e r no fs y s t e mc o n t r o l ，i saf l i n t yc h a l l e n g et om a n u f a c t u r i n g d e v e l o p m e n to fk e yt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ta b o u ta u t o m o b il em o t o r r e c o n f i g u r a b l ea s s e m b l yl i n ei sap a r to ft h ep r o j e c t ，w h i c hi ss u p p o r t e d b ys h a n g h a ic i v i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y r e s e a r c ho nt h ec o n t r o l l i n g m e t h o do fm o t o rs h a f t e n dp r e c i s i o no fr e c o n f i g u r a b l ep r o d u c t i o nl i n e m a n u f a c t u r i n gi sap a r to ft h i sp r o j e c t t h ep a p e rp u t sf o r w a r da n a p p r o a c ho fr e b u i l d i n gt h ep r e s e n tp r o d u c t i o nl i n eo fm o t o rb yu s i n g r e c o n f i g u r a b l et e c h n i q u e ， w h i c hi sb a s e do nt h ea n a l y s i so fs o m em a i n p r o b l e m sc o n f r o n t e db yt h em o b i l em o t o rp r o d u c t i o n1 i n eo fc o m p a n y a c c o r d i n gt ov a r i e t ya n db a t c ho fp r o d u c t ，p r o d u c t i o nl i n ec a nb e d e s i g n e di n t oan e wo n ew i t ht h ea b i l i t yo fr e c o n f i g u r a b l eb yr e b u i l d i n g t h eh a r d w a r e 、a s s i s t a n td e v i c ea n de q u i p m e n t ，t h u si tc a nr e a l i z ed y n a m i c r e c o n f i g u r a t i o no ft h ep r o d u c t i o nl i n e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f t h es t y l eo fr e c o n f i g u r a b l ep r o d u c i n g ，t h ep a p e rm a i n l yr e b u ii tak e y w o r k i n gp r o c e d u r e sw h i c hw e r em a i n l yi n f l u e n c i n gt h eq u a li t yo fm o t o r 一一t h ed e t e c t i n ga n dc o r r e c t i n g e r r o ro ft h em o t o r s h a f t e n d ， p r o d u c t i o nl i n em a n u f a c t u r i n g ，w h i c hw a sb a s e do nd i s c u s s i n gt h ep r o j e c t v i 上海大学硕士学位论文 o fr e c o n f i g u r a b l ed e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n gs y s t e m w h a t sm o r e ，i t p r e s e n t sa ne f f e c t i v em e t h o do fc o n t r o l l i n gq u a l i t yi nt h em o d e o f 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 es t r a i g h t e n i n gv a l u ew a sc a l c u l a t e db y u s i n gt h et h e o r yo f b pa r i t h m e t i ca n ds u c c e s s f u l l yr e a l i z e dt h ea u t o m a t i c s t r a i g h t e n i n g i tn o to n l ye f f e c t i v ea ll e v i a t e dt h el a b o ri n t e n s i t y ，b u t g u a r a n t e e dm a s s p r o d u c e dp r o d u c t t h i ss y s t e mh a sb e e nt e s t e db yp r a c t i c et h a ti te n h a n c e dt h e e n t e r p r i s e sa d a p t a b i l i t ya b o u tv a r i e t ya n dt h ec h a n g eo fb a t c h p r o d u c t io n k e y w 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 e ，q u a l i t ya s s u r a n c e ，s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l ， c o r r e c t i n gm a c h i n e ，b a c kp r o p a g a t i o nn e t w o r k s v 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：看虹日期：墨丛业 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及研究背景 “汽车电机可重组装配生产线关键技术与装备的开发应用 为上海市科委 下达的重点攻关项目，项目编号为：0 3 111 1 0 0 2 。该项目研究的主要内容是运用 先进的制造与管理技术，针对电机转子的生产过程开发适应订单生产方式的可 重组汽车电机转子生产线和装配线。根据多品种、变批量的生产需求，当生产 任务发生变化时通过设计和配置可灵活组态的模块，使电机转子生产线形成新 的生产线构形，以实现汽车电机生产线快速转换产品，保质保量地完成客户的 订单。 本项目研究的目的之一就是面对多品种、变批量的生产特点，重点研究可 重组制造系统的基础理论和关键技术，并将适用的相关理论及技术运用到汽车 电机生产线上，以满足产品产量与质量的实际要求。其目标是开发一个汽车电 机可重组生产系统，实现生产率为每年2 0 万套的多品种、变批量汽车电机生产 线，然后作为示范应用工程再推广应用四五个类似系统。 上海航天汽车机电股份有限公司舒航电器分公司隶属上海航天汽车机电股 份有限公司，成立于1 9 9 2 年，是专业开发研制汽车空调直流电机、风机、汽车 自动天线、汽车顶置放大天线、空调无刷变频电机的实体企业。公司年产值1 亿，净利润7 0 0 万。目前，电机生产线采用半自动化方式，当生产产品变化时， 由车间技术人员下单，各工位自行调换和调整工装，生产效率低。激烈的市场 竞争，迫使公司重新寻找新的生产方法和制造模式。可重组制造系统的概念和 相关技术恰好能对汽车电机生产过程进行相应的重新规划、设计、实施和运作， 提高生产线的重组能力，以满足不断变化的市场需求。“汽车电机可重组装配 生产线关键技术与装备的开发应用 这个项目是由上海航天汽车机电股份有限 公司舒航电器分公司等单位共同承担。上海大学参与项目的总体设计，并重点 承担电机转子生产线加工系统可重组改造以及可重组制造模式下质量保证两项 任务。本课题就是该项目中的一部分可重组电机生产线及转子精度控制方 法研究。 上海大学硕士学位论文 1 2 可重组制造系统的研究 1 2 1 可重组制造系统 全球化经济所激发的剧烈市场竞争和客户对产品需求的个性化，引发了产 品品种增多，产品生产周期缩短的现象。同时现代制造业也正面临着快速多变、 不断增强的市场竞争等一系列问题，制造企业所处的环境也正在发生巨大的变 化。质量、成本、交货期、柔性与产品的环境适应性等不可避免地成为现代制 造系统模式追求发展与应用的关键要素。多变的市场需求和订货推动企业越来 越多地采取混流生产，这促进制造系统向快速重组的方向发展。可重组制造系 统作为制造模式的一个新台阶，能够基于现有系统在系统规划和设计规定的范 围内，通过构件自身变化和数量增减以及构件间的联系变化等方式动态地改变 其构形，从而达到根据需求发生的变化来适时地调整生产过程、生产功能和生 产能力，使生产线既具有高度的柔性，又没有冗余功能，既可适应一定范围的 多品种变批量的变化，又具有较高的生产率。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，并提供开放型结构。这就需要一种新的制造模式可重组制造模式。 可重组制造( 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 ) 是在产品品种不断变化、客 户个性化需求以及市场快速变化的条件下产生的一种新型的制造模式，它全面 吸收了精益生产、敏捷制造、柔性生产系统的精髓，包含了全面质量管理、准 时生产等现代管理经验，并将这些技术和经验与相关资源集成为一个管理环境 和生产实体，通过组织创新，使企业释放出巨大的潜力，并使传统的生产系统 观念发生显著的变化。1 9 9 9 年，美国m i c h g o n 大学的k o r e n 教授等在c i r p 年 会上第三次对可重组制造系统( 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 m s ) 下正式定义：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l l i 。它是基于可利用的现有的或可获得的新机床设备和 其它组元，可动态组态的新一代制造系统。般一条可重组制造系统相当于几 条传统的制造系统。 2 上海大学硕士学位论文 可重组制造系统是继承了上世纪2 0 年代的自动化流水线、5 0 年代的n c 机 床、6 0 年代的f m s ( 自动化制造系统即柔性制造系统) 和8 0 年代的c i m s ( 计算机 集成制造系统) 之后，由一些实施先进制造的企业首先创造的又一类新型可变制 造系统。构建该系统的目的在于：大大缩短适应产品品种与产量变化的制造系 统的规划、设计和建造时间及新产品的上市时间，大幅度地压缩系统建造的投 资、降低生产成本、保证质量、合理利用资源、提高企业的市场竞争力和获利 性。它涉及先进的制造战略、营销、新产品创新与改进的设计与开发、系统工 程与分析、随机动态规划与决策、质量工程、系统可靠性和运行跟踪与诊断， 计算机技术、自治与协同控制、硬软件接口与协议技术、经济可承受性、系统 集成管理和生产运作管理等学科多种技术的交叉融合。 可重组制造系统既能够在指定时期制造一定批量的产品；也能在将来，按 照市场要求，以合理的成本快速重新配置，调整其生产能力，生产不同批量或 不同类型的产品。它涉及到机器( 设备) 层、系统层、以及社会制造资源层的 重组技术，它包括模块化技术、集成化技术、以及用户化、可转换化和可诊断 化等技术，也包括动态联盟的市场化组合技术，应对多品种、变批量、快速交 货的现代市场需求的制造技术。该系统对于提高整个制造业的市场响应能力、 提高制造资源的利用率，都将起到极大的促进作用。 可重组制造系统是适应今天和明天先进制造发展的新一代技术群体中一种 重要而适用的技术，它对增强我国制造企业竞争力有重要意义。它与传统的制 造系统在规划、设计和建造的区别是：企业随时根据产品变化，由产品工艺过 程变化驱动的快速组态规划和设计，在专门的多功能小组( t e a m ) 支持下快速 实施的、系统的动态组态( 重组) 是建立在公共地基、可随时移动又保证组态 后性能的机床设备和组元基础上的，是少投资、可重复利用的，是最优化布置 和物流合理的，是保证质量、设备运行可靠、短交货期和较低成本的，是可改 造与革新的开放系统，其存在寿命期由产品状况决定的一种新的可变制造系统。 r s 的关键技术是模块化的可重组硬件和可重组软件，它不仅仅是这些模 块化机床和控制器的简单组合，而是要开发出一整套全新的生产系统，它包括 传感、检测诊断体系等所有生产部件。其指导思想是生产系统本身是柔性的， 上海大学硕士学位论文 它可以被升级或更新，而不是被简单替换。柔性的另一个含义是可以制造多样 性的产品，而生产线本身也可以改变。 r m s 技术可用于大多数制造系统中，特别是市场竞争急剧、产品的品种和 数量陡变的状况下快速构建制造系统。它的基本特征是可重组( 可组态) 性， 不但具备刚性制造系统和柔性制造系统两者的优点，而且还具有以下显著特征： 1 ) 可变性：对产品、制造技术和过程变化的高柔性适应能力。 2 ) 可集成性：可嵌套新模块与新装置或新设备，能实现“系统三位一体” 的系统整合。 3 ) 订货化：生产过程可按订单驱动。 4 ) 模块化：可进行制造过程、制造功能和制造能力的模块化组合。 5 ) 可诊断性：对产品质量缺陷和设备故障的可跟踪性和可溯源性。 6 ) 经济可承受性：是投资、系统功能和成本的综合优化。 7 ) 敏捷性：以强的市场扩展柔性、增强企业竞争力，使企业获利。 1 2 2 可重组制造系统国内外研究现状 制造系统与新产品开发、商务实践构成了制造的三个基本要素。制造系统 中的关键问题是：如何快速设计与建造新产品生产的系统，使企业及时抓住商 机? 在产品变化时，如何形成使企业可以迅速扩大市场份额或战胜竞争对手、 抢占市场的能力? 是否允许新技术、新装置尽快地用于制造生产? 在2 0 - 6 0 年 代，刚性的自动流水线生产( 大量生产) 帮助先进的企业和国家形成制造竞争 的优势。7 0 - 8 0 年代以丰田生产方式为代表改进了大量生产的制造系统，由 n c 与c n c 机床和f m s ( 自动化机械制造系统) 、f m c ( 柔性制造单元) 实现 中小批量生产的优势。但在8 0 年代以来，不断全球化和呈快速多变的制造货物 市场上，它们均能满意地解决上述3 个问题。c i m s ( 计算机集成制造系统) 虽 然是一种解决问题的途径，但一些先进的企业为了实现更大的设备系统柔性进 行了多种探索。其有代表意义的有：日本对化工生产设备小型化和数控可移动 化进行了成功地探索；美国等一些先进的制造企业利用弹性支撑，抛弃了单独 地基的不变制造系统布置，成功实现制造系统的可移动组合布置。后者由于经 4 上海大学硕士学位论文 济简单易行很快为不少企业所接受。据悉：美国有相当多的制造企业平均每年 对制造系统进行1 2 次的重组布置，以适应产品的变化；英国有的公司达到1 次 周的重组布置频率；我国某液压元件厂则已实现8 次年的重组制造系统。在工 业界和政府的推广下，发达国家从9 0 年代中开展了可重组制造系统的基础与应 用研究，并已推广应用。例如：1 9 9 4 - 1 9 9 9 年以美国密执安大学为中心的r m s 课题获得了n s f 与工业界3 0 8 0 万美元的支持，进行了“制造系统重组方式对 系统性能的影响、“产品装配过程的变流理论与建模等方面的研究，并以可 重组的敏捷制造为课程进行了广泛地企业培训，同3 0 个以上的企业进行以 r m s e r c 为基础的合作。与此同时，美国依阿华大学和麻省理工学院的研究 人员对这类系统的设计进行了研究。因此，可以预见，一个建立在科学基础上 可重组制造系统技术将成为支持2 l 世纪初制造业发展的重大技术。 北京机床厂研究所和清华大学，在f m s 和c i m s 研究的基础上，从8 0 年 代以来进行了“制造系统组态( 重组) 的研究 、“机床弹性支持的试验研究”、 “随机优化布置”、“质量监控与质量工程 等基础性的研究。在1 9 9 8 年开展了 国家自然科学基金重点项目快速重组制造系统理论与方法的研究。在1 9 9 8 年开展的科学基础、规划、设计、建造和运行理论与方法，设计应用、规划、 性能测试与评价方法与工具，全寿命经济学等开展了深入地研究，已经受到一 些单位的重视。r m s 技术可带来的经济效益有： 1 ) 先进制造系统，为产品并行设计提供可能； 2 ) 降低制造系统投资1 0 2 0 ，可重复利用已有或闲置的设备； 3 ) 以利用节假日快速完成新制造系统的建造，保证产品变换后较短的生 产导入时间； 4 ) 简化物流，减少再制作( w i p ) ，提高机床利用率5 1 0 ，提高产品 变换后产品的生产质量( 据美国在汽车装配线实践的经验是压缩装配 质量分散性1 3 左右，即使6 变为2 36 ) 。 1 2 3 可重组制造系统国内外发展的主要趋势 可重组制造作为一种适应环境变化的先进制造模式，被认为是2 0 年来最重 上海大学硕士学位论文 要的制造技术之一。目前其已经成为先进制造研究的热点之一，国内外已经从 可重组制造系统的不同方面进行了研究开发，取得了不少的研究成果。 在国外，可重组制造系统主要集中在质量管理领域的先进制造环境中的基 于w e b 的质量信息系统、质量计划工具质量功能配置、制造过程中的质 量保证和维护控制及质量和可靠性工程的计算机模拟等方面的研究1 2 1 。主要以 美国密执安大学r m s 课题组为中心，进行了“制造系统重组方式对系统性能的 影响”，“产品装配过程的变流理论与建模”等方面的研究，并以可重组的敏捷 制造为课题进行了广泛的企业培训，同3 0 个以上的企业进行以r m s e r c 为基 础的合作1 2 1 。与此同时，其它研究机构还分别对系统的设计、模块化机床设计 与制造、加工系统重组、机床模块应用的接口设计及机床坐标轴模块进行了研 究，并取得一定的研究成果。可重组制造系统已被列入六大挑战与十大关键技 术中，并居首位。可以说，目前国外对于r m s 技术的研究正如火如荼。 在国内，基于可重组制造模式下的质量保证系统研究还比较少，其研究成 果多数也只是对系统提出了功能结构的划分，构建了基本的概念框架，很少建 立起真正的成型系统或者只开发了若干功能的子系统。起步比较早的北京机床 研究所和清华大学，在“制造系统组态( 重组) 的研究”、“机床弹性支持的试 验研究”、“随机优化布置 、“质量监控与质量工程等基础性研究的基础上， 对r m s 的科学基础、规划、设计应用、建模及运行理论与方法、性能测试与评 价方法、工具等开展了深入地研究。上海交通大学的一些学者则对制造系统的 控制器进行了研究，提出以开放式控制器来进行低成本的改造思想，并建立了 开放式控制器的开发平台。西北工业大学提出了可重组制造系统设计的计算机 辅助方法，并详细地介绍了系统重组的仿真技术。此外还有众多学者参与到可 重组制造系统的研究中，概括起来，这些成就大致可归功于两项使能技术 ( e n a b l e dt e c h n o l o g y ) 的发展：一是开放式控制体系，另一个是模块化机床。 可重组制造系统在基础研究和应用研究的基础上开发实用技术和支持系统 工具，改变个别摸索或经验型为科学化、标准化技术与作业，并发展支持产品 和系统工具。在先进制造战略指导下，逐步建立完整的r m s 理论、设计与规划 方法、测试和评价方法与工具，使之与其它先进制造技术形成融合的第三技术 6 上海大学硕士学位论文 群。深入研究系统分解与集成制造和c i m s 等技术一起形成能建立和发挥系统 “乘积效果“的科学重组理论技术。在模块化理论指导下研究开发模块化的装 置、机床装备和产品。支持r m s 技术在产品、设备设计与建造和重复利用中的 应用。研究和开发支持r m s 的系统集成管理、订货化商务和生产运作管理，以 及r m s 小组组织与管理。 综上所述，近年来国内外对可重组制造系统的理论方法及相关系统的设计、 不同模块间的应用接口设计进行了理论性的研究，而对可重组制造在实际生产 线中的应用研究却很少。对可重组制造过程中的质量保证系统的研究也仅限于 目前现有的先进制造模式下的质量保证系统的研究。主要集中在注重面向过程 的质量管理、系统功能结构的划分、基本概念框架的构建，很少建立完整的成 型系统。或者仅对先进制造环境下产品质量的某一项进行研究，像在设计阶段 用于分解产品性能的质量功能配置方法、面向质量的设计方法( d f q ) 、用于过 程控制的统计过程控制( s p c ) 技术等。实际上，先进制造环境下的质量保证 应该覆盖从市场调研、设计开发、加工制造到售后服务等的先进制造质量环的 整个过程。然而由于各种原因，过去企业的各部门和各系统间的质量信息不够 通畅，影响了对产品质量控制的效率和效果。为适应现代企业生产经营方式的 发展，质量管理信息的处理向集成化和信息化方向发展是必然的趋势。因此， 本课题将紧密结合企业的实际状况，运用可重组技术，对电机生产线进行可重 组改造及如何实现基于网络的、可重组制造环境下的质量保证进行研究。 1 3 可重组制造系统研究的目的及意义 随着社会进步和生活水平的提高，市场需要具有特色、符合顾客个人要求 样式和功能的产品。传统的制造系统显然不能满足市场对多品种小批量产品的 需求，九十年代开始有人提出可重组制造系统，这种具有可变结构特征的可重 组制造系统因其以低成本和短周期来重组系统而正越来越受到各国研究学者和 工程技术人员的关注，希望以此适应大规模定制、个性化产品、市场快速变化 等一系列全球化的激烈竞争。可重组制造系统作为新一代制造系统研究的热点， 它与传统的刚性流水线、柔性流水线比较，其研究的必要性主要体现在： 1 ) 基本架构：固定流水线力i - r _ 只针对单个产品进行加工：柔性生产线一 上海大学硕士学位论文 般设计多条生产线，加工每一族零件需设计一条与该族零件对应的固 定通用生产线；可重组生产线可实现只设计一条有一定冗余量的可重 组生产线，节省空间并实施混流生产。 2 ) 利用率：柔性制造系统虽然具有广泛使用的特性，但很多购买了柔性 制造系统的企业对柔性制造系统并不满意，主要原因是柔性制造系统 的高成本、高投入和高价格。组成柔性制造系统和c n c 机床并不针对 某种零件而设计，因此在设计和建造的机床上嵌入了很多可能的功能， 造成了冗余生产功能的浪费、购买价格和投入成本的增高。可重组制 造系统基于多个零件族进行设计，对零件族中所有种类的零件提供定 制柔性，而且构建了具有可调整性的结构，在系统层次上通过调整设 备和控制信息进行重构。 3 ) 生产能力生产功能：柔性制造系统基于所有可用柔性和功能而构 建，这些特点的充分发挥和实现基于有限生产能力的实现，其显著特 点就是“先设计后使用 。可重组制造系统一定程度上可弥补柔性制造 系统的不足，因为它的生产能力和生产功能可按需要增加、减少和调 整。可重组生产线还可以超出柔性生产线的限定范围产品族分界 线，在不同产品族内演化。 国内汽车工业与发达国家一样，是先进制造方式的发源地。早在上世纪8 0 年代，中国汽车工业开始向发达国家汽车工业系统地学习先进的生产方式和制 造方式，一些主要生产厂在一些工艺流程和产品制造中，尝试柔性制造，初步 积累了经验。现在，将可重组制造系统理论应用于汽车制造业，无疑会给它带 来新的商机、新的生命。 目前，我国汽车工业经过5 0 多年的建设，特别是“八五、“九五”期间的 快速发展，已经形成了一个比较完整的工业体系，“十五 期间随着国民经济持 续发展和一系列政策的颁布实施，为汽车产业创造了良好的发展环境，我国汽 车工业实现了历史性的跨越。到现在为止，我们汽车工业发展现状表现在以下 几个方面： ( 1 ) 汽车产量高速增长，投资规模继续扩大，形成了具有一定规模的产业 上海大学硕士学位论文 基础： ( 2 ) 汽车需求快速增长，消费结构有了明显的变化，潜力巨大的汽车市场 初步形成； ( 3 ) 汽车产品结构趋于合理，基本满足市场的需求； ( 4 ) 产业组织结构进一步优化，重点骨干企业在产业发展中的主导作用更 加明显： ( 5 ) 汽车产品的出口成效显著，产业国际化进程进一步提高； ( 6 ) 制造技术和管理水平稳步提升。 我国汽车工业在快速发展的同时也存在着一些比较明显的问题，主要表现 在以下几个问题： ( 1 ) 产品的自主研发能力薄弱，缺乏自主品牌； ( 2 ) 与先进的汽车国家相比，我们产品技术水平差距还比较明显； ( 3 ) 汽车零部件技术基础还是比较弱； ( 4 ) 汽车产业后市场严重滞后于产业发展： ( 5 ) 车用能源、交通、环保和汽车工业快速发展的矛盾比较突出。 这些是汽车工业目前发展中的一些主要问题。 国内汽车电机生产线所面临的主要问题是： ( 1 ) 品种多、批量变化大，而且企业的生产过程信息化水平不是很高，企 业内部各部门之间、前后生产工序之间信息难以共享； ( 2 ) 人工参与因素太多，许多调整和决策都是靠人工来完成的，容易形成 纰漏，质量控制状态不稳定； ( 3 ) 生产控制系统缺乏柔性，由此造成的一个非常突出矛盾就是遇到突发 紧急订单时生产安排难以实现，产品质量不能得到有效保证。 因此，为了解决上述问题，有必要从生产方式和管理控制方式出发，对现 有生产线进行可重构改造，以满足市场需求的变化，同时提高产品质量。 但可重组制造环境对生产线和质量保证技术也提出了许多新的问题和新的 要求。质量方面的问题和要求主要有： ( 1 ) 建立在i n t e m e t 上的共享性和兼容性； 9 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 支持环境即插即用； ( 3 ) 可适应变化产品质量计划的“业务过程”； ( 4 ) 质量保证信息站点。 生产线方面的问题和要求主要有： ( 1 ) 快速响应：不同模块进行可重组的斜升时间要短。针对不同的生产计 划，加工生产线要能够快速的响应这一变化； ( 2 ) 加工过程稳定：生产柔性化的同时，由于工装夹具及其他相应模块的 重新组合变动，造成生产工艺过程不稳定、产品质量难以控制； ( 3 ) 保证产品质量： 目前，企业对产品质量的控制主要是采用事后检测分析的方法。这种方法 虽然从某种程度上也能保证产品质量，但是其响应时间较长，有可能造成生产 批与检验批完全脱节，而且对质量的控制也没能形成数字化。这样造成信息不 透明、生产信息不能及时反馈给管理部门，从而使得生产周期较长、效率不高。 针对上述问题并结合生产线的实际情况及目前的质量管理状况，提出将可 重组方式应用在电机行业，对现有电机生产线进行可重组改造。在此基础上建 立面向可重组制造的质量保证系统，从根本上保证了电机生产线可重组改造后 整个生产工艺过程的稳定，实现了可重组制造模式下的实时过程质量控制。从 而一方面能够及时发现系统的故障，对故障进行诊断、排除和报警。另一方面 能够在制造系统运行时，对由某些异常因素引起的产品质量已经下降，而系统 没有发生明显故障的情况，进行状态估计并给出响应对策，保证所生产产品的 质量。特别是对于动态的可重组制造模式，由于生产状态的经常变化，建立相 应的质量保证机制则显得尤为重要。通过实施生产线的可重组改造及生产过程 的实时质量控制，建立起面向可重组制造过程的质量保证系统对于提高整个制 造业水平，充分发挥可重组制造模式的灵活、适应变化快的优势具有非常重要 的意义。 1 4 论文的主要研究内容 为了解决汽车电机生产线的柔性与生产率的矛盾，在开发适应订单生产方 式的可重组汽车电机生产线过程中，本课题研究的主要内容是对汽车电机转子 1 0 上海大学硕士学位论文 生产线中关键工位电机转子出轴端的误差检测与校直进行可重组改造。根 据生产状态的变动，通过改造关键工位，构建信息系统，实现对生产过程的实 时质量控制，从而配合可重组系统的控制系统构成可重组电机生产线，以确保 电机生产的产品种类快速变换，保质保量地完成客户的订单。主要研究的内容 如下： 1 ) 通过对可重组技术的研究和生产线技术需求详细分析，将可重组技术 应用于生产线加工系统的各组成部分； 2 ) 通过分析舒航电器分公司的电机生产线现状和需求，给出了可重组电 机生产线的总体设计及改造方案：具体通过对硬件、工装、装备及质 量控制方面的改造，把生产线设计成可根据产品的品种和批量进行重 新构型的生产线。在此基础上提出了获得完整质量数据信息的规范化 设计方法( 质保工艺、过程数据采集方法等) ，并给出了可重组制造质 量保证系统的总体方案； 3 ) 在对转子出轴端误差进行检测和分析的基础上，建立算法模型、确定 校直量。从而为整个生产线的面向可重组的改造奠定了基础； 4 ) 根据上面章节的分析论证，对生产线可重组改造从关键技术解决方面 进行了详细介绍，主要是对校直工位的可重组改造。研制电机转子出 轴端校直机并介绍其结构和工作原理； 5 ) 论文总结：主要是对本论文作一个总结，并对以后的研究作了一个展 望。 全文的整体结构如图1 1 所示： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 l jl 7 第二章可重组电机生产线及可重组加工系统8 之乡 l 第三章可重组电机生产线系统总体方案 l 妙 第四章电机转轴的误差测试与校直关键技术研究8 。i7之乡 第五章电机转子出轴端校直机研制 8 jl 7 第六章总结与展望8 图卜1 本论文整体结构示意图 上海大学硕士学位论文 第二章可重组电机生产线及可重组加工系统 2 1 前言 可重组制造系统( r m s ) 一般由可重组加工系统、可重组物流系统和可重 组控制系统组成。可重组加工系统是可重组制造系统的执行系统，是整个系统 物流和信息流集中交汇点，也是产品及产品质量最终形成的地方，可重组加工 系统的成功设计是整个可重组制造系统的保障。 2 2 可重组电机生产线总体框架研究 2 2 1 可重组需求分析 市场需求的变化是整个制造系统发展的动力，多品种、变批量生产；大规 模定制产品生产；生产过程的多种随机因素正是汽车电机生产的特点。目前， 在汽车及相关零部件制造行业中，为满足多个用户的需求，每一条生产线都设 计成能生产至少几十种的产品，如汽车行业2 0 0 4 年上市的全新和改进轿车车型 至少有5 0 多种，而每种车型的零部件无论是性能或外观、材料、安装尺寸都有 所不同，订单根据市场变化快速调整，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一定批量生产的新型制造系 统。企业根据自身的实际情况，利用可重组制造系统的概念和相关技术对电机 生产过程进行相应的重新规划、设计、实施和运作，提高生产线的重组能力， 以满足不断变化的市场需求。 2 2 2 可重组技术分析 制造系统的可重组性是指i 1 i ：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、裁剪、嵌套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的输出( 产出) 量，迅速响应市场变化的能力。 上海大学硕士学位论文 制造系统的可重组性可分为如图2 1 所示的层次。 可重组制造系统广义r m s 信息平台重组( 计算机网络硬件平台软件平台) 内部组织重组 组织单元内重组 自组织 自优化 自相似 组织单元间重组 产品重组 变形设计 多构形设计 再利用设计 厂 k 乡阜1 叶 | r 厂 产 2 、 i 过程重组 技术准备 生产计划 作业计划 物流需求 加工装配 可重组制造系 统狭义r m s 加工系统重构 物流系统重构 控制系统重构 系统级、设备级、部件级、 创新型、改进型 图2 - 1 制造系统的可重组性层次 可重组制造系统( r m s ) 的三个子系统通过管理人员的有机结合，构成r m s 的物料流、能量流和信息流。针对汽车电机生产线，r m s 的系统结构如图2 2 所示。 1 4 9 、弓，：景i 巨厂吾 上海大学硕士学位论文 图2 2 r m s 的系统结构 可重组控制系统用于快速响应各种变化，及时调整生产线的物理组成及运 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，使系统中 的各个子系统间的信息有效、合理地流动，从而保证r m s 系统功能有条不紊 的工作。 可重组加工系统在可重组控制系统的指导下，根据不同订单，转换为可完 成新任务的可重组执行系统，加工系统通过控制系统的作用与物流系统相关联。 可重组物流系统与加工系统的构形、运行直接相关，主要用于建立加工设 备间的联系，在生产线运行过程中一直处于进行随机调整的工作状态。 可重组制造系统具有高度的复杂性，具体表现为：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，而且要进行制定生产计划的 混流分批、系统规划、生产线建模、生产资料的重组和重组后系统性能评价等 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，从而完成对控 制和管理系统、加工系统、物流系统的控制。 2 3 可重组生产线总体构架及设计 可重组制造系统的设计及集成应遵循以下原则： 上海大学硕士学位论文 原则1 ：满足r m s 中组元的模块化、集成化和各系统间的互操作性。 原则2 ：r m s 提供的服务应具备可重用、可重组、可扩展性、快速转换性。 原则3 ：r m s 自身应具有可诊断性。 原则4 ：r m s 的组态变化、组元升级都基于费用最小化。 原则5 ：采用标准化技术，符合国际标准。 结合上述原则，从系统设计、系统运行和系统监控三个层面的不同需求给 出可重组制造系统的技术需求及对应的关键技术： 1 ) 可重组制造系统进行设计、规划的需求：布局规划与优化技术、系统建 模技术。 2 ) 生产资料进行可重组设计的需求：可重组机床设计技术、模块化控制器 技术。 3 ) 对可重组制造系统生产调度的需求：可拼接物流技术。 4 ) 对可重组制造系统进行过程集成与管理的需求：构件集成和整合技术。 结合可重组系统和汽车电机生产线的特点，需要进行设计的可重组生产线 应具备：该转子生产线能够基于现有生产条件下，通过转子加工设备自身变化 ( 即工装的快速装卸和设备部分构件的快速更替) 以及加工设备间联系变化( 即物 流路线的改变) ，从而达到根据计划订单的变化，通过车间控制系统快速调整转 子生产过程和生产能力，实现稳定的产品质量和低的重构成本的能力。结合舒 航分公司和汽车电机生产的工艺特点，可重组生产线根据不同产品的工艺变化， 通过组态控制系统将生产任务和组态信息下达到生产线，生产线通过加工设备 工装的快速重组以及物流系统的流程快速改变( 如运输小车的行车路线、工装 库的管理) 实现加工系统和物流系统的重组，并将加工过程信息实时反馈到组 态控制系统，进行数据分析和处理。 可重组电机生产线系统分三个子系统：生产线物流系统、生产线控制系统、 生产线加工系统。 2 3 1 可重组电机生产线控制系统 基于组态技术的控制系统应用于汽车电机生产线，除了能实现根据市场变 化对电机生产线设备及其加工辅助设备进行更替、调整以及扩充形成新的生产 1 6 上海大学硕士学位论文 能力和生产功能外，还能确定电机生产线上可调整的组元，按一定的调整、优 化策略实现组态控制。组态控制方式打破了传统的刚性生产线控制模式，可由 用户自己定制特定的控制状态，调整组态和升级组元，极大地提高了系统的柔 性和可重组性。可重组电机生产线的控制系统流程如图2 3 所示。 广1 软件系统需要完成的工作： l 生产计划卜l i _ 1 、生产线建模 2 、利用组态软件控制生产设备 一 3 、生产信息的反馈 软件系统依靠 硬件平台的支 持来实现信息 流通 可重组对车间控制部分软件系统的要求： l 、根据生产计划，能够快速调整加工系统和物流系统 2 、通过反馈信息，及时微调加工系统和物流系统 可重组对车间控制部分系统的要求： 1 、为软件部分的信息流动提供相应平台 2 、考虑未来增加的电缆接头 3 、必须和加工设备的控制部分相连接，才能传送指令 硬件系统需要完成的工作： l 、建立网络硬件连接，搭建网络平台 2 、预留相应的电缆接头3 、加工设备有控制接口 软件系统的生产指令通过硬件平 台以及加工设备的控制部分、物 流系统的指示部分传送到加工系 统和物流系统 加工系统、物流系统的反馈数据 通过硬件平台传回控制系统 可重组控制系统 输出至可重组加 工系统的信号具 体到：提供加工 设备的名称及使 用参数、加工设 备的具体工装及 参数调整方法、 具体工序检测方 式的选择、具体 工序的生产节拍 等。 从可重组控制系 统输出至可重组 物流系统的信号 具体到：提供小 车数量和行车路 线、原料规格、 上下料位置、工 作缓冲大小和位 置、堆放区大 小、输送带路线 和节拍。 图2 3 可重组电机生产线控制系统流程图 可重组 加工系 统反馈 至可重 组控制 系统的 信号具 体到： 完成数 量、质 量情况 等。 可重组转子生产线的控制部分分为三个层次，工厂管理层、车间监控层和 现场设备层。 1 7 上海大学硕士学位论文 1 ) 工厂管理层：车间监控机可通过交换机与车间办公室管理网连接，将转 子生产相关数据送到车间管理层。车间管理网是工厂主网的一个子网。 子网通过交换