快速重组制造系统 - 文章

快速重组制造系统

作者：罗振璧　盛伯浩　赵晓波　赵宏林　刘阶萍　

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1　未来制造的第一项关键技术——快速重组制造系统

20世纪80年代末至90年代中，制造企业面临顾客需求驱动、不可预测、快速多变和来自全球不断增强的市场竞争，且竞争不断加剧。这些变化要求实现经济、技术和社会的一种新的平衡［1］。在未来20年，为了迎接挑战，企业应该注视下述基本变化：

(1)在灵捷制造等先进制造战略的推动下，各国正在进行制造产业结构和企业结构的调整。企业获取和保持生存与发展的竞争力是由多因素整合，并随竞争的主要因素决定的，这些因素主要有交货期（T）、质量/功能/性能（Q）、成本/效益/价格（C）、服务（S）和对环境的影响（E）。

(2)政府有关安全性、市场运行和环境的政策、法律、法规的及时调整，使企业面对一个更多变化的市场环境。

(3)为了适应市场的变化、利用变化和引导变化，以及利用知识和服务使物质产品迅速地增值，企业将频繁地引入改进与(或)创新产品的生产，加速了产品设计开发和制造系统快速的调整。研究证明，实现企业、产品、制造系统、机床设备及其部件和过程的可重组性（reconfigurability）成为未来制造的挑战和第一项关键技术，因此，制造系统快速重组的研究、开发和应用应尽快列入日程［1～3］。

(4)多变的需求和订货化推动企业越来越多地采取混流生产流程，进一步推动制造系统向快速重组的方向发展。

(5)基于系统论的以制造过程的研究开发（R&D）、规划、设计、控制和管理为主要研究对象的过程工程成为我国制造企业获得快速反应能力最迫切、最有效的关键实现（使能）技术。它也是可重组性实现的支撑技术［3］。

综上所述，未来的制造要求企业实现可重组企业和可重组产品，并采用RRMS和先进的过程工程技术等关键技术。

2　制造系统的发展

几类制造系统与RRMS的对比见表1。表1中过程可变性指制造工艺过程的变化能力；功能可变性指制造（加工、处理）功能的变化能力；可缩放性指制造生产能力（产量）的可扩展与压缩能力。但是我们应该清醒地认识到，近几年和未来几年内，RRMS主要以系统级的重组用于生产实践中，因此，要尽早探索RRMS的科学基础和特征，积极开展RRMS的研究、开发和应用。

表1　制造系统的比较

为了消除不断迅速变化的需求对企业造成的冲击，一些先进的企业在实践中创造了按产品变换的要求重组制造系统的原型与方法，并很快得到更多的企业采用［4］。同时，为了跟踪新效应、新工艺、新过程、新方法、新材料、新器材和新的功能零部件的不断发现、创新与改进推动的产品改进或创新，企业迫切要求研究和开发可重组制造系统。1977年日本开始利用激光的复杂柔性制造系统的研究与开发。同时他们进行了任务驱动的模块化装配FMC的研究课题。进入20世纪90年代，欧洲委员会在《欧洲机床工业的现况与未来》中明确提出按自治功能单元划分模块进行模块化机床设计与制造，并开展模块生产的专业化协作。此外，由汉诺威大学领衔开展了《先进机床模块化综合》项目研究，明确按顾客规定的模块进行机床的重组。斯图加特大学等还对加工系统重组、机床模块应用的接口设计及机床坐标轴模块进行了研究。1996年密执安大学工程研究中心（ERC）在NSF和25家公司资助下，开展了重组制造系统（RMS）项目的研究，主要针对缩短RMS设计建造时间、可重组机床与控制器的设计、压缩系统重组后达到正常运行的过渡时间——斜升时间（ramp-up time）三方面进行［1］。在相关基础研究的支持下，1998年我国国家自然科学基金委员会资助开展RRMS的重点项目研究［2］。

3　快速重组制造系统的科学原理、理论和方法

3.1　可重组性及其科学基础

可重组或重组表达可重新组态或重新布置等含义。可重组性指的是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的输出（产出）量，迅速响应市场变化的能力。它使企业灵捷化，获取新系统、新产品、新制造过程、新制造功能或新制造生产能力。因此，可重组性是实施灵捷制造等先进制造战略，增强企业竞争力和实现TQC统一的手段。具有可重组性的企业称为可重组企业（roconfigurable company），有可重组性的产品、制造系统或机床设备及其部件称为可重组产品、可重组制造系统或可重组机床（机器）与可重组部件等。这一概念可用于多个系统层次。如果我们把20世纪50年代出现的成组技术（group technology）和以后发展的零件族（组）成组分类、组合机床、成组工艺，以及以它为基础发展起来的FMS、CIMS和单元制造（cellular mfg.）中的共性称为成组性或组合性的话，其本质是物理相似性和几何相似性，而可重组性是组合性的拓展，并与之有质的区别。可重组性不仅考虑了物理与几何相似性，而且还考虑了几何/物理相似性、生物学相似性、化学相似性等拓扑性。但可重组性的本质不仅是基于组合拓扑（combinatorial topology）、组合设计和群论（group theory）概念的广义相似性，而且引入了一种极重要的系统的特征——接口（界面）整合（consistence），实现系统集成的“相乘效果”。另一方面，由于产生于20世纪50年代的成组技术内涵的局限性，不可能完全适应今天和未来制造的市场需求，如组合机床虽然在设计与制造上实现了组合化，但使用时仍然按专用机床利用。因为它没有考虑广义的相似性和分解后的单元（或模块）间的接口性，未能在设计制造时解决相关问题，故无法保证寿命期内使用的重组性。目前的机床或产品，几乎都是没有可重组性的，因此，只要市场需求有变化就会导致大量老机床、设备、机器和老产品报废，根本谈不上重复利用。这是工业化造成大量资源和能源浪费的重要原因。同样，在成组技术指导下的FMS或单元制造也只能对为数较少的同族（组）零件加工有效。所以，研究、开发和应用可重组性是未来制造的重大关键技术，也是时代对制造企业的重大挑战［3］。不言而喻，产品的改进与创新、制造与系统和工具及其它辅助系统的可变性和革新，无一不与可重组性关联。可以肯定地讲，仅仅基于成组技术和现有设计知识的网络制造也不能适应未来的制造。所以，可重组性的科学基础是基于数学中的拓扑学、群论与组合设计，以及基于广义相似性的系统组态划分与集成。

3.2　快速重组制造系统的内涵

在1999年的CIRP年会上，美国Michgon大学的Koren教授等，第三次正式定义可重组制造系统（RMS）：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［1］。每次重新定义都表示了研究的深化。1998年我们根据研究的进展将RRMS定义为一种能按市场需求变化，以重排、重复利用，革新元素或子系统方式可快速调整制造过程、功能和生产能力的可变集合的制造系统［5］。在深入研究的基础上1999年对上述定义作了修订，即一种能按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子系统的方式，实现低的重组成本，短的设计建造时间和斜升时间，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［2］。2种定义的核心差别有三：①后者没限定只在成组分类的一个零件族内，而限定在规划与设计规定范围内；②后者强调制造系统的重组是产品及其工艺的变化驱动的，使RRMS的规划建立在革新了的CAPP基础上；③在实施RMS上，前者要求在可重组机床基础上的重组，后者首先肯定对系统级的重组，即不一定等到研究开发出可重组机床后才实施RRMS。因为可重组机床的研究中一个重大的问题是，如何按广义相似性、接口性和交互作用进行最优设计、制造和使用，它们的解决绝非易事，尚待研究、开发和推广应用后才有普遍意义。

可以对RRMS进行如下分类：

（1）按重组的系统层次分　①制造系统的快速重组，含生产线、传送系统或制造单元的生产能力，制造过程和功能的快速重组；②设备级的快速重组；③子系统或部件级快速重组，含各种功能部件、组件与工具、其它刀具与辅助系统的重组。
（2）按硬软件分　①硬件系统及其组元的重组；②软件系统及其组元的重组。
(3)按生物系统原理分　①代进化（evolution）RRMS，又称改进型RRMS；②代革新（innovation）RRMS，又称创新型RRMS。

3.3　变流理论与斜升时间

产品是市场需求的函数，而制造系统、设备和工具的规划、设计或选择又是产品及其制造过程设计的函数。换言之，制造系统是市场需求的泛函，因此，制造过程中的物流既是市场需求的泛函，也是产品生产过程的函数，描述产品和制造过程变换的流动原理称为变流理论（the stream-of-variation theory）。在轿车车身的装配中，它由零件-组件-整个车身逐步汇流而成。文献［6］对之作了详细的研究，但对一般意义上制造产品的流动，研究得不多。现在倾向于利用变长、变宽和变深的物流河理论描述，称这种以随产品及其制造过程设计、生产线布置、运转周期和组织管理等变化的河长，随产品与过程设计、投产批量和订单变化的河宽，随生产策略（如排队、存储等）、程序和辅助运作（如清洗、标记、检测等）变化的河深3个变量决定物料流流速及流出（产出）量的理论为变流理论。虽然它与江河不同期段和不同季节（雨季与旱季）的流动有相似之处，但它们间质的区别在于物流河内品种和批量是变化的。所以，物流河既可描述从零部件到产品装配的过程，又可描述变品种和变批量的各种制造过程中的物料流。研究变流理论的目的在于及时检测、控制物流河，使物流系统新建、重组后快速达到和保持系统运行性能的技术经济指标。变流理论包容了著名的物流河瓶颈约束理论（TOC）和JIT流方式。

所谓斜升时间，指的是新建或重组制造系统运行开始后达到规划或设计规定的质量、运转时间和成本的过渡时间。它是制造系统重组可行性的一个重要性能测度指标。它必须通过变流理论指导下的过程工程、过程技术与知识、监视与诊断和因果分析，以及机床（自）诊断与（自）校准系统降低斜升时间，快速调整、控制重组后的系统运行性能。为此，我们研究了系统可诊断性、可诊断性设计（DFD）和过程工程。

3.4　快速重组制造系统的设计原理

（1）系统设计　为了缩短重组制造系统的设计与规划布置时间，必须建立一整套的制造系统重组设计理论、方法及工具。为此，我们研究了如下内容：①制造系统重组的系统设计理论，它主要是基于Suh N.P.的公理设计理论和并行工程的可重组制造及其判别定理和DFM［7］；②可诊断性设计（DFD）［8］；③基于随机过程理论的系统运行与布置理论［9］；④零件工艺驱动的系统规划布置理论，组态式柔性制造单元的结构体系［2］并利用CAD技术进行支撑工具的研究开发；⑤产品创新设计的研究，以支持产品过程驱动的RRMS的设计与规划［9，10］。在系统设计中最有意义的研究是接口界面接触静动力学和热阻物理特征的研究。这一研究成果已经以软件形式应用于我国机床的设计，特别是加工中心和五坐标机床整机性能的分析与预测。

（2）可重组设备设计　机床等设备的设计已是传统的技术，但要实现机床设计重组，必须解决以下问题：①基于广义相似性的模块划分和整合集成；②基于模块间接口性能测试和分析的接触物理与几何/物理性能分析与预测；③整机物理、几何和误差性能的系统测试、预测和控制。为此应开展以下研究：①基于系统性的广义相似性理论及其与用户需求的关系；②在接口界面静动态力学与热物理性能研究基础上的静动态综合误差和误差流的研究；③建立重组机床/重组机器设计理论、方法和CAX与DFX工具。这些研究中处处充满创新，同时也处处充满艰辛，决定性的是尽早规划和实施基础研究，并尽早将我国机床或机器设备制造企业按这些研究成果进行高质、低成本、快交货和少无污染的模块专业化生产。如果错过了这一良机，我们未来的机床乃至整个制造企业将无法同先进国家的企业进行竞争

（3）机床设备可移动性研究　我们的研究证明，不是所有的现行机床和设备都适合重新组态布置要求。首先，重组将要求公共地基。其次，可以快速重组的机床设备必须能保证可以搬运，并在简单支撑下保证运行性能稳定。为此，我们研究了整机性能测度参数及其快速测定法，如基于振动测量的刀具/工件相对振动振幅测定、系统可诊断性与可诊断设计的测度参数集合等［11］。最后，应该在上述研究基础上对机床（器）设计进行各部分重心分布的设计与接口件设计，以保证在重组过程与状态下整机的设计性能。

3.5　柔性夹具设计原理

夹具的快速设计与制造，已经成为产品快速变换和制造系统新建或重组后运行的瓶颈，严重地影响制造系统的设计建造周期、系统生产率、质量和成本。正在研究和开发的是基于CAD技术的柔性夹具的设计和各种相关的分析与校核。它不同于组合夹具的CAFD之处是，它不仅能用于标准的组合夹具中，而且也能用于通/专用夹具的CAFD中。型夹具在汽车、摩托车、缝纫机和计算机行业中得到广泛应用。实践证明利用这种软件可以节约专用夹具设计时间3/4［12］。

3.6　有可缩放制造能力的制造系统设计

我们开展了组态式柔性制造单元原型的研究，并用于某重型汽车重号制造系统的设计中，取得了较好的效果。特别应该指出的是，它更适合发展型企业和产量较大变化的企业使用［2］。

4　制造系统和制造单元重组的工业应用

我国机械工厂于1996年开始实施重组，如山东某厂每年按订单重组生产线8次，而江苏某计算机组件制造厂根据周计划可以随时在8 h内完成CNC加工中心组成的制造系统重组，最短的重组周期达到24 h，或更短时间。RMS已成为国内外先进制造企业压缩产品变换引起的设备系统投资，缩短新产品制造系统设计、建造的周期和斜升时间，增强企业市场变化适应力的有效手段。

清华大学将人工智能原理应用于CAD系统中，对制造单元的布置设计进行系统设计（概念布置设计、初步与详细布置设计）和计算机仿真，并把它用于汽车减振器焊接与装配线、汽车燃油泵的制造单元重组，取得较好效果，如焊接单元重组后使占地面积压缩了63.6%，作业人员减少36.4%，人均生产率提高了190%，减少设备台数50%，减少投资52.2%［13］。可见，系统级的重组在我国有广阔的应用前景。

基金项目：国家自然科学基金重点项目资助（59735100）

作者简介：罗振璧，男，1939年生。清华大学(北京市　100084)精密仪器与机械学系教授、博士研究生导师。主要从事机械工程、工业工程的教学与科研工作。完成多项国家科技攻关和国家自然科学基金课题，1988年与1990年分获国家发明二等奖与四等奖。获发明专利5项。发表论文120篇。盛伯浩，男，1934年生。北京机床研究所(北京市　101512)副总工程师、教授、博士研究生导师。赵晓波，男，1962年生。清华大学精密仪器与机械学系副教授、博士后研究人员。赵宏林，男，1962年生。北京机床研究所高级工程师。刘阶萍，女，1974年生。清华大学精密仪器与机械学系博士研究生。蒋任重，男，1978年生。清华大学精密仪器与机械学系博士研究生。

参考文献：

［1］　Koren Y.Reconfigurable Manufacturing Systems. Annals of the CIRP，1999，48(2)：1～14
［2］　盛伯浩，罗振璧.快速重组制造系统动态建模和结构体系.中国机械工程，1999，10(9)：1055～1060
［3］　罗振璧，融亦鸣，张书练等.未来的制造和过程工程.制造业设计技术，2000(1):7～9
［4］　罗振璧，周兆英.灵捷制造.济南：济南山东教育出版社，1996：1～16
［5］　罗振璧，盛伯浩.制造及其系统的创新与管理的发展.工业工程，1999,2(1)：5～8
［6］　HU S J.Stream of Variation Theory for Automotive Body Assembly. Annals of the CIRP，1997，46(1)：1～4
［7］　罗振璧.一种集成可制造性设计（DFM）和过程控制的技术.制造自动化，1999，21(增刊)：196～200
［8］　刘阶萍.制造系统可诊断性设计（DFD）的研究.制造自动化，1999，21(增刊)：210～206
［9］　罗振璧.产品创新工程——新产品设计与开发的一场革命.见：第8届全国生产工程学术大会论文集.北京：机械工业出版社，1999：24～31
［10］　张鸣，赵晓波，罗振璧等.可重组柔性制造系统中的最优工件运送策略.清华大学学报，1999，39(8)：41～44
［11］　蒋任重.快速可重组制造系统的理论研究：〔博士学位论文〕.北京：清华大学，1998.
［12］　朱耀祥，融亦鸣.柔性夹具与计算机辅助夹具设计技术的发展.见：全国生产工程第8届学术大会论文集.北京：机械工业出版社，1999：204～209
［13］　段晓丰，赵六奇，朱耀祥.基于精益生产的制造单元重组设计.工业工程，1998，1(4)：40～44
(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/15/2004)


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