第三章先進制造模式可重構制造系統(tǒng)

先進制造系統(tǒng)第1章先進制造系統(tǒng)總論第2章先進制造系統(tǒng)基本原理第3章先進制造模式第4章先進設計技術第5章先進制造裝備及技術

第6章先進制造工藝技術第7章綠色設計與制造第8章典型產(chǎn)品的制造系統(tǒng)第9章制造系統(tǒng)展望∨∧第3章提要∨∧本章先進制造模式（AMM）是全書的重點內容。每一種制造模式都從屬于相應的制造系統(tǒng)，并與相關的制造技術相互交織和相互作用。如果把制造技術比作制造系統(tǒng)的骨骼（硬件）和肌肉（軟件），那么，制造模式就是制造系統(tǒng)的靈魂（哲理的反映）和神經(jīng)（運行的規(guī)律）。第3章提要本章首先闡述了制造模式的類型和作用；然后著重從發(fā)展、原理和案例三個方面來介紹目前比較典型的AMM：并行工程（CE）、敏捷制造（AM）、可重構制造（RM）、大量定制（MC）、網(wǎng)絡化制造（NM）、成組技術（GT）、精益生產(chǎn)（LP）、計算機集成制造（CIM）、虛擬制造（VM）和智能制造（IM）；最后分析了一些AMM的聯(lián)系與區(qū)別。本章介紹的AMM突出了敏捷性和精益性，它們能夠在效率和有效性兩方面產(chǎn)生顯著作用。還有一些非常重要的AMM，如柔性制造（FM）、綠色制造（GM）、微納制造（MM）和生物制造（BM）等，將在后續(xù)各章中介紹?！拧摹牡?章先進制造模式3.1制造模式的類型與作用3.2并行工程（CE）3.3敏捷制造（AM）3.4可重構制造（RM）3.5大量定制（MC）3.6成組技術（GT）∨3.7精益生產(chǎn)（LP）

3.8計算機集成制造（CIM）3.9虛擬制造（VM）3.10網(wǎng)絡化制造（NM） 3.11智能制造（IM）3.12幾種制造模式的比較(2)信息化制造模式

目前主要是通過制造資源計劃（MRPⅡ）或企業(yè)資源計劃（ERP）來支持。信息化制造、MRPⅡ和ERP已在第2章介紹。作為一種制造模式，它的基本思想是：基于企業(yè)經(jīng)營目標制定生產(chǎn)計劃，圍繞物料轉換組織制造資源，實現(xiàn)按需要按時進行生產(chǎn)。

3.1.1制造模式的類型2.按信息流和物流運動方向分類∨∧(2)信息化制造模式

MRPⅡ的核心是將庫存管理和生產(chǎn)進度計劃綜合考慮，根據(jù)需求將生產(chǎn)指令同時下達給每個工序，需求與實際生產(chǎn)數(shù)量不同，工序間通過庫存作為緩存來應付突發(fā)事件，見圖3-3。它的產(chǎn)品生產(chǎn)按預先制定的生產(chǎn)計劃進行。當一道工序加工完后，工件被送到指定的地點等待加工下一道工序，這時工件實際上處于在制品庫存狀態(tài)。從原材料開始被加工到最后成品的整個過程，原材料和在制品是按一定生產(chǎn)計劃和工藝規(guī)程被推向成品狀態(tài)。其缺點是會造成庫存過?；蛟谥破贰⒃牧蠠o法保證供應。3.1.1制造模式的類型2.按信息流和物流運動方向分類∨∧

信息流物料流圖3-3MRPⅡ推動式生產(chǎn)方式庫存實際需求數(shù)量庫存生產(chǎn)計劃生產(chǎn)進度表生產(chǎn)指令生產(chǎn)指令生產(chǎn)指令工序1工序2工序3庫存3.1.1制造模式的類型2.按信息流和物流運動方向分類∨∧(2)信息化制造模式在資源管理范圍上，MRPⅡ側重于企業(yè)內的資源管理，ERP擴展到了整個供應鏈的制造資源；在生產(chǎn)方式管理上，MRPⅡ適用于離散型制造系統(tǒng)的幾種典型生產(chǎn)方式，如規(guī)模生產(chǎn)、重復生產(chǎn)、按庫存生產(chǎn)、按訂單生產(chǎn)、按訂單裝配等，ERP實現(xiàn)MRP與JIT相結合支持混合型生產(chǎn)方式的管理；在事務處理控制方面，MRPⅡ一般只能實現(xiàn)事中控制，ERP強調事前控制能力。

3.1.1制造模式的類型2.按信息流和物流運動方向分類∨∧3.4.1RM的發(fā)展

制造系統(tǒng)研制周期長已成為制造系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。系統(tǒng)研制周期的縮短可通過對其模塊化的構件進行快速設計和對已有制造系統(tǒng)進行重構來實現(xiàn)。1996年，美國密執(zhí)安（Michigan）大學工程研究中心（ERC）在美國國家科學基金會（NSF）和25家公司資助下開展了有關可重構制造系統(tǒng)（ReconfigurableManufacturingSystem，RMS）的研究。1997年，Y.Koren、U.Heisel等人首次正式提出RMS的概念。美國國家研究委員會（NRC）于1998年在《2020年制造挑戰(zhàn)的設想》的報告中明確地將RMS列入6大挑戰(zhàn)與10大關鍵技術中，而且RMS名列10大關鍵技術之首?！拧?.4.1RM的發(fā)展從1997年起，我國在國家自然科學基金和“十五”863計劃基金資助下，對RMS的理論及方法進行了研究。我國在跟蹤學習國外先進制造模式研究成果的基礎上，取得了一定研究成果。清華大學及北京機床研究所研究了快速可重構制造系統(tǒng)的科學原理和建模；中科院沈陽自動化研究所研究了重構理論與方法；華中科技大學研究了可重構制造系統(tǒng)資源；南京航空航天大學研究了可重構制造機床。許多企業(yè)失敗破產(chǎn)的原因就是其內部變革的步伐跟不上環(huán)境的變化。我國機械工廠于1996年開始實施重構：山東某廠每年按訂單重構生產(chǎn)線8次。江蘇某計算機組件制造廠根據(jù)周計劃可以隨時在8小時內完成CNC加工中心組成的制造系統(tǒng)重構，最短的重構周期達到24小時或更短?！拧?.4.2RM的原理∨1.重構的概念2.制造系統(tǒng)的可重構性

3.RMS的定義與特性4.RMS的組成與類型5.RMS的支撐技術∧3.4.2RM的原理1.重構的概念

系統(tǒng)構形：是指系統(tǒng)在給定條件下的一個確定的物理形態(tài)或抽象概念模式。任何系統(tǒng)都呈現(xiàn)一個臨時性固定狀態(tài)，即表現(xiàn)出一種構形。構形是系統(tǒng)進化軌跡上的一個突變點。構形包括由其所有構件組成的整體集合、構件的屬性和構件間的空間、時間、功能和邏輯關系等內容。

系統(tǒng)重構（Reconfiguration）：也稱為重組或重配置，是系統(tǒng)從一種構形向另一種構形的轉移。它是系統(tǒng)生存和發(fā)展的基本手段。能夠進行構形變化的系統(tǒng)稱為可重構系統(tǒng)，而系統(tǒng)進行可重構的能力稱為可重構性（Reconfigurability）?！摹?.4.2RM的原理

“重構”與“重組”：嚴格地說，“重構”的內涵比“重組”寬泛一些。重構指重新構造系統(tǒng)的結構及重新組合系統(tǒng)的功能，可能需要從系統(tǒng)外引入新的構件，或從系統(tǒng)中移出已有構件，或用一個構件替換另一個構件（物理重構），或保持己有系統(tǒng)構件不變而改變生產(chǎn)作業(yè)計劃（邏輯重構）；而重組指重新組合，一般僅在系統(tǒng)原有構件的基礎上進行，不必從系統(tǒng)外引入新的構件。另外，把“重構”稱為“重組”時，相應地應將相關概念如“構形”、“構件”分別稱為“組態(tài)”、“組元”。1.重構的概念

∨∧3.4.2RM的原理2.制造系統(tǒng)的可重構性

制造系統(tǒng)的可重構性是指一種可以按照規(guī)劃和設計規(guī)定的變化，利用子系統(tǒng)、模塊或構件的重排、更替、剪裁和革新等手段對系統(tǒng)進行重新構形、更新過程、變換功能或改變系統(tǒng)的輸出量以快速響應市場變化的能力。可重構性與組合性有本質的區(qū)別：可重構性不僅考慮了物理、幾何相似性，而且考慮了生物學相似性。按照生物制造的觀點，制造系統(tǒng)的可重構與自然界中生物的進化有共同特征：內部均具有層次狀的實體結構，當環(huán)境發(fā)生變化原有功能不能適應需求時，通過“遺傳與變異”的“自組織”方式，集成合適的基本單元，重新構成新的功能。

∨∧3.4.2RM的原理定義一可重構制造系統(tǒng)是一種為響應市場或客戶需求的突然變化，快速調整在一個零件族內的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)功能，在最初就設計成為可快速改變結構、由硬件與軟件的構件組成的制造系統(tǒng)。定義二可重構制造系統(tǒng)是一種能按市場需求變化和系統(tǒng)規(guī)劃與設計的規(guī)定，以重排（重新組態(tài)）、重復利用和更新系統(tǒng)或子系統(tǒng)組態(tài)的方式，實現(xiàn)低的重組成本、短的系統(tǒng)研制周期和斜升時間、高的質量和投資效益、快速調整制造過程、制造功能和制造生產(chǎn)能力的可變制造系統(tǒng)。3.RMS的定義與特性∨∧3.4.2RM的原理定義三

可重構制造系統(tǒng)是一種對環(huán)境變化具有快速響應能力的、可重新實現(xiàn)系統(tǒng)構形的、滿足系統(tǒng)決策要素要求的制造系統(tǒng)。由制造系統(tǒng)的層次性，也可給出在不同層次上具有不同內涵的RMS的定義。定義四

對單元級制造系統(tǒng)，如加工作業(yè)層，RMS是一種由可重構設備及調度控制軟件等構成的可重構加工系統(tǒng)（Reconfigurablemachiningsystem），相應的可重構物流系統(tǒng)和可重構控制系統(tǒng)組成的制造系統(tǒng)。這是狹義RMS。3.RMS的定義與特性而廣義RMS包括以下兩級：

∨∧3.4.2RM的原理定義五

對企業(yè)級制造系統(tǒng)，即企業(yè)層，RMS是一種包含企業(yè)組織、產(chǎn)品、過程和加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、控制系統(tǒng)重構等多個方面的可變制造系統(tǒng)。其構件不只局限在機床和調度控制軟件上，種類、結構和性質更加龐大和復雜化。定義六對全球制造系統(tǒng)，即企業(yè)外層，RMS是一種基于計算機廣域網(wǎng)絡和敏捷制造的快速響應制造系統(tǒng)（RapidlyResponsiveManufacturingSystem），又稱為快速重構制造系統(tǒng)（RapidlyRMS，簡稱RRMS）。3.RMS的定義與特性∨∧3.4.2RM的原理表3-2可重構制造系統(tǒng)的特性特性特性的說明可重構性由一個生產(chǎn)需求期轉向下一生產(chǎn)需求期而使所要加工的產(chǎn)品集發(fā)生變化時，按照變化了的生產(chǎn)要求準確、經(jīng)濟性地由一種構形向另一種構形轉換的能力。模塊性所有部件采用模塊化設計，包括系統(tǒng)的各種硬件和軟件，如結構件、動力頭、控制器件、控制軟件、組合夾具、刀具和工具等?？杉尚韵到y(tǒng)所有部件和和控制模塊等構件具有與其他構件進行集成的接口以及易于新技術引入的性能。RMS的主要特性∨∧3.4.2RM的原理表3-2可重構制造系統(tǒng)的特性特性特性的說明可定制性利用已有的生產(chǎn)線來生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，同時品種更換時系統(tǒng)調整所需的時間較短。包括：①柔性定制指基于制造加工的零件族及具體零件加工所需的柔性來選擇加工設備和構造系統(tǒng)；②控制定制指基于開放性結構技術，通過與控制模塊進行集成而提供所需的附加控制功能?？赊D換性在優(yōu)化作業(yè)模式下和一定作業(yè)時間（通常為一天）內，一批作業(yè)完成、下批作業(yè)開始之間快速平穩(wěn)過渡轉換的性能，在轉換過程中應盡快完成必要的操作，如更換工藝裝備和CNC程序及進行其他的手工操作?？稍\斷性快速地診斷（辨識和探測）影響產(chǎn)品質量和可靠性（故障產(chǎn)生）的原因，具有相應的修正和微調能力?？芍赜眯栽跐M足相同生產(chǎn)需求的前提下，用對已有系統(tǒng)進行重構的方式構建制造系統(tǒng)的成本要低于用首次構建的方式構建制造系統(tǒng)的成本的性能。RMS的主要特性∨∧3.4.2RM的原理4.RMS的組成與類型(1)單元級RMS

一般由三個子系統(tǒng)組成：1)可重構加工系統(tǒng)2)可重構物流系統(tǒng)3)可重構控制系統(tǒng)如圖3-12所示。可重構制造系統(tǒng)（RMS）圖3-12單元級RMS結構和組成可重構加工系統(tǒng)可重構加工設備普通加工設備輔助設備檢測設備清洗設備可重構物流系統(tǒng)儲存系統(tǒng)輸送系統(tǒng)操作系統(tǒng)工件流刀具流配套流可重構控制系統(tǒng)過程控制過程調度過程監(jiān)控毛坯產(chǎn)品∨∧3.4.2RM的原理企業(yè)級RMS如圖3-13所示。這些組成部分源于制造系統(tǒng)的層次性，也表明它的可重構性具有層次性。圖3-13企業(yè)級可重構制造系統(tǒng)的組成信息集成技術平臺

組織結構業(yè)務過程產(chǎn)品開發(fā)加工系統(tǒng)制造戰(zhàn)略4.RMS的組成與類型∨(2)企業(yè)級RMS

∧3.4.2RM的原理1)制造戰(zhàn)略是企業(yè)進行各種決策時的依據(jù)和指導原則。一般常見的有：快速市場響應戰(zhàn)略、低成本戰(zhàn)略、高質量和高性能的產(chǎn)品戰(zhàn)略、創(chuàng)新戰(zhàn)略、產(chǎn)品獨創(chuàng)戰(zhàn)略、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、產(chǎn)品分線戰(zhàn)略、競爭與合作戰(zhàn)略等。RMS運行是機遇驅動的，必須重視創(chuàng)新戰(zhàn)略。制造戰(zhàn)略涉及到外部組織重構。外部組織重構是指不同企業(yè)間的組織重構。它分為兩種形式：靜態(tài)重構和動態(tài)重構。4.RMS的組成與類型∨(2)企業(yè)級RMS

∧3.4.2RM的原理內部組織重構是指企業(yè)內部不同組織單元間以及同一組織單元內部的重構。重構時每個組織單元根據(jù)內外部要求通過自組織和自優(yōu)化對結構進行重構。常見的組織結構有遞階結構、分布式結構和動態(tài)結構，其中遞階式靜態(tài)企業(yè)結構已不能適應快速多變的市場環(huán)境；分布式結構與中國的文化和社會價值觀有顯著沖突，因此不宜采用。從嚴格的多級遞階結構轉變?yōu)槊嫦蜻^程的扁平化的動態(tài)合作式結構，比較符合中國國情。因為它吸收遞階和分布式的優(yōu)點。4.RMS的組成與類型∨2)組織結構——系統(tǒng)結構描述三方面的關系和約束：系統(tǒng)和環(huán)境相關的方式和強度；系統(tǒng)內部各組織單元之間的關系和強度；系統(tǒng)的組織單元內部結構和性質。

(2)企業(yè)級RMS

∧3.4.2RM的原理3)業(yè)務過程

RMS更加面向過程，其運作可分為若干業(yè)務流過程。典型的企業(yè)業(yè)務過程包括經(jīng)營規(guī)劃、市場銷售、采購供應、生產(chǎn)計劃調度、庫存控制和售后服務等。與有機體一樣，企業(yè)在對環(huán)境變化做出反應并適應這種變化的過程中，不斷地發(fā)展變化，必須對業(yè)務過程進行重構。業(yè)務過程重構

是針對制造過程的可變性，對制造系統(tǒng)業(yè)務過程的功能性活動及由相關活動組成的有機序列進行分析、分類、整理和重構，動態(tài)改變由系統(tǒng)設備布局、作業(yè)計劃等確定的人、加工設備等的操作時序及物流路徑，構造定義明確的具有針對性的業(yè)務過程。業(yè)務過程重構可以分為三個階段：過程建模、過程分析及過程重構。4.RMS的組成與類型∨(2)企業(yè)級RMS

∧3.4.2RM的原理4)產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)品重構是指在設計初期由用戶需求變化、材料節(jié)約和環(huán)境保護等因素驅使而進行的涉及產(chǎn)品全生命周期的重構。b.產(chǎn)品結構詳細設計階段盡可能利用現(xiàn)有的零部件設計產(chǎn)品方案設計階段按多種構形設計開發(fā)和管理產(chǎn)品

c.采用面向環(huán)境的設計技術，考慮產(chǎn)品再利用和環(huán)境保護等因素，減少生態(tài)影響，對舊零件進行回收利用。

產(chǎn)品可重構性包含三層意義：

4.RMS的組成與類型∨(2)企業(yè)級RMS

∧3.4.2RM的原理5)加工系統(tǒng)主要指產(chǎn)品加工與裝配設備的重構。加工系統(tǒng)重構是指按照業(yè)務過程重構動態(tài)地改變加工系統(tǒng)（如制造單元、生產(chǎn)線和加工中心）中的構件及其之間的聯(lián)系，從而改變系統(tǒng)的生產(chǎn)功能和生產(chǎn)能力。設備的可重構性是整個企業(yè)可重構性的基石，關鍵問題是模塊化組件，模塊化控制軟件和標準化接口。4.RMS的組成與類型∨(2)企業(yè)級RMS

∧3.4.2RM的原理

按重構的加工系統(tǒng)層次分類：①系統(tǒng)級的快速重構。包括生產(chǎn)線、物流系統(tǒng)或者制造單元的生產(chǎn)能力、制造過程和功能的快速重構；②設備級的快速重構。包含組成制造系統(tǒng)的各種設備的快速重構；③部件級的快速重構。包含各種功能部件、組件與工具、其他刀具與輔助系統(tǒng)的快速重構。4.RMS的組成與類型5)加工系統(tǒng)加工系統(tǒng)重構的主要內容：在變化的環(huán)境中較為平穩(wěn)地在系統(tǒng)級上添加、更換和減少設備，進行系統(tǒng)物理重構。在變化的環(huán)境中動態(tài)地完成軟件、控制系統(tǒng)重構，進行系統(tǒng)邏輯重構。根據(jù)變化動態(tài)改變設備的功能和結構，靈活性地完成多種任務?！?2)企業(yè)級RMS

∧3.4.2RM的原理

信息平臺重構是指為實現(xiàn)制造系統(tǒng)的可重構性，構建具有可重構性的由計算機網(wǎng)絡、硬件平臺和應用軟件等構成信息集成框架，實現(xiàn)各種模塊的“即插即用”。

按軟硬件分為：①硬件系統(tǒng)及其構件的快速重構；②軟件系統(tǒng)及其構件的快速重構。4.RMS的組成與類型6)信息集成技術平臺

制造系統(tǒng)中信息平臺的可重構性，是由應用軟件、集成框架（中間件）和計算機網(wǎng)絡三方面的可重構性組成?！?2)企業(yè)級RMS

∧3.4.2RM的原理5.RMS的支撐技術RMS涉及先進的制造戰(zhàn)略、營銷、新產(chǎn)品創(chuàng)新與改進的設計與開發(fā)、系統(tǒng)工程與分析、隨機動態(tài)規(guī)劃與決策、質量工程、系統(tǒng)可靠性和運行跟蹤與診斷、計算機技術、自治與協(xié)同控制、硬軟件接口與協(xié)議技術、經(jīng)濟可承受性、系統(tǒng)集成管理和生產(chǎn)運作管理等多學科、多種技術的交叉融合，因此為了實現(xiàn)RMS的構建和重構，需要研究RMS的設計原理、開放式控制系統(tǒng)、模塊化設計方法以及可重構設備方面等關鍵技術，見表3-3?！拧?.4.2RM的原理表3-3可重構制造系統(tǒng)的關鍵技術關鍵技術研究項目研究內容設計原理指導思想并行工程協(xié)同設計、智能制造、敏捷生產(chǎn)等先進制造技術思想和哲理設計理論創(chuàng)新設計、離散隨機過程系統(tǒng)控制決策、基于突變流理論系統(tǒng)規(guī)劃、開放式控制系統(tǒng)體系結構設計方法模塊化設計方法、可制造性設計、可診斷性設計、經(jīng)濟可承受性設計、系統(tǒng)運行決策優(yōu)化設計信息集成與CAD、CAPP、CAM、PDM、MRP、MRP11、ERP、CRM、SCM、CPC等信息系統(tǒng)的集成5.RMS的支撐技術∨∧3.4.2RM的原理開放式控制系統(tǒng)標準和規(guī)范系統(tǒng)封裝及集成、基于CORBA的對象封裝機制、COM/DCOM標準、STEP標準、接口技術和基于總線的分布式控制結構高速化和高精度化高加減速度和高精度的位置檢測系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)控制系統(tǒng)的誤差補償技術智能化控制系統(tǒng)的自適應控制、專家系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)等智能技術5.RMS的支撐技術關鍵技術研究項目研究內容可重構制造系統(tǒng)的關鍵技術∨∧3.4.2RM的原理5.RMS的支撐技術關鍵技術研究項目研究內容硬件模塊化設計系統(tǒng)布局按形狀、接口、運動和剛性等方式定義硬件子模塊集合、定義硬件子模塊間的約束、按運動和過程等定義硬件設備的集合、零件加工過程順序的描述、定義合理的系統(tǒng)布局模塊化結構機械界面的標準化、控制系統(tǒng)接口的標準化、軟件系統(tǒng)的模塊化、管理系統(tǒng)的模塊化、物流系統(tǒng)接口標準化、工裝夾具接口標準化模塊接口系統(tǒng)接口（系統(tǒng)間連接的標準化）、模塊接口（模塊間連接的標準化）、子模塊接口（模塊內部的標準化）、功能接口標準化、數(shù)據(jù)接口標準化、能量接口標準化可重構制造系統(tǒng)的關鍵技術∨∧3.4.2RM的原理5