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可重构制造系统及关键技术分析

2008-04-22 09:41:21  来源:万方数据

摘要:美国国家研究院经对世界40位专家咨询后,于1998年提出的《2020年制造业挑战预测》中把可重构制造系统列为2020年前制造业面临的十大关键技术之首,国内外学者付出了大量的精力和时间对
关键词: CAD

    面对市场的千变万化,如何使制造系统快速而经济地响应市场需求的变化,是对当今制造业的一个巨大挑战。传统的机械自动化生产线具有批量生产的效益,但面对市场的变化不能快速响应;而柔性制造系统虽能缩短产品的试制和生产周期,但投资巨大,回收周期长。因此,迫切需要建立一种既具有规模生产的效益,又能快速适应动态多变的制造环境,并能充分利用现有制造资源的新型制造模式。对此,新近提出的可重构制造系统是适应这一需求的一条有效途径。
   
    可重构制造系统是指能够通过对制造系统结构及其组成单元进行快速重组或更新,及时调整制造系统的功能和生产能力,以迅速响应市场变化及其他需求的一种制造系统。其核心技术是系统的可重构性,即利用对制造设备及其模块或组件的重排、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(产品与产量)。由于系统的这种可重构性,大大提高了系统的功能柔性和灵捷性。利用系统的可重构性,可以不断地调整系统的制造过程、制造功能及制造能力,及时、高效地响应市场的变化。因此,可重构性是制造系统具有可持续变化、快速响应能力所必不可少的重要特性,研究、开发和应用制造系统及其单元的可重构性是未来制造的重要关键技术。
    
    一、制造系统的可重构性
    
    制造系统的可重构性是多方面的,它应该涵盖全部制造活动和过程。现从五个方面描述制造系统的可重构性。
   
    1. 组织可重构性
   
    人是制造系统的重要组成部分,因此,组织结构的可重构能力是制造系统快速响应变化的基本条件。组织结构可重构性允许企业以最恰当的方式组织和管理生产,快捷和经济地向用户交付产品。在组织范围内,可重构能力可以表现为企业内部的合作能力,以及企业间的合作能力。组织结构的可重构性支持企业间的重构和企业内部的重构。企业之间组织重构可以分为两种类型:一类是宏观经济意义上的企业集团和资产的重组与合并,以及在经营状况极端恶化时企业的解体(破产)。这种宏观的组织重构具有静态性和永久性,通常由宏观经济标准进行评价和促成;另一类是组织单元的动态和临时性组合。这种类型的组织重构支持地理上分散的企业,建立面向任务的虚拟企业以及供应网络。可重构性为组织单元提供信息导航、统一的通讯和谈判协议,使组织单元能够寻求潜在的合作伙伴,建立动态联盟。
   
    企业内组织重构主要考虑的是一个企业内部组织单元间的重构,它可以进一步分为某个组织单元内部的重构,以及组织单元间的重构。组织单元内的重构由自组织、自优化和自相似三个基本特征所支持。可重构结构的自相似性是指通过拥有清晰和通用的目标定位形成系统协同。某个组织单元内的人员具有个体目标,并且以最佳方式支持单元整体目标。自组织和自优化使用扩大化的框架来运作分散的单元,通过把责任直接引入单元,可达到很高程度的自组织。每个组织单元根据外部和内部的要求对结构进行重构,单元内部过程的不断演化发展产生了稳定的单元结构。
   
    2. 业务过程可重构性
   
    可重构制造系统更加面向过程,并允许雇员将其工作与上游及下游的活动联系起来。具有不同层次的人可以充分地交流思想,这样,可以打破传统递阶组织结构的限制。过程可重构性对功能性活动进行分类,并且构造成定义明确的过程。可重构制造系统的运作可以分成若干业务流过程。例如,一个项目控制过程可以通过把客户订单作为一个项目来保证完成客户订单。这一过程可以从答复客户询问和提供产品报价开始,通过对不同制造阶段产生的主要成本进行评估和分派,形成产品价格信息,其主要根据是产品结构、所需人力和机器能力等数据,以及任务负荷和制造车间能力间不断地平衡。在经过若干谈判后,一旦签订了某个合同,过程就以唯一的数据源维护订单信息,允许对该信息进行一致和受控的访问。过程为每个订单制定一份履行计划,确定从产品设计、物料获取、零件加工、装配到产品打包等主要制造活动的进度计划。订单在各阶段的实际状态要受到仔细地监控,采取纠正措施避免发生失常情况。制造系统中业务过程的形式和背景随情况不同而异。先前运行很好的业务过程会变得过时,不再适应变化的环境。为了保持竞争力,一个企业必须对业务过程进行重构。例如,在单件小批量生产模式下,过程重构(或生产计划排列)就对生产过程有重要的影响。业务过程重构通常应当以进化的方式来实现,连续、积累性的改善可以减小冲突,使进展更加顺利。但是,过程重构有时也需要通过革命性的变革方式进行。
   
    3. 产品的可重构性
   
    产品的可重构性可以更好地利用人的专门技术、知识和技巧,迅捷地开发出用户需求的产品。产品重构涉及到从营销、设计到加工制造,直至回收处理循环利用的整个生命周期。不断变化的用户要求和生态保护等因素,要求产品具有可重构性。它包括以下三个含义:
   
    第一,产品可重构性通过重构少量基本零件设计,可以获得多样的零件和组件,从而可在设计阶段能够对工程知识进行更好的使用和重用,对新零部件的要求可以通过对已有零部件变形设计的重构过程来实现,重构技术减少了零件设计方案的数量,避免“部件激增”。产品可重构性要求对已有零件和组件的设计方案进行分类管理。这样,可以减少产品开发的复杂性及生产成本,更重要的是加快了对市场的反应速度。
   
    第二,在设计阶段,需要按多种构型设计开发和管理产品,以适应各种用户需求。实际上,重构方法在产品开发过程中已经被使用了,即称为大批量定制生产(masscustomization)。大批量定制生产是企业向客户提供满意的产品和服务,同时保持大批量生产规模效益的一种新型模式,它是通过重构现有产品来满足客户多品种要求的一种方法。通过加上各种特定的用户标签、涂装,以及特殊的内外部装饰,形成多种产品构型。常用的满足用户特定要求的方法是,在备选方案和功能冗余基础上进行产品的动态重构,通过调整产品的重量、大小、体积和功能参数等方法获得多种产品构型。人们针对整个生命周期的产品构型设计的开发方法和工具已进行了一些研究,最具创造性的方法是使用户直接参与产品的开发过程。通过计算机网络,用户可以对工程师提出的产品基本方案进行重构,直到取得满意结果。
   
    第三,为了减少生态影响,产品重构应考虑环境因素,通过对产品零件进行再利用和再加工,以实现产品重构。以前,产品的设计和生产主要考虑满足功能上的需求,很少考虑环境方面的影响。在大规模消费模式下,大多数环境污染和气候反常都是由制造企业造成的,因此,人们不得不投入大量精力处理环境问题。然而,这些只是被动地解决环境问题。可重构制造系统通过在产品生命周期的开始阶段就加强产品的可重构性,主动地解决这些问题。将可重构产品的零件和组件重构为其他产品中的一部分,或进行再加工。产品的可重构性要求工程师在设计产品时,除了考虑功能要求外,还要考虑产品的可再循环性(recyclability)。显然,现有的方法技术和工具无法帮助工程师提高产品的可重构性。因此,我们需要发展新的方法技术来帮助工程师通过评估设计参数、材料和可制造性,识别产品的可重用能力、可回收利用性和对环境的影响,最终提高产品的可重构性。
   
    4. 车间加工系统的可重构性

    车间制造系统的重构性主要涉及物料加工处理设备(系统)的动态变化能力。首先,设施和设备应具有根据任务要求改变其功能和结构的能力。未来机床、工装夹具和机器人应能通过改变自身结构,灵活地完成多种任务;第二,加工系统应具有灵活性,能够在不产生较大扰动的情况下允许添加和减少设备,使系统布局具有动态重构能力,满足不同产品生产需要;第三,车间控制系统的控制结构(关系)应该具有可重构性,提高系统决策、反应和容错能力。
    5. 可重构信息平台
   
    信息技术是推动和塑造现代制造业的一个最重要的技术驱动因素,在某种意义上,制造系统即为信息处理系统。如果信息平台是僵化的结构,制造系统的可重构性是不能实现的。企业内和企业间组织重构,要求相关的单元间有足够通讯交流和信息共享,产品设计阶段需要大量的信息交换和处理,过程与产品的可重构性都需要柔性信息集成框架的支持,僵化结构和固定流程的软件系统在制造过程重构之后需要进行大量的修改。因此,应用软件包应当具有柔性,以便适应业务过程的变化。
   
    支持信息平台的可重构能力对制造系统的成功重构是非常关键的。在可重构的制造系统中,计算机网络需要具有很高的可扩展性和可延伸性。最重要的是,网络节点应当透明,这样,可无须考虑其物理联结,就能很容易地进行重组。目前,通常由集成框架把应用层与硬件平台分开,这种中间层可以对信息和知识进行有效地管理,方便了组织单元间的交互和通讯。信息集成框架的可重构能力允许应用模块方便地在信息系统内“插入和拔出”。软件系统应当用模块化的设计方法(如面向对象的方法)支持组件重构,其运行应与动态模型相联系,系统的重构可通过改变动态模型来实现。
    
    二、可重构制造的关键技术
    
    可重构制造系统实现的关键技术主要集中在以下几个方面。
   
    1. 全生命周期建模与评价
   
    在系统设计阶段,对于加工同一个零件族的产品,往往可以有多个系统结构可供选择。RMS(可重构制造系统)提供的是动态的系统配置,并行和串行以及混合的配置各具优特点,需要采用科学的方法为零件族设计制造系统并优化配置。对于具体系统设计方案,要采用全生命周期的理论,考虑产品的质量、生产成本、可靠性等多因素,对制造系统配置的结果进行评估。评价的重点,一是对产品实现包含的主要过程进行选定;二是对评价权重进行分配选择。
   
    2. 模块化设计方法
   
    模块设计方法包括模块化的可重构软件硬件设计两个方面。对于模块化的可重构软件设计,应采用面向对象的编程技术,用模块化设计方法并应用软构件的思想支持软件重构,允许应用模块能方便地在信息系统内插入和拔出。设计可重构软件时应按照CORBA规范和COMDCOM标准,对系统中各种信息进行分布式处理:采用科学的软件系统设计方法和软件系统集成封装方法。对于设备的模块化硬件设计,主要包括可重构设计理论、功能模块的合理划分和模块之间机械界面的通用化和标准化设计等。新的可重构设计理论主要包括对可重构机器的拓扑综合,优化机器的运动链与结构,分析机器磨损、结构振动与刚性等问题,这些理论能够分析由不同模块所构成的加工机器的系统指标,如加工精度与可靠性等。正确合理的模块划分可简化设备结构,便于模块的组织与管理以及设备可重构的实施,优化重构操作过程,提高模块之间的匹配精度。可重构功能模块的标准化有助于组织专业化的大规模生产,实现不同厂家模块的互换。可重构制造系统设计时必须考虑各种模块的界面标准化,包括:机械、液压、润滑、冷却、电控接头等。如果不同厂家生产的功能模块的界面不能标准化,就不能实现模块之间的快速高精度互换,重组模块只能局限在很小的范围,从而失去了重组的实际意义。界面的标准化研究主要包括以下内容:界面结合的精度、稳定性和可靠性,界面的标准化,模块更换的快速性和方便性。
   
    3. 采用开放式系统设计原理
   
    (1)采用开放式实时控制系统
   
    为了使得控制系统能够支持RMS的可变换性,可集成性,控制系统必须开放以允许不断升级,从而使系统能实现可重构制造系统的基本要求。
   
    (2)采用标准的操作系统与总线结构
   
    采用标准的操作系统与控制语言可以改变当前各种专用数控设备采用专用语言并且互不兼容的局面。利用标准的总线结构使得各种传感器与硬件控制板的“即插即用”成为可能。
   
    (3)利用网络通讯,实现资源共享可重构制造系统的一个重要特征是充分利用现有资源。当生产任务改变时,一个可重构的制造系统能够合理有效地对现有制造资源进行优化配置,使之迅速地适应新的市场需要。因此开放式控制系统也有网络通讯的功能,以便于实现资源共享或多台工业机器人与加工机床协同工作。通过有效地交换数据来支撑控制系统各设备的协同工作,以便预见潜在的问题,及时有效地解决已经发现的问题。
   
    4. 可监控与可诊断设计
   
    可重构制造系统运行性能保障比传统的制造系统要求更高,由于系统运行中的渐升过渡效应、劣化效应和其他因素与效应的影响,使可重构系统的运行性能在寿命期内呈现复杂的状况。为了保证可重构制造系统的可行性和效用,缩短渐升期和劣化期,必须研究系统运行性能的可测性和可评价性,即过程中的可诊断性问题。过程诊断技术是实现系统重构的关键技术之一,它保证了系统在运行过程中具有良好的缺陷和故障诊断能力。
   
    5. 可转换设计与定制设计
   
    可转换设计与定制设计包括与用户的合作式定制设计、适应式定制设计、包装式定制设计、透明式定制设计等。
    
    三、结束语
    
    美国国家研究院经对世界40位专家咨询后,于1998年提出的《2020年制造业挑战预测》中把可重构制造系统列为2020年前制造业面临的十大关键技术之首,国内外学者付出了大量的精力和时间对其进行研究,但是到目前为止,可重构制造系统的理论研究虽已取得了一定的进展,但整个研究工作还没有形成完整的体系,可重构制造系统的原型尚未制造出来。可以预期,随着研究的深入和各项相关技术的发展,制造系统将会产生质的飞跃,可重构制造系统必将在许许多多企业得到推广应用。


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