重构制造系统（精选7篇）
重构制造系统 篇1
1 可重构制造系统
目前,在企业中主要存在2类制造系统,即专用制造系统和柔性制造系统(FMS)。专用制造系统成本较低,能进行多刀加工,故生产效率高,但没有柔性,系统的软件、硬件都是为特定零件而设计的,不能扩展。柔性制造系统则具有软件柔性,能控制固定的硬件设备完成众多加工功能,及时响应市场变化,但造价高、软件冗余大,只能进行单刀加工,生产效率较低。可重构制造系统企图综合上述两种制造系统的优点,为响应市场或不确定需求的突然变化,迅速调整出一个零件族内的生产能力和功能,为快速改变系统结构以及硬件和软件组件而构成一种可重构制造系统。这种系统硬件、软件均可重构,可进行多刀加工,系统造价适中,但硬件有冗余。由于可重构制造各级党组织充分利用资源,因此符合可持续制造策略。
1.1 可重构制造系统的体系结构及内涵
根据重构的力度不同,可以分别在企业级、车间级、生产资源级进行重构,面向先进制造的重构体系结构为图1所示。
在企业级,体现面向先进制造重构制造哲理的是虚拟企业、分散网络化制造、面向全球的制造等;在车间级,面向先进制造的重构分为制造系统的逻辑重构和制造系统的物理重构,根据需要,制造系统的逻辑重构可以是面向企业内部的重构,也可以是面向企业外部的重构,其典型系统是虚拟制造车间和虚拟制造单元,制造系统的物理重构通过在制造系统中增加、移走或重放机器以组成新的制造系统,其典型系统是快速重组制造系统;在生产资源级,面向先进制造的重构指可重构机床、可重构机器人、可重构传送带等,其中,可重构机床包括可重构模块化机床和可重构并联机床。
根据重构内容的不同,重构可分为组织重构、过程重构与优化、零件重构、设计重构、加工制造系统重构,信息集成平台重构,如图2所示。
组织重构分为面向企业间的重构和面向企业内部的重构。面向企业间的重构主要指虚拟企业、基于虚拟CIM全球制造;面向企业内部的重构主要指虚拟制造车间单元。
过程重构与优化属于并行工程的范畴,生产计划安排是过程重构与优化的一种形式。它通过再现由制造系统内改变工序顺序和零件路径等来实现生产计划的优化。
零件重构通过识别不同零件的共同加工需求来获得,其概念由可重构的零件和面向零件族的可重构工件组成。可重构零件是对一个零件族的设计和制造特征参数化的假设零件,通过重构这个假设零件参数,可以获得多种的零件;面向零件族的可重构工件是能够用于制造零件族内的任一零件的一个中间工件状态体。
设计重构是指在产品或零件设计阶段,需要按多种构型开发和管理产品或零件,以适应各种用户的需求。设计可重构性主要包括大规模定制生产、面向重构的设计和绿色设计。
加工制造系统重构主要指其物理重构,它主要涉及物料加工处理设备和系统的动态应变能力。其内涵包括3个方面:生产资源(如可重构机床、可重构机器人、可重构的材料传送系统等)是可重构的;制造系统设备布局是可重构的;与生产资源和设备布局的可重构性相对应,加工制造系统的控制器也是可重构的。
信息集成平台重构是制造系统可重构的前提之一,制造系统的可重构特征决定了信息集成平台必须是可重构的。信息集成平台允许应用程序模块方便地在面向异构分布环境的信息系统内“插入和拔出”,软件系统应该用模块化的方法设计以支持软件组件重用。
2 可重构制造系统的特征
可重构制造系统必须从一开始就设计成可重构的,并且必须使用能快速且可靠地集成的硬件和软件模块,否则,重构过程将既长又不切合实际。为实现这一目的,可重构制造系统必须具备以下几个关键特征:
(1)模块性(modularity)在一个可重构的制造系统里,所有主要部件(如结构件、轴、控制软件和刀具)都是模块,模块化技术是实现系统可重构的核心技术,在某种程度上系统可重构性的质量取决于模块设计的质量。如果有必要,各部件可以分别得到更换以满足新的要求,而不必改动整个生产系统。模块化思想使得整个系统易于维护并降低了成本,但是,如何划分模块,以及采用什么系统合成方法尚有待进一步的研究。
(2)集成性(integrability)设计机器和控制模块具有组元集成的接口,基于其组元的给定性能和软件模块与机器硬件模块的接口预测集成系统的性能。必须建立起一系列集成方法和原则,这些方法和原则应包括从整个生产系统到部分控制单元和机床,还要加强对系统布局和生产工艺流程的研究。
(3)定制性(customization)这种特征包括两个方面:定制柔性和定制控制。定制柔性意味围绕着正在被制造的零件族里的零件构造机器和只提供这些特定零件所需要的柔性,因此降低了成本;定制控制借助于开放体系结构技术集成控制组件,从而准确地提供所需要的控制功能。
(4)转换性(convertibility)在一个可重构制造系统中,可以利用已有的生产线来生产同一零件族中不同产品,同时,在改变生产品种时所需的变换时间要尽量短,变换内容包括刀具、零件加工程序、夹具等。这些都需要有先进的传感、检测系统以进行自动监控和标定。
(5)诊断性(diagnosability)由于可重构生产系统需要经常改变其布局格式,系统应具有重新布置好的系统进行相应的修正和微调的能务,以确保产品的质量。因此,可重构生产系统必须具备可诊断性。产品质量检测系统必须和整个系统有机地结合,这样可有助于快速找到影响质量的原因,并供助统计分析、信号处理和模式识别等技术来保证高质量产品。检测不合格的零件为减少RMS的斜升时间起到重要作用,这里,斜升时间指的是新建或重构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,它是制造系统重构可行性的一个重要性能测度指标。
可重构制造系统的以上这些特征决定了重构制造系统的难易程度和成本,具备这些关键特征的制造系统具有较高的可重构性。其中,模块性、集成性、诊断性可减少重构的时间和精力,定制性、转换性可减少重构的成本。
3 可重构制造过程的模型
制造过程是制造系统进行物料转换(变换)的过程,是为了生产产品将人、物料、能源、机器设备、情报信息与资金有机地组织起来,完成从原材料或半成品到最终产品或深加工产品的全部制造活动的集合。2002年,美国生产与库存控制学会APICS把制造过程定义为:实现物料从原材料或半成品到进一步完成状态(或最终产品)转换的一系列运作作业(工序)。制造过程可以按照过程组态(布置)、产品组态、制造单元组态或固定位置的布局进行排列,可以根据企业所利用的制造战略和库存位置规划制造过程,以支持大量生产与装配的订单生产或中小批量的生产。可以认为制造系统的制造过程是制造有形产品和提供无形软件与服务的活动集合,也是实现把材料、半成品、零配件、软件与知识转换成顾客满意的产品与服务的一个时间经历过程的集合。但是,传统的制造过程与可重构制造过程有质的区别,如图3与图4所示。图中Sk为制造系统的子系统、模块或子模块。从图中可知,可重构制造过程不仅具备传统制造过程的输入与输出特征,而且还表现出可变生产、多次重构的时变特征,根据顾客需求与生产过程重构的要求进行制造系统不定期的重构,使企业快速实现“多品种变批量”的灵捷制造。
4 可重构制造系统关键技术
4.1 系统建模
可重构制造系统要素随时间而变化的特征使得系统的生产调度与控制更加困难,为此必须建立全生命周期的、能够反映其内涵的动态随机模型,如可重构制造系统布局划与优化模型、物流系统优化设计模型和生产控制调度决策模型等。模型要考虑如下因素:①低的生产成本和重组成本;②短的设计建造时间和斜升时间;③充分利用已有资源;④在公共基础上达到物流量最优等。
在可重构制造系统建模方面,普遍采用基于变形结构面向对象Petri网和多Agent的建模方法。Petri网适合对异步并发系统建模,其性能特性如可达性、活性、死锁、有界性和安全性等有明显的工程意义,虽然存在维数灾,但扩展的Petri网仍能描述和分析可重构制造系统的许多问题。多Agent系统具有自治性、合作性和结构开放性的特点,且没有维数灾问题,很适合建立可重构制造系统系统级和企业级模型。
4.2 支持可重构的信息平台
可重构系统信息平台的开发应当采用模块化设计方法和软构件的思想,允许应用模块方便地在信息系统内“插入和拔出”。采用公用对象请求代理技术规范(CORBA)软总线技术能够实现“即插即用”的功能。系统层设计技术采用基于CORBA的JavaORB,可以把对象包装成CORBA对象,即把各个独立的单元通过CORBA封装成组件,使其具有统一的接口,便于组装和重用。客户端的应用通过桩向本地JavaORB发请求,服务器方根据客户端请求内容调用相关的构架或操作数据库中的实例,然后由指定的对象实现来完成请求。用户可以通过Web页面、超文本链接和搜索引擎等方式使用,结合分散式的组织形式和供应链,构成集成环境。
制造系统重构可视作任务的分解、资源的选取、封装和调度等问题。建立开放、柔性的多层次资源信息模型,要在已有系统基础上,用面向对歇脚方法和中文产品模型数据交换(STEP)标准进行分布式开发。
4.3 设备模块化与界面标准化
可重构设备是可重构制造系统实现的基础,包括可重构机床、机器人、夹具及物流设备等。正确合理的模块划化可简化设备结构,降低设备重构频率,提高模块间精度匹配,减少重构工作量,美化外观。同时,功能模块的标准化也便于组织专业化的大规模生产,实现企业间重构时的模块互换。界面标准化研究主要包括:机械、液压、润滑、冷却、电控接头等界面结合的精度、稳定性、可靠性、模块更换的快速性和方便性等。
4.4 可重构控制与故障诊断技术
开放式的控制系统是可重构制造系统的核心,将递阶控制的稳定性与协同控制的柔性结合的合并结构成为未来可重构控制器的首选结构。基于现场总线的分布式控制系统也许是目前最适宜设备层重构的控制系统。它以自主性控制单元的协作为基础的控制架构,易于集成不同厂商和不同类型的现场设备,为实现模块“即插即用”提供应用环境。
可重构制造过程是各种包含动态和静态的、离散的和连续的、确定的和随机的事件集合体,关于连续量控制器的研究已经十分成熟,目前研究主要集中在对离散的、随机的事件控制器的分析设计上。Park等就采用Petri网建模分析可重构制造系统的逻辑控制器。
在系统重组的斜升时间内,如何快速诊断出系统故障并及时调整,并在系统稳定运行期内,稳定设备工艺能力以及产品质量,成为影响可重构制造系统性能的瓶颈之一。实现快速诊断涉及映射理论、特征矩阵、智能神经网络、变流理论、模糊集、粗糙集等理论问题的应用。
5 可重构制造系统的可重构方法与评价指标
5.1 可重构方法
可重构制造系统的目的是当市场发生变化时,通过对整个系统(包括机器硬件和控制软件)的快速重构,做出迅速而又有竞争力的反应以适应新的市场需求。为了实现这一目的,要求可重构制造系统是一种模块化、可重用和可扩展的系统。这就是说,重构系统的硬件、软件应当是模块化的,具有相对独立的功能,可以按照不同的要求进行相应的重组;系统的应用软件能够在不同的环境,提供通用的控制功能,不同型号的底层加工设备在重构系统中实现即插即用;能够实现网上制造资源的重组及协同工作。
在实现系统的可重构时,可以通过以下方法达到系统的可重构目的:①保持原制造系统组成不变,通过改变系统的生产计划,即改变工序顺序和零件路径,实现系统的可重构;②对可重构机床进行重构,例如可通过增加主轴头和轴、改变刀库等方法来实现机床的可重构;③与可重构硬件相适应,对控制系统进行重构。如控制系统增加、替换、重用与可重构机床或机器等组成模块相应的控制功能,或集成新的控制功能到控制系统中。
5.2 评价指标
制造系统重构主要有3个目的,即调整制造系统的功能、产量和技术。为确保制造系统具有可重构性,新的制造系统设计从一开始就必须从可重构的角度出发。制造系统重构是一个满足一定约束条件实现最优的目标函数的过程,其约束条件为:生产节拍、可靠性与产量;已有资源的最大限度利用;公共地基上物流最优,布局合理。
制造系统重构是在公共地基上进行功能分配并调用相关资源实现该功能的一个“填空”过程,也就是功能一资源映射的过程。企业根据生产资源的属性和可重构制造系统的相关评价指标进行任务再分配以实现制造系统重构,尽可能扩大生产资源的利用率和利润。可重构制造系统重构性好坏可从以下几个方面进行评价:①低的生产成本和重组成本的综合值(cost):重组成本包含设备移位、调试、增添和重组停工损失等费用;②短的设计建造时间和斜升时间(time):它是制造系统重组可行性的一个重要性能测度指标。制造系统的重构时间必须满足生产的要求,否则,系统的重构就没有实际价值;③最大限度地利用已有工业的资源(resource):可重构制造系统的一个主要特点就是要最大限度地利用已有的生产资源;④在公共地基上达到物流最优(stream):描述产品和制造过程变换的流动原理称为变流理论,研究变流理论的目的在于及时检测、控制物流、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。
C、T、R、S是可重构制造系统重构性的评价指标。这4个评价指标是相互依存相互矛盾的,在进行制造系统重构设计时可以运用计算机技术和仿真技术全面考虑,在它们之间取得和谐的平衡。
6 结束语
面对不断变化的国际市场环境,制造系统必须具有快速响应能力。可重构制造模式是提高制造系统自身变化能力的一种制造哲理,它让人们以全面系统的观点看待制造系统的动态变化。在某种意义上,敏捷制造、整机制造和生物制造等理论都是在追求制造系统的自身变化能力。因此,可重构制造模式体现了制造系统生存与发展的核心能力。制造系统为了在整体上实现重构,其主要构成要素必须具有可重构性。当然,可重构制造系统理论与技术正处于发展阶段,还需要进一步研究支持制造系统进行重构的方法与技术。
摘要：为增强竞争的核心能力，未来的制造企业应该显著地改进产品和制造系统的设计能力；本文重点阐述了可重构制造系统(RMS)体系结构、内涵及特征，对传统的制造过程与可重构制造过程的区别进行了分析，并给出了二者的描述模型；指出可重构制造系统关键技术包括系统建模、支持可重构的信息平台、设备模块化与界面标准化、可重构控制与故障诊断技术等四个层面；在实现系统的可重构时，可重构制造系统是一种模块化、可重用和可扩展的；最后给出了评价指标。
关键词：可重构制造系统,模型,关键技术,评价指标
参考文献
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重构制造系统 篇2
关键词：可重组制造系统,多色集合,模糊综合评判,动态规划
1 制造资源配置建模的方法与过程
根据生产要求快速确定制造资源是实现制造系统重组的关键。在制造系统中,机床等加工设备是制造系统资源中最重要的资源,机床的选择在整个重组过程中是非常重要的一环。其他的资源,如人员、刀具、卡具、量具和测试仪器等,均是围绕机床设备进行配置的,因此,机床类资源的配置是实现可重组制造系统(reconfigurable manufacturing system,RMS)的核心。机床类资源的描述模型如图1所示,机床的加工能力主要体现在能够加工的零件特征的形状和尺寸、精度等方面。
1.1 基于多色集合的制造资源建模
多色集合理论[1]是一种新的系统理论工具,多色集合整体本身和它的组成元素被涂上一些不同的颜色时,都能够对应于它们各自的性质,对应于多色集合整体性质的着色称为统一颜色,而对应于元素性质的着色称为个人颜色。应用多色集合表达制造资源模型时,将零件加工的工序名称称为工序算子,把设备资源称为资源算子。零件各个工序所需要的制造资源由相应的资源算子确定。本文应用多色集合理论描述面向加工任务的制造资源配置模型,具体步骤为:
(1)用多色集合的个人元素集合T描述全部机床设备资源,则资源算子集合T={tg},其中,g=1,2,…,p,元素tg表示序号为g的一种加工设备资源,p为资源算子数量。
(2)用加工设备元素tg的个人颜色集合F(tg)表示该设备的加工能力,即它可以完成的加工工序的集合。T中所有加工设备能够完成的加工工序集合,表示为多色集合的统一颜色集合F(T),则工序算子的集合F(T)={Fh(T)},其中,h=1,2,…,q,q为工序算子的数量。
(3)建立资源算子集合与工序算子集合之间映射关系的围道布尔矩阵C=(cgh)。其中,如果Fh(T)∈F(tg),即如果存在设备ag且能够完成工序Fh(T),则cgh=1;否则,cgh=0。
(4)根据这个围道矩阵,按照零件工序的顺序和相关的工艺技术要求,建立零件资源配置的有向多色图。
(5)依据这个有向多色图的可达路径,提取每个加工零件的设备资源配置的可行方案。
1.2 全生产周期的资源优化配置与重构
在满足技术性要求的前提下,RMS资源配置方案要在全生产周期内考虑成本、时间和质量等要求,其中成本包括各个生产周期内零件的生产成本和相邻两个生产周期之间设备资源更新和重构的成本。对于企业已有的设备,在生产成本中要考虑其使用和折旧费用等。如果两个生产周期间制造资源的变化较大,需要购买新的设备,则把这些新设备的价值分摊或以折旧费用等形式,作为重构成本单独进行考虑,加入到零件的成本中。显然,两个生产周期之间的设备变化越少越好。
在不考虑RMS重构成本的条件下,系统在各生产周期内的最优配置组态之和就是全生产周期的最优重构策略。但在考虑重构成本的情况下,上述设计并不一定成立。因为两个生产周期间的重构成本与这两个周期的资源配置相关。例如,购买新设备会增加重构成本,但可能会降低零件的生产成本、提高产品的质量等。如果有多个生产周期,理论上需要首先找出每个周期内所有可行的资源配置方案,计算出每种配置方案的成本和相邻两个周期的两两方案之间的重构成本,然后采用动态规划等方法才能找到一个全生产周期的最优资源配置方案。如图2所示,有3个生产周期,每个周期都有若干个方案,每种方案都有自身的成本,相邻两个周期的方案之间的有向弧表示它们之间的重构路径和重构成本。显然,这种方法繁琐而不实用。
除了成本外,在选取资源配置方案时,还要综合考虑加工时间、重构时间、产品质量、设备故障率等多种因素。为此,本文利用模糊综合评判法,针对不同的生产要求,选出各生产周期的最优与少数几个次优的资源配置方案,即减少了要考虑的方案数量,然后再考虑这些组态之间的重构成本,可以快速选择出一个优化的资源配置策略。
1.3 基于模糊综合评判法的资源配置方案的评价与优化
将模糊综合评判方法运用到零件加工所需的资源选择中,根据生产目标的不同权重,优选出多目标下的资源配置方案,评价过程模型如图3所示。具体步骤如下:
(1)将零件P的某个工序或工序组的所有可行的资源配置方案确定为评价对象集U={uj},其中,j=1,2,…,n,将成本、时间、质量等评价因素确定为评价指标集V={vi},其中,i=1,2,…,m。
(2)根据评价指标集V在评价对象集U上的映射关系,得到评价矩阵:
R=(rij)={viujv∈V,u∈U}
(3)对矩阵R中的数据进行归一化处理,得到归一化的矩阵:
(4)采用层次分析法,确定各评价指标权重向量W=(wi)。各指标的相对重要度由它们两两之间的相对重要程度决定。
(5)应用模糊综合评价规则,计算零件P的工序(组)的综合评定向量B=W。R。
对于加工零件路径的选择,为简化计算,可把模糊变换“。”转换为模糊线性加权变换“·”,即
B=W·R=(bj)
(6)在向量集B中选择最小值bk,下标k所对应的资源配置方案uk,即为优选的资源配置方案。
(7)返回步骤(2)直到完成最后一个工序组的计算,至此得到生产零件全工序的优选加工设备。
2 实例研究
下面通过一个实例来说明上述方法和流程的实现。现有两种零件D和E,如图4所示,要求对两种零件进行批量生产,根据市场需求,组织加工设备先对零件D生产一定批量后,再对车间内的生产设备进行调整,重构到批量生产零件E的加工状态。假设车间拥有的制造设备资源包括1台镗床,4台普通铣床,6台普通钻床和6台钻铣加工中心,这些机床由于型号、配套设备等不一样而具有不同的加工能力。零件D和零件E分别经过10道与9道工序完成加工,其中零件D的加工顺序为:前表面加工F1→后表面加工F2→前表面钻孔F3→左边面加工F4→右表面加工F5→左表面钻孔F6→底面加工F7→顶面加工F8→底面钻孔F9→顶面镗孔F11。零件E的加工顺序为:前表面加工F1→后表面加工F2→前表面钻孔F3→左边面加工F4→右表面加工F5→底面加工F7→顶面加工F8→底面钻孔F9→斜面加工F10。
(a)零件D (b)零件E
为了降低问题的复杂性,假设所有表面和孔的加工都一次完成。工件在批量生产过程中,根据加工要求选择机床设备,加工每道工序的机床配备有相应的刀具、夹具等装备。
2.1 基于多色集合的模型
本文利用多色集合理论,将零件的工序与加工设备联系起来,建立车间设备资源的关系模型,如图5所示。
(1)资源算子集合。
车间加工设备资源用T={tg}描述,其中,g=1,2,…,17,t1～t4为4台普通铣床,t5～t10为6台普通钻床,t11～t16为6台钻铣加工中心,t17为普通镗床。
(2)工序算子集合。
零件D和零件E及其加工工序用F(T)={Fh}描述,其中,h=1,2,…,13,F1～F11为零件完成生产的工序步骤;F12、F13分别代表零件D、零件E。加工零件D的全部工序为F1～F9和F11,可用布尔向量表示为FD(T)=(1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,1,0)。
(3)围道矩阵。
这里用直观的形式来表示资源算子集合T和工序算子集合F(T)之间对应关系的围道布尔矩阵C,如图5所示。矩阵中,矩阵元素为“●”表明对应的布尔值为1,否则为0。如图5中t1与F1对应的单元格中为“●”,它的实际意义说明了工序F1对应着加工设备t1,也就是立式铣床t1可以完成此道工序的加工。
(4)多色图。
加工路径的选择通过围道矩阵C推理得到,即从矩阵的横向元素推出满足其要求的纵向元素来,可生成加工路径的有向多色图G=(T,L)。图6所示分别为零件D和零件E的多色图,节点(设备资源)按工件工序的次序,对每道工序配备适合的生产设备。如工序F2层的四个节点表示工序可由四个节点表示的设备来完成加工,反映在图5中第二列的四个“●”符号。虚拟顶点τs为生产过程中毛坯工件的输入,终点τt为工件完成所有工序后的成品输出。在零件D的多色图中,从顶点τs到终点τt的一条可达路径即为零件D的一种可行设备资源配置方案μd,显然,这样的可达路径很多。因为可行的设备资源配置方案很多,在生成多色图时,应该尽可能采用一些技术要求和经验规则,降低多色图的复杂性和减少可达路径的数量。
(a)零件D (b)零件E
(5)分组处理。
考虑到可行方案数较多,为了降低后续计算的复杂性,对工序进行分组,并分别求取各组的优化配置方案。由于各组方案之间相对独立,各组优化方案的联合,即为零件的一个优化配置方案。在机床设备集合中,加工中心能够完成几道工序的加工,而普通机床往往只能实现一种或少数几种工序的加工,因此,此处以加工中心的加工能力为基准对工序集合进行分组,再对各工序组求取设备的配置方案,以缩小对各种设备配置方案评价的范围。此处对零件D和零件E的工序分成3～4个工序组,分别为(F1,F2,F3),(F4,F5,F6),(F7,F8,F9),(F11)和(F1,F2,F3),(F4,F5),(F7,F8,F9,F10)。例如,对工序组(F1,F2,F3)的资源配置方案有如下10种:
U1={t1×1,t2×1,t6×1}
U2={t1×1,t2×1,t5×1}
U3={t2×1,t1×1,t5×1}
U4={t2×1,t1×1,t6×1}
U5={t1×1,t1×1,t5×1}
U6={t1×1,t1×1,t6×1}
U7={t2×1,t2×1,t6×1}
U8={t2×1,t2×1,t5×1}
U9={t11×1}
U10={ t12×1}
其中,符号×后面的数字表示所需设备的数量。
2.2 基于模糊综合评判法的方案优化
每种可行的设备资源配置方案在零件生产过程中的加工成本、加工时间、加工质量等因素是不同的。此处运用模糊综合评判方法选择出每个工序组的最优与次优的资源配置方案。步骤如下:
(1)应用层次分析法,构建评价矩阵。由设计者将工件工序的加工成本V1,加工时间V2,加工质量V3,设备故障时间V4以及使用设备的数量V5两两比较,如表1所示,组成评价矩阵V=(vik),k=1,2,…,5。评价矩阵中具体采用1～9间的整数及其倒数作为比例标度。
(2)采用简便易行的根法,求出评价矩阵V的特征向量W和最大特征根λmax。
计算结果为
W=(0.433,0.243,0.170,0.112,0.042)
λmax=5.326
对所求数据进行一致性检验,判断评价矩阵的一致性指标为
从Saaty[2]给出的1～9阶评价矩阵随机一致性指标RI值表中,取5阶平均随机性指标RI=1.12。
假定当评价矩阵的一致性比例CR=CI/RI<0.1时,认为评价矩阵有满意一致性。这里,CR=0.0815/1.12=0.073<0.1,所以评价矩阵具有满意一致性,上述计算的相对重要度是可以被接受的。
(3)确定零件D和零件E各工序组对应的资源配置方案的评价矩阵RD和RE。矩阵中的数据来源于表2中的统计值或经验值,如对零件D的资源配置方案U1={t1×1,t2×1,t6×1}的评价值为资源设备t1,t2,t6完成工序组(F1,F2,F3)的各相应值的累加和,成本为12.5元/个,时间为16min,质量为6.3(次品数)/1000,故障时间为2h/kh,设备数量为3台,这些数据构成零件D的工序组(F1,F2,F3)的10种配置方案的评价矩阵RD1的第一列:
按照同样的方式可以计算出零件D和零件E的其他工序组的资源配置方案的评价矩阵。
(4)对评价矩阵RD和RE进行归一化处理,按式(1)进行计算。如RD1的归一化矩阵为
(5)计算零件D和零件E各工序组资源配置方案的综合评价向量BD和BE。如零件D的工序组(F1,F2,F3)的10种配置方案的综合评价向量为
BD1=W·R*D1=
(b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8,b9,b10)=
(0.102 16,0.104 38,0.102 75,0.100 07,0.107 17,
0.104 95,0.094 00,0.096 22,0.093 49,0.094 34)
BD1中的最小值为b9=0.093 49,所以资源配置方案U9={t11×1}为最优的配置方案。再取第二个最小值b7对应的资源配置方案U7={t2×1,t2×1,t6×1}作为次优的配置方案。
(6)重复步骤(3)～步骤(5),得出全部工序组的最优与次优资源配置方案,如表3所示。
(7)把零件各工序组的最优与次优资源配置方案组合成零件资源配置的方案集,如表4所示。
比较生产零件D的资源配置方案集到零件E的资源配置方案集的重构成本和整个生产周期的成本,得到从生产零件D到生产零件E的不同重构策略,这些重构策略可以供RMS的设计者或制造商选择。例如,选择方案D(1)→方案E(3),只需将钻铣中心t13换成t15、停用一台铣床t3即可。这里都是已有的设备,不用考虑重构成本,但应该尽量减少两个方案之间的变化,减少重构的工作量。
如果有多个零件生产周期,则先按上述的动态规划方法,以成本作为单一指标,选择出几组全生产周期的资源配置方案,然后同样可以采用模糊综合评判方法,重复上述步骤,综合考虑多种指标,计算出全生产周期的最优资源配置方案。
3 结论
RMS中设备资源的优化配置和重构,涉及到工艺、成本、时间和质量等多方面的约束和目标。应用多色集合理论构建RMS系统的设备资源模型,通过有向多色图及其可达路径生成可行的设备资源配置方案。 然后采用模糊综合评判方法对这些可行方案进行优化, 综合考虑各种因素的影响,选择出优化的全生产周期的设备资源配置方案。实例研究表明,所提出的方法是实现可重组制造系统中资源合理配置与重构的有效方法。
参考文献
[1]李宗斌,李怀祖,韩新民.先进制造中多色集合理论的研究及应用[M].北京:中国水利水电出版社,2005.
重构制造系统 篇3
随着科学技术的迅猛发展、经济全球化浪潮以及企业产品供给与市场需求之间矛盾,传统的制造业模式已经无法适应于快速多变的当代环境,于是在20世纪90年代提出了可重构制造系统(RMS)理论。RMS是一个模块化结构(软件及硬件),是一种能在特定时间在最短时间内重构生产能力及生产功能响应市场条件及新加工技术的制造系统,允许在市场需求变化时能够充分利用现有资源对系统重构满足需求。RMS有几个显著特征:模块性、集成性、可伸缩性、定制性、转换性及诊断性[1,2]。在整个可重构制造系统中,企业作为其中的行为主体,为了自身的生存与发展必须对瞬息万变的市场作出及时有效的战略调整,即对生产资源进行高速快捷的重构,这就要求能对生产资源数据进行高效管理,保证数据的可靠性及实时性,并要防止冗余数据的产生。以此为契机开发可重构制造系统的生产资源信息管理系统IMS of PR(Information Man-agement System of Production Resources)是十分必要的,从时间、空间角度协调企业各部门之间的工作,提高企业在激烈市场中的竞争能力。现有RMS的IMS of PR大多是基于C/S模式的,需要专门的客户端安装程序,分布功能弱,针对点多面广且不具备网络条件的用户群体,不能够实现快速部署安装和配置;而且C/S模式兼容性差,具有较大的局限性。若采用不同开发工具,需要重新改写程序。从开发角度而言,需要具有一定专业水准的技术人员才能完成,所以开发成本较高。为了更好的保证数据的实时性及可靠性,本文从信息整合的角度利用ASP.NET技术开发了基于B/S模式的IMS of PR,能够帮助企业快速准确地管理数据。
2 开发工具以及数据库的选取
为了实现本系统的WEB功能,从开发的难易程度以及灵活性方面考虑决定采用ASP.NET作为系统开发工具,数据库采用目前广泛使用的微软公司的SQL2000数据库操作系统,具有安全、高效的特点。本系统开发选择ASP NET技术是基于以下原因:
1)ASP.NET执行效率高。主要原因在于程序使用编译语言而非解释语言,故每次执行不需要重新编译,大大提高了程序的执行效率。
2)ASP.NET基于公共语言运行库,因此Web应用程序开发人员可以利用整个平台所提供的各种控件。.NET框架类库、消息处理和数据访问解决方案都可从Web无缝访问。ASP.NET也与语言无关,所以可以选择最适合应用程序的语言,或跨多种语言分割应用程序。另外,公共语言运行库的交互性保证在迁移到ASP.NET时保留基于COM开发中的现有投资。
3)ASP.NET使执行常见任务变得容易,公共语言运行库利用托管代码服务(如自动引用计数和垃圾回收)简化了开发程序。
4)ASP.NET采用基于文本的分层配置系统,简化了将设置应用于服务器环境和Web应用程序。由于配置信息是以纯文本形式存储的,因此可以在没有本地管理工具帮助的情况下应用新设置。
5)ASP.NET借助内置的Windows身份验证和基于每个应用程序的配置,可以保证应用程序是安全的。
3 系统的体系结构和功能模块设计
3.1 系统的体系结构
系统基于B/S模式开发,从系统性能角度而言,B/S模式具有异地浏览和信息采集的灵活性。不受时间、地点、操作系统的限制,只要能够使用浏览器,就可以使用B/S系统的浏览器终端。从功能角度而言,采用B/S体系结构使得应用程序的开发、维护、移植及交互功能变得容易进行,扩展性能较C/S更强。B/S的体系结构如图1所示。
3.2 系统的功能模块设计
一个系统性能的好坏,与其功能模块的设计息息相关,本文作者在考虑可重构制造系统特点及系统本身的基础上,通过对现有可重构制造系统的生产资源信息管理系统的调查分析,结合企业的生产实际。在本系统中设计了可重构制造单元基本信息管理、制造中心基本信息管理、运行设备基本信息管理、运行设备配置重构管理、运行设备维护信息管理、数据库维护管理、用户安全权限管理等七个功能模块子系统[3],如图2所示。
3.2.1 可重构制造单元基本信息管理子系统
该子系统提供可重构制造单元的编号、名称、目前运行状态、负荷、加工工艺及范围等信息,具有添加、删除及修改功能。
3.2.2 制造中心基本信息管理子系统
该子系统提供制造中心编号、名称、运行状态、负荷、加工工艺及范围等信息。提供添加、删除、修改以及查询所属的可重构制造单元功能。
3.2.3 运行设备基本信息管理子系统
该子系统管理运行设备的基本信息,提供设备编号、设备名称、设备所在的可重构制造单元、设备所在的制造中心、设备购置时间、出厂日期、制造厂商、折旧年限、保养周期、主轴数量、主轴转速、设备承载、设备净重、设备类型、控制系统等信息的查询、添加和删除功能,并动态显示设备的现状。
3.2.4 运行设备配置重构管理子系统
可重构制造系统主要特征是具有重构性,能在需求变化时通过对生产资源的重构满足产品种类、产品批量变更的需求。因此RMS的IMS需要具有设备配置管理方面的信息,该子系统提供对生产任务变更时,重组生产资源所涉及到的运行设备的更换、添加、减少、调配方面的信息,并记录每次变更的信息,包括变更内容、时间及变更原由。
3.2.5 运行设备维护信息管理子系统
该子系统提供设备故障的维修信息,包括维护、维修成本及时间,并能根据之前的数据对设备的维护进行预测。决策部门以此为依据决定何时维护、维修及是否应该对设备进行重构或置换。
3.2.6 数据库维护管理子系统
该子系统是有权限的数据库维护管理系统,其功能是确保数据的实时性与准确性,并具有数据库数据备份以及数据库备份数据恢复功能,防止人为因素或其它原因造成的数据丢失或损毁。
3.2.7 用户安全权限管理子系统
该子系统主要是针对客户端用户的,能针对不同级别的用户提供不同的使用权限,提供新用户注册、密码修改、权限管理并提供对生产资源查询、添加、修改、删除等功能,为系统安全提供重要保证。
4 关键ASP.NET技术的应用
4.1 ASP.NET数据访问
ASP.NET通过ADO.NET访问数据库,为企业提供底层数据支持,它采用业界标准的XML作为数据交换模式,使网络上的不同系统都能相互运作。ADO.NET中的两大核心成员是:DataSet和.NETDataProVider。
4.1.1 DataSet
它是ADO.NET的最核心的成员之一,独立于各种数据源,无论什么类型数据源,它都会提供一致的关系编程模型。DataSet既可以以离线方式,也可以以实时连接来操作数据库中的数据。其对象是一个可以用XML形式表示的数据关系视图
4.1.2.NETDataProVider
它是ADO.NET另外一个核心常用成员,用于连接数据源执行命令并返回结果,包含4个核心对象:(1)Connection对象:用于连接数据源;(2)command对象:用于对数据源执行指定的命令;(3)DataReader对象:用于从数据源返回一个仅向前的只读数据流;(4)DataAdapter对象:用于从数据源获取数据,填充DataSet中的表和约束并将Dataset对数据的操作提交给数据源。
4.1.3 DataGrid
它是在开发过程中用到最多的控件,DataGrid控件在表格格式中提供绑定数据和一些可以用来对数据进行格式设置的属性。该控件可以从数据源自动生成所有表列,是.NET框架中所有数据绑定Web控件中最通用和最灵活的控件,排序和分页功能的实现都是靠它来实现的。
4.2 系统的安全
4.2.1 操作系统级
不但要为用户设置账号密码,而且要为文件和目录设置相应的访问权限,对于ASP.NET应用程序,就是要在Global.asa文件设置用户权限。
4.2.2 Web服务器级
可以通过配置Web服务器的权限来限制所有用户查看、运行和操作ASP.NET页面的方式,此权限针对于所有可访问用户,不区分用户帐号类型。
4.2.3 数据库级
通过对DBMS系统所提供的数据可访问权限功能的操作加强系统数据的安全。
4.2.4 应用程序级
辨别用户并控制资源的访问权,检测请求的实体(entity)身份的合法性。
通过4层逐层校验机制并对重要数据做出即时备份以便在系统完全失效情况下及时恢复系统功能便可以保证整个系统的安全性。
5 软件设计及硬件构成
5.1 软件设计
系统软件设计是在Visual Studio集成开发环境中进行,利用开发环境中集成的大量工具箱和设计器可以充分减少软件开发周期,系统中客户端脚本程序采用HTML(超文本标记语言)配合JAVAScript(脚本语言)以及层叠样式表单编写。系统的服务器端采用ASP.NET技术配合VBSript(脚本语言)编写服务器端程序,数据库采用微软公司的SQL2000系统。
IMS of PR的软件设计流程图如图3所示。用户登陆首页面通过输入用户名密码经过服务器端程序检测验证,若身份错误(无该用户或密码错误)返回至首页面,身份正确后进入索引页面,当用户进入某个子系统时,系统对用户再次进行身份的权限验证,如果用户不是具有特定权限的人员,则显示相关信息,并将其引导至索引页面。用户通过所有权限验证后,系统将用户引导至具有特定功能如:查询、添加、删除、修改的页面当中,此时用户即可对数据进行相关的处理。
5.2 硬件构成
基于B/S模式开发,考虑目前流行程度和系统可靠性,服务器选用WIN2000操作系统,数据库服务器采用SQL2000数据库操作系统,整个系统硬件构成如图4所示。
6 结论
可重构制造系统涵盖的内容除了加工系统外,在实现上还涉及到企业的组织、管理等方面,是一项大而复杂的工程。RMS有很多问题还处于探索之中,RMS的生产资源是动态变化的,更加需要对其进行管理,本文在其生产资源建模、管理方面做了有意义的研究,利用先进的ASP NET开发了生产资源信息管理系统,使其有助于改善制造系统的各项性能。本系统开发的好坏,即可用性及有效性还取决于可保证采集数据及时性和准确有效性的计算机技术以及在对根据需要进行重构的系统进行仿真模拟方面的虚拟仿真技术。
摘要：结合可重构制造系统研究与目前生产WEB技术在企业内的广泛运用,在对现有制造系统的生产资源信息管理系统进行研究分析的基础上,采用ASP.NET技术开发了可重构制造系统的生产资源信息管理系统,重点介绍了ASP.NET在系统开发中的关键技术并对其特点以及开发所需硬件和软件流程进行了阐述,通过本系统的使用将帮助企业实现高效管理。
关键词：可重构制造系统,生产资源,信息管理系统,ASP.NET
参考文献
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重构制造系统 篇4
关键词：可重构制造系统,生产能力度量,自适应控制模型,PID控制,正交试验
0 引言
可重构制造系统 (reconfigurable manufacturing system, RMS) 是20世纪90年代提出的一种新型可变制造系统, 它通过产品结构调整和制造系统快速重构以适应市场的快速变化, 解决了现代制造企业的TQCSEK难题, 即以最快的速度T (time) 、最高的质量Q (quality) 、最低的成本C (cost) 、最优的服务S (service) 、最清洁的环境E (environment) 、较多的品种K (kind) 来满足市场要求, 其显著特点[1]是可重构性、可集成性、可转换性、模块化、可定制性。针对不确定的市场需求, RMS需要具有生产能力的可缩放性与生产功能的可转换性。从静态观点出发来研究制造系统, 制造系统的生产能力一般根据市场预测的最大需求而设计, 不能很好地满足动态市场变化的需求, 因此, 近年来一些研究人员从动态观点出发来研究制造系统。文献[2,3,4,5]从不同角度对RMS进行了研究, 文献[6]对闭环单工作站生产控制系统进行了设计和分析, 文献[7,8,9,10]则将控制理论应用到自动生产控制系统中。但是, 真正将控制理论应用到RMS中的研究还不多, 为此, 本文将控制理论应用到RMS中, 建立了RMS生产能力可测的动态模型, 设计出了相应PID控制器, 并利用正交试验法对PID参数进行进一步的整定优化, 最后进行了仿真和实例验证。
1 可重构制造系统生产能力动态建模
1.1动态自适应模型建立
要建立RMS的动态自适应模型, 首先要从制造系统性能角度研究RMS, 这些性能主要包括在制品数WIP (work in process) 、生产能力Cap (capacity) 、生产率PR (production rate) 、交货时间TLT (lead time) 、重构时间TRT (reconfigurable time) 等。制造系统是典型的离散事件动态系统, 很难用传统的数学模型表达, 因此很难对其动态性能进行分析评价。考虑到制造系统的一些重要参数指标更适合用连续时间流建模, 同时将控制理论思想应用到其中, 在对企业进行调研分析并参考相关文献[8,9,10]的基础上, 建立了RMS生产能力度量的自适应控制模型, 如图1所示, 图中DPR (desired production rate) 为期望生产率。
从图1可以看出, 该模型由在制品控制部分和生产能力控制部分组成。产品的加工是典型的漏斗式或管道式的控制过程, 也就是说, 在输出与输入之间存在一个生产延迟时间, 该延迟时间的确定并不是一件容易的事。有些研究人员在制造系统尤其在批量生产系统中将延迟时间视为一个指数延迟模型, 仿真结果也表明采用该指数延迟模型可以很好地解决制造系统控制模型的复杂程度和准确度[9]。尽管生产延迟时间将会给系统的稳态输出与参考输入之间带来误差, 但是通过选择合适的控制参数和控制结构可减小误差, 同时通过适当的闭环反馈控制还可以使系统具有较好的动态特性[9]。
在在制品控制系统中, 在制品水平WIP是RMS动态建模中的一个非常重要的参数, 当有新任务新订单发生时, 就需要调整在制品的水平来适应市场需求的突变。实际上, 任何制造系统在固定的延迟时间内都有一个最大的在制品水平, 需要通过RMS来对生产能力进行适当配置以优化在制品水平。在制品放大系数 (增益) KW可以通过增大或减小生产系统的在制品量而得到[11,12]。
在生产能力控制系统中, 订单需求OR (order rate) 的变化将会体现在期望生产能力上。从某种意义上说订单需求率可以认为等于参考输入水平, 因此该参数是一个动态参数。生产能力缩放系数KC的调整是通过增加或去除机床、刀具、工件等方式来实现的, 但为了能够快速地自动调整KC以适应环境的变化, 需要引入一个重构时间TRT来度量。理想的制造系统重构时间应很短可近似为零, 但实际上实现立即调整是做不到的, 总有一个时间延迟, 该时间延迟模型也是一个指数形式的模型, 因此, 这个时间反映了制造系统可重构的能力, 也是一个很重要的参数。
期望的生产能力水平Cap*与实际的生产率PR之间存在误差, 该误差通过适当的比例缩放系数KC进行控制。将在制品水平与期望在制品水平进行比较得到偏差, 然后通过适当的比例放大系数KW进行控制。两个环节叠加后得到期望的生产率DPR, DPR又经过控制环节控制后得到实际生产率PR, 它们之间存在相互反馈环节。根据以上分析并基于控制理论知识, 经过拉氏变换可得到实际生产率与期望生产能力之间的传递函数模型如下:
1.2动态响应分析
为了能客观真实地反映制造系统经重构后的实际生产率能否有效跟踪参考期望生产能力, 图2给出了在单位阶跃输入下的实际输出情况, 图中的横虚线表示稳态值。可以看出模型的建立是正确的, 同时还可以看出, 无重构时间情况下明显要比有重构时间情况下的响应要快。但制造系统需要重构, 所以必须有一个时间延迟。从图2中还可以看出, 系统存在的误差比较大, 这个误差也间接地反映了制造系统不能很好地满足突变的订单需求。因此, 为了减小误差, 同时研究它和一些其他参数之间的关系, 需要通过适当的控制方法对生产能力可测部分进行有效的优化控制, 而PID控制就是一种非常简单和实用的控制方法。
(TLT=6d, TRT=3d, KW=2件/d, KC=6件/d)
2 生产能力优化
2.1PID控制基本原理
PID控制器是一种线性控制器, 写成传递函数的形式为
其中, 比例增益系数kP的作用是加快系统的响应速度, 提高系统的调节精度;积分增益系数kI的控制效果是消除系统的稳态误差;微分增益系数kD的控制效果是改善系统的动态特性, 缩短过渡过程时间, 减小超调量。
经PID控制后的RMS动态模型见图3。
2.2 仿真结果分析
根据经验选择kP=1, kI=2, kD=2, 得到PID控制后单位阶跃输入下的输出响应如图4所示。可以看出, 尽管有超调量出现, 但能够很好地跟踪输入, 误差几乎为零, 而且反应时间也比优化前要快, 这也与实际情况相符合。因为经过重构后的制造系统, 在刚开始接到突变的市场订单需求时, 不可能立即就调整到与需求一致, 但经过很短时间的调节, 能够很好地与市场需求相适应, 从而也验证了控制方法的有效性和可行性。图5所示为不同放大系数下的响应, 可以看出, 放大系数变大时, 系数的动态性能比较好, 但放大系数不能太大, 太大反而会给系统带来一定的误差, 因此选择合适的放大系数也是很重要的。
(TLT=6d, TRT=3d, KW=2件/d, KC=4件/d)
1.KW=1件/dKC=2件/d 2.KW=2件/dKC=4件/d3.KW=3件/dKC=6件/d 4.KW=4件/dKC=8件/d
3 正交试验法整定PID参数及优化
图4所示是根据经验随机匹配参数得到的比较满意的结果, 但仍需要对PID控制参数做进一步的二次整定优化, 而正交试验就是一种比较理想的参数优化方法。本文通过少量的正交试验确定一组PID参数, 使系统的性能达到最佳。
进行正交试验时, 首先确定因素与水平如表1所示;其次根据因素和水平选择标准正交表L25 (56) , 并以超调量Mp和上升时间Tr为性能指标进行考察以确定最佳的控制参数, 然后进行试验, 结果见表2。
通过对表2进行极差分析确定以Mp为指标的最优方案1对应的参数为kP=2.5、kI=1、kD=1, 以Tr为指标的最优方案2对应的参数为kP=0.5、kI=3、kD=2。对两个方案进行仿真, 结果如图6所示, 比较结果见表3。从表3中可以看出, 方案1与另外两个方案相比各项性能指标都相对较优, 最终选择方案1的PID控制参数为最佳控制参数。因此, 通过正交试验对参数进行进一步的优化, 可使系统及时快速地满足突变订单需求的变化, 同时也不至于使库存量太大, 从而为企业提供更大的运转和发展空间。
4 实例分析
某车间采用传统的制造系统, 当订单需求增加时不能很好地满足需求, 现采用本文所提出的方法和优化控制方法能够及时地满足市场的需求。当突然接到一批新订单时, 需要工件600件, 交货时间30天, 即期望生产能力Cap*=20件/d。系统重构时间TRT=2天。按照上述提出的动态模型和控制算法得到有PID控制与无PID控制的响应如图7所示, 可以看出, 增加机床、刀具等重构时间约2天 (TRT≈2天) , 优化后的系统只需约20天的时间就可以完成订单, 比交货期提前10天左右, 从而验证了本文提出的控制方法的有效性和可行性。
5 结论
(1) 将控制理论应用到制造系统控制中, 建立了可重构制造系统生产能力度量的自适应动态模型。
(2) 运用PID控制进行了优化, 为了得到较优的控制效果, 进一步运用正交试验法对PID参数进行了二次整定优化。
(3) 实例验证了本文提出的控制方法的有效性和可行性, 为可重构制造系统实时适应市场动态需求的变化提供了一个有效的解决问题的途径。
参考文献
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重构制造系统 篇5
无论是能源、材料、生物还是其他领域, 都面临着用新的信息技术使产业发生改变, 这正是第三次工业革命和前两次不一样的地方。工业化与信息化融合已成为科技进步的必然, 成为发展现代产业体系的重要途径, 为企业创新发展带来了新机遇, 开辟了应对资源环境挑战的新方式。工业化是信息化的物质支撑和主要载体, 信息化是工业化的推动引擎和提升动力, 只有两者深度融合, 才能达到科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的要求, 实现工业革命。
在荷兰飞利浦电子公司的一家工厂里, 128部具备高超柔韧性的工业机器人在永不停息地工作着, 从事着工人无法完成的精细工作
全球工业格局悄然变化
“新一轮的工业革命正在深化, 西方发达国家在振兴制造业上走出一条新路子。他们依靠科技创新, 以数字化和智能化为核心, 抢占国际竞争制高点, 提高经济发展核心竞争力, 谋求未来发展的主动权。甚至有国外学者称, 新技术的出现, 很可能导致中国制造业在未来20年中出现困境。我们对此应该有强烈的忧患意识。”中国工程院院长周济对制造业数字化智能化的论述, 同样传达出我国广大科技工作者对其在第三次工业革命中的重要性拥有清醒认识。
看看当今全球顶级企业, 受益于数字化智能化技术的典型案例比比皆是。苹果公司就是通过产品模式创新、各种最新技术的集成创新, 成功引领了信息产品的发展方向。又如美国页岩气开发技术的突破, 引起了一场页岩气革命, 对世界能源格局乃至政治、经济发展都产生了深刻影响。相反, 一些辉煌一时的国际顶尖企业, 则因为没有及时把握住新一轮工业革命浪潮, 正在经受前所未有的发展困境。
我国经过几十年的努力奋斗, 在制造业方面实现了历史性的跨越式发展, 制造业生产总值已跻身世界第一。但“大而不强”一直是我国制造业亟待突破的瓶颈。其中, 自主创新能力不强, 在技术方面一直处在跟踪和追赶状态, 许多关键核心技术还没有掌握, 是导致我国制造业综合竞争力弱的最主要因素。如果能够在中国制造前面加上“中国设计、中国创造”, 我国的经济和产业格局就会发生根本性变化。因此, 紧抓第三次工业革命契机, 努力在创新和综合竞争力上步入世界前列, 是我国制造业未来发展的重点所在。
挑战与机遇同在, 我国制造业要实现跨越式发展, 也具备了许多良好条件。周济指出:“一是我国制造业拥有巨大市场需求。二是我国制造业有着世界最为完整的体系。三是我国一直坚持信息化与工业化融合发展, 在制造业数字化方面掌握了核心关键技术, 具有强大的技术基础。四是我国在制造业人才队伍建设方面已经形成了独特的人力资源优势。五是我国制造业在自主创新方面已经取得了一些辉煌成就, 上天、入地、下海等等, 都显示出我国制造业巨大的创新力量。”
当然, 与发达国家相比, 我国在自主创新, 尤其是信息技术原始性创新方面还有很大差距。今后, 在制造业数字化、智能化的核心技术方面, 我国制造业还需要实现战略性的重点突破。
我国自主研制的海洋石油981深海平台, 能够在3000米深海平稳钻井, 即使钻入地下1.2万米, 也能在大风大浪中岿然不动
数控技术优势巨大
第三次工业革命的核心技术是制造业数字化和智能化, 它主要涉及产品创新、制造技术创新和产业模式创新三个方面。其中, 以数控与智能的机械产品为代表的产品创新至关重要。
数码相机就是应用数字化技术对传统产品进行创新的典范:昔日胶片行业的霸主柯达公司曾在1975年研发出世界上第一台数码相机, 但由于战略性决策失误, 它并没有及时将这一技术创新成果市场化。最终, 伴随着传统胶片产业被数字化技术颠覆的阵痛, 柯达公司于今年宣告破产。
事实证明, 只有充分认清产品创新对企业以及制造业的终端重要性, 才能适应当前激烈的市场竞争格局。
数控机床是应用数控技术创新机械产品的典范之一。以注塑机的数控化和智能化为例, 我国是全球最大的注塑机生产国, 产量占据世界年产能70%以上, 但在高端产品方面, 远远落后于世界先进水平。注塑机发展已向全电动型演变, 这种数控技术创新可以实现能量的按需供给, 减少40%至80%的电能消耗, 并具有加工精度与稳定性高、生产效益高、噪音低、没有污染等优点。而进一步产生的智能型数控注塑机, 进一步实现了工艺自动优化、产品自动分拣、过程自动监控等功能, 达到更高的效率、精度和节能效果。
“数控技术正在使机械工业由电气化时代跃升为数字化时代, 在可以预见的将来, 智能化技术将使机械工业由数字化时代进入智能化时代。”周济说。
数控技术已经为机械产品带来深刻革命, 由于数控化机械增加了“大脑”, 可使其功能和性能发生质的飞跃, 并最终实现智能化, 引发机械工业的升级。
在可以预见的未来, 数控产品会适用于各行各业机械产品的全面创新, 从食品、饮料、农副产品、日用化工等专用设备, 到火车、汽车、轮船、飞机等交通运输设备, 乃至工程、农业、港口、医药机械等等。对于我国中低档机械产品的升级换代, 提升各种产品性能和市场竞争力, 数控技术将会发挥巨大优势。
我国广东省东莞大朗镇年产毛衣3亿多件, 用工最多时需50万人。如果全部使用数控编织机, 3万至5万人就可以生产出同样数量但质量更好的毛衣
中国制造亟须迎头奋起
数控化可使机械产品“大脑”更精密, 这同样为我国高端机械产品开辟了创新的广阔空间。以信息装备制造当中最关键、最复杂、最昂贵的光刻机精密工作台的研制为例, 超精密的工作台是光刻机的核心关键装置, 其精度几乎接近物理极限。要实现光刻机高速、大行程、自由度纳米级精度运动, 除合理的运动结构和精密检测技术外, 关键在于数字化控制, 核心在于数字化补偿。经过补偿控制, 我国成功研制出100纳米光刻机的工作台, 实现了高速、高清的高端设备技术要求。
周济表示:“以数字化技术为基础, 在互联网、物联网、云计算、大数据等技术的强力支持下催生的产业模式创新, 也会使制造业的产业模式发生根本性变化。”在第三次工业革命中, 生产型服务业将得到全面快速发展, 大中型企业正在走向“产品+服务”的模式, 从产品制造商向系统集成和服务商的方向转变。对应于制造业数字化智能化带来的产品制造技术与管理技术的进步, 新型的生产组织模式, 以及企业的商业模式等众多方面, 都在发生根本性变化。
实际上, 西方某些学者提出的第三次工业革命, 很大程度上是从产业模式的角度考虑。
他们认为, 第三次工业革命会形成多品种、小批量、定制式的新型生产模式。但无论从哪个角度考虑, “制造业数字化智能化”都是公认的第三次工业革命的核心技术。因此, 要实现到2020年我国机械产品全面应用数控技术, 实现一定程度智能化的奋斗目标, 就需要将科技创新与产业发展紧密融合, 努力促进产业结构调整, 全面提升核心竞争力, 并进行有组织创新、集成创新和协同创新, 最大限度地推进科学技术成果的工程化产业化。
制造单元的成组聚类及重构研究 篇6
当前, 大批量生产的流水线生产方式并不适应于多品种, 小批量生产。为了提高产品柔性, 适应多品种、小批量生产的成组柔性制造单元技术得到了迅速的发展。20世纪50年代前苏联科学院院士米特洛凡诺夫对机械零件的成组加工和成组工艺进行了系统的总结和论述;20世纪60年代, 德国阿亨工业大学的opitz教授领导的研究小组全面发展了成组技术, 使其成为一门完整的科学理论, 制定了OPITZ零件分类编码系统;英国学者伯别奇依据工艺相似零件组的特征, 建立了与之对应的生产单元, 解决了多工序零件的成组加工问题。我国学者蔡建国在1985年将分类编码系统和排序聚类法有机的结合起来, 解决了相似零件分类成组的问题[1];徐立平在1996年指出了成组技术应用于中小批量生产的必要性和可能性;2009年韩晓燕针对中、小批量的生产类型中存在的问题, 应用成组技术将轴类零件分类成组, 提高了零件分组的效率[2];孙进平阐述了相似零件及工艺设备分组形成的单元化生产方法、基于成组技术的制造单元构成方法和在单元内对设备进行布置及单元在车间内布局的方法等。
针对成组技术在多品种、小批量生产的柔性制造系统中的应用, 结合零件的特征编码系统、聚类分析方法等, 将相似理论应用于制造单元构建及单元重构问题, 以探讨相似理论在先进生产管理中的科学应用。
2 制造单元的成组聚类
在机械制造企业中, 成千上万种零件在外形结构和制造工艺方面各有不同, 但零件的复杂程度零件呈现出一定的规律。研究表明, 任一种机械类产品其组成零件都可以分为三种类型, 这三类零件数量分布曲线如图1所示。A类零件为标准件, 一般占零件总数的20%~25%, 易组织大量生产;B类零件机构复杂程度中等、品种多、数量大, 可以形成一些功能相同、形状和尺寸上略有差异的相似件, 一般占零件总数的70%左右;C类零件专用性强、结构复杂, 其数量少, 一般只占零件总数的5%~10%。ABC分类表明, 在各种机械产品所组成的零件中, 占70%左右的是相似件, 在功能结构和加工工艺等方面都存在着大量的相似特征, 采用成组工艺组织生产是一种行之有效的方法。
考察图2所示的零件相似性分类, 零件结构和材料的相似性在一定程度上决定着工艺相似性, 故把零件结构和材料的相似性称为基本相似性或一次相似性, 而将工艺相似性称为二次相似性。依据此特点, 可以将品种众多的零件按其相似性形成不同的零件族, 聚合为少量的复合零件加工单元, 增大产量, 以此提高多品少量生产的经济效益[3]。图3描述了零件加工单元的构建过程, 即采用零件成组的相似理论、生产流程分析法、聚类方法和特征编码系统对零件进行成组化分析, 形成待加工的零件族;对已成组化的零件族进行工艺相似性分析, 构建加工制造单元, 而后运用产能分析和负荷均衡理论优化加工单元, 实现加工单元的重构。
3 轴类零件加工单元的构建
3.1 轴类零件聚类及成组
轴类零件是一种常用的典型零件, 主要用来支承传动零部件, 传递扭矩和承受载荷。针对文献[2]所讨论的10种轴类零件, 本文将特征位码域法与聚类分析法结合起来, 构建零件族。
表1是应用RPJLBM-1编码系统对10类零件进行的编码, 应用特征位码域法对表1零件进行零件族划分, 结果如表2。然后根据10种零件的生产工艺建立零件-机床矩阵, 如表3所示。
针对表3的零件-机床矩阵, 以SFX004对其他零件相似系数计算为例, 运用聚类分析法计算相似系数如下:
将Sij值大于0.8的相似度较高的零件分为一族;Sij值大于等于0.5、小于0.8的零件归入第二族, Sij值小于0.5的零件归类第三族, 其结果如表4。
比较表3和表4的零件族, 聚类分析法将10种零件分为3个零件族, 比特征位码域法减少了零件族数, 因此, 对于新增加的零件, 计算相似系数Sij就可以明确确定所增零件是属于哪个零件族, 大大提高了零件分类成组的清晰度。
3.2 加工单元的聚类及构建
如前分析可知, 成组化零件族, 可以将多品少量的加工转换为较大的成组生产量。成组生产的基本生产组织形式是成组加工单元, 就是由一组机床和一组生产工人共同完成相关零件组的全部工艺过程的成组生产组织。
依据表4的零件族, 由其工艺路线 (见表3) 初步建立加工单元, 如图4所示。其中12台加工设备分别为:A-锯床, B-冲床, C-250T挤压机, D-磨床, E-钻床, F1-大倒角机, F2-小倒角机, F3-数控倒角机, F4-轧角机, G-热处理装备, H-双端面磨床, I-研磨机。
3.3 加工单元负荷均衡与重构
观察图4所示的3个零件族的加工单元可知:磨床D、热处理装备G等是三个零件族中使用频率最高的, 是三个零件组的共用设备;250T挤压机C、双端面磨床H、钻床E等为两个零件族的共用设备;大倒角机、小倒角机、带数控小倒角机、轧角机、锯床、冲床、研磨机等为单个零件族的使用设备。设备使用频率的高低, 影响着加工单元的负荷。表5是由加工的轴类零件的尺寸及加工工艺要求的工时定额时间标准, 据此可以计算各零件族的总加工工时, 即负荷量, 计算结果如图5所示。
分析图5所示各零件族加工过程中机床的负荷, 磨床所用的工时比较多, 且精磨的工序远远超过了其他机床;倒角机和双端面磨床的工时最小, 负荷最小, 空闲时间较多;粗磨和钻床的总工时都比较接近平均节拍, 负荷基本均衡。
通过工时图5分析的结果, 对现有的加工单元进行适当的调整和重构:磨床负荷较大, 适当增加磨床数量DZ, 均衡该加工单元负荷;倒角机和双端面磨床负荷较小, 将其与负荷大的磨床形成共用设备组, 合理分配操作人员均衡该单元负荷;负荷较均衡的钻床可以不予调整。调整重构后的加工单元布局如图6所示。
4 结论
本文从零件族的建立, 工艺规程设计及生产组织形式设计, 生产单元的优化等方面介绍了轴类零件生产系统中成组技术的应用。应用编码分类法中的特征位码域法对零件进行零件族划分, 然后再应用聚类分析法计算零件与确定零件族之间的相似系数, 大大提高了零件分类成组的清晰度, 提高了零件分组的效率。再应用复合零件法对零件族进行了成组生产单元的建立。最后通过机床负荷率、单元负荷的平衡调整, 提出了生产单元重构的可能性并分析了单元重构的条件和优化的途径。
参考文献
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重构制造系统 篇7
可重构数控系统是当前开放式数控技术的一个研究热点,与传统数控系统相比,可重构数控系统具有很多优点[1]。当前对数控可重构技术的研究主要集中在以下几个方面:①将现场可编程逻辑器件作为硬件系统的一个功能模块,研究如何对其实时编程以实现对硬件系统的重构设计[2,3];②利用组件技术设计数控系统,使数控软件系统具有一定的可重构性[4],或研究Windows系统的特点,基于Windows系统设计可重构的软件模型[5];③为了方便系统功能模块的增减,研究总线技术在可重构数控设计中的应用,利用通用串行总线设计系统模块间的通信[6]。上述研究的不足是:忽略了可重构数控系统的实现需要硬件、软件和模块间通信的协同设计。因此,本文将数控系统的重构分成相关联的3个层次:硬件系统重构、软件系统重构和模块级重构,并通过一个实际数控系统的设计,来阐述3个层次的应用及其相互关系。
1 数控系统软硬件开发平台的构建和可重构设计研究
1.1 可重构数控系统软硬件开发平台的建立
图1所示为数控系统的可重构硬件开发平台,以ARM、DSP和FPGA为硬件平台核心,系统采用主从式双CPU设计。ARM 处理器作为主芯片,具有通信管理、网络管理、人机交互、指令译码、故障诊断等功能。DSP 具有软件插补、位置控制、误差控制等功能。FPGA用于硬件插补器和外围接口电路的设计。由于FPGA能够通过编程改变其内部的硬件电路时序关系,所以数控系统的插补模块和外围接口电路能够根据整个系统的重构需要进行重新配置,使该硬件平台具有很强的重构能力。存储器主要用于整个系统运行的程序和数据的存储。各种硬件功能模块包括显示控制模块、键盘控制模块、数据采集模块、PLC控制模块等,主要用于实现各种具体应用功能。
笔者设计的可重构数控系统软件平台如图2所示,由如下几个部分组成。
(1)硬件服务模块。
该模块的主要功能为:①系统开始运行时,对硬件模块进行初始化;②系统运行过程中,其余软件模块只能通过硬件服务模块对硬件进行操作;③硬件模块进行重构时,用VHDL语言描述的文件通过该模块装载入FPGA模块。
(2)实时操作系统模块。
将自行开发的嵌入式实时操作系统TDNC-OS作为系统任务调度与开发平台,该模块的主要功能是处理由内外部事件引发的文件系统或功能任务的调度以及相应设备驱动的激活等。
(3)软件重构配置模块。
该模块的功能为:①原有系统参数的重新配置重构;②新功能的加入或新系统的重构生成。
(4)其余软件功能模块。
包括文件系统模块、各种插补功能模块、各种交互模块等,主要用于完成系统具体的工作功能[7]。
1.2 数控系统可重构设计研究
1.2.1 基于FPGA的硬件可重构模块设计
数控系统的可重构性要求数控系统能适时地调整自身的硬件结构以满足重构要求。现场可编程逻辑器件具有硬件电路在线可编程的特性,即它的硬件结构可以像软件程序一样被动态调整或修改[8]。图3为基于FPGA的可重构系统的结构框图,该系统可实现对数控系统从两轴联动到五轴联动的重构设计。由图3可知,可重构模块是ARM模块、DSP模块、交互模块和总线接口模块彼此间通信的桥梁。它不仅为信号传递提供可靠的通路,而且通过装载不同的配置文件,可重构出不同功能的数控系统。驱动模块和外部I/O接口模块(主要用于数控机床电气的控制)通过串行工业现场总线与数控系统相连,减小了模块之间连线的复杂度,提高了通信的可靠性,使整个系统模块的增减更加简便,极大缩短了数控系统模块级的重构时间。
基于常规SRAM编程,本系统基于FPGA的动态配置方案如图4所示。配置参数模块中的数据按照逻辑功能存放,用于配置FPGA内部的各逻辑模块。外部缓冲SRAM在ARM控制下,对系统重建时隙给予自适应的逻辑补偿,保证系统逻辑时序上的连续。系统整体功能采用FPGA硬件复用形式构筑,但系统功能的整合(系统重构、时隙补偿)由ARM规划和控制。
1.2.2 数控系统引导型软件重构开发平台的研究
数控系统的硬件重构和软件重构必须同步进行,才能实现整个系统的重构。根据该数控系统的结构特点,笔者设计了一种具有引导功能的系统重构开发平台,如图5所示。开发平台采用一种引导开发的模式,借助于预先定义的各种信息库,将使用特殊语言描述的用户功能要求转换成信息库中特定策略的组合,然后通过与ARM和DSP相匹配的代码编译器,将策略描述翻译后,再通过下载电缆传送至数控系统。
软件重构开发包括语言描述和引导设置两种开发方式。语言描述方式采用结构化的功能机制,预先定义出系统重构的算法结构,用户只需根据算法的提示加入自己功能要求的描述。图6所示为重构描述语言的结构,图中定义了一种新的插补算法来完成所需的复杂曲线拟合。开发平台提供独立的结构化描述语言,采用面向对象的编程思想,以功能对象群组的方式来描述数控组件对象的特定工作状态。语言描述方案可以通过灵活定义的算法规范深入系统内部的软件构成细节,适用于系统底层策略方案的自定义重构配置。引导设置采用开发向导的形式以图形化询问界面来定制用户的重构需求,一般用于较为简单的重构开发。图7所示为运动拟合精度的重新设定,较为简单,只需修改一些参数,因此,采用引导设置方式进行开发。
2 基于工业现场总线PROFIBUS-DP的模块可重构数控系统设计
数控系统的模块级重构要求重构过程简便快速,重构后的系统运行安全可靠,在物理空间上能够灵活分布[9]。PROFIBUS-DP是经过优化的高速廉价的通信总线,专用于自动化系统中分散的现场设备之间的通信。特别适合于分布式数字控制系统的高速数据传输。笔者基于前述的可重构软硬件数控平台,将12Mbit/s的PROFIBUS-DP作为数控系统模块间的通信总线,成功开发出了TDNCM4数控系统,图8为TDNCM4数控系统分布式模块结构图。在此基础上,下文将研究重构出新的更高性能的五轴联动数控系统TDNCH8的策略方法。
图9为将要设计的TDNCH8数控系统的分布式模块结构图,与图8相比最显著的变化就是增加了1个I/O控制器从节点和4个进给驱动从节点,变化的原因是TDNCH8数控系统需具有控制八轴五联动的能力。
表1列出了TDNCM4和TDNCH8数控系统在功能上的相同和不同之处,同时给出了从TDNCM4重构出TDNCH8系统时各种功能所采用的重构方式,“√”表示所在列的重构方式被采用。表1中所列数控功能的重构主要分为3类:
(1)不变。指TDNCM4和TDNCH8共有的功能。如平面直线插补、空间直线插补等功能,在数控系统重构升级的过程中,这部分功能可直接用到新的数控系统中。
(2)增加。指TDNCM4系统有此功能,但由于控制轴数的增加而必须对其进行扩展。如最大进给轴数、坐标系统等功能,需要从四轴增加到八轴。最大进给轴数的扩展是这样实现的:硬件重构增加轴控制通道数,软件重构解决新增轴的位置控制和配置问题,模块重构使新增的进给轴物理载体(一般是伺服电机驱动器和伺服电机)方便地连接到数控系统主控器上。显而易见,为实现控制轴数的重构升级,3种重构方式必须同时采用,缺一不可。坐标系统只需利用软件重构的方式,在前面提到的引导型软件重构平台上,在坐标系统函数库中增加新增四轴的坐标处理函数即可实现,硬件重构和模块重构的方式未用到。
(3)新增。指TDNCM4没有,而TDNCH8新增的功能。主要是一些更高级的插补功能,需要通过软件重构的方式来实现。
从上述分析中可以看出,基于TDNCM4系统重构出TDNCH8系统必须同时利用数控系统的硬件重构、软件重构和模块级重构技术,三者相辅相成,密不可分。换个角度分析,我们可以把数控系统的重构分为3个层次:①核心功能重构(一般指控制轴数和联动轴数的改变)需要同时采用3种重构方式才能实现;②工作功能(主要指插补功能)重构,只需通过软件重构就能实现;③辅助功能(包括坐标系统、程序管理系统、刀具管理系统等)重构,只需通过软件重构就能实现。只要判断出一个数控系统的重构升级属于哪个层次,就能决定其应该采用的重构方式,例如,如果只是想把刀具管理系统管理的刀具数从1024增加到2048,只需进行软件重构就可以。实际上,这种重构并未改变TDNCM4系统的根本性能,而是扩充或增强了其辅助功能。但如果把TDNCM4系统的控制轴数和联动轴数分别增加到8和5时的数控系统的重构属于核心功能的重构,需3种重构方式同时使用才能实现,而且重构后的系统在根本性能上与TDNCM4系统相比已经有了质的飞跃,新的更高性能的数控系统已经诞生。因此,如果一个可重构的数控系统平台具备上述3个层次的重构能力,那么必将能开发出从低端到高端的系列化数控产品。
在实际应用中,通过对TDNCM4数控系统的软硬件和组成模块的重构设计,成功开发出了五轴联动数控系统TDNCH8,并将其应用在TDNCM80A五轴加工中心上。显然TDNCM4和TDNCH8基于同一种设计结构,属同一个产品系列,只是性能高低不同。同理,采用相同的重构方法,也能方便地重构出车床控制系统、磨床控制系统等,从而形成一个数控系统产品系列。
3 结束语
论文提出从数控系统设计的硬件、软件和模块3个层次来研究可重构数控系统的设计,并给出了各个层次重构的实现方法。研究了3个层次在系统重构中协同应用的问题,并以一个实际设计为例,给出了不同数控功能重构的3种层次的选择方法。课题后续的工作将着重于进一步研究重构过程中的软硬件协同设计问题以及数控系统重构和机床重构的关系问题。
摘要：提出了一个软硬件可重构的数控系统平台方案,给出了硬件系统的重构策略,并设计了一个引导型软件重构开发平台。通过对数控系统的功能分析,将重构分为核心功能重构、工作功能重构和辅助功能重构,并以此研究了数控系统硬件重构、软件重构和模块重构的关系和协同设计问题。
关键词：数控系统,硬件重构,软件重构,模块重构
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