模塊化的可重構制造系統(tǒng)研究

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(長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022)

模塊化的可重構制造系統(tǒng)研究

王長梅，李曉舟

(長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022)

0 引言

進入21世紀以來，隨著經(jīng)濟的全球化發(fā)展，市場需求千變?nèi)f化市場競爭愈演愈烈，傳統(tǒng)的制造模式難以平衡消費者的細致化的需求和生產(chǎn)者的成本投入和收益之間的平衡，新的生產(chǎn)模式應運而生，可重構制造系統(tǒng)既能夠滿足快速響應動態(tài)多變的市場需求，又能夠廉價地重構原有的制造單元以適應創(chuàng)新產(chǎn)品快速生產(chǎn)的需求。因此,可重構制造系統(tǒng)的研究和發(fā)展是迫在眉睫的。

1 可重構制造系統(tǒng)的定義及特點

可重構制造系統(tǒng)的概念是由美國密歇根大學的 Koren Y 教授在1999 年國際生產(chǎn)工程研究學會(CIRP)年會上首次提出的，定義如下：“可重構制造系統(tǒng)是一種能在同一零件族內(nèi)快速改變系統(tǒng)結構、軟硬件組件，迅速調(diào)整生產(chǎn)能力和生產(chǎn)功能以快速響應瞬息萬變的市場需求和客戶定制要求的制造系統(tǒng)[1]”。其后，國內(nèi)的羅振璧和梁福軍等學者都對可重構制造系統(tǒng)的定義分別做出過新的解釋，但到現(xiàn)在仍然沒有統(tǒng)一的定義。認為可重構制造系統(tǒng)區(qū)別于其他制造系統(tǒng)的特點主要集中在：重構性、經(jīng)濟性和定制性[2]。

a.重構性。從系統(tǒng)名稱就可以看出，這是可重構制造系統(tǒng)與其他制造系統(tǒng)的最本質(zhì)區(qū)別。重構性的實現(xiàn)主要依賴于模塊的合理劃分和接口的科學設計，根據(jù)結構的變化實現(xiàn)不同的機床功能。它不僅避免了傳統(tǒng)專用制造系統(tǒng)的柔性不足，也克服了柔性制造系統(tǒng)的冗余煩瑣、周期長的缺點。

b.經(jīng)濟性。市場經(jīng)濟的發(fā)展特點決定了現(xiàn)代制造企業(yè)所要面對的問題是TQCS難題[3]，即最快的速度、最好的質(zhì)量、最低的成本和最優(yōu)的服務。其中最低的成本要求就體現(xiàn)出了經(jīng)濟性的要求，這也是市場的發(fā)展特點所決定的。

c.定制性。新事物能夠取代舊事物必然有它的優(yōu)勢所在，定制性就是可重構制造系統(tǒng)優(yōu)于其他制造系統(tǒng)的地方，它滿足了客戶的定制化多樣化需求，可重構制造系統(tǒng)的設計,針對的是某一族的產(chǎn)品而不是單個或全部，它可以根據(jù)市場變化和客戶的需求快速進行轉換，不僅增加了柔性,提高了響應速度,還縮短了研發(fā)周期，降低了后期管理的成本。另外,它還具有模塊化、標準化、集成化、轉換性和可診斷性等特點，它們的關系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)關系

制造系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從20世紀初期追求低成本、高效率滿足產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)的剛性制造系統(tǒng)，再到中期隨著自動化技術和信息技術的產(chǎn)生與發(fā)展，出現(xiàn)了以數(shù)控技術為基礎的柔性制造系統(tǒng)。21世紀以來,在經(jīng)濟和貿(mào)易全球化背景下，產(chǎn)品定制化程度的提高、壽命周期和交付時間的縮短要求制造企業(yè)生產(chǎn)具有更高的柔性和敏捷性，以適應快速變化的市場需求。由此出現(xiàn)了追求可變性、快速響應的可重構制造系統(tǒng)[4]。

2 可重構制造系統(tǒng)的模塊化

2.1 模塊化特點及劃分原則

可重構制造系統(tǒng)的模塊化設計與傳統(tǒng)機床模塊化設計有所不同。首先，它的模塊化不僅包含機械部分還包含控制部分以及輔助部分的模塊化；其次，它不僅考慮了幾何物理的相似性還包括基于二者相似性的拓撲性，以及基于組合拓撲概念的廣義相似性；強調(diào)的是模塊集成的接口“相乘效應”[5]。模塊化設計的基本原理可以概括為分解-組合，即把系統(tǒng)分解成結構和功能獨立的基本單元，然后根據(jù)不同的實際要求，各個模塊可以進行快速組合成不同功能的系統(tǒng)滿足市場發(fā)展需求，這樣可以方便系統(tǒng)功能的維護管理，降低了系統(tǒng)開發(fā)難度與成本，提高企業(yè)競爭力。為了實現(xiàn)快速組合，各個模塊必須具有很好的獨立性和靈活性，而要能組合成一個可用的系統(tǒng)，保證硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的重構必須同步完成，模塊之間必須有很好的接口設計來實現(xiàn)互聯(lián)和通信。為了保證模塊的這些特點來達到快速重構的目的，模塊的劃分必須依據(jù)一定的原則。

a.自治性原則。模塊是面向族零件設計的功能部件，必須具有獨立自治功能才能實現(xiàn)快速重構，這也是可重構制造系統(tǒng)發(fā)展的基本要求。

b.靈活性原則?？芍貥嬛圃煜到y(tǒng)的優(yōu)勢就是可以對于市場變化做出快速響應，而作為其基礎的模塊化必須要保證靈活性，便于拆卸和安裝。

c.典型性原則?？芍貥嬛圃煜到y(tǒng)面向的是某一族產(chǎn)品的加工，為了保證其模塊的通用性，所以在考慮機床特性的基礎上盡量保證其典型化。

2.2 可重構制造系統(tǒng)的模塊劃分

模塊劃分的目的是要簡化機床結構、便于重構和實現(xiàn)二次利用。可重構制造系統(tǒng)是在模塊化的基礎上發(fā)展起來的，模塊劃分得合理與否關系到系統(tǒng)的功能。基于標準化、通用化和系列化的原則，在市場發(fā)展和客戶需求的基礎上對可重構制造系統(tǒng)模塊具體化分如圖2所示。

圖2 可重構制造系統(tǒng)模塊劃分

3 可重構制造系統(tǒng)的關鍵技術

可重構制造系統(tǒng)的出現(xiàn)主要是為了降低生產(chǎn)成本、縮短研發(fā)周期、滿足客戶多樣化需求和提高市場競爭力。為了實現(xiàn)這個目標，必須對可重構制造系統(tǒng)的關鍵技術進行詳細研究，從機械部分和控制部分著手,具體劃分如圖3所示。

3.1 模塊設計

3.1.1 模塊的合理劃分

可重構制造系統(tǒng)模塊的科學合理劃分的重要性早已為人熟知，它能簡化機床設備、降低重構頻率，影響制造成本等[6]。雖然模塊的劃分有一定的原則可以依據(jù)，但那也只是定性的劃分并沒有量化的規(guī)定，在實際生產(chǎn)中還是需求通過功能分解來靈活劃分。

3.1.2 模塊的標準化

可重構制造系統(tǒng)要想得到廣泛發(fā)展和應用，作為其基礎模塊首先要實現(xiàn)標準化，只有實現(xiàn)標準化才能保證各個模塊間的互換，同時組織專業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

圖3 可重構制造系統(tǒng)的關鍵技術劃分

3.2 界面設計

要實現(xiàn)系統(tǒng)重構，界面的研究是不可忽視的，無論是機械界面還是數(shù)據(jù)界面，模塊之間界面結合的精度和穩(wěn)定性都關系著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。所以,界面的設計必須實現(xiàn)標準化。

3.3 接口設計

3.3.1 硬件接口

這里的硬件接口主要指的是模塊之間的機械接口，接口接觸面必須保證很高的幾何精度要求才能實現(xiàn)快速重構。

3.3.2 軟件接口

這里主要指的是數(shù)據(jù)接口，模塊之間是通過接口來實現(xiàn)互聯(lián)和通信的，為了保證不同功能模塊之間信息的快速傳遞，接口的設計必須實現(xiàn)通用化和標準化。

可重構制造系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是可重構性，而實現(xiàn)可重構的基礎是標準化的模塊，要得到標準的模塊需要掌握以上所提到的關鍵技術，而這些關鍵技術恰恰也是研究過程中的難點?？芍貥嫷母拍钭?999年在美國提出后便有很多機構和學者對其進行研究分析，但至今未得到廣泛推廣應用，主要有以下幾個原因：首先是對可重構制造系統(tǒng)的關鍵技術研究并不透徹，依舊有很多問題沒有解決，如重構過程中的精度保證和重構引起的制造系統(tǒng)的靜動態(tài)性能變化等；然后針對可重構制造系統(tǒng)急需解決的標準化問題，無論是國家還是行業(yè)并沒有給出明確的規(guī)定，致使企業(yè)缺乏規(guī)范管理，各自生產(chǎn)的模塊很難實現(xiàn)通用化，影響了其推廣范圍和速度；最后支持模塊化制造的軟件系統(tǒng)的缺乏造成了控制模塊不能和機械模塊精確匹配，影響了系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性，還有重構后替換模塊的回收再利用問題以及存儲過程中的管理問題都影響了可重構制造系統(tǒng)的快速發(fā)展。新事物代替舊事物是有一個過程的，可重構制造系統(tǒng)有自己的優(yōu)勢，但要完全取代舊的制造系統(tǒng)還是需要漫長的過程。

4 結束語

目前，對于制造系統(tǒng)的可重構性研究主要集中在靜態(tài)可重構方面，即由操作人員來完成模塊部件的設計和裝配。隨著微電子技術和現(xiàn)場可編程邏輯器件的發(fā)展，嵌入式數(shù)控系統(tǒng)將是今后一個重要的發(fā)展方向，這樣在控制系統(tǒng)方面首先實現(xiàn)可重構，未來制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)動態(tài)可重構，也稱之為自重構，即通過操作控制模塊來改變機械模塊的構型從而實現(xiàn)可重構，而模塊的自治性和擴展性是實現(xiàn)全部自動化的基礎。

由于可重構制造系統(tǒng)的適應性和可重構性在很大程度上取決于模塊本身的性能及模塊之間的匹配連接能力，所以模塊的接口設計及界面的標準化是一個值得深入研究的課題。雖然目前可重構制造系統(tǒng)的發(fā)展仍然處于初級階段，但是它的開發(fā)具有重要意義和發(fā)展前景。

[1] Koren Y，Heisel U，Jovane F，et al.Reconfigurable manufacturing systems[J].Annals of CIRP，1999，48(2)：527-540.

[2] 許虹,唐任仲,程耀東.新一代機床-可重構機床[J].組合機床與自動化加工技術,2002(2):1-4.

[3] 張曉峰.可重構智能制造系統(tǒng)的基礎研究[D].南京:南京航空航天大學,2001.

[4] 齊繼陽,竺長安,曾議.可重構制造系統(tǒng)及其關鍵技術[J].組合機床與自動化加工技術,2005(6):31-35.

[5] 趙中敏.可重構機床模塊化設計技術研究[J].精密制造與自動化,2007(4):23-25.

[6] 梁睦,李春廣,李鉻,等.可重構機床模塊化設計的分析與研究[J].煤礦機械,2006(8):68-70.

Research of Reconfigurable Manufacturing System Based on Modularization

WANGChangmei,LIXiaozhou

(College of Mechanical and Electrical Engineering ，Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)

隨著市場經(jīng)濟全球化的發(fā)展，可重構制造系統(tǒng)必將成為未來制造系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢，而可重構制造系統(tǒng)這個概念的提出是源于模塊化機床和開放式體系結構控制器兩種技術的日臻成熟。在分析了可重構制造系統(tǒng)和剛性制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)區(qū)別的基礎上，針對可重構制造系統(tǒng)的模塊化特點及劃分原則進行了詳細分析，并對可重構制造系統(tǒng)的關鍵技術進行了研究。

可重構制造系統(tǒng)；模塊化；重構性

With the development of market economic globalization,reconfigurable manufacturing systems will become the new trend of the future manufacturing system.The concept of reconfigurable manufacturing system is come from two kinds technology of modular machine tool and open architecture controller,based on the analysis of the reconfigurable manufacturing system,rigid manufacturing system and the flexible manufacturing system,the article analyzes the characteristics and classification principles of modular in detail and study the key technology of reconfigurable manufacturing systems.

reconfigurable manufacturing system；modularity；reconfigurability

2014-04-23

TG659

A

1001-2257(2014)08-0038-03

王長梅(1989-)，女，山東濰坊人,碩士研究生,研究方向為微機械;李曉舟(1963-),男,黑龍江哈爾濱人,教授,研究方向為微機械。