可重構(gòu)制造系統(tǒng)的優(yōu)化布局配置研究

趙中敏

（江蘇海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 江蘇連云港222069）

設(shè)備是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的基本單元，合理的設(shè)備布局對(duì)均衡設(shè)備能力，保持物流平衡、降低生產(chǎn)成本起著至關(guān)重要的作用。研究表明：大約20%~50%的加工費(fèi)用用于物料運(yùn)輸，而合理的設(shè)備布局至少能節(jié)約10%~30%的物料運(yùn)輸費(fèi)用 。設(shè)備布局是指按照一定的原則，在設(shè)備和車間內(nèi)部空間面積的約束下，對(duì)車間內(nèi)各組成單元、工作地以及生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行合理的布置，使它們之間的生產(chǎn)配合關(guān)系最優(yōu)，物料運(yùn)送代價(jià)最小。

1 可重構(gòu)制造系統(tǒng)

目前，在企業(yè)中主要存在兩類制造系統(tǒng)，即專用制造系統(tǒng)和柔性制造系統(tǒng)（FMS）。專用制造系統(tǒng)成本較低，能進(jìn)行多刀加工，故生產(chǎn)效率高，但沒有柔性，系統(tǒng)的軟件、硬件都是為特定零件而設(shè)計(jì)的，不能擴(kuò)展。柔性制造系統(tǒng)則具有軟件柔性，能控制固定的硬件設(shè)備完成眾多加工功能，及時(shí)響應(yīng)市場(chǎng)變化，但造價(jià)高、軟件冗余大，只能進(jìn)行單刀加工，生產(chǎn)效率較低?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)(reconfigurable manufacturing system,RMS)企圖綜合上述兩種制造系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，為響應(yīng)市場(chǎng)或不確定需求的突然變化，迅速調(diào)整出一個(gè)零件族內(nèi)的生產(chǎn)能力和功能，為快速改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及硬件和軟件組件而構(gòu)成一種可重構(gòu)制造系統(tǒng)。這種系統(tǒng)硬件、軟件均可重構(gòu)，可進(jìn)行多刀加工，系統(tǒng)造價(jià)適中，但硬件有冗余。由于可重構(gòu)制造各級(jí)組織充分利用資源，因此符合可持續(xù)制造策略。

為了解決制造系統(tǒng)的快速和有效的重組，20世紀(jì)90年代中期，國(guó)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)提出了可重構(gòu)制造的概念。同一般制造系統(tǒng)相比，RMS主要有以下3個(gè)特點(diǎn)：(1)加工設(shè)備的模塊化結(jié)構(gòu)和開放式接口；(2)機(jī)床布局及生產(chǎn)規(guī)模的可調(diào)整性；(3)控制軟件和體系結(jié)構(gòu)的高度重構(gòu)性。然而，從理論和實(shí)際應(yīng)用中分析知道，要解決可重構(gòu)制造系統(tǒng)對(duì)市場(chǎng)需求的適應(yīng)性，系統(tǒng)布局的研究是必須解決的關(guān)鍵問題。

2 RMS的系統(tǒng)布局規(guī)劃

可重構(gòu)制造系統(tǒng)按照可重構(gòu)粒度可以分為：設(shè)備層和系統(tǒng)層。其中，設(shè)備層實(shí)現(xiàn)主要研究加工設(shè)備的動(dòng)態(tài)變化能力，即未來機(jī)床應(yīng)能通過改變自身結(jié)構(gòu)，靈活完成多種任務(wù)；系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)主要研究如何保證加工系統(tǒng)能在不產(chǎn)生較大擾動(dòng)的情況下允許添加或減少設(shè)備，使系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力，滿足不同產(chǎn)品生產(chǎn)的需求。

2.1 設(shè)備層

可重構(gòu)制造系統(tǒng)的設(shè)備層涉及的主要內(nèi)容包括：機(jī)床功能模塊合理劃分、模塊之間機(jī)械界面的標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)床可移動(dòng)性研究和基于軟構(gòu)件的設(shè)備層控制系統(tǒng)等。所以可重構(gòu)機(jī)床是RMS設(shè)備層的重要組成部分，其主要目的是如何使加工設(shè)備能快速適應(yīng)被加工零件的各種變化。要實(shí)現(xiàn)機(jī)床的可重構(gòu)，最有效的途徑是進(jìn)行機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)。如何使模塊化機(jī)床在設(shè)計(jì)上保證加工零件變化的快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)加工過程的重構(gòu)性，通常要解決如下問題。

2.1.1 機(jī)床功能模塊化合理劃分

如何正確劃分功能模塊是可重構(gòu)制造系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。合理的模塊劃分可以簡(jiǎn)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備的重構(gòu)頻率，提高模塊之間的精度匹配。模塊應(yīng)具備確定的功能，過小、過大的模塊劃分都是不合適的，過小的模塊劃分將導(dǎo)致重構(gòu)頻繁發(fā)生，過大的模塊劃分將使設(shè)備的柔性受到極大的限制。

2.1.2 模塊之間機(jī)械界面的標(biāo)準(zhǔn)化

只有各種模塊的界面標(biāo)準(zhǔn)化，可重構(gòu)制造系統(tǒng)才能得到廣泛應(yīng)用。其中包括：機(jī)械、液壓、潤(rùn)滑、冷卻、電控接頭。

2.1.3 機(jī)床可移動(dòng)性研究

對(duì)于可重構(gòu)制造系統(tǒng)，由于工藝路線的變化，導(dǎo)致機(jī)床布局的重新調(diào)整是經(jīng)常發(fā)生的，因此可重構(gòu)制造系統(tǒng)的機(jī)床必須具有標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)地基、能源等要求，重量較輕，調(diào)試容易。

2.1.4 基于軟構(gòu)件的設(shè)備層控制系統(tǒng)

可重構(gòu)制造系統(tǒng)的機(jī)床由于生產(chǎn)任務(wù)的改變，需要經(jīng)常增加、減少模塊，其控制系統(tǒng)也應(yīng)該用模塊化的設(shè)計(jì)方法并應(yīng)用軟構(gòu)件的思想支持控制軟件重構(gòu)，允許應(yīng)用模塊方便地在控制系統(tǒng)中“插入和拔出”。

2.2 系統(tǒng)層

長(zhǎng)期的實(shí)踐表明，陣列式是實(shí)現(xiàn)RMS的高柔性和高效率特點(diǎn)的一種優(yōu)秀的布局方式，它是一種基于組態(tài)式制造單元（Configurational Manufacturing Cell,CMC）組成的陣列式布局的結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。布局中每行為一個(gè)CMC單元，它是一個(gè)由符合工藝需要的加工設(shè)備串聯(lián)構(gòu)成的最小自治化整體。CMC為具有合弄（Holon）特征的基本工藝單元，但其加工設(shè)備的類型和數(shù)量可根據(jù)產(chǎn)品族的不同進(jìn)行調(diào)整和重構(gòu)，因而開發(fā)面向?qū)ο蟮慕M態(tài)軟件進(jìn)行單元控制。根據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)量不同，可以并聯(lián)多組的CMC，各CMC間通過物流輸送系統(tǒng)耦合構(gòu)成所需的制造系統(tǒng)。

由CMC陣列式布局構(gòu)成的制造系統(tǒng)與當(dāng)前歐美一些機(jī)床廠研發(fā)的并串聯(lián)復(fù)合布局的敏捷制造單元（AMC）如圖所示2。相比具有柔性更強(qiáng)、加工質(zhì)量變動(dòng)更穩(wěn)定、便于進(jìn)行生產(chǎn)管理和質(zhì)量控制的特點(diǎn)。

3 物理組態(tài)基本形式

生產(chǎn)率和柔性之間的矛盾一直是傳統(tǒng)制造系統(tǒng)無法解決的難題。盡管當(dāng)產(chǎn)品在一定范圍內(nèi)變化時(shí)FMS是具有較高的制造柔性，但當(dāng)產(chǎn)品變化超過這個(gè)范圍時(shí)，其適應(yīng)新產(chǎn)品的能力則會(huì)消失，從而失去柔性。即使這時(shí)設(shè)法在原有的系統(tǒng)周圍添加新的機(jī)床設(shè)備以適應(yīng)新產(chǎn)品的需求，也會(huì)由于物流傳輸?shù)膹?fù)雜化制約系統(tǒng)生產(chǎn)效率的提高。RMS通過機(jī)床設(shè)備的重新布置來適應(yīng)新產(chǎn)品的需求，不僅保證了RMS具有較高的柔性，同時(shí)由于物流在系統(tǒng)內(nèi)的有序和順暢傳輸，也保證了系統(tǒng)具有較高的生產(chǎn)效率。

制造系統(tǒng)由若干臺(tái)加工設(shè)備組成，這些設(shè)備可以被設(shè)計(jì)成多種組織形式。如由四臺(tái)加工設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)可以有十種不同的組合方式，而由五臺(tái)機(jī)床構(gòu)成的系統(tǒng)其組合方式達(dá)二十四種之多。不同的設(shè)備組織結(jié)構(gòu)形式對(duì)制造系統(tǒng)的生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量、功能柔性、生產(chǎn)成本以及可靠性等均有很大的影響。如何對(duì)各種組織結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)，并根據(jù)具體加工任務(wù)為制造系統(tǒng)選擇一種最合適的設(shè)備組織方式，是RMS設(shè)計(jì)中面臨的主要任務(wù)之一。

圖3所示是包含六臺(tái)機(jī)床的部分設(shè)備布置圖。其中圖3(a)為串行結(jié)構(gòu)，具有成本低、適合于產(chǎn)品品種相對(duì)固定的大中批量加工等特點(diǎn)；但這種結(jié)構(gòu)可靠性低、功能柔性較差，已不能滿足當(dāng)今快速變化的市場(chǎng)需求。圖3 (b)為并行結(jié)構(gòu)，具有極高的功能柔性，可以方便地添加或減少設(shè)備；但這種結(jié)構(gòu)設(shè)備投資較大，特別是在這種結(jié)構(gòu)中，每臺(tái)機(jī)床必須完成零件的所有加工任務(wù)，所以必須配備更多的刀具數(shù)量，因此所加工零件的單件成本也較高。相對(duì)來說，圖3 (c)、圖3 (d)最為合理，也最適合RMS采用（我們稱之為陣列式混合結(jié)構(gòu)）。因?yàn)樗鼈兙哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)：（1）既具有并行結(jié)構(gòu)的高柔性，又可按工藝合理選用設(shè)備而獲得高生產(chǎn)率和加工精度；（2）可通過重構(gòu)或更改某加工單元的設(shè)備組成新系統(tǒng)，對(duì)形狀或工藝變動(dòng)較大的零件進(jìn)行加工；（3）可擴(kuò)展或減少并行的加工單元組數(shù)，從而能夠根據(jù)市場(chǎng)的動(dòng)向迅速無縫地調(diào)整某些產(chǎn)品的產(chǎn)量。

圖4為某廠齒輪車間重構(gòu)前的制造系統(tǒng)布局。該車間面積為3000 m2，按機(jī)群式布局方式進(jìn)行配置。生產(chǎn)中存在的主要問題是：在制品在車間內(nèi)各班組之間的運(yùn)輸頻繁。為了減少運(yùn)輸，最初采用的解決辦法是每天成批地運(yùn)輸一次，但這樣又導(dǎo)致每天都需要進(jìn)庫(kù)和出庫(kù)，因此，使上下班時(shí)間在制品庫(kù)都十分擁擠，并占用大量大制品。

一年后隨著齒輪需求量的增加（月產(chǎn)量由原來的2000套增加到12000套），原來的布局方式已不能適應(yīng)需求，因此，對(duì)該車間的布局進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。新的布局需要增加14臺(tái)新設(shè)備，增加26名職工。而系統(tǒng)重組后會(huì)為企業(yè)帶來以下效益：(1)工藝路線通暢，工序之間采用滑槽運(yùn)送，節(jié)省搬運(yùn)工；(2)中間環(huán)節(jié)減少，生產(chǎn)效率提高，月產(chǎn)量可滿足需求；(3)在制品數(shù)量可大大減少，流動(dòng)資金占用量降低。根據(jù)分析得出：添加新設(shè)備、增加職工等帶來的重構(gòu)成本可在半年內(nèi)收回，而市場(chǎng)上齒輪的穩(wěn)定需求是企業(yè)繼續(xù)獲得效益的保證，因此，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了重構(gòu)。圖5為重新布局的齒輪制造車間。

4 結(jié)語

布局的邏輯是布局設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，是車間設(shè)備的組織邏輯。布局形式包括：產(chǎn)品布置、工藝布置和定位布置。變化的產(chǎn)品種類和工藝路線在僅下一個(gè)周期來臨之前才能確定，這樣只考慮當(dāng)前的布局和下一個(gè)布局設(shè)計(jì)更有意義?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)的布局是基于零件加工工藝、材料運(yùn)輸成本和設(shè)備重新布局安裝成本等來優(yōu)化可重構(gòu)制造系統(tǒng)的設(shè)備布局?？芍貥?gòu)布局考慮了系統(tǒng)組成的可重構(gòu)性，更多地反映在設(shè)備的可重構(gòu)方面。加拿大的Lee提出了一種考慮設(shè)備布局根據(jù)加工零件變化而變化的制造系統(tǒng)重構(gòu)原理。目前，關(guān)于制造設(shè)備可重構(gòu)性的研究得到高度重視。