可重构制造系统的应用与发展

1.可重构制造系统的产生

制造型企业中存在两类制造系统，即专用制造系统和柔性制造系统。通常前者成本较低，生产率高，但缺乏柔性；后者柔性好，能迅速响应市场变化，但造价高，软件冗余度大，且生产率较低。20世纪90年代制造业市场发生了巨大的变化，为了响应市场或需求的突然变化，解决生产效率与柔性制造之间的矛盾，产生了可重构制造系统（reconfigurable manufacturing system，RMS）。采用可重构制造系统可大大缩短适应产品品种与产量变化的制造系统的规划、设计和建造时间及新产品的上市时间，大幅度地压缩系统建造的投资，降低生产成本，保证质量，合理利用资源，提高企业的市场竞争力和利润率。

在工业界和政府的推广下，发达国家从20世纪90年代中期开展了可重构制造系统的基础与应用研究，并已推广应用。1994—1999年以美国密执安大学为中心的可重构制造系统课题组获得了美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）与工业界3 080万美元的支持，进行了制造系统重构方式对系统性能的影响、产品装配过程的变流理论与建模等方面的研究，并以可重构的敏捷制造为课程进行了广泛的企业培训。与此同时，美国国家研究院在对世界上40位专家进行咨询后，于1998年提出了《2020年制造业挑战预测》，其中把可重构制造系统列为2020年前制造业的十大关键技术之首。

2.可重构制造系统的定义及特点

1999年，Y.Koren在国际生产工程研究学会（CIRP）年会上提出，可重构制造系统是一种为快速调整企业在一个零件族内的生产能力和生产功能以响应市场或客户需求的突然变化而设计的可快速改变结构、由硬件与软件构成的制造系统。该定义的特点是：①将加工对象限定在成组分类的一个零件族内；②强调重构是由生产能力和生产功能的变化驱动的；③要求一定的市场应变能力，以获得长期经济效益。

2000年，盛伯浩等提出，可重构制造系统是一种能够按市场需求变化及系统规划与设计的规定，以重新组态、重复利用和更新系统组态或子系统的方式，实现低重构成本、短的系统研制周期和斜升时间、高的质量和投资效益，可快速调整生产过程工艺、生产功能和生产能力的可变制造系统。该定义的特点是：①将加工对象定义在系统规划与设计的范围内；②强调重构由生产过程工艺、生产功能和生产能力的变化驱动；③将重构层次由设备级扩展到系统级。

可重构制造系统是适应先进制造技术发展的新一代技术群体中一种重要的技术，对增强我国制造企业竞争力有重要意义。它与传统的制造系统规划、设计和建造的区别在于：企业可随时根据产品变化，由产品工艺过程变化驱动、快速进行组态规划和设计，在专门的多功能小组的支持下快速实施系统动态组态（重构）。它既是可改进、可革新的开放系统，又是存在寿命期、由产品状况决定的一种新的可变制造系统。

可重构制造系统的基本特征是可重构（可组态）性，同时还具有以下几个主要特征：①可变性，即对产品/制造技术和过程变化的高柔性的适应能力；②模块化，即可进行制造过程、制造功能和制造能力的模块化组合，而模块化技术是实现系统重构的核心技术；③可集成性，即可嵌套新模块与新装置或设备，能实现系统整合；④可优化物流，减少在制件数量，提高机床利用率5%～10%，提高变换后产品的生产质量；⑤可诊断性，即对产品质量缺陷和设备故障的可跟踪和可溯源性；⑥敏捷性，即以较强的市场扩展柔性增强企业竞争力，使企业获利。

3.可重构制造系统的内涵

综合广义制造的内涵可知，制造系统可重构包括产品可重构、制造装备可重构、工艺过程可重构和生产组织可重构。

（1）产品可重构　产品可重构即产品采用可重构设计方法。可重构设计是指利用已有产品，通过少量的变化和组合，迅速得到用户所需要的新产品。主要体现在：①对大规模定制产品，在方案设计阶段就可以通过与用户对话的方式实现定制，也可以通过产品可调节性来实现用户的适应性定制，还可以在保证功能不变的条件下，通过产品外形的系列化实现定制化；②进行面向模块化产品族的设计，在设计过程中充分考虑模块化程度、公共模块利用程度、模块可重用性等因素，从而在产品全生命周期内降低制造和销售成本。

（2）制造装备可重构　可重构制造装备综合了刚性生产线和柔性制造系统的优点。如某研究单位开发完成的集成系统级模块化结构机床和设备，以及快速自找正定位型腔夹具和可拼接物流系统，可通过对18台数控机床和检测设备进行重组配置，组成摩托车零件加工的刚柔相济生产线。该制造系统的特点如下。

①可通过增加或减少加工设备进行系统重组，也可通过更改添加主轴、改变刀具库和控制软件进行系统重构。

②生产能力和生产功能处于柔性制造系统和刚性生产线之间，通过对刚性生产线配置相应的数控功能模块，可使加工柔性化、冗余功能减少，并可使调整成本和调整时间大为减少，还可通过数控和伺服检测技术的应用保证高质、高速加工。

③产品全生命周期成本比柔性制造系统低，甚至可能低于刚性生产线。通过增加运动轴、辅助装置、刀具容量及提高加工能力等方法，使系统具有可伸缩性，可获得长期效益。

实际运行表明，该装备投资额同比减少47%，生产成本降低30%。(www.zuozong.com)

（3）工艺过程可重构　实现工艺过程的可重构，主要是要实现产品制造工艺的模块化设计，其中包括工艺延迟、工艺重构、工艺标准化三大部分。为了最大限度地满足顾客需求，应将产品的个性化工艺尽可能地推迟到整个产品制造过程或供应链环节中的最后环节。美国惠普公司为避免用户要求不同而导致的对整个电路板的测试工艺的重新设计，对测试工艺进行了模块化设计和重构。其将电路板测试分为装前测试与装后测试两个部分，装前对电路板驱动器等大部分共性部分进行测试，并将这部分工艺标准化；待用户定制要求最终确认后，再设计电路板定制部分装后测试工艺。

（4）生产组织可重构　产品工艺过程的重构会导致业务流程的重构，而业务流程的重构则要靠生产组织的重构来实现。因此，企业内部组织管理模式和生产管理流程要有可重构性，对企业外部则要考虑企业间制造资源的可重用性。

任何一方面的重构都需要考虑各制造单元企业的结构、单元企业间的接口方式及响应标准。不仅要实现功能及结构的模块化和兼容性，还要实现信息的可视化与对称性。同时，要注重实现制造系统重构的资金流、信息流、物流以及与员工技能相关的知识流的集成应用。

4.可重构制造系统的主要研究内容

（1）机床可移动性与性能测试评价的研究，即通过分析、设计和试验，开发功能与结构优化的机床设备、可移动弹性支持件产品系列，确立机床移动和重构的制造单元和系统的性能测试、评价系统和方法，逐步形成行业规范。

（2）建立可重构制造系统技术平台。该平台应能提供以下功能：新产品工艺流程驱动的组态物流分析、优化和评价；系统或单元重组、布置的规划、设计、仿真和决策；系统创新设计和可诊断性设计；重组后制造产品质量缺陷和设备故障跟踪测试及溯源诊断的设计、评价；满足企业提出的可重构制造系统要求，以及软件试验和人员培训教育。

（3）开发自主版权的计算机化与智能化技术与软件，包括当前企业迫切需要的通/专用夹具的CAFD（计算机辅助夹具）软件、CAPP软件，并应以微机版为主。

（4）开发基于经济可承受性的投资、功能与成本或价值控制与决策支持系统及支持软件。

（5）开发实施可重构制造系统技术的管理系统与团队组织管理和评价体系。

5.实现制造系统可重构的方法

（1）保持原制造系统组成不变，通过改变系统的生产计划，即改变零件的加工顺序和传输路径，实现制造系统的可重构。

（2）通过在制造系统中添加、移走或替换机器，使得系统具有响应市场需求的可伸缩性和适应新产品的结构可调整性。

（3）对可重构机床进行重构，如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。

（4）与可重构硬件相适应，对控制系统进行重构。