现代制造系统(v4.1)5B 可重构制造系统

z 概念区分——可重构机床与可移动机床： z 可移动机床 {指机床底座通过特殊设计方便拆离与固定， {因此支持车间级的重构活动。 {机床本身未必具备可重构加工能力。 z 可重构机床 {主要指机床的加工能力具备可重构性。 {例如：某机床这个月当车床使， z经过月底一天重装，下个月当铣床使。
z 普通机床的底部固定： {为了减少振动，提供加工精度， {机床通常是利用螺栓固定在地面上， {也有固定在一大块钢板上， {甚至用水泥将机床底部与地面粘结在一起。 z 可移动机床的底部固定： {利用特殊装置，方便拆卸，甚至可以直接移动。
z 例题1，问题1，分析春季： {A零件车加工负荷0.1×3000=300小时， {A零件铣加工负荷0.5×3000=1500小时， {B零件车加工负荷0.4×2000=800小时， {B零件铣加工负荷0.2×2000=400小时。 {由于A零件单件盈利较多，所以优先满足零件A生 产，5台设备先分配1台为车床，3台为铣床。再考 虑B零件生产，最后1台为铣床才能多生产B零件。 {所以最终方案：1台车床，4台铣床，利润100万元。
z 例题1，问题1，分析冬季： {A零件车加工负荷0.1×1000=100小时， {A零件铣加工负荷0.5×1000=500小时， {B零件车加工负荷0.4×5000=2000小时， {B零件铣加工负荷0.2×5000=1000小时。 {由于A零件单件盈利较多，所以优先满足零件A生 产，5台设备先分配1台为车床，1台为铣床。再考 虑B零件生产，剩下的设备分配为2台车床和1台铣 床。 {所以最终方案：3台车床，2台铣床，利润80万元。 {与秋季方案对比，有1台机床需重构。
z 例题1，问题3：假如该工段没有可重构设备，而 是通过租用加工中心（柔性设备）同时实现车和 铣加工，代替卖出和购买设备方式重构；计算相 关成本和租金，每台加工中心每季度而外耗资3万 元；是否值得租用加工中心，应租几台？ z 分析： {柔性设备虽然有租用成本，但无重构成本，每 季度中能力分配更均衡，实际收益仍得综合计 算。
现代制造系统
第5章 柔性与可重构制造系统（2） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz@163.com
z 回顾上一节： z 刚性制造系统（dedicated manufacturing system，DMS） {产品种类和工艺路线单一， {生产效率高，成本低， {但缺少柔性，市场需求变法时重构成本高。 z 柔性制造系统（flexible manufacturing system，FMS） {设备具有复合加工能力， {不需重构就能同时处理多种不同类型的产品， {通过高技术保持高生产效率， {技术要求高，实现成本较高。
z 概念辨析——重构的冗余性： {无冗余性：参考“变形金刚”，变形后没有配件被 扔下，所有配件都被用于新形态。 {有冗余性：参考多头改锥，总有锥头被闲置。
模块化机床设计方案举例：
z 概念区分——可重构机床与加工中心： z 加工中心 {快速、自动地完成功能切换， {同时具有多种功能，几乎没有重构成本， {但机床自身价格较高。 z 可重构机床 {通常需要人工拆装，更换部件才能完成功能改 变，需要停产，因此有一定的重构成本， {但机床自身价格较低。
z 例题1，问题2：假如该工段没有可重构设备，而 是通过卖出旧设备，购进新设备的方式实现广义 上的重构，假设更换一次设备耗资20万，那各个 季度是否需要换设备吗？ z 分析： {春至夏无需更换； {夏至秋保持原方案利润75万元，更换后利润 100万元，所以值得更换； {秋至冬保持原方案利润75万元，更换后利润80 万元，所以不值得更换； {冬至春需要新的预测数据，暂不考虑。
z 例题1，问题1，分析秋季： {A零件车加工负荷0.1×2000=200小时， {A零件铣加工负荷0.5×2000=1000小时， {B零件车加工负荷0.4×2000=800小时， {B零件铣加工负荷0.2×2000=400小时， {由于A零件单件盈利较多，所以优先满足零件A生 产，5台设备先分配1台为车床，2台为铣床。再考 虑B零件生产，剩下设备分配为车、铣床各1台。 {所以最终方案：2台车床，3台铣床，利润100万元。 {与夏季方案对比，有1台机床需重构。
z 车间级的可重构制造系统的重构设计： z 例题1，某工段为某种制冷机生产一种零件（简记作 A零件），同时也为某种电暖气生产另一种零件（简 记作B零件）。由于产品销售有季节性，两种零件的 需求量也随季节变化，根据预测，如下：
单位：个 A零件 B零件 春 3000 2000 夏 4000 1000 秋 2000 2000 冬 1000 5000
z （1）单元级可重构制造系统 z 主要研究可重构加工、装配、搬Fra Baidu bibliotek和装夹设备。
z 概念区分—— z 可重构机床与模块化机床（组合机床）： { 可重构机床 z 要求重构后的机床功能无冗余性， z 目前尚无严格意义上的可重构机床。 { 模块化机床（组合机床） z 由通用部件+专用部件组成， z 出厂时按用户需求配置专用部件，出厂后用户可 以自行改装专用部件，但机床的重构设计上有冗 余性。 z 模块化机床经常被工业界当做可重构机床，但学术 界并不承认。可重构机床是模块化机床概念的进一 步扩展。
z 例题1，续： z 两种零件生产获得的单件净利润分别为 {A零件300元，B零件200元。 z 两种零件都需要车加工和铣加工，单件所需工时 如下 {A零件车加工0.1小时，铣加工0.5小时； {B零件车加工0.4小时，铣加工0.2小时。
z 例题1，续： z 某种组合机床，能够通过更换专用模块当作车床 使用或当作铣床使用；该工段有5台这种设备，用 于上述两种零件的车、铣加工。 z 每台设备每季度的生产能力近似当作500小时。 z 问题1：为了追求利润最大化，在各个季度，该机 床应该分别有几台当作车床使用，几台当作铣床 使用？
可重构制造系统的发展历程：
z 可重构制造系统的思想源于产品的模块化设计； {1916年，汽车发动机的元件中出现了模块元件； {1977年，日本在开发FMS时引入“模块结构”概念； {1991年，福特公司提出了模块化轿车的概念； {但都没有形成完整的理论体系。 z 直到1996年，美国密执安（Michigan）大学工程研 究中心（ERC）在美国国家科学基金（NSF）和25家 公司的资助下开展有关可重构制造系统的研究。
z 可重构制造系统的发展历程： z 1997年起，我国在国家自然科学基金和863计划基金 资助下，将可重构制造系统的理论及方法进行了研 究，取得了一定研究成果。例如： {清华大学与北京机床研究所合作研究了快速可重 构制造系统的科学原理和建模； {中科院沈阳自动化所研究了重构理论与方法； {华中科技大学研究了可 重构制造系统资源； {南京航空航天大学研究了可重构制造机床； {等等。
第5章 柔性与可重构制造系统
z 5.1 z 5.2 z 5.3 z 5.4 柔性制造系统 可重构制造系统 大规模定制 其它相关理论与方法
5.2 可重构制造系统
z 刚性制造系统：成本低，但缺乏柔性； z 柔性制造系统：有柔性，但成本高。 z 有没有折中的方案？ {新发展：可重构制造系统（reconfigurable manufacturing system，RMS）： {一个重构周期内是刚性制造系统， {通过定期重构实现柔性生产能力。 {兼顾前面两者的优点，因平衡而优胜。 z成本：FMS > RMS > DMS； z柔性：FMS > RMS > DMS。
z 广义上，车间级可重构制造系统的重构方式包括： {<1>逻辑重构 z<1.1>重新制定任务分配规则； z<1.2>重新设计工艺路线； {<2>物理重构 z<2.1>设备重构 • 可重构机床重构或组合机床更换专用模块； z<2.2>车间重新布局； z<2.3>增、减或更换设备。
z 概念区分——逻辑重构与柔性调度： z 可重构制造系统的逻辑重构， {通常具有固定的重构周期（例如1个月或1个季 度），属于中长期决策问题。在同一重构周期内， 任务分配规则和工艺路线是固定的。因此，管理与 控制难度相对较低。 z 柔性制造系统的柔性调度， {任务分配和工艺路线在一定范围内，可以根据设 备负荷任意改变，属于短期决策问题。 {没有重构周期的限制，经常是实时（几秒或几分 钟内）决策问题，管理与控制难度较高。
z 除了可重构机床外，可重构产品的涉及范围很广。
z 其实最基本的重构设计思想已经大量出现于现有产 品中，例如很多产品具有两种形态：一种用于使 用，一种用于运输或存储。
z 还有些产品可调整使用时的形态， {参考视频："变形沙发"。
z 在可重构产品中，可重构机器人是当前研究的一个 热点——可重构机器人： {由许多自身带控制电机的立方体块组成的，在计 算机控制下可快速重组成一种新的机器。
z 例题1，问题1，分析夏季： {A零件车加工负荷0.1×4000=400小时， {A零件铣加工负荷0.5×4000=2000小时， {B零件车加工负荷0.4×1000=400小时， {B零件铣加工负荷0.2×1000=200小时。 {由于A零件单件盈利较多，所以优先满足零件A生产， 5台设备分配1台为车床，4台为铣床。设备已全部分 配，B零件无能力生产。 {所以最终方案：1台车床，4台铣床，利润120万元。 {由于和春季方案相同，所以本季度无重构。
可重构制造系统的应用层次：
z 可重构制造系统的定义尚未统一，因此所指范围较 广，主要包括 {（1）单元级RMS：主要研究可重构产品，如可重 构机床、可重构机器人等； {（2）车间级RMS：主要研究逻辑重构方法，类似 于成组技术，也称为快速重组制造； {（3）企业级RMS：研究网络化的企业组织结构、 分形企业、业务流程重组等； {（4）跨企业RMS：研究企业动态联盟、敏捷制造 系统等。
可重构制造系统的基本概念：
z 重构周期（reconfigure cycle）： {柔性制造系统随时可调整，可重构制造系统一段 时间重构一次。重构的间隔时间称为重构周期。 z 构型（configuration）： {可重构制造系统在一个重构周期内稳定保持一套 生产配置方案，称为系统的一个构型。 z 斜升时间（rump-up time）： {由于重构会影响生产，可重构制造系统重构后总 是需要一段时间回复到最佳状态。斜升时间指可 重构制造系统运行开始后达到规划或设计规定的 效率、质量、成本的过渡时间。
z 下图示意 {可重构机器人的爬行过程。
z 下图示意 {可重构机器人的爬楼梯过程。
z 日本研制的可重构机器人原型机：
z 目前可重构机器人的研究还处于初级阶段， {仅能让带有电机的可重构单元进行简单的组合。 {参考视频："可重构机器人"。 z 但人类的未来构型是无止境的，在一些科幻电影 里，可重构机器人可完成多种任务，甚至是纳米级 的武器。 {参考视频："可重构机器人-变形金刚" ； {参考视频："可重构机器人-特种部队" 。
z 可重构制造系统的发展历程： z 1997年，密执安大学的Y. Koren和U. Heisel等人 首次正式提出可重构制造系统的概念。 z 1998年，美国国家研究委员会（NRC）将可重构制 造系统列入《2020年制造挑战的设想》中的10大关 键技术，而且位列10大关键技术之首。 z 同时期，可重构制造系统进入美国在下一代制造理 论和应用开发研究计划中，由政府和企业出资3080 万美元开展了五年期的的研究开发，目标是开发和 建造一种由可重构制造系统构成的可进化工厂。
z （2）车间级可重构制造系统 z 以逻辑重构为主，不一定要有可重构机床， {主要在逻辑上重新分配各个机床的任务。 {被调整的机床有复合加工能力，为组合机床， z例如：某种铣镗组合机床，只具备两种功能， z没有加工中心功能全面，并且不能自动换刀。 z 广义上，车间级重构 {也包含增、减或更换设备以及车间重新布局等物 理重构手段。