变批量活塞软重构生产线及其关键技术*

李普红，周 军，邓建新，范志君

(1.山东大学a.机械工程学院;b.高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南 250061;2.山东轻工业学院艺术学院，济南 250353)

变批量活塞软重构生产线及其关键技术*

李普红1，2，周 军1，邓建新1，范志君1

(1.山东大学a.机械工程学院;b.高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南 250061;2.山东轻工业学院艺术学院，济南 250353)

文章针对活塞生产模式特点和现有生产线现状，提出了基于变批量生产的活塞软重构生产线。在阐述了变批量活塞软重构生产线特性的基础上，构建了变批量活塞软重构生产线的系统集成框架，提出了变批量活塞软重构生产线设计中的多构性可重构活塞产品设计模型、活塞制造资源优化配置技术、布局规划与优化技术、人因优化技术、建模和仿真等关键技术。

变批量;活塞软重构生产线;多构性产品设计;制造资源优化配置;布局优化;人因优化

0 引言

随着汽车工业的发展，市场对活塞的品种和批量要求不断变化，传统的人工流水、刚性和柔性生产线等都因自身特点的限制，难以适应多品种变批量生产的需求，迫切需要设计一种新型的生产线组织形式来迅速响应市场变化［1-2］。由于设备的限制、交货期限和生产的复杂性，生产线的布局一般不做大的调整。如何设计一种柔性、灵活的布局形式，能够适应多品种变批量的生产需求，是活塞生产厂家最关心的问题之一。

活塞生产线软重构理论可以解决客户定制化生产和多变市场需求下活塞品种与批量的矛盾冲突问题，围绕可重构产品族的设计、加工特征分解与重构、资源选择、虚拟仿真建模、瓶颈诊断、系统优化运行评价等研究内容，建立活塞生产线软重构理论。

1 面向变批量生产的活塞软重构生产线的特性及框架

1.1 活塞软重构生产线的特性

变批量活塞软重构生产线(Piston Soft Reconfigurable Production Line，PSRPL)是为了解决客户定制化生产和多变市场需求下活塞品种和批量的矛盾冲突问题而提出的，将变批量生产与可重构制造系统结合，根据活塞品种和批量变化进行生产系统迅速调整，面向制造任务和生产环境，以快速重排、重复利用，必要时革新系统模块和子系统的方式进行快速调整制造系统，在低成本投资甚至无投资方式下完成生产过程、生产功能和生产能力的快速改变，实现局部模块自动化生产和全局柔性化生产的生产组织模式，使生产线系统既具有柔性和快速响应能力，又能满足大规模定制的要求，同时还具有可重构能力［3］。

重构方式有软硬两种。硬重构的主要途径是设计和开发具有重构功能的硬件设备或模块，通过组态、更换、添加或减少物理模块，动态改变设备结构和功能，实现设备级和生产线布局方面的可重构功能。软重构的主要途径是指通过改变产品的工艺设计、资源配置、物流和工装夹具等来实现生产线的快速可重构特性。与硬重构相比，软重构能够利用现有的设备资源，降低成本，风险程度低，实施起来灵活多变。活塞软重构生产线是活塞可重构生产系统的一个层次，具有下列特征:模块化，集成化，客户化，可转换性，可诊断性，标准化，可重构性等［4-6］。它与其它的制造系统的显著区别如表1所示。

表1 变批量活塞软重构生产线与其他生产线特点比较

1.2 面向变批量生产的活塞软重构生产线的集成框架

［7-8］，变批量活塞软重构生产线PSRPL集成空间在应用层面共划分成5个密切相关的应用分系统，分别为活塞软重构控制与生产管理分系统;活塞零件生产系统;在线检测及质量检测分系统;生产线诊断及布局调整系统;计算机网络环境支持分系统。如图1所示。

通过活塞零件生产系统的可重构模块划分来实现活塞生产线软重构，迅速响应市场变化，满足客户的个性化和多样化需求，同时通过模块化生产单元实现模块化工艺，对模块化工艺族的合理搭配实现生产系统的可重构制造，通过生产线诊断和布局调整系统对整个重构的生产线进行微调，从而实现变批量生产。当有一个新产品投产时，可重构的标准模块可以快速重构成一个新的生产线，当产品生产完成后，旧有的制造系统模块可以拆解用于其它新产品的制造系统。

图1 面向变批量生产的活塞软重构生产线集成框架

该软重构生产线在有效的计算机网络平台环境支持下，通过可重构控制与生产管理分系统和在线检测及质量管理分系统全面实现主生产计划、生产图纸和生产工艺的下发;实现主生产计划的分解、NC程序的下传、生产任务的调度;实现子生产线与各重构模块的生产控制和物流之间的自动协调、关键工序在线检测与质量数据的分析等。

2 变批量活塞软重构生产线关键技术

变批量活塞软重构生产线关键将定制化理论和可重构制造系统相结合，利用分解重构、人工智能与虚拟仿真等技术，构建活塞生产线软重构设计理论体系，解决因活塞品种和批量矛盾冲突时活塞的产品设计、加工工艺设计、资源优化配置、生产线布局调整等可重构关键技术，建立软重构系统瓶颈诊断和协同优化运作模型，使生产线实现类似硬件结构调整等重构功能，提高生产效率，降低生产成本等目标。为了便于分析和设计活塞软重构生产线，提出变批量活塞软重构生产线关键技术。

2.1 多构性可重构活塞产品设计模型

市场多变的需求直接带来的就是活塞产品设计的问题，如何研究新型的设计方法，以响应需求多变带来的品种繁多的设计性问题，这是解决活塞软重构生产线的基础。在产品设计领域解决这种需求多样性和生产的批量化之间的矛盾的途径主要是参数化设计和模块化设计［9］。产品族或基于平台的产品开发就是满足这种需求的一种有效策略［10］。产品族是共享通用特征、组件或子系统，并满足相关市场需求的一个分支。参数化产品族是产品族设计的一个分支，它在保持平台公共变量恒定的情况下，通过可调节变量的放大或缩小，实现满足不同性能指标的系列产品［11］。根据这个理论，建立基于特征的广义相似性和模糊聚类分析的可重构活塞产品设计理论，提出面向活塞结构的可重构设计和面向活塞功能的可重构设计模型。

由于活塞的直径和高度是区分活塞品种和系列的重要参数，同时活塞的直径和高度范围决定加工设备和物流设备的选择/配置，是可重构设计的前提，因此一般以活塞直径和高度为产品族划分方法［8］。表2为不同类型活塞的高度和直径范围。

表2 不同类型活塞的直径和高度

根据性能、活塞结构:顶部、头部、环曹、裙部和销孔为族的活塞产品特征形似度进行产品特征模糊聚类分析，建立基于特征平台的活塞产品族设计模型。如图2、图3所示。

2.2 基于分解重构原理的活塞加工工艺可重构理论

无论是派生式、创成式，还是混合式的CAPP系统产生的工艺设计方案对产品对象、制造环境都具有较强的依赖性，难以适用品种经常发生变化的可重构工艺设计过程中，因此，提供可重构设计策略解决这些多变的工艺设计问题是可重构工艺设计考虑的主要问题。

针对活塞产品族，建立基于分解重构原理的活塞加工工艺可重构理论，建立特征工艺数据库，以特征为最小表达单位，并对其进行编码处理，通过产品族将结构特征、工艺特征、制造资源有机结合，以生产线平衡、制造成本、按期交货为目标，实现活塞工艺的快速重构，通过人机交互实现工艺规程的快速生成。如图4、图5所示。

2.3 活塞制造资源重构优化配置理论

在活塞生产线软重构过程中，面对的制约因素非常多:重组费用、可用设备、人员以及不具可用的面积等。在重构前都需要根据重组成本和效益进行分析。重构后的生产线具有较高的生产能力，则表现为加工时间短、资金周转快，但是也存在构建和运行费用较高问题。解决这样的矛盾问题，需要寻找一个平衡点，达到经济效益最佳。这个平衡点的寻找过程就是软重构活塞生产线的关键技术之一。

利用模糊聚类分析和多目标优化策略，对活塞生产线软重构过程制造资源动态配置策略及其算法进行研究，采用分别将适合加工顶部、头部、环槽、裙部和销孔等工艺特征的制造资源(主要是加工设备)按定位夹紧方式、加工方法、加工要求等建立制造资源的模糊相似关系、实现制造资源动态聚类和优化配置。

针对机床设备方面，根据工艺与机床的映射关系为1:n的关系，可有多种机床进行同一工序加工，如果活塞机床选型不当，可能造成机床利用率低、加工成本高、投资大、加工质量差等后果。基于模糊多目标优化的可重组活塞生产线机床选择模型，利用虚拟仿真环境，统计各机床在实际工时的参数，如产量、实际节拍。以增加活塞机床选择过程的实际运行数据统计问题，较大地降低了机床选型风险，可有效解决批量品种变化时，活塞软重构生产线虚拟仿真设计中的机床选择问题。如图6所示。

图6 机床优化选择指标体系

2.4 活塞软重构生产线的布局规划与优化技术

活塞软重构生产线的布局规划与优化技术目标除了传统生产线规划目标外，更重要的是对设备布局提供最佳配置，以此来保证生产线布局的动态重构和调整能力，同时能满足面向变批量生产的柔性和快速响应能力。对于变批量可重构生产线布局形式目前研究较多的是利用模块化设计思想，对生产线进行模块化划分，各模块之间是松耦合的关联，在布局形式上有子生产线型、花瓣型、C形线型［12］。这几种方式是对时间、柔性及成本的一种综合优化，已于实施多品种的并行生产、混流生产和批量生产的规模与控制。但是这种形式的布局方式适用存在一定局限性。

基本的布局模式有总线型模型、环型布局形式、网型布局形式、属性布局形式［13］。总线型布局形式适用于流程式生产企业。针对活塞软重构生产线，利用组态原理，采用总线型布局形式中的多线单元阵列式布局形式，研究适合物流裁剪与重构的布局重构设计理论、设计模式、约束规则和重构单元功能聚类模糊分析模型:建立基于“总线”形式易于拓扑的活塞物流传送系统的设计理念。实现基于空间约束、位置约束、距离约束和优先级等约束条件下，以生产率、重构成本、物流成本、设备利用率等综合目标协调优化的加工路径和布局优化模型。

2.5 活塞软重构生产线人因优化技术

近年来，随着科学技术的高速发展，机械装备朝着自动化、机器人化方向发展，甚至出现了全自动化生产线/车间等。但是手工搬运/操作(manual material handling，MMH)依然存在，在有些场所是自动化设备无法替代的。与MMH有关的肌肉骨骼疾患(musculoskeletal disorders，MSD)发病逐渐增加［14］。在人工活塞生产线中，主要是手工搬运及上料、卸料，有的工序还会存在手工作业，比如钻孔和滚压销孔等。MMH对于短期和长期的人体健康具有多种不良影响。国内外大量的研究表明，在作业领域，不良的MMH作业姿势及体位和长时间劳累是造成职业性肌肉骨骼损伤的主要原因，给企业和社会造成大量的补偿支付成本损失［15-17］。

不良的MMH因素主要考虑工作姿势，身体负荷、心理负荷和工作难度。合理的工效学评价和工作设计，能够有效地预防MSD。人因素评估方式有许多种，多采用定性方式，结果不直观，也不能更好的与一些其他因素结合使用，因此需要采取多种方式进行研究。

许多学者对生产系统中的人因素进行了研究。主要集中在作业者的作业姿态、人体尺寸、工作负荷等方面对于作业工效以及人体健康的作用和影响;评价目标主要集中在作业者的身体健康和安全，以及精神上的满意和健康。各国学者利用人因学的准则和理论从符合、姿态和环境等方面对设施布局进行定性的评估，并提出了改进的建议和指南。开发了OWAS系统、NIOSH方法、REBA技术和 FMS方法，利用这些方法来评估人在工作中所受的负荷、力量以及心理承受能力等的程度［18-19］。

另外，评价方法除了定性分析之外，还需要进行定量分析，利用熵值法和层次分析法，对活塞生产线中的人因素进行量化研究，建立多目标量化模型，为不同工序的人因素改善和与物流因素相结合进行布局优化提供了科学依据，能够保证作业效率，还能优化作业姿态，从而降低操作能量消耗水平，使得工人在工作过程中疲劳累积性损伤减少。

2.6 活塞软重构生产线建模和仿真体系

活塞软重构生产系统建模是可重构生产线研究的一个最基本问题，通过构建精确揭示RPL内涵的动态随机模型，可以对市场的不确定性、客户订单的多样性及在制造过程中的各种不可预知的因素的随机性进行分析、仿真、优化和控制。目前的一些建模方法［20］，如基于Petri网的RPL建模;基于排队网络的RPL建模;基于马尔可夫链的建模;基于多Agent的RPL建模等研究较多，各有优缺点。

因为活塞生产线涉及多个对象和多种行为，具有离散性、随机性、复杂性、多目标性、层次性等特点，结合QUEST虚拟仿真开发环境和统一建模语言(Unified modeling language，简称UML)的优点，提出了PSRPL仿真分析建模方法，既能够分析活塞生产线的静态特性和配置关系，又能够快速、方便地描述活塞生产线的动态特性。以分析活塞生产线的静态和动态特性。如图7所示。

图7 基于QUEST+UML的仿真分析建模方法

图7中，PSRPL的仿真分析建模可以分为两部分:虚拟物理建模和虚拟逻辑建模。虚拟物理模型是逻辑模型在虚拟环境中的可视化表象。虚拟物理模型着重描述与现实生产线有形实体相对应的三维几何形状，虚拟物理模型是活塞生产线布局设计和可视化仿真的基础。虚拟逻辑建模又分为虚拟静态特性建模和动态特性建模，其中虚拟静态特性建模包含生产线上各种对象自身定义和对象间关系的描述，虚拟动态特性建模描述对象自身的动态行为和对象间的交互行为。PSRPL仿真分析建模的重点在于建立活塞生产线的虚拟逻辑模型。

在PSRPL建模过程中，用QUEST建立以下内容:①与活塞生产线有形实体相对应的虚拟物理模型映射;②PSRPL对象关系和对象行为的虚拟逻辑模型。用UML描述活塞生产线各资源的对象定义、对象关联和静态结构抽象等过程。

2.7 活塞软重构生产线诊断技术

生产线的设计和诊断是实现最优生产的关键技术问题［21］。快速地诊断出瓶颈工序可以制定合理作业计划、优化设备资源和减少在制品。传统的瓶颈诊断方法是基于理论计算和实际运行后的数据来判断的，其缺点是易浪费资源、不直观、风险大等。将虚拟制造技术用于生产线设计过程，在规划初期进行生产线的诊断分析，不但能够直观、可视化地诊断因不合理的参数设置而产生的瓶颈工序，而且能够优化生产资源，以保障生产线能以较优状态进行生产运行。

针对活塞生产线瓶颈问题，对设计条件下期望生产能力进行诊断，确定合理的活塞生产线管理方式;对设备系统、物流系统、控制系统、生产线的平衡性进行诊断，利用瓶颈局部扩张法和侧路削减法［22］，建立基于约束理论的活塞生产线瓶颈工序消减模型，指导活塞软重构生产线的设计、实施和应用。

3 结束语

从大批量生产转为小批量多品种生产是活塞生产模式的一大改变，这种变批量生产模式也是未来活塞企业具有竞争力和发展潜力的一种制造方式。变批量活塞软重构生产线是活塞软重构生产系统的一个重要研究内容，也是可重构生产系统方面的研究热点。本文分析了变批量活塞软重构生产线的特性，给出了其集成框架模型，并就在实现面向变批量生产的可重构生产线中设计的关键技术进行了阐述。

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Piston Soft Reconfigurable Production Line Based on Scalable Batch Production and Its Key Techniques

LI Pu-hong1，2，ZHOU Jun1，DENG Jian-xin1，FAN Zhi-jun1
(1a.School of Mechanical Engineering;1b.Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture，Ministry of Education，Shandong University，Jinan 250061，China;2.School of Art Shandong Polytechnic University，Jinan 250353，China)

Aiming at the piston production modes and the existing production line,Piston Soft Reconfigurable Production Line(PSRPL)based on scalable batch production is proposed.After discussed the functional features of PSRPL,the integration framework of system is constructed.The key technologies to develop PSRPL for scalable batch production are studied,including multi-construct reconfigurable piston design model,Matching of Manufacturing Resources for piston,production line layout and optimization,human factors optimization,system model and simulation technology.

scalable batch production,piston soft reconfigurable production line;multi-construct product design;matching of manufacturing resources;layout and optimization;human factors optimization

TH16;TG65

A

1001-2265(2011)08-0021-05

2010-12-14

山东省中青年科学家奖励基金计划项目(2007BS05012)

李普红(1977—)，女，山东莱芜人，山东大学博士研究生，讲师，研究方向为虚拟设计和人因工程，(E-mail)lipuhong@126.com;通讯作者:周军(1975—)，男，四川广安人，山东大学副教授，研究方向为虚拟仿真，(E-mail)zhoujun@sdu.edu.cn。

(编辑 赵蓉)