可重构制造系统的优化布局配置研究

赵中敏

（江苏海洋大学 应用技术学院 江苏连云港222069）

设备是企业进行生产的基本单元，合理的设备布局对均衡设备能力，保持物流平衡、降低生产成本起着至关重要的作用。研究表明：大约20%~50%的加工费用用于物料运输，而合理的设备布局至少能节约10%~30%的物料运输费用 。设备布局是指按照一定的原则，在设备和车间内部空间面积的约束下，对车间内各组成单元、工作地以及生产设备进行合理的布置，使它们之间的生产配合关系最优，物料运送代价最小。

1 可重构制造系统

目前，在企业中主要存在两类制造系统，即专用制造系统和柔性制造系统（FMS）。专用制造系统成本较低，能进行多刀加工，故生产效率高，但没有柔性，系统的软件、硬件都是为特定零件而设计的，不能扩展。柔性制造系统则具有软件柔性，能控制固定的硬件设备完成众多加工功能，及时响应市场变化，但造价高、软件冗余大，只能进行单刀加工，生产效率较低。可重构制造系统(reconfigurable manufacturing system,RMS)企图综合上述两种制造系统的优点，为响应市场或不确定需求的突然变化，迅速调整出一个零件族内的生产能力和功能，为快速改变系统结构以及硬件和软件组件而构成一种可重构制造系统。这种系统硬件、软件均可重构，可进行多刀加工，系统造价适中，但硬件有冗余。由于可重构制造各级组织充分利用资源，因此符合可持续制造策略。

为了解决制造系统的快速和有效的重组，20世纪90年代中期，国外学者和研究机构提出了可重构制造的概念。同一般制造系统相比，RMS主要有以下3个特点：(1)加工设备的模块化结构和开放式接口；(2)机床布局及生产规模的可调整性；(3)控制软件和体系结构的高度重构性。然而，从理论和实际应用中分析知道，要解决可重构制造系统对市场需求的适应性，系统布局的研究是必须解决的关键问题。

2 RMS的系统布局规划

可重构制造系统按照可重构粒度可以分为：设备层和系统层。其中，设备层实现主要研究加工设备的动态变化能力，即未来机床应能通过改变自身结构，灵活完成多种任务；系统层实现主要研究如何保证加工系统能在不产生较大扰动的情况下允许添加或减少设备，使系统具有动态重构能力，满足不同产品生产的需求。

2.1 设备层

可重构制造系统的设备层涉及的主要内容包括：机床功能模块合理划分、模块之间机械界面的标准化、机床可移动性研究和基于软构件的设备层控制系统等。所以可重构机床是RMS设备层的重要组成部分，其主要目的是如何使加工设备能快速适应被加工零件的各种变化。要实现机床的可重构，最有效的途径是进行机床模块化设计。如何使模块化机床在设计上保证加工零件变化的快速响应，实现加工过程的重构性，通常要解决如下问题。

2.1.1 机床功能模块化合理划分

如何正确划分功能模块是可重构制造系统的关键技术之一。合理的模块划分可以简化设备的结构，降低设备的重构频率，提高模块之间的精度匹配。模块应具备确定的功能，过小、过大的模块划分都是不合适的，过小的模块划分将导致重构频繁发生，过大的模块划分将使设备的柔性受到极大的限制。

2.1.2 模块之间机械界面的标准化

只有各种模块的界面标准化，可重构制造系统才能得到广泛应用。其中包括：机械、液压、润滑、冷却、电控接头。

2.1.3 机床可移动性研究

对于可重构制造系统，由于工艺路线的变化，导致机床布局的重新调整是经常发生的，因此可重构制造系统的机床必须具有标准的对地基、能源等要求，重量较轻，调试容易。

2.1.4 基于软构件的设备层控制系统

可重构制造系统的机床由于生产任务的改变，需要经常增加、减少模块，其控制系统也应该用模块化的设计方法并应用软构件的思想支持控制软件重构，允许应用模块方便地在控制系统中“插入和拔出”。

2.2 系统层

长期的实践表明，阵列式是实现RMS的高柔性和高效率特点的一种优秀的布局方式，它是一种基于组态式制造单元（Configurational Manufacturing Cell,CMC）组成的阵列式布局的结构体系，如图1所示。布局中每行为一个CMC单元，它是一个由符合工艺需要的加工设备串联构成的最小自治化整体。CMC为具有合弄（Holon）特征的基本工艺单元，但其加工设备的类型和数量可根据产品族的不同进行调整和重构，因而开发面向对象的组态软件进行单元控制。根据产品的产量不同，可以并联多组的CMC，各CMC间通过物流输送系统耦合构成所需的制造系统。

由CMC阵列式布局构成的制造系统与当前欧美一些机床厂研发的并串联复合布局的敏捷制造单元（AMC）如图所示2。相比具有柔性更强、加工质量变动更稳定、便于进行生产管理和质量控制的特点。

3 物理组态基本形式

生产率和柔性之间的矛盾一直是传统制造系统无法解决的难题。尽管当产品在一定范围内变化时FMS是具有较高的制造柔性，但当产品变化超过这个范围时，其适应新产品的能力则会消失，从而失去柔性。即使这时设法在原有的系统周围添加新的机床设备以适应新产品的需求，也会由于物流传输的复杂化制约系统生产效率的提高。RMS通过机床设备的重新布置来适应新产品的需求，不仅保证了RMS具有较高的柔性，同时由于物流在系统内的有序和顺畅传输，也保证了系统具有较高的生产效率。

制造系统由若干台加工设备组成，这些设备可以被设计成多种组织形式。如由四台加工设备构成的系统可以有十种不同的组合方式，而由五台机床构成的系统其组合方式达二十四种之多。不同的设备组织结构形式对制造系统的生产率、产品质量、功能柔性、生产成本以及可靠性等均有很大的影响。如何对各种组织结构形式进行综合性能评价，并根据具体加工任务为制造系统选择一种最合适的设备组织方式，是RMS设计中面临的主要任务之一。

图3所示是包含六台机床的部分设备布置图。其中图3(a)为串行结构，具有成本低、适合于产品品种相对固定的大中批量加工等特点；但这种结构可靠性低、功能柔性较差，已不能满足当今快速变化的市场需求。图3 (b)为并行结构，具有极高的功能柔性，可以方便地添加或减少设备；但这种结构设备投资较大，特别是在这种结构中，每台机床必须完成零件的所有加工任务，所以必须配备更多的刀具数量，因此所加工零件的单件成本也较高。相对来说，图3 (c)、图3 (d)最为合理，也最适合RMS采用（我们称之为阵列式混合结构）。因为它们具有如下优点：（1）既具有并行结构的高柔性，又可按工艺合理选用设备而获得高生产率和加工精度；（2）可通过重构或更改某加工单元的设备组成新系统，对形状或工艺变动较大的零件进行加工；（3）可扩展或减少并行的加工单元组数，从而能够根据市场的动向迅速无缝地调整某些产品的产量。

图4为某厂齿轮车间重构前的制造系统布局。该车间面积为3000 m2，按机群式布局方式进行配置。生产中存在的主要问题是：在制品在车间内各班组之间的运输频繁。为了减少运输，最初采用的解决办法是每天成批地运输一次，但这样又导致每天都需要进库和出库，因此，使上下班时间在制品库都十分拥挤，并占用大量大制品。

一年后随着齿轮需求量的增加（月产量由原来的2000套增加到12000套），原来的布局方式已不能适应需求，因此，对该车间的布局进行了重新设计，并进行了经济性分析。新的布局需要增加14台新设备，增加26名职工。而系统重组后会为企业带来以下效益：(1)工艺路线通畅，工序之间采用滑槽运送，节省搬运工；(2)中间环节减少，生产效率提高，月产量可满足需求；(3)在制品数量可大大减少，流动资金占用量降低。根据分析得出：添加新设备、增加职工等带来的重构成本可在半年内收回，而市场上齿轮的稳定需求是企业继续获得效益的保证，因此，对系统进行了重构。图5为重新布局的齿轮制造车间。

4 结语

布局的逻辑是布局设计的指导思想，是车间设备的组织逻辑。布局形式包括：产品布置、工艺布置和定位布置。变化的产品种类和工艺路线在仅下一个周期来临之前才能确定，这样只考虑当前的布局和下一个布局设计更有意义。可重构制造系统的布局是基于零件加工工艺、材料运输成本和设备重新布局安装成本等来优化可重构制造系统的设备布局。可重构布局考虑了系统组成的可重构性，更多地反映在设备的可重构方面。加拿大的Lee提出了一种考虑设备布局根据加工零件变化而变化的制造系统重构原理。目前，关于制造设备可重构性的研究得到高度重视。