可重構制造系統的優化布局配置研究

趙中敏

（江蘇海洋大學 應用技術學院 江蘇連云港222069）

設備是企業進行生產的基本單元，合理的設備布局對均衡設備能力，保持物流平衡、降低生產成本起著至關重要的作用。研究表明：大約20%~50%的加工費用用于物料運輸，而合理的設備布局至少能節約10%~30%的物料運輸費用 。設備布局是指按照一定的原則，在設備和車間內部空間面積的約束下，對車間內各組成單元、工作地以及生產設備進行合理的布置，使它們之間的生產配合關系最優，物料運送代價最小。

1 可重構制造系統

目前，在企業中主要存在兩類制造系統，即專用制造系統和柔性制造系統（FMS）。專用制造系統成本較低，能進行多刀加工，故生產效率高，但沒有柔性，系統的軟件、硬件都是為特定零件而設計的，不能擴展。柔性制造系統則具有軟件柔性，能控制固定的硬件設備完成眾多加工功能，及時響應市場變化，但造價高、軟件冗余大，只能進行單刀加工，生產效率較低。可重構制造系統(reconfigurable manufacturing system,RMS)企圖綜合上述兩種制造系統的優點，為響應市場或不確定需求的突然變化，迅速調整出一個零件族內的生產能力和功能，為快速改變系統結構以及硬件和軟件組件而構成一種可重構制造系統。這種系統硬件、軟件均可重構，可進行多刀加工，系統造價適中，但硬件有冗余。由于可重構制造各級組織充分利用資源，因此符合可持續制造策略。

為了解決制造系統的快速和有效的重組，20世紀90年代中期，國外學者和研究機構提出了可重構制造的概念。同一般制造系統相比，RMS主要有以下3個特點：(1)加工設備的模塊化結構和開放式接口；(2)機床布局及生產規模的可調整性；(3)控制軟件和體系結構的高度重構性。然而，從理論和實際應用中分析知道，要解決可重構制造系統對市場需求的適應性，系統布局的研究是必須解決的關鍵問題。

2 RMS的系統布局規劃

可重構制造系統按照可重構粒度可以分為：設備層和系統層。其中，設備層實現主要研究加工設備的動態變化能力，即未來機床應能通過改變自身結構，靈活完成多種任務；系統層實現主要研究如何保證加工系統能在不產生較大擾動的情況下允許添加或減少設備，使系統具有動態重構能力，滿足不同產品生產的需求。

2.1 設備層

可重構制造系統的設備層涉及的主要內容包括：機床功能模塊合理劃分、模塊之間機械界面的標準化、機床可移動性研究和基于軟構件的設備層控制系統等。所以可重構機床是RMS設備層的重要組成部分，其主要目的是如何使加工設備能快速適應被加工零件的各種變化。要實現機床的可重構，最有效的途徑是進行機床模塊化設計。如何使模塊化機床在設計上保證加工零件變化的快速響應，實現加工過程的重構性，通常要解決如下問題。

2.1.1 機床功能模塊化合理劃分

如何正確劃分功能模塊是可重構制造系統的關鍵技術之一。合理的模塊劃分可以簡化設備的結構，降低設備的重構頻率，提高模塊之間的精度匹配。模塊應具備確定的功能，過小、過大的模塊劃分都是不合適的，過小的模塊劃分將導致重構頻繁發生，過大的模塊劃分將使設備的柔性受到極大的限制。

2.1.2 模塊之間機械界面的標準化

只有各種模塊的界面標準化，可重構制造系統才能得到廣泛應用。其中包括：機械、液壓、潤滑、冷卻、電控接頭。

2.1.3 機床可移動性研究

對于可重構制造系統，由于工藝路線的變化，導致機床布局的重新調整是經常發生的，因此可重構制造系統的機床必須具有標準的對地基、能源等要求，重量較輕，調試容易。

2.1.4 基于軟構件的設備層控制系統

可重構制造系統的機床由于生產任務的改變，需要經常增加、減少模塊，其控制系統也應該用模塊化的設計方法并應用軟構件的思想支持控制軟件重構，允許應用模塊方便地在控制系統中“插入和拔出”。

2.2 系統層

長期的實踐表明，陣列式是實現RMS的高柔性和高效率特點的一種優秀的布局方式，它是一種基于組態式制造單元（Configurational Manufacturing Cell,CMC）組成的陣列式布局的結構體系，如圖1所示。布局中每行為一個CMC單元，它是一個由符合工藝需要的加工設備串聯構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，但其加工設備的類型和數量可根據產品族的不同進行調整和重構，因而開發面向對象的組態軟件進行單元控制。根據產品的產量不同，可以并聯多組的CMC，各CMC間通過物流輸送系統耦合構成所需的制造系統。

由CMC陣列式布局構成的制造系統與當前歐美一些機床廠研發的并串聯復合布局的敏捷制造單元（AMC）如圖所示2。相比具有柔性更強、加工質量變動更穩定、便于進行生產管理和質量控制的特點。

3 物理組態基本形式

生產率和柔性之間的矛盾一直是傳統制造系統無法解決的難題。盡管當產品在一定范圍內變化時FMS是具有較高的制造柔性，但當產品變化超過這個范圍時，其適應新產品的能力則會消失，從而失去柔性。即使這時設法在原有的系統周圍添加新的機床設備以適應新產品的需求，也會由于物流傳輸的復雜化制約系統生產效率的提高。RMS通過機床設備的重新布置來適應新產品的需求，不僅保證了RMS具有較高的柔性，同時由于物流在系統內的有序和順暢傳輸，也保證了系統具有較高的生產效率。

制造系統由若干臺加工設備組成，這些設備可以被設計成多種組織形式。如由四臺加工設備構成的系統可以有十種不同的組合方式，而由五臺機床構成的系統其組合方式達二十四種之多。不同的設備組織結構形式對制造系統的生產率、產品質量、功能柔性、生產成本以及可靠性等均有很大的影響。如何對各種組織結構形式進行綜合性能評價，并根據具體加工任務為制造系統選擇一種最合適的設備組織方式，是RMS設計中面臨的主要任務之一。

圖3所示是包含六臺機床的部分設備布置圖。其中圖3(a)為串行結構，具有成本低、適合于產品品種相對固定的大中批量加工等特點；但這種結構可靠性低、功能柔性較差，已不能滿足當今快速變化的市場需求。圖3 (b)為并行結構，具有極高的功能柔性，可以方便地添加或減少設備；但這種結構設備投資較大，特別是在這種結構中，每臺機床必須完成零件的所有加工任務，所以必須配備更多的刀具數量，因此所加工零件的單件成本也較高。相對來說，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構）。因為它們具有如下優點：（1）既具有并行結構的高柔性，又可按工藝合理選用設備而獲得高生產率和加工精度；（2）可通過重構或更改某加工單元的設備組成新系統，對形狀或工藝變動較大的零件進行加工；（3）可擴展或減少并行的加工單元組數，從而能夠根據市場的動向迅速無縫地調整某些產品的產量。

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

一年后隨著齒輪需求量的增加（月產量由原來的2000套增加到12000套），原來的布局方式已不能適應需求，因此，對該車間的布局進行了重新設計，并進行了經濟性分析。新的布局需要增加14臺新設備，增加26名職工。而系統重組后會為企業帶來以下效益：(1)工藝路線通暢，工序之間采用滑槽運送，節省搬運工；(2)中間環節減少，生產效率提高，月產量可滿足需求；(3)在制品數量可大大減少，流動資金占用量降低。根據分析得出：添加新設備、增加職工等帶來的重構成本可在半年內收回，而市場上齒輪的穩定需求是企業繼續獲得效益的保證，因此，對系統進行了重構。圖5為重新布局的齒輪制造車間。

4 結語

布局的邏輯是布局設計的指導思想，是車間設備的組織邏輯。布局形式包括：產品布置、工藝布置和定位布置。變化的產品種類和工藝路線在僅下一個周期來臨之前才能確定，這樣只考慮當前的布局和下一個布局設計更有意義。可重構制造系統的布局是基于零件加工工藝、材料運輸成本和設備重新布局安裝成本等來優化可重構制造系統的設備布局。可重構布局考慮了系統組成的可重構性，更多地反映在設備的可重構方面。加拿大的Lee提出了一種考慮設備布局根據加工零件變化而變化的制造系統重構原理。目前，關于制造設備可重構性的研究得到高度重視。