先進制造系統第1章先進制造系統總論第2章先進制造系統基本原理第3章先進制造模式第4章先進設計技術第5章先進制造裝備及技術

第6章先進制造工藝技術第7章綠色設計與制造第8章典型產品的制造系統第9章制造系統展望∨∧第3章提要∨∧本章先進制造模式（AMM）是全書的重點內容。每一種制造模式都從屬于相應的制造系統，并與相關的制造技術相互交織和相互作用。如果把制造技術比作制造系統的骨骼（硬件）和肌肉（軟件），那么，制造模式就是制造系統的靈魂（哲理的反映）和神經（運行的規律）。第3章提要本章首先闡述了制造模式的類型和作用；然后著重從發展、原理和案例三個方面來介紹目前比較典型的AMM：并行工程（CE）、敏捷制造（AM）、可重構制造（RM）、大量定制（MC）、網絡化制造（NM）、成組技術（GT）、精益生產（LP）、計算機集成制造（CIM）、虛擬制造（VM）和智能制造（IM）；最后分析了一些AMM的聯系與區別。本章介紹的AMM突出了敏捷性和精益性，它們能夠在效率和有效性兩方面產生顯著作用。還有一些非常重要的AMM，如柔性制造（FM）、綠色制造（GM）、微納制造（MM）和生物制造（BM）等，將在后續各章中介紹?！拧摹牡?章先進制造模式3.1制造模式的類型與作用3.2并行工程（CE）3.3敏捷制造（AM）3.4可重構制造（RM）3.5大量定制（MC）3.6成組技術（GT）∨3.7精益生產（LP）

3.8計算機集成制造（CIM）3.9虛擬制造（VM）3.10網絡化制造（NM） 3.11智能制造（IM）3.12幾種制造模式的比較(2)信息化制造模式

目前主要是通過制造資源計劃（MRPⅡ）或企業資源計劃（ERP）來支持。信息化制造、MRPⅡ和ERP已在第2章介紹。作為一種制造模式，它的基本思想是：基于企業經營目標制定生產計劃，圍繞物料轉換組織制造資源，實現按需要按時進行生產。

3.1.1制造模式的類型2.按信息流和物流運動方向分類∨∧(2)信息化制造模式

MRPⅡ的核心是將庫存管理和生產進度計劃綜合考慮，根據需求將生產指令同時下達給每個工序，需求與實際生產數量不同，工序間通過庫存作為緩存來應付突發事件，見圖3-3。它的產品生產按預先制定的生產計劃進行。當一道工序加工完后，工件被送到指定的地點等待加工下一道工序，這時工件實際上處于在制品庫存狀態。從原材料開始被加工到最后成品的整個過程，原材料和在制品是按一定生產計劃和工藝規程被推向成品狀態。其缺點是會造成庫存過剩或在制品、原材料無法保證供應。3.1.1制造模式的類型2.按信息流和物流運動方向分類∨∧

信息流物料流圖3-3MRPⅡ推動式生產方式庫存實際需求數量庫存生產計劃生產進度表生產指令生產指令生產指令工序1工序2工序3庫存3.1.1制造模式的類型2.按信息流和物流運動方向分類∨∧(2)信息化制造模式在資源管理范圍上，MRPⅡ側重于企業內的資源管理，ERP擴展到了整個供應鏈的制造資源；在生產方式管理上，MRPⅡ適用于離散型制造系統的幾種典型生產方式，如規模生產、重復生產、按庫存生產、按訂單生產、按訂單裝配等，ERP實現MRP與JIT相結合支持混合型生產方式的管理；在事務處理控制方面，MRPⅡ一般只能實現事中控制，ERP強調事前控制能力。

3.1.1制造模式的類型2.按信息流和物流運動方向分類∨∧3.4.1RM的發展

制造系統研制周期長已成為制造系統發展的瓶頸。系統研制周期的縮短可通過對其模塊化的構件進行快速設計和對已有制造系統進行重構來實現。1996年，美國密執安（Michigan）大學工程研究中心（ERC）在美國國家科學基金會（NSF）和25家公司資助下開展了有關可重構制造系統（ReconfigurableManufacturingSystem，RMS）的研究。1997年，Y.Koren、U.Heisel等人首次正式提出RMS的概念。美國國家研究委員會（NRC）于1998年在《2020年制造挑戰的設想》的報告中明確地將RMS列入6大挑戰與10大關鍵技術中，而且RMS名列10大關鍵技術之首。∨∧3.4.1RM的發展從1997年起，我國在國家自然科學基金和“十五”863計劃基金資助下，對RMS的理論及方法進行了研究。我國在跟蹤學習國外先進制造模式研究成果的基礎上，取得了一定研究成果。清華大學及北京機床研究所研究了快速可重構制造系統的科學原理和建模；中科院沈陽自動化研究所研究了重構理論與方法；華中科技大學研究了可重構制造系統資源；南京航空航天大學研究了可重構制造機床。許多企業失敗破產的原因就是其內部變革的步伐跟不上環境的變化。我國機械工廠于1996年開始實施重構：山東某廠每年按訂單重構生產線8次。江蘇某計算機組件制造廠根據周計劃可以隨時在8小時內完成CNC加工中心組成的制造系統重構，最短的重構周期達到24小時或更短?！拧?.4.2RM的原理∨1.重構的概念2.制造系統的可重構性

3.RMS的定義與特性4.RMS的組成與類型5.RMS的支撐技術∧3.4.2RM的原理1.重構的概念

系統構形：是指系統在給定條件下的一個確定的物理形態或抽象概念模式。任何系統都呈現一個臨時性固定狀態，即表現出一種構形。構形是系統進化軌跡上的一個突變點。構形包括由其所有構件組成的整體集合、構件的屬性和構件間的空間、時間、功能和邏輯關系等內容。

系統重構（Reconfiguration）：也稱為重組或重配置，是系統從一種構形向另一種構形的轉移。它是系統生存和發展的基本手段。能夠進行構形變化的系統稱為可重構系統，而系統進行可重構的能力稱為可重構性（Reconfigurability）。∧∨3.4.2RM的原理

“重構”與“重組”：嚴格地說，“重構”的內涵比“重組”寬泛一些。重構指重新構造系統的結構及重新組合系統的功能，可能需要從系統外引入新的構件，或從系統中移出已有構件，或用一個構件替換另一個構件（物理重構），或保持己有系統構件不變而改變生產作業計劃（邏輯重構）；而重組指重新組合，一般僅在系統原有構件的基礎上進行，不必從系統外引入新的構件。另外，把“重構”稱為“重組”時，相應地應將相關概念如“構形”、“構件”分別稱為“組態”、“組元”。1.重構的概念

∨∧3.4.2RM的原理2.制造系統的可重構性

制造系統的可重構性是指一種可以按照規劃和設計規定的變化，利用子系統、模塊或構件的重排、更替、剪裁和革新等手段對系統進行重新構形、更新過程、變換功能或改變系統的輸出量以快速響應市場變化的能力?？芍貥嬓耘c組合性有本質的區別：可重構性不僅考慮了物理、幾何相似性，而且考慮了生物學相似性。按照生物制造的觀點，制造系統的可重構與自然界中生物的進化有共同特征：內部均具有層次狀的實體結構，當環境發生變化原有功能不能適應需求時，通過“遺傳與變異”的“自組織”方式，集成合適的基本單元，重新構成新的功能。

∨∧3.4.2RM的原理定義一可重構制造系統是一種為響應市場或客戶需求的突然變化，快速調整在一個零件族內的生產能力和生產功能，在最初就設計成為可快速改變結構、由硬件與軟件的構件組成的制造系統。定義二可重構制造系統是一種能按市場需求變化和系統規劃與設計的規定，以重排（重新組態）、重復利用和更新系統或子系統組態的方式，實現低的重組成本、短的系統研制周期和斜升時間、高的質量和投資效益、快速調整制造過程、制造功能和制造生產能力的可變制造系統。3.RMS的定義與特性∨∧3.4.2RM的原理定義三

可重構制造系統是一種對環境變化具有快速響應能力的、可重新實現系統構形的、滿足系統決策要素要求的制造系統。由制造系統的層次性，也可給出在不同層次上具有不同內涵的RMS的定義。定義四

對單元級制造系統，如加工作業層，RMS是一種由可重構設備及調度控制軟件等構成的可重構加工系統（Reconfigurablemachiningsystem），相應的可重構物流系統和可重構控制系統組成的制造系統。這是狹義RMS。3.RMS的定義與特性而廣義RMS包括以下兩級：

∨∧3.4.2RM的原理定義五

對企業級制造系統，即企業層，RMS是一種包含企業組織、產品、過程和加工系統、物流系統、控制系統重構等多個方面的可變制造系統。其構件不只局限在機床和調度控制軟件上，種類、結構和性質更加龐大和復雜化。定義六對全球制造系統，即企業外層，RMS是一種基于計算機廣域網絡和敏捷制造的快速響應制造系統（RapidlyResponsiveManufacturingSystem），又稱為快速重構制造系統（RapidlyRMS，簡稱RRMS）。3.RMS的定義與特性∨∧3.4.2RM的原理表3-2可重構制造系統的特性特性特性的說明可重構性由一個生產需求期轉向下一生產需求期而使所要加工的產品集發生變化時，按照變化了的生產要求準確、經濟性地由一種構形向另一種構形轉換的能力。模塊性所有部件采用模塊化設計，包括系統的各種硬件和軟件，如結構件、動力頭、控制器件、控制軟件、組合夾具、刀具和工具等?？杉尚韵到y所有部件和和控制模塊等構件具有與其他構件進行集成的接口以及易于新技術引入的性能。RMS的主要特性∨∧3.4.2RM的原理表3-2可重構制造系統的特性特性特性的說明可定制性利用已有的生產線來生產不同的產品，同時品種更換時系統調整所需的時間較短。包括：①柔性定制指基于制造加工的零件族及具體零件加工所需的柔性來選擇加工設備和構造系統；②控制定制指基于開放性結構技術，通過與控制模塊進行集成而提供所需的附加控制功能?？赊D換性在優化作業模式下和一定作業時間（通常為一天）內，一批作業完成、下批作業開始之間快速平穩過渡轉換的性能，在轉換過程中應盡快完成必要的操作，如更換工藝裝備和CNC程序及進行其他的手工操作?？稍\斷性快速地診斷（辨識和探測）影響產品質量和可靠性（故障產生）的原因，具有相應的修正和微調能力。可重用性在滿足相同生產需求的前提下，用對已有系統進行重構的方式構建制造系統的成本要低于用首次構建的方式構建制造系統的成本的性能。RMS的主要特性∨∧3.4.2RM的原理4.RMS的組成與類型(1)單元級RMS

一般由三個子系統組成：1)可重構加工系統2)可重構物流系統3)可重構控制系統如圖3-12所示?？芍貥嬛圃煜到y（RMS）圖3-12單元級RMS結構和組成可重構加工系統可重構加工設備普通加工設備輔助設備檢測設備清洗設備可重構物流系統儲存系統輸送系統操作系統工件流刀具流配套流可重構控制系統過程控制過程調度過程監控毛坯產品∨∧3.4.2RM的原理企業級RMS如圖3-13所示。這些組成部分源于制造系統的層次性，也表明它的可重構性具有層次性。圖3-13企業級可重構制造系統的組成信息集成技術平臺

組織結構業務過程產品開發加工系統制造戰略4.RMS的組成與類型∨(2)企業級RMS

∧3.4.2RM的原理1)制造戰略是企業進行各種決策時的依據和指導原則。一般常見的有：快速市場響應戰略、低成本戰略、高質量和高性能的產品戰略、創新戰略、產品獨創戰略、可持續發展戰略、產品分線戰略、競爭與合作戰略等。RMS運行是機遇驅動的，必須重視創新戰略。制造戰略涉及到外部組織重構。外部組織重構是指不同企業間的組織重構。它分為兩種形式：靜態重構和動態重構。4.RMS的組成與類型∨(2)企業級RMS

∧3.4.2RM的原理內部組織重構是指企業內部不同組織單元間以及同一組織單元內部的重構。重構時每個組織單元根據內外部要求通過自組織和自優化對結構進行重構。常見的組織結構有遞階結構、分布式結構和動態結構，其中遞階式靜態企業結構已不能適應快速多變的市場環境；分布式結構與中國的文化和社會價值觀有顯著沖突，因此不宜采用。從嚴格的多級遞階結構轉變為面向過程的扁平化的動態合作式結構，比較符合中國國情。因為它吸收遞階和分布式的優點。4.RMS的組成與類型∨2)組織結構——系統結構描述三方面的關系和約束：系統和環境相關的方式和強度；系統內部各組織單元之間的關系和強度；系統的組織單元內部結構和性質。

(2)企業級RMS

∧3.4.2RM的原理3)業務過程

RMS更加面向過程，其運作可分為若干業務流過程。典型的企業業務過程包括經營規劃、市場銷售、采購供應、生產計劃調度、庫存控制和售后服務等。與有機體一樣，企業在對環境變化做出反應并適應這種變化的過程中，不斷地發展變化，必須對業務過程進行重構。業務過程重構

是針對制造過程的可變性，對制造系統業務過程的功能性活動及由相關活動組成的有機序列進行分析、分類、整理和重構，動態改變由系統設備布局、作業計劃等確定的人、加工設備等的操作時序及物流路徑，構造定義明確的具有針對性的業務過程。業務過程重構可以分為三個階段：過程建模、過程分析及過程重構。4.RMS的組成與類型∨(2)企業級RMS

∧3.4.2RM的原理4)產品開發產品重構是指在設計初期由用戶需求變化、材料節約和環境保護等因素驅使而進行的涉及產品全生命周期的重構。b.產品結構詳細設計階段盡可能利用現有的零部件設計產品方案設計階段按多種構形設計開發和管理產品

c.采用面向環境的設計技術，考慮產品再利用和環境保護等因素，減少生態影響，對舊零件進行回收利用。

產品可重構性包含三層意義：

4.RMS的組成與類型∨(2)企業級RMS

∧3.4.2RM的原理5)加工系統主要指產品加工與裝配設備的重構。加工系統重構是指按照業務過程重構動態地改變加工系統（如制造單元、生產線和加工中心）中的構件及其之間的聯系，從而改變系統的生產功能和生產能力。設備的可重構性是整個企業可重構性的基石，關鍵問題是模塊化組件，模塊化控制軟件和標準化接口。4.RMS的組成與類型∨(2)企業級RMS

∧3.4.2RM的原理

按重構的加工系統層次分類：①系統級的快速重構。包括生產線、物流系統或者制造單元的生產能力、制造過程和功能的快速重構；②設備級的快速重構。包含組成制造系統的各種設備的快速重構；③部件級的快速重構。包含各種功能部件、組件與工具、其他刀具與輔助系統的快速重構。4.RMS的組成與類型5)加工系統加工系統重構的主要內容：在變化的環境中較為平穩地在系統級上添加、更換和減少設備，進行系統物理重構。在變化的環境中動態地完成軟件、控制系統重構，進行系統邏輯重構。根據變化動態改變設備的功能和結構，靈活性地完成多種任務。∨(2)企業級RMS

∧3.4.2RM的原理

信息平臺重構是指為實現制造系統的可重構性，構建具有可重構性的由計算機網絡、硬件平臺和應用軟件等構成信息集成框架，實現各種模塊的“即插即用”。

按軟硬件分為：①硬件系統及其構件的快速重構；②軟件系統及其構件的快速重構。4.RMS的組成與類型6)信息集成技術平臺

制造系統中信息平臺的可重構性，是由應用軟件、集成框架（中間件）和計算機網絡三方面的可重構性組成?！?2)企業級RMS

∧3.4.2RM的原理5.RMS的支撐技術RMS涉及先進的制造戰略、營銷、新產品創新與改進的設計與開發、系統工程與分析、隨機動態規劃與決策、質量工程、系統可靠性和運行跟蹤與診斷、計算機技術、自治與協同控制、硬軟件接口與協議技術、經濟可承受性、系統集成管理和生產運作管理等多學科、多種技術的交叉融合，因此為了實現RMS的構建和重構，需要研究RMS的設計原理、開放式控制系統、模塊化設計方法以及可重構設備方面等關鍵技術，見表3-3。∨∧3.4.2RM的原理表3-3可重構制造系統的關鍵技術關鍵技術研究項目研究內容設計原理指導思想并行工程協同設計、智能制造、敏捷生產等先進制造技術思想和哲理設計理論創新設計、離散隨機過程系統控制決策、基于突變流理論系統規劃、開放式控制系統體系結構設計方法模塊化設計方法、可制造性設計、可診斷性設計、經濟可承受性設計、系統運行決策優化設計信息集成與CAD、CAPP、CAM、PDM、MRP、MRP11、ERP、CRM、SCM、CPC等信息系統的集成5.RMS的支撐技術∨∧3.4.2RM的原理開放式控制系統標準和規范系統封裝及集成、基于CORBA的對象封裝機制、COM/DCOM標準、STEP標準、接口技術和基于總線的分布式控制結構高速化和高精度化高加減速度和高精度的位置檢測系統和伺服系統控制系統的誤差補償技術智能化控制系統的自適應控制、專家系統、故障診斷系統等智能技術5.RMS的支撐技術關鍵技術研究項目研究內容可重構制造系統的關鍵技術∨∧3.4.2RM的原理5.RMS的支撐技術關鍵技術研究項目研究內容硬件模塊化設計系統布局按形狀、接口、運動和剛性等方式定義硬件子模塊集合、定義硬件子模塊間的約束、按運動和過程等定義硬件設備的集合、零件加工過程順序的描述、定義合理的系統布局模塊化結構機械界面的標準化、控制系統接口的標準化、軟件系統的模塊化、管理系統的模塊化、物流系統接口標準化、工裝夾具接口標準化模塊接口系統接口（系統間連接的標準化）、模塊接口（模塊間連接的標準化）、子模塊接口（模塊內部的標準化）、功能接口標準化、數據接口標準化、能量接口標準化可重構制造系統的關鍵技術∨∧3.4.2RM的原理5