1、1第三章第三章 制造系统的性能分析制造系统的性能分析2主要内容主要内容3.1 制造系统的基本概念制造系统的基本概念 3.2 制造系统的组成制造系统的组成3.3 制造系统的性能制造系统的性能3.4 制造系统的可靠性制造系统的可靠性3.5 制造系统的模型制造系统的模型 33.1 制造系统的基本概念制造系统的基本概念何谓何谓“制造制造”？狭义的制造：狭义的制造：指加工，它是把原材料变换成产品的直接物理过程。广义的制造：广义的制造：包含了为加工而服务的设计、准备、计划、物流输 送，甚至供销及售后服务等过程。也就是说广义的制造包含了物理过程(加工、装配等)、概念过程(设计、计划等)以及原材料和产品的转移
2、过程。备注：备注：由于长期以来并未规范“制造”、“加工”两术语的含义，致使常有混淆不清的时候。人们只好根据特定的场所去判断“制造”术语的含义。如通常所说的“柔性制造系统”。4制造系统的基本概念制造系统的基本概念何谓何谓“系统系统”？系统是一个系统是一个可辨别可辨别的、复杂的的、复杂的动态实体动态实体。它由互相。它由互相关联关联、互相、互相依依赖赖的具有不同特征的部分或子系统所组成。其整体能保持的具有不同特征的部分或子系统所组成。其整体能保持稳定性稳定性，并能调整其行为以并能调整其行为以适应适应外界的影响。外界的影响。可辨别可辨别：系统具有可定义的边界，不是一些杂乱无章的事物的集合。动态：动态：
3、系统的特征之一是其运动性，正是通过运动，系统的各组成部分才有相互关系，才会相互作用。实体：实体：实体可以是物理的，也可以是概念的，信息的。机床可以是一个实体，管理信息也是一个实体。关联：关联：系统中不同部分或子系统是相互关联和依赖的，只有协同工作才能保证系统稳定运行。稳定性：稳定性：系统在正常情况下具有保持其稳定状态的能力。注意稳定是动态意义上的。适应：适应：系统能自我调整以适应外界条件的变化。5按照特性来分按照特性来分：连续系统连续系统：状态变量都随时间变化，时间是连续的。如：电机速度控制系统离散系统离散系统：离散时间系统：状态变量都随时间变化，时间是一系列的离散时刻。如：计算机系统。离散事
4、件系统：状态改变是受事件驱动的，而且发生在离散的时刻点 上，这导致其时间推进的增量不是固定的。例如：例如：理发店服务系统，半导体制造系统：离散事件系统。理发店服务系统，半导体制造系统：离散事件系统。电机速度系统：同时包含了连续系统和离散时间系统的混合系统，由电机速度系统：同时包含了连续系统和离散时间系统的混合系统，由计算机控制，被控对象电机是时间连续的，而控制器是离散的数字控制器。计算机控制，被控对象电机是时间连续的，而控制器是离散的数字控制器。63.2 制造系统的组成制造系统的组成1 制造系统的组成：制造系统的组成：制造系统的活动=物流活动+信息流活动 物流（Material Flow）：物
5、料流，能量、人员、资金。信息流：产生，转换，传递。制造系统=物流子系统+信息流子系统 由此派生出不同的功能部门。7制造系统的组成制造系统的组成2 制造物流系统制造物流系统 物流系统的组成：物料本身实现物流所需的资源。车间设备布局的基本形式车间设备布局的基本形式 车间工件流或者设备布局的形式通常有四种：1 基于产品 2 基于工艺 3 基于成组 4 固定位置注：前三种形式较常见.固定位置方式只是针对一些特殊的产品，如船舶、飞机。在这种情形下，一些焊、铆设备等都搬到固定的现场，这是因为产品的尺寸(即使是某些零件的尺寸)太大，以致移动不便。8制造系统的组成制造系统的组成（1）基于产品的布局方式）基于产
6、品的布局方式 针对某一特定产品而言，若工厂的产品是固定的且批量很大，采用这种方式比较合适。例如例如：汽车发动机的加工，机床可按发动机的工序顺序排列，从而形成一个流水线或自动线。发动机毛坯进入流水线后，顺序经过各自机床，待离开最后一台机床时，在此线中所需的全部加工就完成了。特点特点：效率高;在制品少:人们一般希望把在制品数控制在最低限度;适合于大批量生产,否则利用率太低。9制造系统的组成制造系统的组成（2）基于加工工艺的布局方式）基于加工工艺的布局方式方法方法：设备按照其相似的加工功能和能力被划归为组，并排在一起。例如例如:在一个车间中，若干加工能力相似的车床形成一个车床组，类似地还有铣床组、磨
7、床组等。特点特点：一个车间加工多种零件时，不同种类的工件会以不同的路径在各机床组之间流动，生产率较低。在制品数的控制也相对困难。适用场合适用场合：单件小批量生产。图 基于加工工艺的机床布局10制造系统的组成制造系统的组成（3）基于成组技术（）基于成组技术（GT）的布局方式）的布局方式 方法方法：上述两种极端方式的融合。它是基于零件的相似性原理，在分析某一类相似零件的工艺基础上，将适应加工某一类相似零件的机床成组布局，前提是相似零件要有一定的批量。零件的流动路径有些完全相同，有些略有差异。特点特点：可以使物料输送时间和装夹准备时间缩短，提高生产率。从生产管理的角度看，这种方式使作业计划和调度更容
8、易。在制品数也较少。11制造系统的组成制造系统的组成三种布局方式适应的品种数和生产率范围三种布局方式适应的品种数和生产率范围12按设备摆放形状的布局类型：按设备摆放形状的布局类型：1 单行布局：直线线形布局，单行布局：直线线形布局，U型布局，环形布局型布局，环形布局2 多行布局多行布局U型生产线的平衡优化问题：将U型生产线的平衡问题视为排序问题。一旦生产线节拍给定，各个加工设备被分配到工作站的顺序根据工艺、设备尺寸及布局空间确定，按照最大分配原则，将尽可能多的作业元素分配给这个工作站，则平衡的结果就可确定。优化目标：效率，长度。13141拉床 2车床 3插齿机 4剃齿机5塔式存储架 6机器人
9、7去毛刺机15制造系统的组成制造系统的组成RFID(射频识别射频识别)：1 一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，并获取相关数据，2 作为条形码的无线版本，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点，数据容量更大、存储信息更改自如等优点，3 其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。其应用将给零售
10、、物流等产业带来革命性变化。1617中国中远物流使用中国中远物流使用RFID标签来监控集装箱货物标签来监控集装箱货物一种一种 Savi 标签夹在集装箱门标签夹在集装箱门上上另一种另一种Savi 标签插在集装箱门上标签插在集装箱门上GPS接收器接收器 监控集装箱的内部温度和湿度监控集装箱的内部温度和湿度/箱门打开。箱门打开。GPRS的传送器的传送器GPRS/GSM无线通讯基点范围之内无线通讯基点范围之内18自动化仓库出入库管理子系统工作流程自动化仓库出入库管理子系统工作流程193.3 制造系统的性能制造系统的性能1 对象及其性能指标：对象及其性能指标：一台设备：一台设备：生产率，可靠性，节能性，
11、易维修性，耐用性，精度。一个车间或工厂：一个车间或工厂：在制品数，设备利用率，设备完好率，生产率，生产均衡性等。FMS，CIMS：集成度等。20制造系统的性能制造系统的性能（1）生产率）生产率：单位时间内生产的产品数量称为生产率。（2）生产能力）生产能力：制造系统中某一特定的层次(如工厂、车间、加工单元、设备)，在一定时期内，在合理的技术和管理条件下，正常生产某类产品或零部件的最大数量称为生产能力。（3）生产均衡性）生产均衡性 生产均衡性是衡量一个企业生产管理水平的重要标志，它要求企业的投料、生产及出产都能有计划有节奏有计划有节奏地进行。均衡主要体现在两方面：一是时间方面，二是空间方面。目前无
12、量化指标。21制造系统的性能制造系统的性能（4）在制品数）在制品数 投放到车间进行生产但尚未完成的零件数称为在制品数。压缩在制品数，目的。（5）通过时间）通过时间 一个零件在某个加工系统中的通过时间，它是指零件进入系统后直到加工处理完毕而离开系统所历经的时间。（6）等待队长）等待队长 在某一时刻在某加工系统前等待加工的工件数称为等待队长。一般而言，它是一个随机数，通常需要求得平均等待队长。22制造系统的性能制造系统的性能(7)等待时间等待时间 工件在等待接受加工服务的队列中所逗留的时间称为等待时间。同样，它也是一个随机变量。通常人们感兴趣的也是平均等待时间。(8)设备利用率设备利用率 设备利用
13、率是设备的实际开动时间占制度工作时间的百分比。制度工作时间系指在规定的工作制度下，设备可工作的时间数。(9)设备有效利用率设备有效利用率设备有效利用率是指有效工作时间TW和(TW+TD设备故障时间)之比。23制造系统的性能制造系统的性能（10）设备完好率）设备完好率 指无故障设备数在全部设备数中所占的百分比。(11)设备可维修性设备可维修性 设备可维修性是指某台设备易于维修的程度。设备是否易于维修，在很大程度上取决于设备的设计，此性能指标难以用数量表示，通常只能定性模糊表达。(12)使用方便性使用方便性 指一台设备或一个加工系统的调整准备工作及运行时操作的方便程度。对于此性能，实际中也只是定性
14、地模糊表达。24制造系统的性能制造系统的性能（13）可靠性）可靠性 可靠性：系统随时间变化保持自身工作能力的性能，工作能力：是在保证给定参数处于技术文件规定范围以内完成规定功能的能力。设备的可靠性与其设计、制造及使用均有关系。（14）柔性）柔性 是指系统适应环境或输入条件变化的能力。作为一个企业的制造系统，其柔性主要体现在对市场变化作出快速有效响应的能力。对于一个加工系统，其柔性主要表现在系统适应加工零件类型、批量、加工方法等因素变化的能力。（15）集成度）集成度 CIMS。集成度主要指子系统之间功能交互、信息共享及数据传递畅通的程度。25制造系统的性能制造系统的性能2 制造系统性能的基本原理
15、制造系统性能的基本原理（1）Little定律定律在制品数生产率在制品数生产率通过时间通过时间 式中，在制品数和通过时间均为平均数。这是著名的Little定律，它适用于制造系统的各个层次，如设备、加工单元、车间、工厂，唯一的假设条件是系统处于稳态。Little定律揭示了在制品数与生产率和通过时间之间的定律揭示了在制品数与生产率和通过时间之间的关系，显然缩短通过时间将导致在制品数的减少。关系，显然缩短通过时间将导致在制品数的减少。26Little定律指出：定律指出：“系统中物体的平均数量等于物体离开系统的平均速率系统中物体的平均数量等于物体离开系统的平均速率和每个物体在系统中停留的平均时间的乘积。
16、和每个物体在系统中停留的平均时间的乘积。”（并且如果物体离开和进入系统的总体出入流是平衡的，那（并且如果物体离开和进入系统的总体出入流是平衡的，那么离开速率也就是进入速率。）么离开速率也就是进入速率。）问题：问题：地下室里有地下室里有150箱酒，每年喝掉箱酒，每年喝掉25箱并买入箱并买入25箱，那么每箱，那么每箱酒保存的时间是多长？箱酒保存的时间是多长？27（2）若子系统或零部件的可靠性是一定的，则参与工作的）若子系统或零部件的可靠性是一定的，则参与工作的子系统或零部件数越多，系统可靠性越低。子系统或零部件数越多，系统可靠性越低。系统越大越复杂，则可靠性越差。比较一个加工中心和含有同一个加工中
17、心的FMS，无论FMS的其它子系统的可靠性多高，整个FMS的可靠性比加工中心的可靠性低。储备结构？冗余28制造系统的性能制造系统的性能（3）机器性能随时间推移而退化）机器性能随时间推移而退化 机器的磨损、老化等都是性能退化的原因。（4）系统复杂性可能随子系统或元件数增加而呈指数增长）系统复杂性可能随子系统或元件数增加而呈指数增长 如果一个系统有M个子系统，每个子系统有N个状态，则整个系统存在多少可能的状态？在系统设计时尤其应注意这一点。29（5）制造系统总是会呈现一定的随机特性）制造系统总是会呈现一定的随机特性 制造系统到处都体现出随机特性，不管是生产的计划与管理，还是加工精度的控制。随机特性
18、的存在意味着不可能完全准确地预测系统的某些性能。（6）系统可靠性越高，其成本也越大）系统可靠性越高，其成本也越大 为了提高系统的可靠性，可以通过提高子系统或零部件的质量或者借助特别的结构(如贮备结构)。但提高可靠性的措施都会使成本增加。30制造系统的性能制造系统的性能（7)制造系统的柔性越高生产率越低制造系统的柔性越高生产率越低 生产率与柔性是互相矛盾的。柔性制造系统、普通数控机床、普通机床的柔性比较?(8)集成度越高，系统可靠性降低集成度越高，系统可靠性降低 制造系统的集成度越高就意味着系统越复杂，可靠性也就越低。31小结小结：上述几个基本原理说明，有时难以兼得制造系统各方面的性能，如：在通
19、过时间不变的情况下，提高生产率却会使在制品数在通过时间不变的情况下，提高生产率却会使在制品数增加。增加。柔性与生产率之间、集成度与可靠性之间都存在着矛盾柔性与生产率之间、集成度与可靠性之间都存在着矛盾。323.4 制造系统的可靠性制造系统的可靠性1 寿命分布函数寿命分布函数 在正常条件下，系统的寿命T不超过时间t的概率称之为不可靠度或不可靠度或失效概率失效概率。其数学表达式为，F（t）值亦被称之为失效分布函数或故障分布函数失效分布函数或故障分布函数。它表示系统在时刻t之前失效或发生故障的概率。在0时刻有N个同样的系统开始工作，至时刻t时有n(t)个系统失效或发生故障,则如何估计t时刻的失效概率
20、？2 可靠度可靠度 系统在正常条件下于规定时间 t 内正常工作的概率称之为可靠度可靠度。此概率也意味着系统寿命大于t的可能性。因此，可靠度可表示为 易知 R（t）十F（t）1F(t)P TtR(t)P T t33制造系统的可靠性制造系统的可靠性3 失效（概率）密度函数失效（概率）密度函数 先考虑离散情况：先考虑离散情况：n(t)(2)(1)f(t)()n ttF tF t 如果随机变量是连续型的，则寿命分布函数之导数称为失效密度函数，即根据寿命分布函数和可靠度的定义，则34制造系统的可靠性制造系统的可靠性4 失效率失效率 工作到 t时刻后，在单位时间内剩余完好产品所发生的失效频率称为失效率，记
21、为 。设在t=0时刻，有N个完好产品准备开始工作。至t时刻有n（t）个产品失效，因此只能有N-n（t）个产品能继续工作。倘若增加一个单位时间 t，至t+t时刻，又有n(t)个产品失效。根据失效率的含义，应有(t)图 失效率的定义图标35制造系统的可靠性制造系统的可靠性解此微分方程，可得可靠度表达式 t0-(x)dxR(t)=e36制造系统的可靠性制造系统的可靠性 描述了系统或产品的失效随时间分布的规律。很多系统或产品的失效率随时间变化的曲线有如所谓浴盆曲线。(t)图 典型失效率函数曲线 1早期早期：初时系统失效率很高，继而失效率递减。很多机械系统在试用期，由于调试的问题或者操作人员对系统还不够
22、熟悉，以致故障多。2 偶然期偶然期：进入失效率恒定期，在此期间内失效率基本不变；如在用过一段时间后，系统故障率降低且趋于稳定。3 耗损期耗损期：产品使用很久以后由于磨损、老化、疲劳等原因引起的失效称为耗损失效。37制造系统的可靠性制造系统的可靠性5 可靠度与可靠寿命的计算可靠度与可靠寿命的计算 可靠度R（t）是时间的函数。给定的可靠度所对应的时间称为可靠寿命。早期失效和耗损失效的失效率是随时间变化的，在很多情况下服从下式（寿命分布函数服从威布尔分布）：（1）当m=1时，是常数，反映偶然失效；（2）当m1时，是t的增函数，反映耗损失效；（3）当0m1时，是t的减函数，反映早期失效。试画出可靠度函
23、数曲线？m-1(t)=CtCtt0-(x)dxeR(t)=e-Ctf(t)=-R(t)=Ce在偶然失效期（稳定期）符合上式的分布称指数分布。38制造系统的可靠性制造系统的可靠性6 典型结构的可靠性模型典型结构的可靠性模型 一个系统往往是由多个子系统或单元组成。从可靠性意义而言，系统的组成形式有串联、并联、串并联或并串联混合形式等。(1)串联结构 设系统S由n个单元串联而成，只有当n个单元全都正常工作时，系统才不致失效。又假设各单元的状态不相互影响，即各单元的正常工作(或失效)事件之间相互独立。39制造系统的可靠性制造系统的可靠性（2）并联系统）并联系统 这时，若各单元寿命分布服从指数分布，系统
24、寿命分布就不再呈指数分布。403.5 制造系统的模型制造系统的模型 1 何为模型？何为模型？模型模型是对实际系统的某种形式的描述与表达。1)模型形式的简单程度取决于对系统抽象的程度模型形式的简单程度取决于对系统抽象的程度 抽象程度越高，模型可能越简单。而一个模型的抽象程度又取决于这个模型的应用目的。分析可以在不同的层次或水平上进行，层次越高抽象程度也越高。例如例如：成组编码，工程图 一个机械零件，其成组(GT)编码是对该零件的描述与表达、因此也是这个零件的模型形式之一。此模型形式简单，可能仅由十几个字母或数字组成，它仅仅表达了零件的一些基本信息、如零件类别、材料尺寸范围等等。这种表达把零件抽象
25、成几种基本要素的组合。它应用在制造领域较高的层次上，如生产计划、工艺计划。对于制造中的低层次活动，如加工而言，应用另一种模型，即工程图作为加工的依据，去描述一个零件。因为从应用的目的需要表达详细信息、故抽象程度低，致使工程图这种模型形式复杂。41制造系统的模型制造系统的模型 2 制造系统模型制造系统模型 1)建立制造系统模型的目的建立制造系统模型的目的 （1）优化优化寻求最佳的决策或控制变量；寻求最佳的决策或控制变量；（2）预测预测对系统潜在性能或敏感因素的分析；对系统潜在性能或敏感因素的分析；（3）控制控制选择合适的控制规则或变量；选择合适的控制规则或变量；（4）识别识别便于更深入地了解系统
26、和发现问题；便于更深入地了解系统和发现问题；（5）证实证实帮助或支持对系统性能的证实。帮助或支持对系统性能的证实。42制造系统的模型制造系统的模型优化优化：是制造系统建模中经常遇到的问题。例如，物料系统设计中决定最佳的配置，以使物料输送成本低，效率高。预测预测：主要是指对非常状态的预测，即发生某种特殊情况时，制造系统的状态会如何。例如：若某一机床因故障而停机，生产任务将会如何；若某种原料或例如：若某一机床因故障而停机，生产任务将会如何；若某种原料或设备供应商不能按时提供所需原料或设备，将发生什么样的影响。设备供应商不能按时提供所需原料或设备，将发生什么样的影响。敏感因素分析是这种非常状态预测所
27、需要的。输入的变化到底会对系统输出产生何种影响，在可能的条件下，应使系统具有较好的鲁棒性。模拟是非常状态预测的常用的手段。控制控制：在机械制造中，根据生产中的最新反馈信息，对原计划作出调整，实质上就是一种控制。如生产质量控制等。43制造系统的模型制造系统的模型 识别识别：制造系统中常会出现各种问题。对很多问题的原因，人们可能知道不清楚，甚至完全未知。在这种情形下，制造系统模型有可能作为问题诊断的工具。证实证实：对于推销产品而言，这是至为重要的。可以认为分析模型适合于解决问题，而模拟仿真模型则适合于证实系统的性能或证实求解的正确性。44制造系统的模型制造系统的模型2）制造系统建模的对象制造系统建
28、模的对象 制造系统建模的对象主要是围绕物料流、资源或产品问题。物料流物料流：主要包含材料流、工件流、工具流材料流、工件流、工具流。生产计划调度模型、工艺过程模型、设备配置模型、质量控制模型都与物料流有关。资源资源：模型例子有设备故障诊断模型。产品产品：模型有产品设计模型、零件加工精度控制模型等。45制造系统的模型制造系统的模型3）制造系统模型的分类制造系统模型的分类 由于制造系统的复杂性，其模型不可能是单一的。按照模型的形式，制造系统模型同样有 物理模型、概念模型，分析模型，知识模型之分物理模型、概念模型，分析模型，知识模型之分。按制造系统模型描述的对象，可分为 物流模型，资源模型及产品模型。
29、物流模型，资源模型及产品模型。从对过程的描述而言，制造系统模型可分为 设计过程模型、生产过程模型、工艺过程模型设计过程模型、生产过程模型、工艺过程模型以及加工过程模型加工过程模型。46制造系统的模型制造系统的模型3 制造系统建模发展制造系统建模发展 工程视图模型，数学模型，如刀具磨损模型，零件设计中的力学模型等。但是严格说不是制造系统意义上的模型。真正意义上的制造系统建模制造系统建模始于70年代。柔性制造系统(FMS)在这期间开始发展起来。对于中小批量生产而言，FMS具有其它加工系统不可比拟的优点。但另一方面它的复杂程度也大为增加。因此关于FMS的计划、调度、控制等问题引起了极大兴趣。由此出现
30、了很多方法并逐渐应用于制造系统建模。47制造系统的模型制造系统的模型排队论排队论：于50年代渐浙发展起来。如著名的Little定律。数学规划数学规划：从70年代末起，数学规划开始用于制造系统建模。如用整数规划解决FMS中的任务分派问题，用动态规划解决FMS运行中的问题。扰动分析法扰动分析法：对DEDS(离散事件动态系统)进行分析。Petri网理论网理论：是Petri在60年代初提出来。它适合于分析非同步并发系统，其用于制造系统建模始于80年代初期。制造系统的计算机模拟制造系统的计算机模拟：现已有商品化的模拟系统可用于模拟制造系统的运行。计算机模拟本质上是一种试验研究方法，模拟模型应能描述系统的组成要素、动态活动、系统输入呈现何种规律等。48The End
