1、现代制造系统,第5章 柔性与可重构制造系统（2） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,回顾上一节： 刚性制造系统（dedicated manufacturing system，DMS） 产品种类和工艺路线单一， 生产效率高，成本低， 但缺少柔性，市场需求变法时重构成本高。 柔性制造系统（flexible manufacturing system，FMS） 设备具有复合加工能力， 不需重构就能同时处理多种不同类型的产品， 通过高技术保持高生产效率， 技术要求高，实现成本较高。,第5章 柔性与可重构制造系统 5.1 柔性制造系统 5.2 可重构制造系统 5.3 大规模定制 5.4 其它相关理论与
2、方法,5.2 可重构制造系统,刚性制造系统：成本低，但缺乏柔性； 柔性制造系统：有柔性，但成本高。 有没有折中的方案？ 新发展：可重构制造系统（reconfigurable manufacturing system，RMS）： 一个重构周期内是刚性制造系统， 通过定期重构实现柔性生产能力。 兼顾前面两者的优点，因平衡而优胜。 成本：FMS RMS DMS； 柔性：FMS RMS DMS。,可重构制造系统的发展历程： 可重构制造系统的思想源于产品的模块化设计； 1916年，汽车发动机的元件中出现了模块元件； 1977年，日本在开发FMS时引入“模块结构”概念； 1991年，福特公司提出了模块化轿
3、车的概念； 但都没有形成完整的理论体系。 直到1996年，美国密执安（Michigan）大学工程研究中心（ERC）在美国国家科学基金（NSF）和25家公司的资助下开展有关可重构制造系统的研究。,可重构制造系统的发展历程： 1997年，密执安大学的Y. Koren和U. Heisel等人首次正式提出可重构制造系统的概念。 1998年，美国国家研究委员会（NRC）将可重构制造系统列入2020年制造挑战的设想中的10大关键技术，而且位列10大关键技术之首。 同时期，可重构制造系统进入美国在下一代制造理论和应用开发研究计划中，由政府和企业出资3080万美元开展了五年期的的研究开发，目标是开发和建造一种
4、由可重构制造系统构成的可进化工厂。,可重构制造系统的发展历程： 1997年起，我国在国家自然科学基金和863计划基金资助下，将可重构制造系统的理论及方法进行了研究，取得了一定研究成果。例如： 清华大学与北京机床研究所合作研究了快速可重构制造系统的科学原理和建模； 中科院沈阳自动化所研究了重构理论与方法； 华中科技大学研究了可 重构制造系统资源； 南京航空航天大学研究了可重构制造机床； 等等。,可重构制造系统的基本概念： 重构周期（reconfigure cycle）： 柔性制造系统随时可调整，可重构制造系统一段时间重构一次。重构的间隔时间称为重构周期。 构型（configuration）： 可
5、重构制造系统在一个重构周期内稳定保持一套生产配置方案，称为系统的一个构型。 斜升时间（rump-up time）： 由于重构会影响生产，可重构制造系统重构后总是需要一段时间回复到最佳状态。斜升时间指可重构制造系统运行开始后达到规划或设计规定的效率、质量、成本的过渡时间。,可重构制造系统的应用层次： 可重构制造系统的定义尚未统一，因此所指范围较广，主要包括 （1）单元级RMS：主要研究可重构产品，如可重构机床、可重构机器人等； （2）车间级RMS：主要研究逻辑重构方法，类似于成组技术，也称为快速重组制造； （3）企业级RMS：研究网络化的企业组织结构、分形企业、业务流程重组等； （4）跨企业RM
6、S：研究企业动态联盟、敏捷制造系统等。,（1）单元级可重构制造系统 主要研究可重构加工、装配、搬运和装夹设备。,概念区分 可重构机床与模块化机床（组合机床）： 可重构机床 要求重构后的机床功能无冗余性， 目前尚无严格意义上的可重构机床。 模块化机床（组合机床） 由通用部件+专用部件组成， 出厂时按用户需求配置专用部件，出厂后用户可以自行改装专用部件，但机床的重构设计上有冗余性。 模块化机床经常被工业界当做可重构机床，但学术界并不承认。可重构机床是模块化机床概念的进一步扩展。,概念辨析重构的冗余性： 无冗余性：参考“变形金刚”，变形后没有配件被扔下，所有配件都被用于新形态。 有冗余性：参考多头改
7、锥，总有锥头被闲置。,模块化机床设计方案举例：,概念区分可重构机床与加工中心： 加工中心 快速、自动地完成功能切换， 同时具有多种功能，几乎没有重构成本， 但机床自身价格较高。 可重构机床 通常需要人工拆装，更换部件才能完成功能改变，需要停产，因此有一定的重构成本， 但机床自身价格较低。,概念区分可重构机床与可移动机床： 可移动机床 指机床底座通过特殊设计方便拆离与固定， 因此支持车间级的重构活动。 机床本身未必具备可重构加工能力。 可重构机床 主要指机床的加工能力具备可重构性。 例如：某机床这个月当车床使， 经过月底一天重装，下个月当铣床使。,普通机床的底部固定： 为了减少振动，提供加工精度
8、， 机床通常是利用螺栓固定在地面上， 也有固定在一大块钢板上， 甚至用水泥将机床底部与地面粘结在一起。 可移动机床的底部固定： 利用特殊装置，方便拆卸，甚至可以直接移动。,除了可重构机床外，可重构产品的涉及范围很广。,其实最基本的重构设计思想已经大量出现于现有产品中，例如很多产品具有两种形态：一种用于使用，一种用于运输或存储。 还有些产品可调整使用时的形态， 参考视频：“变形沙发“。,在可重构产品中，可重构机器人是当前研究的一个热点可重构机器人： 由许多自身带控制电机的立方体块组成的，在计算机控制下可快速重组成一种新的机器。,下图示意 可重构机器人的爬行过程。,下图示意 可重构机器人的爬楼梯过
9、程。,日本研制的可重构机器人原型机：,目前可重构机器人的研究还处于初级阶段， 仅能让带有电机的可重构单元进行简单的组合。 参考视频：“可重构机器人“。 但人类的未来构型是无止境的，在一些科幻电影里，可重构机器人可完成多种任务，甚至是纳米级的武器。 参考视频：“可重构机器人-变形金刚“ ； 参考视频：“可重构机器人-特种部队“ 。,（2）车间级可重构制造系统 以逻辑重构为主，不一定要有可重构机床， 主要在逻辑上重新分配各个机床的任务。 被调整的机床有复合加工能力，为组合机床， 例如：某种铣镗组合机床，只具备两种功能， 没有加工中心功能全面，并且不能自动换刀。 广义上，车间级重构 也包含增、减或更
10、换设备以及车间重新布局等物理重构手段。,广义上，车间级可重构制造系统的重构方式包括： 逻辑重构 重新制定任务分配规则； 重新设计工艺路线； 物理重构 设备重构 可重构机床重构或组合机床更换专用模块； 车间重新布局； 增、减或更换设备。,概念区分逻辑重构与柔性调度： 可重构制造系统的逻辑重构， 通常具有固定的重构周期（例如1个月或1个季度），属于中长期决策问题。在同一重构周期内，任务分配规则和工艺路线是固定的。因此，管理与控制难度相对较低。 柔性制造系统的柔性调度， 任务分配和工艺路线在一定范围内，可以根据设备负荷任意改变，属于短期决策问题。 没有重构周期的限制，经常是实时（几秒或几分钟内）决策
11、问题，管理与控制难度较高。,车间级的可重构制造系统的重构设计： 例题1，某工段为某种制冷机生产一种零件（简记作A零件），同时也为某种电暖气生产另一种零件（简记作B零件）。由于产品销售有季节性，两种零件的需求量也随季节变化，根据预测，如下：,例题1，续： 两种零件生产获得的单件净利润分别为 A零件300元，B零件200元。 两种零件都需要车加工和铣加工，单件所需工时如下 A零件车加工0.1小时，铣加工0.5小时； B零件车加工0.4小时，铣加工0.2小时。,例题1，续： 某种组合机床，能够通过更换专用模块当作车床使用或当作铣床使用；该工段有5台这种设备，用于上述两种零件的车、铣加工。 每台设备每
12、季度的生产能力近似当作500小时。 问题1：为了追求利润最大化，在各个季度，该机床应该分别有几台当作车床使用，几台当作铣床使用？,例题1，问题1，分析春季： A零件车加工负荷0.13000=300小时， A零件铣加工负荷0.53000=1500小时， B零件车加工负荷0.42000=800小时， B零件铣加工负荷0.22000=400小时。 由于A零件单件盈利较多，所以优先满足零件A生产，5台设备先分配1台为车床，3台为铣床。再考虑B零件生产，最后1台为铣床才能多生产B零件。 所以最终方案：1台车床，4台铣床，利润100万元。,例题1，问题1，分析夏季： A零件车加工负荷0.14000=400
13、小时， A零件铣加工负荷0.54000=2000小时， B零件车加工负荷0.41000=400小时， B零件铣加工负荷0.21000=200小时。 由于A零件单件盈利较多，所以优先满足零件A生产，5台设备分配1台为车床，4台为铣床。设备已全部分配，B零件无能力生产。 所以最终方案：1台车床，4台铣床，利润120万元。 由于和春季方案相同，所以本季度无重构。,例题1，问题1，分析秋季： A零件车加工负荷0.12000=200小时， A零件铣加工负荷0.52000=1000小时， B零件车加工负荷0.42000=800小时， B零件铣加工负荷0.22000=400小时， 由于A零件单件盈利较多，所
14、以优先满足零件A生产，5台设备先分配1台为车床，2台为铣床。再考虑B零件生产，剩下设备分配为车、铣床各1台。 所以最终方案：2台车床，3台铣床，利润100万元。 与夏季方案对比，有1台机床需重构。,例题1，问题1，分析冬季： A零件车加工负荷0.11000=100小时， A零件铣加工负荷0.51000=500小时， B零件车加工负荷0.45000=2000小时， B零件铣加工负荷0.25000=1000小时。 由于A零件单件盈利较多，所以优先满足零件A生产，5台设备先分配1台为车床，1台为铣床。再考虑B零件生产，剩下的设备分配为2台车床和1台铣床。 所以最终方案：3台车床，2台铣床，利润80万
15、元。 与秋季方案对比，有1台机床需重构。,例题1，问题2：假如该工段没有可重构设备，而是通过卖出旧设备，购进新设备的方式实现广义上的重构，假设更换一次设备耗资20万，那各个季度是否需要换设备吗？ 分析： 春至夏无需更换； 夏至秋保持原方案利润75万元，更换后利润100万元，所以值得更换； 秋至冬保持原方案利润75万元，更换后利润80万元，所以不值得更换； 冬至春需要新的预测数据，暂不考虑。,例题1，问题3：假如该工段没有可重构设备，而是通过租用加工中心（柔性设备）同时实现车和铣加工，代替卖出和购买设备方式重构；计算相关成本和租金，每台加工中心每季度而外耗资3万元；是否值得租用加工中心，应租几台
16、？ 分析： 柔性设备虽然有租用成本，但无重构成本，每季度中能力分配更均衡，实际收益仍得综合计算。,例题1，问题3，分析春季： A零件总负荷（0.1+0.5）3000=1800小时， B零件总负荷（0.2+0.4）2000=1200小时， 5台柔性设备总能力2500小时， 所以可完成A零件3000个，B零件1166个。 利润1133200元，刨去额外租金15万元， 最终利润983200元，低于使用可重构设备。 其余季节以此类推，课件略。 也可考虑柔性设备、可重构设备和普通刚性设备混合使用，则问题变得更复杂。,（3）企业级可重构制造系统 企业级可重构制造系统属于管理学范畴， 主要指企业在组织结构建
17、设方面要模块化，具备灵活性，方便重构，以应对市场的快速变化。 相关理论： 网络化的企业组织结构； 企业业务流程重组。 参考管理信息系统课程。,传统的组织结构,网络化的组织结构,扁平型的组织结构,网络化的企业组织结构,业务流程重组 （business process reengineering，BPR） 既然有先进的企业组织结构，传统企业应如何改革？ 相关工作称为：业务流程重组。,岗位1,岗位2,岗位3,岗位4,BPR经典案例： 北美福特汽车公司 采购与应付帐款业务处理业务 应用ERP系统的启示。 2/3的汽车部件从外部供应商采购， 部门员工总数500多人，工作效率低下， 计划裁员20%，最后不
18、超过400人。,业务流程重组前：,业务流程重组后：,（4）跨企业可重构制造系统 回顾跨企业制造系统的两种形式： 集团公司、企业联盟。 合作方式松散、动态的是： 企业联盟。 可重构制造系统注重柔性， 因此跨企业的可重构制造系统以研究企业联盟，并提高企业联盟的柔性为主， 称为“企业动态联盟”。,企业动态联盟 （dynamic alliance of enterprises）： 也称为动态组织联盟 或虚拟企业（virtual organization）。,企业动态联盟的定义： 指当市场出现新机遇时，具有不同资源与优势的企业为了共同开拓市场，共同对付其他的竞争者而组织的、建立在信息网络基础上的共享技术
19、与信息，分担费用，联合开发的、互利的企业联盟体。 企业动态联盟的相关概念： 业务流程外包（business process outsourcing, BPO）、 第三方物流（third-party logistics，TPL或3PL）、 原厂设备制造（original equipment manufacturer，OEM）。,业务流程外包： 一部分职能部门的全部功能（比如事务处理、政策服务、索赔管理、人力资源、财务）都转移给供应商。外包供应商根据服务协议在自己的系统中对这些职能进行管理。 常见形式： 劳务外包， 物流外包， 销售外包 ， 制造外包。,案例当当网的第三方物流： 当当与国内104家
20、“第三方物流企业”建立了合作关系，使当当在上市前仅融资4000万美元，但面对国内“碎片”的物流行业，可能会出现物流品质失控的风险。,公司本身不卖衣服，而是由分散全国的1200多家加盟店销售,案例美特斯邦威的原厂设备制造：,全部由国内200多家服装厂OEM（代加工）。,企业动态联盟的特点 尽管企业动态联盟目前仍缺乏统一的定义，但学术界普遍认为企业动态联盟应具有以下特点： 在技术角度上，企业动态联盟应用网络技术连接成员企业，构成一个无固定实体的组织。 在合作角度上，企业动态联盟应具有特定的合作目标，成员企业能够相互利用参与各方的资源。 在组织结构角度上，企业动态联盟的组织应该是可重用、可重构、可扩
21、充的动态组织形态。,企业动态联盟的研究重点： 目前研究重点主要在企业动态联盟的管理机制上，主要有 目标机制， 包括股权结构、董事会制度、监事会制度以及市场化激励机制等； 信任机制， 包括信誉机制与合同机制等； 群体协商机制， 包括成员企业内部的管理方法、网络信息技术以及联盟政策稳定性等。 上述部分研究内容涉及到法律和政治领域。,总结可重构制造系统： 狭义上的可重构制造系统特指单元级制造系统， 主要目的在于研究出一种柔性和成本都介于刚性与柔性制造系统之间的新系统， 找到柔性与成本之间的平衡，因平衡而优胜。 广义上的可重构制造系统还覆盖车间级、企业级和跨企业级制造系统， 强调“可重构”，即组织结构
22、便于重构， 重构是用来与推翻重建对比，重构比重建更注重利用原有资源，因此成本更低。,补充概念软件重构（其它领域的重构）： 也称作代码重构（refactoring），指在不改变软件的功能和外部可见性的情况下，改善软件的结构，为了提高软件的 清晰性（规范代码，增加注释）、 可扩展性（例如将常量改成变量）、 可重用性（例如将重复代码封装成函数） 而对软件进行的改造。 简而言之，重构就是改进已经写好的软件程序， 属于计算机学科软件工程（software engineering）领域的研究范畴。,课程要求（5.2）,知道可重构制造系统（RMS）的概念， 知道其与DMS、FMS在柔性、成本方面的优劣。 知道RMS中的基本概念:重构周期、构型、斜升时间。 简单了解RMS在各层制造系统上的主要研究内容， 知道车间级重构的主要方式（5点）， 简单了解车间重构优化问题（本节例题1）。 理解可重构机床与模块化机床（组合机床）、加工中心和可移动机床的主要区别。 简单了解网络化的企业组织结构、业务流程重组、企业动态联盟、业务流程外包、第三方物流、原厂设备制造这些概念。,
