可重构制造加工工艺设计

　　在当今全球制造业的大环境中，生产加工的变化是不可避免的，无论是关于技术变化、产品变化，还是制造过程的变化，这是每个企业必须面临的问题之一【1】。客户的需求越来越多样化，产品定制化的需求不断增加，快速生产出新产品的压力也越来越大【2】。最近的一项研究表明，在 1997 年到 2012 年期间，向客户提供的产品种类增加了一倍多，且产品生命周期缩短了大约 25％【3】。因此，为了保持在全球市场上的竞争力，企业需要找到有效的解决方案来处理现有问题，快速的适应加工生产定制以及频繁引入新产品。

　　传统的制造系统，如刚性制造系统和柔性制造系统，虽然能满足这些方面存在的重大问题，但是它们不能以合理的成本来满足市场的需求【4】。在许多情况下，针对生产单一产品进行优化的专用生产线被证明不能满足现有的情形，因为在产品种类多样化，且缩短了产品生产周期，其刚性结构根本无法满足需求的变化【5】，这可能导致专用机床在满负荷下运行并且快速地响应现在的需求已经过时了【6】；而柔性制造系统虽然有在不同类型产品生产之间转换的能力，但在其生产加工的过程中，过度灵活性带来了低生产率和高投资低回报的问题【7-8】，如图 1-1 所示。由于这些原因，上世纪 90 年代提出了可重构制造系统（Reconfigurable Manufacturing System，RMS）的概念，结合了传统专用生产线的高产量和柔性制造系统的灵活性【5】。而构成可重构制造系统的基础是可重构机床。可重构机床是根据被加工零件的工艺方案重构而成，被加工零件的工艺方案将直接影响可重构机床的结构布局与整机性能。本文从可重构机床的结构特点出发，研究被加工零件群工艺方案的快速设计方法。

　　RMS 的设计宗旨是通过以高效、经济的方式来反复改变结构和功能的能力，以满足不同需求情况下的产品变化以及产品特性【9】。这通过六个核心特征来实现：定制化，可转换性，可扩展性，模块化，可集成性和可诊断性。定制是指机器和系统的灵活性被限制和定制到特定的部件或产品系列以达到高效率和灵活性【4】【8】。可转换性和可扩展性是指通过模块化和可集成性来实现对系统以及机床结构和功能的修改。最后一个特点，可诊断性是指能够读取系统的状态，并获得必须进行修正以达到计划性能的信息，这在每个后期加速阶段尤其重要。有了这些特点，RMS 就能适应市场变化的条件，并且具有成本复用的效益和延长寿命，这就是为什么它被广泛地标记为未来的制造模式的原因【10-11】。20 世纪 90 年代中期由美国密西根大学（University of Michigan）引入了具有专用串行线路和灵活制造系统优势的可重构制造系统（RMS），以解决全球化带来的挑战。RMS的主要目标是提高制造系统对批量的产品快速转换的响应能力【12】。

　　1994~1999 年期间，美国密西根大学建立了可重构制造系统工程研究中心（ERC/RMS），并获得了国家科学基金（The National Science Foundation）与工业界 3080万美元的支持，用于研究“重构方式对制造系统性能的影响”，“缩短可重构制造系统的设计制造周期”等课题，并与企业进行了合作，将研究得到的成果应用于加工生产的过程中【5】。1998 年美国国家研究委员会发表了一份“2020 年制造业面临的挑战”的研究报告。

　　在该研究报告中，专家确定了未来 20 年制造业即将面临的六大挑战和必须优先解决的 10项关键技术，RMS 被列为 10 大关键技术之首【13】。2001 年 5 月在美国密西根大学召开了第一届可重构制造系统国际会议，主要围绕了制造策略、系统建模与分析、可重构机床的设计思想以及可重构系统的监控与控制等方面做了进一步研究【14】。

　　2003 年 8 月在第二届会议中主要围绕了系统设计、控制，可重构机床的样机设计、生产成本以及风险关系、可重构设备的装配与重构做深入研究讨论【15】。2005 年 5 月在第三届会议中主要围绕了可重构制造系统的故障诊断及检测、控制系统、可重构机床在生产加工过程中的应用做了可行性分析【16】。

　　1998 年由北京机床研究所和清华大学在国家自然科学基金项目“快速重构制造系统理论与方法研究”【17】【18】的资助下，研究了可重构制造系统重构基础、设计理论等。而且可重构制造系统也被国家自然科学基金列入“十五”计划【19】。

　　2002 年在国家重大基础科学研究 973 计划的资助下，中国科学院自动化研究所开展了“生产制造系统重构过程的实时协调控制理论与方法研究”【20】，主要研究可重构制造系统的智能制造单元的建模理论以及优化方法和可重构制造系统的多自主协调以及控制理论与方法。

　　齐继阳等人【21】先对制造系统的发展历程进行了阐述，分析了专用制造系统、柔性制造系统和可重构制造系统的发展历程以及专用制造系统、柔性制造系统在目前的制造业大环境中存在的优缺点以及可重构制造系统产生的必然性, 接着阐明了可重构制造系统的可变性、模块化、集成性、可诊断性等特点, 从设施层讲述了机床功能模块划分的合理性、模块之间机械界面的标准化、研究机床可移动性和基于软构件的设备层控制系统等重要技术, 从系统层论述了可重构制造系统的建模、制造系统可重构布局研究、车间层控制结构的研究、为缩短斜升时间的故障诊断和过程监控等重要技术, 最终对可重构制造系统的发展进行了展望。三大制造系统的发展历程。

　　可重构制造加工工艺设计：

零件 1 外观图

零件 2 外观图

零件加工信息数据

加工信息输入界面

加工信息导入界面

加工信息数据库

验证加工信息图

目录

　　1 绪论
　　　　1.1 研究背景及意义
　　　　1.2 可重构制造系统国内外研究现状
　　　　1.3 可重构机床及其研究现状
　　　　1.4 可重构制造工艺研究
　　　　1.5 本文主要研究内容
　　2 可重构制造工艺方案设计方法
　　　　2.1 基于工序单元的可重构制造工艺方案总体设计思路
　　　　2.2 零件加工信息的处理方法
　　　　2.3 工序单元确定方法
　　　　　　2.3.1 自然工序单元生成方法
　　　　　　2.3.2 工序单元生成方法
　　　　2.4 工序段生成方法
　　　　2.5 可重构制造工艺方案设计
　　　　　　2.5.1 工艺方案生成方法
　　　　　　2.5.2 可重构制造工艺方案选择
　　　　2.6 本章小结
　　3 多轴箱条件基础数据处理
　　　　3.1 多轴箱进给速度的确定
　　　　　　3.1.1 钻孔进给速度区间确定
　　　　　　3.1.2 扩孔进给速度区间确定
　　　　　　3.1.3 铰孔进给速度区间确定
　　　　　　3.1.4 镗孔进给速度区间确定
　　　　　　3.1.5 攻螺纹进给速度区间确定
　　　　3.2 多轴箱最小主轴孔径确定方法
　　　　　　3.2.1 钻孔多轴箱最小主轴孔径确定
　　　　　　3.2.2 扩孔多轴箱最小主轴孔径确定
　　　　　　3.2.3 铰孔多轴箱最小主轴孔径确定
　　　　　　3.2.4 镗孔多轴箱最小主轴孔径确定
　　　　　　3.2.5 攻螺纹多轴箱最小主轴孔径确定
　　　　3.3 多轴箱主轴孔系最小间距确定
　　　　3.4 本章小结
　　4 可重构制造工艺方案设计原型软件系统开发
　　　　4.1 编程软件简介
　　　　4.2 零件加工信息的计算机处理
　　　　4.3 工序单元计算机处理方法
　　　　　　4.3.1 自然工序单元的计算机自动确定
　　　　　　4.3.2 工序单元的自动确定
　　　　4.4 工序段方案的自动确定
　　　　4.5 工艺方案的自动确定
　　　　4.6 工艺方案的自动选择
　　　　4.7 本章小结
　　5 可重构制造工艺方案应用
　　　　5.1 功能模块群设置
　　　　5.2 基于可重构制造工艺方案的 RMT 重构方法
　　　　5.3 本章小结
　　6 总结与展望
　　　　6.1 全文总结
　　　　6.2 研究展望
　　致谢
　　参考文献

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