多零件族变批量可重构制造系统组态与组态路径设计

论文摘要

可重构制造系统（RMS）是面向多零件变批量设计的既具有定制的柔性又具有高生产率的制造系统。可重构制造系统的组态与组态路径设计是其设计中的核心内容之一。本文结合国家863项目“可重构制造系统技术”（编号：2001AA412160），运用图论、排队论与概率论等数学方法，对不同生产环境下RMS的组态与组态路径设计展开研究。 第一章，阐述了可重构制造系统产生的历史与技术背景，阐明了可重构制造系统设计的研究内容，论述了可重构制造系统设计研究的国内外现状，给出了本论文的研究目标、研究内容与总体结构。 第二章，阐述了面向多零件族变批量的可重构制造系统组态与组态路径设计的基本内容、设计过程、设计方法及相关的理论与算法；给出了可重构制造系统的基本结构与组态间重构方法及重构成本计算等设计条件；阐述了可重构制造系统设计中多零件工序成族的原则、方法与步骤；给出了可重构制造系统组态与组态路径设计中的三大关键技术。最后，给出了与本论文相关的图论、排队论的基本内容、算法与各种建模方法。 第三章，研究了多零件族确定性批量环境下RMS的组态与组态路径设计。首先建立RMS的各生产周期成本模型、重构成本模型与全生产周期成本模型，再构建各生产周期的组态有向图，利用双向扫视算法求得RMs在各生产周期的成本K-优组态。根据各生产周期的零件批量，求出各生产周期的常规生产周期时间长度，分析RMS中各工作站的机床成本冗余，调整常规生产周期，得到多组偏差生产周期。分别求出RMS在各种生产周期下所有生产排序的K-优组态路径。比较这些组态路径，求得一条最优与多条次优组态路径，从而确定RMS加工各生产周期的时间长度、生产顺序及其所用的组态。最后用实例验证了所提出的方法。 第四章，研究了单零件族随机需求环境下RMS的组态与组态路径设计。构建了RMS的排队模型与状态概率转移图，建立了平稳条件下系统的概率转移方程。以系统生产能力与仓储容量为设计参数，给出了RMS利润模型，同时给出了RMS与FMS的性能评价指标并对两种系统的性能作了比较。提出了单零件族随机需求条件下RMS组态与组态路径的设计方法。最后用实例验证了所提出的方法的可行性。 第五章，研究了双零件族随机需求环境下RMS组态与重构策略设计方法。基于概率论、排队论、图论与更新理论的方法，构建了双零件族随机市场需求环境下RMS长期稳态运行时使单位时间内系统平均利润最大化的可重构生产与控制模型，通过优化得到了RMS的最优生产能力与最佳开机数量，从而构建RMS生产各零件族的组态有向图与一个循环周期的组态路径有向图，用双向扫视算法求得生产各零件族的最优组态。提出了双零件族随机需求条件下RMS的组态与重构策略的迭代设计方法，给出了RMS的订单接受率与切换周期等性能指标。最后用实例验证了所提出的方法的可行性。 第六章，结合企业实际情况，开发了RMS组态与组态路径设计的原型系统，给出了系统的基本组成和主要功能模块。对一组实例进行了设计验证工作。 第七章，对本论文的研究工作和成果进行总结，并对本研究领域的今后工作做了进一步的展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 制造系统的发展与演变
• 1.3 可重构制造系统的产生及其意义
• 1.4 可重构制造系统的特征与结构
• 1.5 可重构制造系统设计的研究内容
• 1.5.1 RMS系统级设计
• 1.5.2 机床级设计
• 1.5.3 斜升时间与系统故障诊断
• 1.6 可重构制造系统研究进展
• 1.6.1 国外研究进展
• 1.6.2 国内研究进展
• 1.6.3 可重构制造模式的实践
• 1.7 论文研究目标、研究内容及总体结构
• 1.7.1 研究目标与研究内容
• 1.7.2 论文总体结构
• 1.8 本章小结
• 第二章 RMS组态与组态路径设计方法
• 2.1 引言
• 2.2 基本概念与设计条件
• 2.2.1 基本概念
• 2.2.2 设计条件
• 2.2.2.1 RMS中使用的机床
• 2.2.2.2 布局结构
• 2.2.2.3 零件族工艺分析
• 2.3 RMS组态与组态路径设计的框架与流程
• 2.4 市场需求分析
• 2.5 RMS组态与组态路径设计中几个关键技术
• 2.5.1 组态与组态路径设计建模
• 2.5.1.1 多零件族确定性需求下组态与组态路径设计建模
• 2.5.1.2 随机性需求下组态与组态路径设计建模
• 2.5.2 重构过程与成本建模
• 2.5.2.1 重构规则
• 2.5.2.2 重构成本测度模型
• 2.5.3 组态与组态路径设计的优化设计
• 2.6 数学基础
• 2.6.1 图论及相应算法
• 2.6.1 排队论
• 2.7 本章小结
• 第三章 确定性市场需求环境下RMS组态与组态路径设计
• 3.1 引言
• 3.2 组态与组态路径设计的过程与方法
• 3.3 可重构制造系统成本建模
• 3.3.1 RMS生产周期成本建模
• 3.3.2 RMS重构成本建模
• 3.3.3 RMS全生产周期的成本模型
• 3.4 RMS K-优成本组态的求解
• 3.4.1 RMS生产周期最优成本组态的求解
• 3.4.2 RMS生产周期K-优成本组态的求解
• 3.5 RMS全生产周期K-优组态路径的求解
• 3.6 生产周期时间长度与顺序可调整时K-优组态路径设计
• 3.6.1 各常规生产周期的决定
• 3.6.2 偏差生产周期的生成
• 3.6.3 RMS全生产周期最优组态路径的生成
• 3.7 实例研究
• 3.8 本章小结
• 第四章 单零件族随机市场需求环境下RMS组态设计方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 市场需求模型与RMS生产模型
• 4.2.1 市场需求模型
• 4.2.2 RMS生产模型
• 4.3 RMS与FMS的排队模型及利润模型
• 4.3.1 RMS的排队模型及利润模型
• 4.3.1.1 排队模型
• 4.3.1.2 利润模型
• 4.3.2 FMS的排队模型及利润模型
• 4.4 RMS与FMS的组态与组态路径设计
• 4.4.1 RMS的组态与组态路径设计
• 4.4.2 FMS的组态设计
• 4.5 RMS与FMS性能评价
• 4.6 实例研究
• 4.7 本章小结
• 第五章 双零件族随机市场需求环境下RMS的生产能力与组态设计
• 5.1 引言
• 5.2 RMS生产与需求条件
• 5.3 RMS生产模型
• 5.4 RMS利润模型及其优化
• 5.4.1 RMS利润模型
• 5.4.2 RMS的重构成本
• 5.5 数值计算方法及优化过程
• 5.5.1 数值计算方法
• 5.5.1 优化过程
• 5.6 RMS的性能及测度
• 5.7 实例研究
• 5.8 结论
• 第六章 RMS组态与组态路径设计软件原型系统及其应用
• 6.1 引言
• 6.2 软件原型系统开发
• 6.2.1 VB6.0简介
• 6.2.2 主要功能与模块
• 6.3 实例分析
• 6.3.1 确定性需求环境下RMS组态与组态路径的设计
• 6.3.2 单零件族随机需求环境下RMS组态与组态路径的设计
• 6.3.3 双零件族随机需求环境下RMS组态与组态路径的设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 未来展望
• 附录
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 致谢