【文章內容簡介】 題， 20 世紀 90 年代中期，國外學者和研究機構提出了可重構制造的概念 [14][15]。 RMS 的基本特征 是可重組 (可組態(tài) )性 ,另外還包括可變性、可集成性、定貨化、模塊化、可診斷性、經(jīng)濟可承受性、敏捷性等。據(jù)此給 RMS 定義如下：可重構制造系統(tǒng)是一種基于現(xiàn)有的、可利用的或可獲得的新加工設備和其它組元，能按市場需求的變化，以重排、重復利用或更新元素的方式，實現(xiàn)以低成本快速 地調整制造過程的功能和生產能力，具有足夠柔性和可適應性的新一代可變制造系統(tǒng)。 可重構制造系統(tǒng)可定義為：能適應市場需求的產品的變化，按系統(tǒng)規(guī)劃的要求，以重排、重復利用、革新組元或子系統(tǒng)的方式，快速調整制造過程、制造功能和制造生產能力的一類新型可變制造 系統(tǒng)。 從上述資料給出的可重構制造系統(tǒng)的定義可以看出，目前人們對可重構制造系統(tǒng)的認識有一定的統(tǒng)一之處，強調的基本依據(jù)和方式一致。 可重構制造系統(tǒng)代表了自動化制造系統(tǒng)的發(fā)展方向，是 21 世紀制造業(yè)的核心技術之一。 可重構制造系統(tǒng)的特點 盡管對于什么是可重構制造系統(tǒng)，說法不一，但它應體現(xiàn)出以下幾方面的特點： （ 1）制造系統(tǒng)的快速構造能力 提出制造系統(tǒng)可重構思想的一個基本依據(jù)是期望制造系統(tǒng)能夠具有對激烈變化的市場需求做出及時準確的響應，因此要求制造系統(tǒng)本身的構造能夠在短時期內完成。如果一個制造系統(tǒng) 可以被快速地構造出來，產品上市時間必將大大地縮短，企業(yè)也能夠獲得更大的市場競爭能力。相反，如果一個制造系統(tǒng)不能被迅速地建立起來，那么當該制造系統(tǒng)具備生產能力時，它所生產的產品也許已經(jīng)無法獲取合適的利潤價值，甚至該產品會被市場所淘汰。 （ 2）制造系統(tǒng)的模塊化 由于加工機器設備正在變得愈來愈貴重，其投資決策也愈來愈難。因此，模塊化可重構的硬件插件兼容式技術必然會降低制造系統(tǒng)的投資成本，提高柔性，縮短生產準備周期。采用模塊化部件構造機器設備，以便按生產要求的變化可以通過重構使用這些模塊化部件使生產系統(tǒng)升級、機器重 新配置，而不必重新制造和購買機器。例如，將加工中心設計成標準模塊 —— 工作臺、電機、控制器、換刀裝置等多種模塊化兼容性部件。采用這種設計方法的直接結果是節(jié)約制造資源與生產成本，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。當生產任務改變時，首先立足于現(xiàn)有資源，通過優(yōu)化配置現(xiàn)有的各種資源模塊來解決不確定性問題。當現(xiàn)有加工設備無法滿足生產需要時，則采購、定制新模塊，升級、擴充舊有的資源模塊，快速地集成各種生產模塊來獲取新的生產能力。 （ 3）統(tǒng)一的集成環(huán)境 隨著生產系統(tǒng)規(guī)模越來越大，不同部件間的耦合也越來越緊密，對整體管理系統(tǒng)的方法 學需求也越來越明顯。目前的部件控制方法是單獨處理每一個單元，然后用一些并不妥當?shù)姆椒▽⑺械膯卧o緊地聯(lián)系在一起，使之成為一體。這樣做的結果必然是設計、運行和集成導致了一個龐大的軟件控制系統(tǒng)，而且該控制系統(tǒng)在資源消耗和時間響應方面具有很大的不可預見性。目前的設計方法是將系統(tǒng)集成當作一次性的工作，而不是按任務的變化不斷改變的集成過程 [22]。因此 ,它一旦建成則很難對其進行必要的修改與擴充。為適應激烈變化的市場需求有必要建立一個統(tǒng)一的系統(tǒng)集成環(huán)境。系統(tǒng)的控制被設計成與每個元素無關，每個模塊都避免受到其它模塊的影 響，而系統(tǒng)的總體則是協(xié)同一致的。 可重構制造系統(tǒng)的研究內容 為實現(xiàn)制造系統(tǒng)按照市場導向快速地重構這一目標需要進行大量的工作。特別需要對一些關鍵的使能技術與方法進行深入的研究與探討。這些關鍵技術的發(fā)展與成熟一方面將有助于可重構制造系統(tǒng)的實施，同時也有利于帶動其他相關學科的發(fā)展。下面，從四個方面進行說明。 系統(tǒng)設計與集成 現(xiàn)代制造是一種社會化的生產與營銷活動。在這種制造活動中 ,不可避免地需要解決系統(tǒng)的集成與分散之間的關系。所謂集成就是對制造各種要素進行組合或綜合的過程。利用集成的手段 可以統(tǒng)籌與協(xié)調各種制造信息、各種制造資源、各種制造技術與各種制造功能模塊。在本質上，集成體現(xiàn)了社會化協(xié)作，而分散或分解則體現(xiàn)了社會化的另一方面 —— 分工與專業(yè)化。它包括分布式制造、單元制造、各種軟硬件模塊化與標準化。顯然，無論集成與分散都是一種手段而不是目的。正確的做法應該是根據(jù)企業(yè)的實際情況，在其經(jīng)濟可承受性與技術支撐可能性的約束下，應用集成與分散手段，促進企業(yè)提高產品與服務的質量和生產效率，降低成本，增強企業(yè)整體對市場需求的靈活快速反應能力，以良好的競爭力奪取市場。 在制造系統(tǒng)中，集成的功能主要通過系 統(tǒng)層實現(xiàn)。制造系統(tǒng)的系統(tǒng)層主要解決如何依據(jù)生產任務優(yōu)化配置制造資源，并保證各種制造信息在各子系統(tǒng)之間無縫流動并完成物料流的準確調度。它的任務主要包括：制造資源的布局設計并確定運輸路徑，依據(jù)加工零件的交貨期制定生產計劃，依據(jù)加工過程中 的各種信息進行作業(yè)調度與負荷平衡等多項內容。對于一個可重構的制造系統(tǒng)而言，更為重要的是系統(tǒng)層能夠依據(jù)不同的任務需求對制造系統(tǒng)的各個可重構的模塊進行配置并對配置的結果進行評估。由于評價系統(tǒng)配置結果需要考慮產品質量、生產成本、交貨時間等多種因素，因此對這些評價指標模型的深入研究具有重要的意義。與此問題相關的一個問題是如何評價系統(tǒng)配置的變化對諸如系統(tǒng)生產率、系統(tǒng)可靠性等制造系統(tǒng)特征的影響，如果這一問題得到有效解決必將為模塊化的制造系統(tǒng)綜合問題提供理論指導。系統(tǒng)層對配置后的制造系統(tǒng)評估的一個例子是對布局重構的評估。 例如：，美國的 GM 公司為縮短產品上市時間縮短了生產線的長度，有些企業(yè)設備布置變動已經(jīng)成為常事，甚至平均一年變動一次。然而，頻繁的設備布局變化會導致生產成本的增加。最終的結果必然是在二者中尋求平衡 ,為此系統(tǒng)層應該能夠幫助決策者制定合適的策略。 模塊化的可重構軟件 制造系統(tǒng)的應用軟件設計是一項非常復雜的工作。由于制造系統(tǒng)中存在大量的制造資源，多種設備操縱方法，我們需要將這些信息與方法抽象出來并構造在一起使其成為一個可靠的應用程序。面向對象的編程技術是解決這一問題的有效手段。遺憾的是，面向對象的 編程技術并不能解決制造系統(tǒng)中軟件設計的所有問題。制造系統(tǒng)中應用軟件的修改與升級就是其中之一。目前，一個應用程序通常由單個的二進制文件組成。當編譯器生成此應用程序之后，應用程序一般不會發(fā)生變化。這樣，客戶需求的改變必須等到整個應用程序被重新編譯之后才能得到認可。顯然，如果現(xiàn)有的這種情況不發(fā)生改變，客戶的需求將難以得到迅速的響應，這對于制造企業(yè)而言是一個非常嚴峻的問題。可重構的制造系統(tǒng)模塊化的特性要求應用程序在發(fā)行之后不再保持靜止狀態(tài)，它應該隨著時代的發(fā)展與用戶需求的改變不斷地被注入新的活力。可喜的是，通過 COM（組件模型）， DCOM（分布式組件模型）等多項技術正在使現(xiàn)有的這種情況發(fā)生改變。 COM 的解決方案是將單個的應用程序分割成多個獨立的部分，也就是組件(Component)。利用新的組件不斷地取代舊的組件，再將現(xiàn)有的各種組件重新配置實現(xiàn)用戶定制。同時，組件構架最引人注目的優(yōu)點之一是快速應用程序開發(fā)。這一優(yōu)點可以使某個組件庫中取出所需的組件并將其快速地組裝到一起以構造所需的應用程序。同時，由于引入動態(tài)鏈接技術 (DLL)并封裝了組件的內部信息，可以動態(tài)地將各種組件插入與卸出應用程序從而實現(xiàn)應用軟件的優(yōu)化與配 置。借助于計算機網(wǎng)絡，更可將應用程序劃分為位于遠地的各種功能組件，并相應地創(chuàng)建專門與之通訊的組件實現(xiàn)分布式計算。這一點對于制造系統(tǒng)自動化而言有著重要的意義。由于制造系統(tǒng)設計眾多的數(shù)據(jù)信息，如果所有這些信息完全由一臺或幾臺主控計算機進行處理，必然導致計算成本增大，某些實時信息難以得到響應，更為嚴重的是一旦主控計算機出現(xiàn)問題制造系統(tǒng)將面臨全面的混亂。因此，有必要對制造系統(tǒng)中的各種信息進行分布式處理，使得計算量得到相應的平衡。 可重構制造系統(tǒng)的控制與故障診斷 顧客對產品品種與規(guī)格、功能與性能、外 觀與色澤需求量的要求呈多樣化，促使制造企業(yè)減少產品批量，以定單牽引生產。為適應這種多樣化、個性化需求，必然要求制造系統(tǒng)配置一些可完成多種加工任務的機床與機器人。然而遺憾的是目前大多數(shù)工 業(yè)機器人并不具備這種能力。其中的一個重要原因在于工業(yè)機器人的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨立結構進行開發(fā)的，采用專用計算機，專用的機器人語言與專用的操作系統(tǒng)。這種“封閉”的控制器結構使其僅具有特定的功能、適應特定的環(huán)境、不便于進行系統(tǒng)擴展。針對這樣的問題，日本、歐美等一些國家近年來都在開發(fā)有開放式結構的控制器。具有開放式結 構的控制器應具有以下的特點： ① 采用標準的操作系統(tǒng)與總線結構 采用標準的操作系統(tǒng)與控制語言可以改變當前各種專用機器人語言并且互不兼容的局面。利用標準的總線結構使得各種傳感器與硬件控制板的“即插即用”成為可能。 ② 利用網(wǎng)絡通訊，實現(xiàn)資源共享 可重構制造系