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1、第八章 新一代制造系统快速可重构制造系统,第一节 可重构性与快速可重构制造系统设计基础 第二节 制造系统的过程效应和系统的寿命期 第三节 RRMS系统的规划 第四节 RRMS系统的设计,第一节 可重构性与快速可重构制造系统设计基础,一、可重构性(Reconfigurability) 二、设计、科学公理与设计过程 三、设计问题、设计域与设计矩阵 四、现有公理设计的理论体系 五、发明问题求解理论的基础,一、可重构性(Reconfigurability),1.可重构性产生的背景 2.可重构性的定义 3.可重构性的科学基础：拓扑相似性,1.可重构性产生的背景,可重构性和可快速重构系统/产品的设计已经成
2、为当代制造科学研究的热点与前沿。可重构性是一种广义的相似性。在过去半个多世纪，有过两种不同的相似性方法：其一是设计相似性(Design Similarities)，其二是工艺相似性。在20世纪3040年代根据设计相似性已经开发出基于设计的分类编码系统，并在某些部门获得成功应用。,1.可重构性产生的背景,图8-1 可重构性产生的背景,2.可重构性的定义,1997年美国依阿华州立大学的G.H.Lee把可重构性定义为，以低的成本和短的周期重组(重构)制造系统的能力。密歇根大学的Y.Koren等人1997和1999年两次修改他们对可重构制造系统(RMS)的定义。Lee与Koren定义的共同点是把可重构
3、性理解为制造系统规划、设计与使用范畴的概念。,3.可重构性的科学基础：拓扑相似性,(1)创立可重构系统的理论框架及其工程设计理论、方法 (2)构建组态与可重构系统的随机过程模型与仿真技术。 (3)建造基于可重构模块单元的规划、设计集成与优化的理论、方法 (4)确立可重构模块系统组态可移动性的理论及其测度。 (5)建立过程效应与可诊断性设计(DFD)理论与全寿命工程设计。 (6)开发可重构系统的运作管理原理等。,图8-2 RRMS的科学基础,二、设计、科学公理与设计过程,1.设计的定义 2.科学公理对科学技术发展的作用 3.设计过程及其相关的概念,1.设计的定义,图8-3 设计域与设计螺旋链(参
4、考Suh,1990改),2.科学公理对科学技术发展的作用,鉴于科学公理对科学技术发展的重大作用，Nam P.Suh及其领导的研究小组认为，设计公理的发现将可能导致设计理论与方法的科学化与设计的创新。他们在20世纪80年代首先形成12条假定的公理，最后归结为两条设计公理独立公理与信息公理。基于这两条公理建立了16条定理与8条推论。经过国内外多项工业项目设计实践的验证，确定了它的正确性。,3.设计过程及其相关的概念,(1)设计过程。 (2)设计过程的阶段。,(1)设计过程,图8-4 设计的循环网络(Wilson,1980),(2)设计过程的阶段,图8-5 系统或产品全寿命设计的阶段,(2)设计过程
5、的阶段,图8-6 系统设计过程中的反馈特性,(2)设计过程的阶段,图8-7 系统与产品设计的各阶段(参考Baxter,1994),三、设计问题、设计域与设计矩阵,1.设计问题 2.设计域 3.设计矩阵,1.设计问题,系统设计要解决的主要问题有：要实现什么?如何实现? 前一个问题指的是，设计的目标是什么?第二个问题是指如何实现设计目标? 设计的目标是通过调查研究与需求分析正确地定义设计的目标，以最优的设计解决方案快速响应顾客的需求、市场“气候”与企业可利用的资源，通过达到TCS目标最终实现TSS的企业/组织目的。,2.设计域,表8-1 四个设计域的基本特征(Suh,2001),2.设计域,图8-
6、8 从功能域到物理域曲折层次分解和层次信息结构示意图 a)曲折层次分解 b)域之间影射的层次信息结构,3.设计矩阵,设计矩阵是指两个相关设计域之间或设计的各个级的子域间元素的关联变换(转换)关系的矩阵形式表达，它们具备矩阵的基本特性且遵循矩阵的运算规则。 设计方程就是利用关联/转换矩阵表达从FRs到DPs与PVs设计变换的矩阵方程。,四、现有公理设计的理论体系,1.相关的概念 2.基本的设计定理 3.交角性R、角相似性S与信息量I 4.基本推论,1.相关的概念,(1)功能要求独立。 (2)耦合设计(Coupled Design)。 (3)退偶设计(Decoupled Design)。 (4)非
7、偶设计(Uncoupled Design)。,(1)功能要求独立,功能要求独立意味着系统各功能要求不相关，或者说它们之间不相互关联，一个功能的变化并不引起另一个功能的变化。保证功能要求独立的设计解可以保证DPs或PVs的任何调整或变化只影响它们惟一对应的FRs而不会影响其他任何一个FRs。,(2)耦合设计(Coupled Design),耦合设计指的是设计方程中的变换矩阵为全矩阵(Full Matrix)，即：既不是对角矩阵也不是三角矩阵，而是一般矩阵/全矩阵。由耦合矩阵决定的FRs与DPs、DPs与PVs间存在相关关系。耦合设计解不满足独立公理要求，应该研究改进的解决方案。,(3)退偶设计(
8、Decoupled Design),设计方程中的变换矩阵为三角矩阵(Diagonal Matrix)。按照三角矩阵规定的顺序展开设计方程时可以保证FRs、DPs、PVs间有规定展开顺序的确定关联关系，即按照三角矩阵规定的顺序改变DPs或PVs可以保证FRs或DPs间有确定的关系。在公理设计中这种设计解是允许的。,(4)非偶设计(Uncoupled Design),设计方程中的变换矩阵是对角矩阵(Triangular Matrix)。在变换矩阵是对角矩阵时，可以按照任意顺序展开设计方程而保证FRs、DPs、PVs间互不相关的各自独立特性。因而，非偶设计解是完全满足独立公理要求的。,2.基本的设计
9、定理,定理一(DPs个数不足引起的耦合) 定理二(耦合设计的退偶) 定理三(冗余设计) 定理四(理想的设计) 定理五(要求新的设计) 定理六(非偶设计的展开路径独立) 定理七(耦合设计解与退偶设计解的展开路径不独立) 定理八(独立与容差),定理九(可制造的设计) 定理十(独立测度的调制性) 定理十一(不变性) 定理十二(信息和) 定理十三(全系统的信息量) 定理十四(与非偶设计相比，耦合设计的信息量) 定理十五(设计与制造的界面) 定理十六(信息量的等式) Suh在2001年又发展了24个定理,3.交角性R、角相似性S与信息量I,为了确定设计解离开最优解的距离，要求量化测定复杂设计解功能的独立
10、性。交角性R和角相似性S就是用来测定设计解独立性的量化参数。对于一个非偶设计的设计解，R与S均等于单位1，当设计解的耦合度增加时，R与S趋于零。,4.基本推论,图8-9 推论17同设计公理的关系(Suh，1990),五、发明问题求解理论的基础,1.TSIP的哲学 2.TSIP的基本特征 3.TSIP的基本理论 4.基本发明方法 5.物理场(S场)的基本概念,1.TSIP的哲学,(1)所有的工程系统服从相同的发展规律。 (2)像社会系统一样，工程系统可以通过忽略冲突而得到发展。 (3)任何一个发明(创新)问题可以表示为新的需求和不再能满足新需求的原型工程系统间的冲突。 (4)为探索冲突问题的解，
11、有必要利用专业工程师尚不知晓的物理或其他科学与工程知识。 (5)对一项重大的发明创造存在着可靠的判据。 (6)在大多数情况下，理论的寿命同机器的发展定律是一致的。,2.TSIP的基本特征,(1)在求解发明问题时，应该解决系统参数间增多的冲突才能满足解的 (2)在仅仅利用本领域的知识很难获得最优解时，应该利用跨领域的知识去探索与解决发明问题求解的困难。,3.TSIP的基本理论,(1)途径与步骤。 (2)方法学。 (3)理论。,(1)途径与步骤,TSIP的基本运算有：“系统的分解”、“系统的集成”和“相似性”，它们相当于数学中的“映射”，“加”、“乘”，“相似”等概念。,(2)方法学,一种方法经常
12、是建立在基本原理与简化基础上的。因此，方法学要求为发明问题的求解过程提供运行指令。例如，头脑风暴法的本质是为发明问题的求解过程提供“生成想法”与“评价”的“运行指令系统”。所以，利用它可以导出一些发明问题的解，但是，由于这种方法没有明确的科学规律支持，无法求解较为复杂发明问题。发明问题求解算法AIPS已经程序化，可供设计人员利用。,(3)理论,1)当有关工程系统及其环境的信息尚处于模糊状态时，TSIP无法支持其求解。 2)现今的TSIP理论还不能从多个可行方案和有缺陷的定义解中选取正确的解。 3)在系统的工程参数间或S场的交互作用发生冲突时，TSIP还无法找到解。 4)TSIP还无法消除人们的
13、心理惯性，因而可能导致发明人对目标的定势，使获得解的过程复杂化。,4.基本发明方法,TSIP总结了40种基本发明创新的方法，即解决技术冲突的基本工具或武器，有兴趣的读者可以参见参考文献49。在方法学的基础上，Altshuller的研究组织开发了发明问题求解算法AIPS，它已经被广泛地应用。 虽然TSIP理论总结的发明方法的有效性已经被许多发明创造的实践证实了，但是随着现代科学技术与工程科学的发展必将开发与总结出更多的发明方法。例如，材料学的复合强化效应、超导、爱因斯坦凝聚态的应用、约束理论(TOC)与基于决策的设计等方法、光子物质聚合方法、过程效应等等。,5.物理场(S场)的基本概念,“物质场
14、”又经常被写成“S场”，其含义是“从物质和场出发(from Substance and Field)”。它是分析与构造最小技术系统的理论和方法。它引入以下三个概念： 物质任何一种物质，不管其复杂程度如何。 场引起物质粒子相互作用的一种物质形式。已经知道有四种场，即：电磁场、引力场、强作用场和弱作用场。在S场理论中认为场是广义的泛指，它还包括空间每个确定的矢量或标量的度量尺度等。 相互作用由物质或现象引起的一般联系形式，它通过场进行交互作用。,第二节 制造系统的过程效应和系统的寿命期,一、可重构制造过程的动态模型 二、制造系统运行过程的时间效应 三、系统与产品的寿命期,一、可重构制造过程的动态模
15、型,1.可重构制造系统的动态结构模型 2.可重构制造过程的动力学模型,一、可重构制造过程的动态模型,图8-10 传统制造过程的描述模型,一、可重构制造过程的动态模型,图8-11 可重构制造过程的描述模型,1.可重构制造系统的动态结构模型,图8-12 可重构制造系统的动态组态结构模型,2.可重构制造过程的动力学模型,(1)当产品的品种或生产批量变化较小时，系统可以通过较少的物理组态重构或微小的调整，使系统在一定时间内达到稳定状态。 (2)当产品的品种或生产批量变化大或者较大时，制造系统可以通过一次或多次重构达到重构设计的要求，它们按照图8-14与图8-15表示的趋势使系统趋于稳定。,2.可重构制
16、造过程的动力学模型,图8-13 传统制造过程的模型,2.可重构制造过程的动力学模型,图8-14 可重构制造过程的动力学模型,2.可重构制造过程的动力学模型,图8-15 系统的状态变化,图8-16 一次重构系统的阶跃响应,图8-17 多次重构系统的阶跃响应,二、制造系统运行过程的时间效应,1.鸟尾效应 2.斜升效应 3.随机效应 4.劣化效应 5.突变效应 6.过程效应对可重构制造系统的影响,二、制造系统运行过程的时间效应,图8-18 制造系统的全过程时间效应,1.鸟尾效应,图8-19 鸟尾效应作用下系统 性能的变化,2.斜升效应,图8-20 系统重构的斜升效应 a)一次重构的斜升效应 b)多次重构的斜升效应,3.随机效应,为了察觉与控制随机效应对制造过程的影响，在20世纪20年代就开始引入了基于统计学的质量控制原理。所以，随机效应是制造过程中多种随机因素对制造系统性能与业绩影响的现象。在制造过程中，随机效应经常会对系统的运行发生影响。,4.劣化效应,图8-21 劣化效应作用下的系统性能变化,5.突变效应,所谓突变效应，是指由于系
