Реконфигурируемая производственная система

Реконфигурируемая производственная система ( RMS ) изначально спроектирована для быстрого изменения ее структуры, а также ее аппаратных и программных компонентов, чтобы быстро корректировать ее производственную мощность и функциональность внутри семейства деталей в ответ на внезапные изменения рынка или внутреннее изменение системы. ^[1]^[2]

С 1996 по 2007 год Йорам Корен получил грант Национального научного фонда в размере 32,5 миллиона долларов. ^[3] разработать научную базу РМС и ее программно-технические средства, которые были внедрены на автомобильных, аэрокосмических и двигателестроительных заводах.

Термин «реконфигурация в производстве», вероятно, был придуман Кусиаком и Ли. ^[4]

RMS, а также один из его компонентов — реконфигурируемый станок (RMT) — были изобретены в 1998 году в Центре инженерных исследований реконфигурируемых производственных систем (ERC/RMS) Инженерного колледжа Мичиганского университета . ^[5]^[6]^[7] Цель RMS резюмируется формулировкой: «Именно необходимая мощность и функциональность, именно тогда, когда это необходимо».

Идеальные реконфигурируемые производственные системы обладают шестью основными характеристиками RMS: модульность, интегрируемость, индивидуальная гибкость, масштабируемость, конвертируемость и диагностируемость. ^[7]^[8] Типичная RMS будет обладать некоторыми из этих характеристик, хотя и не обязательно всеми. Обладая этими характеристиками, RMS увеличивает скорость реагирования производственных систем на непредсказуемые события, такие как внезапные изменения рыночного спроса или неожиданные сбои оборудования. RMS облегчает быстрый запуск производства новой продукции и позволяет корректировать объемы производства, которые могут неожиданно меняться. Идеальная реконфигурируемая система обеспечивает именно ту функциональность и производственную мощность, которые необходимы, и может быть экономически адаптирована именно тогда, когда это необходимо. ^[9] Эти системы спроектированы и работают в соответствии с Йорама Корена принципами RMS .

Компонентами RMS являются станки с ЧПУ, ^[10] реконфигурируемые станки, ^[6]^[8] реконфигурируемые инспекционные машины ^[11] и системы транспортировки материалов (такие как порталы и конвейеры), которые соединяют машины, образуя систему. Различное расположение и конфигурации этих машин будут влиять на производительность системы. ^[12] Набор математических инструментов, которые определяются как научная база RMS , может использоваться для максимизации производительности системы при минимально возможном количестве машин.

Обоснование

Глобализация создала новый ландшафт для промышленности, характеризующийся жесткой конкуренцией, короткими окнами рыночных возможностей и частыми изменениями спроса на продукцию. Это изменение представляет собой как угрозу, так и возможность. Чтобы извлечь выгоду из этой возможности, промышленность должна обладать производственными системами, которые могут производить широкий спектр продуктов внутри семейства продуктов. Этот ассортимент должен отвечать требованиям многих стран и различных культур, а не только одного регионального рынка. Проектирование правильного сочетания продуктов должно сочетаться с техническими возможностями, позволяющими быстро менять ассортимент продуктов и количества, которые могут резко меняться, даже ежемесячно. Реконфигурируемые производственные системы обладают такими возможностями.

Архитектура и работа системы

Системная архитектура типичного RMS показана ниже.

Система состоит из этапов: 10, 20, 30, 40 и т. д. Каждый этап состоит из идентичных станков, например фрезерных станков с ЧПУ или станков РМТ. Система производит один продукт, например, автомобильный блок двигателя или головку блока цилиндров. Изготовленная продукция перемещается по горизонтальному конвейеру. Затем Gantry-10 захватывает изделие и подводит его к одному из ЧПУ-10. Когда ЧПУ-10 завершает обработку, Gantry-10 перемещает его обратно на конвейер. Конвейер подает продукцию на Портал-20, который захватывает продукцию и загружает ее на РМТ-20 и так далее. Инспекционные машины размещаются на нескольких этапах и в конце производственной системы.

RMS определяется как «система, изначально спроектированная для быстрых изменений в своей структуре». На практике эта особенность реализуется путем проектирования открытого пространства с выходом на портал на каждом этапе. Эти помещения позволяют быстро удовлетворить растущий рыночный спрос за счет добавления машин в эти пространства, что увеличивает производительность в соответствии со спросом.

В процессе производства продукт может перемещаться по многим производственным путям. На рисунке показаны три пути. Хотя станки с ЧПУ на каждом этапе идентичны, на практике существуют небольшие различия в точности идентичных станков, что приводит к накоплению ошибок в изготавливаемом изделии. Величина ошибки зависит от пути, по которому двигалось изделие; каждый путь имеет свой «поток вариаций» (термин, введенный Ю. Кореном). ^[13]^[14]

Характеристики

Идеальные реконфигурируемые производственные системы обладают шестью основными характеристиками: модульность, интегрируемость, индивидуальная гибкость, масштабируемость, конвертируемость и диагностируемость. ^[5]^[6] Эти характеристики, введенные профессором Йорамом Кореном в 1995 году, применимы к проектированию целых производственных систем, а также к некоторым их компонентам: реконфигурируемым машинам, их контроллерам и программному обеспечению для управления системой.

Модульность относится к модулям, из которых состоят реконфигурируемые производственные системы . На системном уровне машины представляют собой модули. На уровне станка оси движения представляют собой модули (см. рисунок RMT). Система управления может состоять из модулей управления. Модули проще поддерживать и обновлять.

Интегрируемость — это способность быстро интегрировать модули с помощью механических, информационных и управляющих интерфейсов, которые обеспечивают интеграцию модулей и связь. На системном уровне машины представляют собой модули, которые интегрируются через системы транспортировки материалов (такие как конвейеры и порталы), образуя реконфигурируемую производственную систему.

Кастомизация позволяет проектировать гибкость системы только вокруг семейства продуктов, обеспечивая тем самым гибкость настройки, в отличие от общей гибкости FMS. Кастомизация позволяет снизить инвестиционные затраты без ущерба для производительности.

Конвертируемость — это возможность легко трансформировать функциональность существующих систем, машин или средств управления в соответствии с новыми производственными требованиями. Примеры включали замену станка в системе на станок другого типа в соответствии с новыми требуемыми функциями или переключение шпинделей на фрезерном станке (например, с высокоскоростного шпинделя с низким крутящим моментом для алюминия на низкоскоростной шпиндель с высоким крутящим моментом для титан).

Масштабируемость — это возможность легко изменять производственные мощности путем добавления (или сокращения) производственных ресурсов. Масштабируемость производственной системы увеличивается за счет добавления машин для увеличения производительности системы в соответствии с внезапным ростом рынка. Добавление машин требует расширения радиуса действия порталов станции.

Диагностируемость – это возможность автоматически обнаруживать и диагностировать источник дефектов качества или точности изготавливаемой продукции. Эта автоматическая диагностика позволяет быстро исправить дефекты. RMS должна быть спроектирована с использованием машин для контроля продукции, встроенных в оптимальные места системы.

Принципы

Реконфигурируемые производственные системы работают в соответствии с набором основных принципов, сформулированных профессором Йорамом Кореном и называемых принципами RMS Корена. Чем больше этих принципов применимо к данной производственной системе, тем более реконфигурируемой является эта система. Принципы RMS:

RMS предназначена для регулирования производственных ресурсов в соответствии с насущными потребностями.
- Емкость RMS можно быстро масштабировать небольшими оптимальными шагами.
- Функциональность RMS быстро адаптируется к производству новой продукции.
Чтобы повысить скорость реагирования производственной системы, основные характеристики RMS должны быть встроены как во всю систему, так и в ее компоненты (механические, коммуникационные и управляющие).
Система RMS разработана для семейства деталей и обладает достаточной гибкостью, необходимой для производства всех деталей в этом семействе.
RMS содержит экономичное оборудование, состоящее из гибких станков (например, ЧПУ), реконфигурируемых станков, реконфигурируемых инспекционных машин и реконфигурируемых сборочных станций.
RMS обладает аппаратными и программными возможностями для экономичного реагирования на непредсказуемые события — как внешние (изменения рынка), так и внутренние события (отказ оборудования).

Сравнение с ФМС

Реконфигурируемые производственные системы (RMS) и гибкие производственные системы (FMS) преследуют разные цели. Целью FMS является увеличение разнообразия производимых деталей. Целью RMS является повышение скорости реагирования на изменения рынка и требования клиентов. RMS также является гибким, но лишь в ограниченной степени — его гибкость ограничивается только тем, что необходимо для производства семейства деталей. Это «индивидуальная гибкость» или характеристика настройки, которая не является общей гибкостью, которую предлагает FMS. Индивидуальная гибкость обеспечивает более высокую производительность. Другими важными преимуществами RMS являются быстрая масштабируемость до желаемого объема и конвертируемость, которые достигаются при разумных затратах для производителей. Лучшее применение ФМС находит при производстве небольших партий продукции [см. Википедию].

Научная база РМС

Технология RMS основана на системном подходе к проектированию и эксплуатации реконфигурируемых производственных систем. Подход состоит из ключевых элементов, совокупность которых называется научной базой RMS. Эти элементы кратко изложены ниже.

Учитывая семейство деталей, желаемый объем и состав, планировщик процессов на уровне системы может предложить альтернативные конфигурации системы и сравнить их производительность, качество деталей, возможности конвертации и масштабируемости. ^[15]^[16] Он может выполнять автоматическую балансировку системы на основе генетического алгоритма и статистики. ^[17]^[18] Полезными программными пакетами для выполнения этих задач являются PAMS и SHARE.
Методология экономического моделирования жизненного цикла, основанная на сочетании динамического программирования с теорией опционов, рекомендует систему, которая будет оптимально прибыльной в течение своего срока службы.
Методология проектирования реконфигурируемых станков (RMT) позволяет систематически проектировать станки, начиная с характеристик семейства обрабатываемых деталей. ^[19] Новый RMT арочного типа, спроектированный и изготовленный в ERC/RMS в Мичигане, формирует основу для нового направления в машиностроительных исследованиях.
Методология проектирования логического управления для управления последовательностью и координацией крупных производственных систем приводит к созданию реконфигурируемых и формально проверяемых контроллеров, которые можно реализовать на промышленных ПЛК. ^[20]
Методология потока изменений (SoV), основанная на сочетании теории управления в пространстве состояний со статистикой в процессе, формирует новый теоретический подход к систематическому наращиванию мощности после реконфигурации, что приводит к существенному сокращению времени выхода на рынок. ^[13]^[14]
Алгоритм машинного зрения, интегрированный в реконфигурируемую станцию контроля для проверки дефектов поверхностной пористости (установлен на заводе General Motors Flint Engine). ^[21]).

См. также

Модульная конструкция

Ссылки

^ Корен, Ю., Джоване, Ф., Хейзель, У., Мориваки, Т., Притшоу, Г., Улсой Г. и ВанБрюссель Х.: Реконфигурируемые производственные системы. Основной доклад. Анналы CIRP, Том. 48, нет. 2, с. 6–12 ноября 1999 г.
^ Мичиган Инжиниринг | О нашем ERC
^ Грант NSF: Центр инженерных исследований реконфигурируемых систем обработки
^ Кусиак, А. и Ли, Г.Х., Проектирование компонентов и производственных систем с возможностью реконфигурации, Материалы Первой Всемирной конференции по интегрированному проектированию и технологическим процессам, Остин, Техас, стр. 14–20, декабрь 1995 г.
^ Jump up to: ^а ^б Корен Ю. и Кота С.: Реконфигурируемый станок. патент США США 5943750 ; Дата выпуска: 31.08.1999.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Инженерно-исследовательский центр реконфигурируемых систем обработки
^ Jump up to: ^а ^б Корен Ю. и Улсой Г.: Реконфигурируемая производственная система, имеющая метод изменения производственной мощности. патент США № 6349237; Дата выпуска: 19.02.2002.
^ Jump up to: ^а ^б Ландерс Р., Мин Б.К. и Корен Ю.: Реконфигурируемые станки. Анналы CIRP, Том. 49, № 1, стр. 269–274, июль 2001 г.
^ Мехраби, М. Улсой, Г. и Корен Ю.: Реконфигурируемые производственные системы: ключ к будущему производству. Журнал интеллектуального производства, Vol. 11, № 4, стр. 403–419, август 2000 г.
^ Корен, Ю.: Компьютерное управление производственными системами. McGraw-Hill Book Co., Нью-Йорк, 1983. ISBN 0-07-035341-7
^ Корен Ю. и Кац Р.: Реконфигурируемое устройство для проверки во время производственного процесса. Патент США № 6567162 Дата выдачи: 20 мая 2003 г.
^ Корен Ю., Ху Дж. и Вебер Т.: Влияние конфигурации производственной системы на производительность. Анналы CIRP, Том. 1, стр. 689–698, август 1998 г.
^ Jump up to: ^а ^б Цзянджун Ши, Дж. Поток вариационного моделирования и анализа многостадийных производственных процессов. CRC Press, Taylor & Francisco Group, 2006. ISBN 0-8493-2151-4 .
^ Jump up to: ^а ^б Ху, С.Дж. и Корен Ю.: Теория вариаций сборки автомобильных кузовов. Анналы CIRP, Vol. 46/1, стр. 1–6. 1997.
^ Ху, С.Дж. и Корен Ю. Конфигурация системы – пересмотр компоновки машины для оптимизации производства. Производственная инженерия. Том. 134, № 2, стр. 81–90. Февраль 2005 г.
^ Фрайхейт Т., Корен Ю. и Ху С.Дж.: Производительность параллельных производственных линий с ненадежными машинами и погрузочно-разгрузочными работами. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, vol. 1, № 1, стр. 98–103. июль 2004 г.
^ Тан Л., Ип-Хой Д., Ван В. и Корен Ю.: Параллельная балансировка линий, выбор оборудования и анализ пропускной способности для оптимального проектирования многокомпонентной линии. Международный журнал производственной науки и производства Vol. 6 № 1, 2004. С. 71–81.
^ Тан Л., Ип-Хой Д., Ван В. и Корен Ю.: Компьютерное планирование реконфигурации: подход на основе искусственного интеллекта. ASME Transactions, Журнал вычислительной техники и информатики в технике (JCISE). 2006.
^ Мун, Ю.М. и Кота, С.: Проектирование реконфигурируемых станков. Журнал производственной науки и техники, Trans of the ASME, 124:22, стр. 480–483, май 2002 г.
^ Шах, С.С., Эндсли, Э.В., Лукас, М.Р. и Тилбери Д .: Реконфигурируемое логическое управление, Материалы Американской конференции по управлению, май 2002 г.
^ Демонстрация достижений ERC - Реконфигурируемая инспекционная машина ERC/RMS установлена на производственной линии GMC

[1] Корен, Ю., Джоване, Ф., Хейзель, У., Мориваки, Т., Притшоу, Г., Улсой Г. и ВанБрюссель Х.: Реконфигурируемые производственные системы. Основной доклад. Анналы CIRP, Том. 48, нет. 2, с. 6–12 ноября 1999 г.

[2] Мичиган Инжиниринг | О нашем ERC

[nsf2-3] Грант NSF: Центр инженерных исследований реконфигурируемых систем обработки

[4] Кусиак, А. и Ли, Г.Х., Проектирование компонентов и производственных систем с возможностью реконфигурации, Материалы Первой Всемирной конференции по интегрированному проектированию и технологическим процессам, Остин, Техас, стр. 14–20, декабрь 1995 г.

[Koren_Y_1999-5] Jump up to: ^а ^б Корен Ю. и Кота С.: Реконфигурируемый станок. патент США США 5943750 ; Дата выпуска: 31.08.1999.

[nsf.gov-6] Jump up to: ^а ^б ^с Инженерно-исследовательский центр реконфигурируемых систем обработки

[Koren1-7] Jump up to: ^а ^б Корен Ю. и Улсой Г.: Реконфигурируемая производственная система, имеющая метод изменения производственной мощности. патент США № 6349237; Дата выпуска: 19.02.2002.

[Landers,_R._2001-8] Jump up to: ^а ^б Ландерс Р., Мин Б.К. и Корен Ю.: Реконфигурируемые станки. Анналы CIRP, Том. 49, № 1, стр. 269–274, июль 2001 г.

[9] Мехраби, М. Улсой, Г. и Корен Ю.: Реконфигурируемые производственные системы: ключ к будущему производству. Журнал интеллектуального производства, Vol. 11, № 4, стр. 403–419, август 2000 г.

[10] Корен, Ю.: Компьютерное управление производственными системами. McGraw-Hill Book Co., Нью-Йорк, 1983. ISBN 0-07-035341-7

[ReferenceA-11] Корен Ю. и Кац Р.: Реконфигурируемое устройство для проверки во время производственного процесса. Патент США № 6567162 Дата выдачи: 20 мая 2003 г.

[12] Корен Ю., Ху Дж. и Вебер Т.: Влияние конфигурации производственной системы на производительность. Анналы CIRP, Том. 1, стр. 689–698, август 1998 г.

[Shi1-13] Jump up to: ^а ^б Цзянджун Ши, Дж. Поток вариационного моделирования и анализа многостадийных производственных процессов. CRC Press, Taylor & Francisco Group, 2006. ISBN 0-8493-2151-4 .

[Hu1-14] Jump up to: ^а ^б Ху, С.Дж. и Корен Ю.: Теория вариаций сборки автомобильных кузовов. Анналы CIRP, Vol. 46/1, стр. 1–6. 1997.

[15] Ху, С.Дж. и Корен Ю. Конфигурация системы – пересмотр компоновки машины для оптимизации производства. Производственная инженерия. Том. 134, № 2, стр. 81–90. Февраль 2005 г.

[16] Фрайхейт Т., Корен Ю. и Ху С.Дж.: Производительность параллельных производственных линий с ненадежными машинами и погрузочно-разгрузочными работами. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, vol. 1, № 1, стр. 98–103. июль 2004 г.

[17] Тан Л., Ип-Хой Д., Ван В. и Корен Ю.: Параллельная балансировка линий, выбор оборудования и анализ пропускной способности для оптимального проектирования многокомпонентной линии. Международный журнал производственной науки и производства Vol. 6 № 1, 2004. С. 71–81.

[18] Тан Л., Ип-Хой Д., Ван В. и Корен Ю.: Компьютерное планирование реконфигурации: подход на основе искусственного интеллекта. ASME Transactions, Журнал вычислительной техники и информатики в технике (JCISE). 2006.

[19] Мун, Ю.М. и Кота, С.: Проектирование реконфигурируемых станков. Журнал производственной науки и техники, Trans of the ASME, 124:22, стр. 480–483, май 2002 г.

[20] Шах, С.С., Эндсли, Э.В., Лукас, М.Р. и Тилбери Д .: Реконфигурируемое логическое управление, Материалы Американской конференции по управлению, май 2002 г.

[21] Демонстрация достижений ERC - Реконфигурируемая инспекционная машина ERC/RMS установлена на производственной линии GMC

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]