Rekonfigurowalny system produkcyjny - Reconfigurable manufacturing system

Rekonfiguracji systemu produkcyjnego ( RMS ) jest zaprojektowany na początku do szybkich zmian w jej strukturze, jak również jego komponentów sprzętowych i oprogramowania, aby szybko dostosować swoją zdolność produkcyjną i funkcjonalność w rodzinie udział w odpowiedzi na nagłe zmiany na rynku lub wewnętrzna zmiana systemu.

Schemat RMS RMS

Termin rekonfigurowalność w produkcji został prawdopodobnie ukuty przez Kusiaka i Lee [20].

RMS, jak również jeden z jego komponentów - rekonfigurowalne obrabiarki (RMT) - zostały wynalezione w 1999 roku w Engineering Research Center for Reconfigurable Manufacturing Systems (ERC / RMS) na University of Michigan College of Engineering. Cel RMS podsumowuje stwierdzenie: „Dokładnie wymagana pojemność i funkcjonalność, dokładnie wtedy, gdy są potrzebne”.

Idealne, rekonfigurowalne systemy produkcyjne posiadają sześć podstawowych cech RMS: modułowość, integralność, dostosowaną elastyczność, skalowalność, konwertowalność i możliwość diagnozowania. Typowy program RMS będzie miał kilka z tych cech, choć niekoniecznie wszystkie. Posiadając te cechy, RMS zwiększa szybkość reakcji systemów produkcyjnych na nieprzewidziane zdarzenia, takie jak nagłe zmiany popytu rynkowego lub nieoczekiwane awarie maszyn. RMS ułatwia szybkie uruchomienie produkcji nowych produktów i pozwala na dostosowanie wielkości produkcji, które mogą nieoczekiwanie się różnić. Idealny, rekonfigurowalny system zapewnia dokładnie taką funkcjonalność i wymaganą moc produkcyjną, a także może być ekonomicznie dostosowany dokładnie wtedy, gdy jest to potrzebne. Systemy te są projektowane i obsługiwane zgodnie z zasadami RMS firmy Koren.

Składnikami RMS są maszyny CNC, rekonfigurowalne obrabiarki, rekonfigurowalne maszyny kontrolne i systemy transportu materiałów (takie jak suwnice i przenośniki), które łączą maszyny w system. Różne układy i konfiguracje tych maszyn wpłyną na produktywność systemu. Zbiór narzędzi matematycznych, które są zdefiniowane jako baza naukowa RMS , można wykorzystać do maksymalizacji produktywności systemu przy możliwie najmniejszej liczbie maszyn.

Uzasadnienie dla RMS

Globalizacja stworzyła nowy krajobraz dla przemysłu, jeden z zaciętej konkurencji, krótkich okresów rynkowych i częstych zmian popytu na produkty. Ta zmiana stanowi zarówno zagrożenie, jak i szansę. Aby wykorzystać tę szansę, przemysł musi posiadać systemy produkcyjne, które mogą wytwarzać szeroką gamę produktów z rodziny produktów. Ten asortyment musi spełniać wymagania wielu krajów i różnych kultur, a nie tylko jednego rynku regionalnego. Projekt odpowiedniej kombinacji produktów musi być połączony z możliwościami technicznymi, które pozwalają na szybką zmianę asortymentu i ilości produktów, które mogą się znacznie różnić, nawet co miesiąc. Te możliwości mają rekonfigurowalne systemy produkcyjne.

Charakterystyka RMS

Idealne rekonfigurowalne systemy produkcyjne mają sześć podstawowych cech: modułowość, integralność, dostosowaną elastyczność, skalowalność, konwertowalność i możliwość diagnozowania. Te cechy, które zostały wprowadzone przez profesora Yorama Korena w 1995 roku, dotyczą projektowania całych systemów produkcyjnych, a także niektórych jego elementów: rekonfigurowalnych maszyn, ich sterowników i oprogramowania sterującego systemem.

Modułowość

Rysunek patentowy RMT : US 5943750 Obrabiarka  rekonfigurowalna o budowie modułowej, zawierająca moduły wrzeciona, które można rekonfigurować, aby umożliwić różne operacje obróbkowe

Podział funkcji produkcyjnych i wymagań na jednostki operacyjne, którymi można manipulować między alternatywnymi schematami produkcji w celu uzyskania optymalnego układu pasującego do danego zestawu potrzeb.

W rekonfigurowalnym systemie produkcyjnym wiele komponentów jest zwykle modułowych (np. Maszyny, osie ruchu, elementy sterujące i oprzyrządowanie - patrz przykład na poniższym rysunku). W razie potrzeby elementy modułowe można wymienić lub ulepszyć, aby lepiej pasowały do ​​nowych zastosowań. Moduły są łatwiejsze w utrzymaniu i aktualizacji, co obniża koszty cyklu życia systemów. Nowe algorytmy kalibracji można łatwo zintegrować ze sterownikiem maszyny, co daje system z większą dokładnością. Na przykład zintegrowanie sterowania sprzężeniem krzyżowym w sterownikach CNC znacznie zwiększa jego dokładność. Podstawowe pytania podczas projektowania z podejściem modułowym to: (a) jakie są odpowiednie elementy składowe lub moduły i (b) jak należy je połączyć, aby zsyntetyzować funkcjonującą całość? Dobór podstawowych modułów oraz sposób ich połączenia pozwalają na tworzenie systemów, które można w łatwy sposób integrować, diagnozować, dostosowywać i konwertować.

Integralność

Integralność to zdolność do szybkiej i precyzyjnej integracji modułów za pomocą zestawu interfejsów mechanicznych, informacyjnych i sterujących, które umożliwiają integrację i komunikację.

Na poziomie maszyny osie ruchów i wrzeciona można zintegrować w celu utworzenia maszyn. Reguły integracji pozwalają projektantom maszyn na powiązanie klastrów cech części i odpowiadających im operacji obróbki z modułami maszyny, umożliwiając w ten sposób integrację produktu z procesem. Na poziomie systemu maszyny są modułami, które są zintegrowane za pośrednictwem systemów transportu materiałów (takich jak przenośniki i suwnice), tworząc rekonfigurowalny system. Aby pomóc w projektowaniu rekonfigurowalnych systemów, stosuje się reguły konfiguracji systemu. Ponadto sterowniki maszyn można zaprojektować tak, aby można je było zintegrować z fabrycznym systemem sterowania.

Dostosowywanie

Dostosowanie polega na zaprojektowaniu elastyczności systemu / maszyny wokół rodziny produktów, uzyskując tym samym elastyczność dostosowaną do indywidualnych potrzeb, w przeciwieństwie do ogólnej elastyczności FMS / CNC.

Ta cecha drastycznie odróżnia RMS od elastycznych systemów produkcyjnych (FMS) i pozwala na obniżenie kosztów inwestycji. Umożliwia zaprojektowanie systemu do produkcji rodziny części, a nie pojedynczej części (jak jest produkowana przez DML) lub dowolnej części (typowy FMS). „Rodzina części” oznacza na przykład kilka typów bloków silnika lub kilka typów mikroprocesorów lub wszystkie typy Boeinga 747. W kontekście RMS rodzina części jest definiowana jako wszystkie części (lub produkty), które mają podobne cechy geometryczne i kształty, ten sam poziom tolerancji, wymagają tych samych procesów i mieszczą się w tym samym zakresie kosztów. Definicja rodziny części musi zapewniać, że większość zasobów systemu produkcyjnego jest wykorzystywana do produkcji każdej części składowej.

Konfigurację RMS należy dostosować tak, aby pasowała do dominujących cech całej rodziny części, wykorzystując charakterystykę dostosowanej elastyczności. Elastyczność dostosowana do rodziny części umożliwia wykorzystanie wielu narzędzi (np. Wrzecion do obróbki skrawaniem lub dysz podczas formowania wtryskowego) na tej samej maszynie, zwiększając w ten sposób produktywność przy niższych kosztach bez uszczerbku dla elastyczności.

Wymienialność

Konwersja to możliwość łatwego przekształcania funkcjonalności istniejących systemów, maszyn i elementów sterujących w celu dostosowania ich do nowych wymagań produkcyjnych.

Możliwość konwersji systemu może mieć kilka poziomów. Konwersja może wymagać przełączania wrzecion na frezarce (np. Z wrzeciona szybkoobrotowego o niskim momencie obrotowym do aluminium do wrzeciona wolnoobrotowego o wysokim momencie obrotowym do tytanu) lub ręcznej regulacji pasywnych zmian stopni swobody podczas przełączania produkcji między dwoma członków rodziny niepełnej w danym dniu. Konwersja systemu na tym codziennym poziomie musi być przeprowadzana szybko, aby była skuteczna. Aby to osiągnąć, RMS musi wykorzystywać nie tylko konwencjonalne metody, takie jak ustawienie off-line, ale powinien również zawierać zaawansowane mechanizmy, które pozwalają na łatwą konwersję między częściami, a także metody wykrywania i sterowania, które umożliwiają szybką kalibrację maszyn po konwersji. .

Skalowalność

Skalowalność to możliwość łatwej zmiany mocy produkcyjnych poprzez przestawienie istniejącego systemu produkcyjnego i / lub zmianę zdolności produkcyjnych rekonfigurowalnych stacji.

Skalowalność jest odpowiednikiem charakterystycznym dla wymienialności. Skalowalność może wymagać dodania wrzecion do maszyny na poziomie maszyny w celu zwiększenia jej produktywności, a na poziomie systemu zmiany trasowania części lub dodawania maszyn w celu zwiększenia ogólnej wydajności systemu (tj. Maksymalnej możliwej objętości) w miarę wzrostu rynku produktu.

Diagnozowalność

Diagnozowalność to możliwość automatycznego odczytywania aktualnego stanu systemu w celu wykrywania i diagnozowania pierwotnej przyczyny defektów produktu wyjściowego, a następnie szybkiego korygowania defektów operacyjnych.

Diagnozowalność ma dwa aspekty: wykrywanie awarii maszyny i wykrywanie niedopuszczalnej jakości części. Drugi aspekt jest krytyczny w RMS. Ponieważ systemy produkcyjne stają się bardziej rekonfigurowalne, a ich układy są modyfikowane częściej, konieczne staje się szybkie dostrojenie (lub zwiększenie) nowo zrekonfigurowanego systemu, tak aby wytwarzał wysokiej jakości części. W związku z tym systemy rekonfigurowalne muszą być również projektowane z systemami pomiaru jakości produktu jako integralną częścią. Na przykład rekonfigurowalna maszyna inspekcyjna (RIM) wbudowana w RMS umożliwia szybkie wykrywanie. Te systemy pomiarowe mają pomóc w szybkiej identyfikacji źródeł problemów z jakością produktu w systemie produkcyjnym, tak aby można je było korygować za pomocą metod kontrolnych, statystyk i technik przetwarzania sygnałów.

Zasady RMS

Rekonfigurowalne systemy produkcyjne działają zgodnie z zestawem podstawowych zasad sformułowanych przez profesora Yorama Korena i nazywane są zasadami RMS firmy Koren. Im więcej z tych zasad ma zastosowanie do danego systemu produkcyjnego, tym bardziej rekonfigurowalny jest ten system. Zasady RMS to:

  1. RMS jest przeznaczony do dostosowywania zasobów produkcyjnych, aby odpowiadać na nadchodzące potrzeby.
    1. Pojemność RMS można szybko skalować w małych, optymalnych przyrostach.
    2. Funkcjonalność RMS można szybko dostosować do produkcji nowych produktów.
  2. Aby zwiększyć szybkość reakcji systemu produkcyjnego, podstawowe charakterystyki RMS powinny być osadzone w całym systemie, jak również w jego komponentach (mechanicznych, komunikacyjnych i sterujących).
  3. RMS został zaprojektowany z myślą o rodzinie części, z wystarczającą elastycznością potrzebną do wyprodukowania wszystkich części z tej rodziny.
  4. RMS zawiera ekonomiczną kombinację wyposażenia obejmującą elastyczne (np. CNC) i rekonfigurowalne maszyny o dostosowanej elastyczności, takie jak rekonfigurowalne obrabiarki, rekonfigurowalne maszyny kontrolne i rekonfigurowalne maszyny montażowe.
  5. RMS posiada możliwości sprzętowe i programowe umożliwiające efektywną kosztowo reakcję na nieprzewidziane zdarzenia - zarówno zewnętrzne (zmiany rynkowe), jak i wewnętrzne (awarie maszyn).

RMS i FMS

Rekonfigurowalne systemy produkcyjne (RMS) i elastyczne systemy produkcyjne (FMS) mają różne cele. FMS ma na celu zwiększenie różnorodności produkowanych części. RMS ma na celu zwiększenie szybkości reagowania na rynki i klientów. RMS jest również elastyczny, ale tylko w ograniczonym zakresie - jego elastyczność ogranicza się tylko do tego, co jest niezbędne do stworzenia rodziny części. Jest to „dostosowana elastyczność” lub charakterystyka dostosowywania, która nie jest ogólną elastycznością oferowaną przez FMS. Zaletami dostosowanej elastyczności są szybsza przepustowość i wyższe szybkości produkcji. Inne ważne zalety RMS to szybka skalowalność do żądanej objętości i konwertowalność, które są uzyskiwane przy rozsądnych kosztach dla producentów. Najlepsze zastosowanie FMS to produkcja małych zestawów produktów [patrz Wikipedia]; Jednak w przypadku RMS wielkość produkcji może się różnić od małej do dużej.

Baza naukowa RMS

Technologia RMS opiera się na systematycznym podejściu do projektowania i działania rekonfigurowalnych systemów produkcyjnych. Podejście składa się z kluczowych elementów, których kompilacja nazywana jest bazą naukową RMS. Poniżej podsumowano te elementy.

  • Biorąc pod uwagę rodzinę części, pożądaną objętość i mieszankę, planista procesu na poziomie systemu może zaproponować alternatywne konfiguracje systemu i porównać ich produktywność, jakość części, możliwość konwersji i skalowalność. Może wykonywać automatyczne równoważenie systemu w oparciu o algorytm genetyczny i statystyki. Użyteczne pakiety oprogramowania do wykonywania tych zadań to PAMS i SHARE.
  • Metodologia ekonomicznego modelowania cyklu życia, oparta na połączeniu programowania dynamicznego z teorią opcji, zaleca system, który będzie optymalnie opłacalny przez cały okres użytkowania.
  • Rekonfigurowalna metodologia projektowania obrabiarek (RMT) umożliwia systematyczne projektowanie maszyn, począwszy od cech rodziny części przeznaczonych do obróbki. Nowy RMT typu łukowego, który został zaprojektowany i zbudowany w ERC / RMS w Michigan, stanowi podstawę nowego kierunku w badaniach maszyn.
  • Metodologia projektowania sterowania logicznego do sekwencjonowania i sterowania koordynacyjnego w dużych systemach produkcyjnych prowadzi do rekonfigurowalnych i formalnie weryfikowalnych sterowników, które można zaimplementować w przemysłowych sterownikach PLC.
  • Metodologia strumienia zmian (SoV) oparta na mieszaniu teorii kontroli w przestrzeni stanu ze statystykami w trakcie procesu stanowi nowe podejście teoretyczne do systematycznego zwiększania wydajności po rekonfiguracji, co skutkuje znacznym skróceniem czasu wprowadzenia produktu na rynek.
  • Algorytm widzenia maszynowego zintegrowany z rekonfigurowalną stacją kontrolną w celu kontroli wad porowatości powierzchni (zainstalowany w General Motors Flint Engine Plant).

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ Kusiak, A. and Lee, GH, Design of Components and Manufacturing Systems for Reconfigurability, Proceedings of the First World Conference on Integrated Design and Process Technology, Austin, TX, str. 14-20, grudzień 1995.