● 摘要
单元化制造系统（Cellular Manufacturing Systems，CMS）是针对多品种小批量生产的一种具有竞争力的制造组织方式。制造环境的快速变化对企业的响应能力，迅速集结生产力的能力及协同工作能力提出了更高的要求。针对这一问题，本文以国家863先进制造技术项目“不平衡、非稳定生产系统集成计划与执行控制系统关键技术研究”为背景，对单元化制造系统的设计、运行、控制理论与实际应用进行了系统的研究。论文从体系结构研究的角度出发，以视图、生命周期和通用性三个维度对系统静态数据结构、动态行为逻辑和系统仿真过程进行建模，在需求分析、设计和实施三个阶段解读了模型在系统全生命周期中的发展形态，从通用层、局部层和专用层三个层面表达了模型的抽象程度和可重用性。采用面向对象的建模方法，为单元化制造系统建立了具有系统性、完整性、一致性和开放性的单元化制造系统建模体系。为单元化制造系统在设计和运行阶段进行分析决策提供了所需模型，并解决了系统重构时的模型重用和扩展的问题。针对单元构建中存在的优化目标单一问题，提出了一种多目标递进优化的单元化制造系统设计方法，并建立了系统总体设计目标的数学模型。本设计方法从追求制造系统多目标综合优化的角度出发，从减少零件跨单元移动、单元间负荷均衡、减少车间在制品数量、减少机床的生产准备时间和缩短零件的生产周期等五个方面，对制造系统进行优化设计。该方法采用了遗传算法与仿真实验相结合的方法，分阶段迭代优化，降低每一阶段的优化难度，两个阶段通过反馈迭代相关联，解决了多目标平衡的问题。实验证明，这种分层迭代的递进优化方法在单元化制造系统设计中取得了良好的效果。论文探讨了基于仿真的单元化制造系统生产计划制定方法与调度方法，并提出了一种动态批量优化算法，该算法充分利用了单元生产的特点，强调利用零件加工的工艺相似性，结合推/拉策略，解决了系统中短期生产计划制定问题和辅助资源优化调度问题。综合应用该方法所制定的生产计划在减少在制品数量和减少生产准备时间等方面表现出了良好的优化性能。为了对车间生产计划的健壮性进行验证和评估，探讨了应用Web服务技术将在线仿真系统与制造执行系统集成的方法，并从成本、成组性、生产性能、柔性和敏捷性等方面论述了单元化制造系统性能评价指标和综合评价方法。论文从系统建模、系统设计和系统运行控制与调度等方面对单元化制造系统的关键技术进行了深入研究。其研究成果为先进制造模式和先进制造技术在复杂制造环境下的实践提供了方法学的支撑，对企业实施单元化制造理念具有理论指导意义。在应用方面，论文针对某航空企业某车间的具体需求，建立了面向对象的仿真系统实例，对车间进行了成组单元设计和优化，在此过程中验证了本文所提出的单元建模、设计和生产计划优化方法的可行性和有效性，研究成果对企业建立单元化制造系统具有实用价值。