計算機集成制造系統(tǒng)(大)

1、 計算機集成制造系統(tǒng) 題 目： 協(xié) 同 裝 配 設(shè) 計 學 院： 專 業(yè)： 姓 名： 學 號： 年 級： 任課教師： 摘 要 隨著現(xiàn)代產(chǎn)品復雜程度的提高，企業(yè)為了增強競爭力，在激烈的市場競爭環(huán)境下取得成功，必須縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品的開發(fā)效率和經(jīng)濟效益。自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計是一種新的設(shè)計模式，新設(shè)計模式的采用給產(chǎn)品設(shè)計過程管理和規(guī)劃帶來了的挑戰(zhàn)。本文以協(xié)同裝配設(shè)計過程建模及規(guī)劃技術(shù)為研究對象，通過分析協(xié)同裝配設(shè)計過程特點，提出層次著色Petri網(wǎng)(HCPN)建模方法，以設(shè)計者的設(shè)計過程活動為建模對象，基于HCPN構(gòu)建自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計過程的模型，以刻畫設(shè)計過程的復雜行為特

2、征，揭示設(shè)計過程的內(nèi)涵特點。采用設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣表達任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出設(shè)計組承擔的任務(wù)量均衡和分在同一任務(wù)組內(nèi)的任務(wù)具有較高關(guān)聯(lián)禍合度兩個分組原則，并采用基于多目標的遺傳優(yōu)化算法，以實現(xiàn)任務(wù)的合理分組，達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和設(shè)計組之間的交互量的目標。 關(guān)鍵詞：協(xié)同裝配設(shè)計 過程規(guī)劃 過程建模ABSTRCT With the improvement of modern product complexity, in order to enhance competitiveness, to success in the fierce market competition environment,

3、must be shorten product development cycle and reduce the product cost, improve product development efficiency and economic benefits.Top-down collaborative assembly design is a kind of new design pattern, a new design pattern using brings to the product design process management and planning for the

4、challenge.Based on collaborative assembly design process modeling and planning and technology as the research object, through analyzing the characteristics of the collaborative assembly design process, put forward hierarchy colored Petri net (HCPN) modeling method, the modeling object is the designe

5、r's design process activities, based on HCPN top-down collaborative assembly design process model, in order to describe the design process of complex behavior characteristics, reveals the connotation of the design process.Using design structure matrix express the relationship between the task an

6、d puts forward the design team, undertake the task of volume balance and points at the same tasks within the task group has higher correlation disaster degree two grouping principles, and based on multi-objective genetic optimization algorithm, so as to realize the reasonable tasks grouping, to shor

7、ten product development cycle and design the interaction between the amount of goals.Keywords: collaborative assembly design ；process planning ； process modeling1. 引言產(chǎn)品設(shè)計是一個將人的某種目的或需要轉(zhuǎn)換為一個具體的物理形式或工具的過程，產(chǎn)品設(shè)計也可以看作是有步驟地分析與綜合，不斷從定性到定量的問題求解過程。產(chǎn)品設(shè)計是產(chǎn)品全生命周期設(shè)計過程中最重要的環(huán)節(jié)和最重要的因素。產(chǎn)品全生命周期包括需求分析、設(shè)計、生產(chǎn)制造、銷售、售后及回收利

8、用等多個環(huán)節(jié)，其中產(chǎn)品設(shè)計的知識含量需求高，是高增值的環(huán)節(jié)。雖然產(chǎn)品設(shè)計只占了產(chǎn)品成本的5%左右，但卻往往決定了8俄左右的產(chǎn)品成本，決定著產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能、質(zhì)量、成本、交貨時間以及可制造性、可維修性以及人、機、環(huán)境等要素。隨著市場競爭日益激烈和經(jīng)濟全球化，用戶對產(chǎn)品要求的個性化和多樣化，產(chǎn)品的復雜程度越來越大，涉及的技術(shù)和科學領(lǐng)域也越來越多，產(chǎn)品開發(fā)所依賴的各種資源，已經(jīng)逐步由傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)向水平結(jié)構(gòu)，即分布式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變川，傳統(tǒng)的設(shè)計理論和方法己經(jīng)不能適應(yīng)指導現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計活動的要求。計算機支持協(xié)同設(shè)計(CSCD， ComputerSupported CooperativeDesign)是計算機支

9、持協(xié)工作(CSCW)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，它是CAD和CSCW技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，主要研究群體成員如何在計算機及網(wǎng)絡(luò)的支持下進行產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計，共同完成產(chǎn)品開發(fā)的問題。計算機支持協(xié)同設(shè)計的特點在于產(chǎn)品設(shè)計由分布在不同地點的產(chǎn)品設(shè)計人員協(xié)同完成，不同地點的產(chǎn)品設(shè)計人員通過網(wǎng)絡(luò)進行產(chǎn)品信息的共享和交換，實現(xiàn)對異地以X等軟件工具的訪問和調(diào)用，通過網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計方案的討論、設(shè)計結(jié)果的檢查與修改，使產(chǎn)品設(shè)計工作能夠跨越時空進行，使企業(yè)能夠快速開發(fā)新產(chǎn)品。計算機支持的協(xié)同設(shè)計特別強調(diào)計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中的綜合應(yīng)用，特別強調(diào)人的主體作用，強調(diào)人、技術(shù)、管理的有機結(jié)合

10、.上述特點使得協(xié)同設(shè)計能夠較大幅度地縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，提高新產(chǎn)品的開發(fā)能力，成為企業(yè)贏得競爭，不斷發(fā)展的關(guān)鍵。針對協(xié)同設(shè)計的研究可以從多個角度進行，如協(xié)同設(shè)計的支持環(huán)境、協(xié)同設(shè)計過程中的智能技術(shù)以及協(xié)同設(shè)計的實施理論與技術(shù)等。這些方面相輔相成，目前更多的是從實現(xiàn)技術(shù)細節(jié)展開研究。從設(shè)計的對象及模型來看，目前主要有面向零件和面向裝配的協(xié)同設(shè)計，模型的類型主要有二維和三維兩種。從研究的現(xiàn)狀來看，目前的研究是以三維建模環(huán)境為主，逐漸從單個零件向復雜的裝配件協(xié)同設(shè)計研究過渡。對基于二維設(shè)計環(huán)境的協(xié)同設(shè)計來說，主要集中在協(xié)同設(shè)計研究的早期。2.基于HCPN的協(xié)同裝配設(shè)計過程2.1層

11、次著色Petri網(wǎng)(HCPN) Petri網(wǎng)是一種面向圖形的建模語言，具有很強的動態(tài)分析能力。Petri網(wǎng)是完全從過程的角度出發(fā)的，它在描述并發(fā)、沖突、同步等重要行為現(xiàn)象上所表現(xiàn)出的優(yōu)勢，以及具有形式化步驟與數(shù)學圖論相支持的理論嚴密性，特別是圖形表達的直觀性和便于編程實現(xiàn)的技術(shù)特點，使其適用于對不確定性的并發(fā)系統(tǒng)進行形式化建模，適用于對事件和狀態(tài)存在優(yōu)先、交錯、并發(fā)和沖突等約束的動態(tài)行為進行表示，能夠較好的滿足動態(tài)協(xié)作的建模需要。但普通Petri網(wǎng)在描述復雜系統(tǒng)時，會由于節(jié)點過多，引起狀態(tài)爆炸等問題。根據(jù)Petri網(wǎng)建模技術(shù)的特點，比較適合構(gòu)建自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計過程模型。但通過分析現(xiàn)有的Pe

12、tri網(wǎng)建模技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)單純采用一種形式的Petri網(wǎng)建模技術(shù)，較難解決自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計過程的動態(tài)行為描述及所構(gòu)模型的復雜性問題。采用著色Petri網(wǎng)與層次Petri網(wǎng)相結(jié)合的層次著色Petri網(wǎng)建模，能綜合兩種建模技術(shù)的優(yōu)點，適合自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計過程建模的需要。2.2方法概述 根據(jù)自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計的特點，基于HCPN構(gòu)建自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計的過程模型?；贖CPN建模的主要過程如下: (l)構(gòu)建協(xié)同基本活動過程的Petri網(wǎng)模型。 (2)構(gòu)建基于HCPN的自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計的過程模型。該建模過程主要由以下兩個部分組成:協(xié)同設(shè)計過程建模和外部信息處理過程建模。 (3)對自頂向下

13、協(xié)同裝配設(shè)計過程模型的特性進行分析，消除設(shè)計過程中的沖突與死鎖，保證模型的活性。3.協(xié)同裝配設(shè)計過程任務(wù)分組及分配3.1任務(wù)分配及分配原則一個復雜的產(chǎn)品設(shè)計將被劃分為若干個任務(wù)，采用分布式的協(xié)同設(shè)計，一般情況下，并不一定是一個任務(wù)分配給一個設(shè)計者來完成，這樣不利于協(xié)同，將增加協(xié)同的復雜性和設(shè)計過程管理的難度。實際情況一般是將任務(wù)進行分組，然后交給分布在異地的設(shè)計組，在可能的情況下，設(shè)計組可再根據(jù)實際需要進一步對任務(wù)組進行重新分配。不管是最初的任務(wù)分組還是對任務(wù)組的進一步細分，都包含兩個主要過程:任務(wù)分組和任務(wù)組分配。以上兩個任務(wù)規(guī)劃過程在任何粒度的分組情形下的性質(zhì)是相同的。任務(wù)規(guī)劃與任務(wù)、任務(wù)

14、組和設(shè)計組之間的關(guān)系如圖3-1所示。圖3-1說明一個任務(wù)組可以有一個或一個以上的任務(wù)，一個任務(wù)組可以由多個設(shè)計組來承擔，但一個設(shè)計組只能承擔一個任務(wù)組。圖3-1：1任務(wù)、任務(wù)組和設(shè)計組之間的關(guān)系 協(xié)同裝配設(shè)計過程復雜，設(shè)計者之間需要大量的協(xié)作和共享信息，采用自頂向下協(xié)同的設(shè)計方式大大增加了設(shè)計過程管理的復雜度，需要通過有效合理的規(guī)劃來提高設(shè)計過程的效率，以減少交互，控制產(chǎn)品的設(shè)計周期。為了控制產(chǎn)品的設(shè)計周期和減少各設(shè)計組之間的交互量，本章基于以下原則進行自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計過程的任務(wù)規(guī)劃。原則1:通過合理的任務(wù)分組，使每個設(shè)計組的工作量盡可能均衡。根據(jù)自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計過程具有高度并行性，且

15、設(shè)計過程中各種信息具有不確定性和不完善性等特點，工作量最大的設(shè)計組將決定整個產(chǎn)品的設(shè)計周期，也可以說，只要有一個設(shè)計者工作沒有完成，設(shè)計結(jié)果就不能算確定，其他設(shè)計者的設(shè)計結(jié)果都有修改的可能，不能算真正的完成。所以要使得產(chǎn)品的設(shè)計周期盡可能短，工作量最大的設(shè)計組的工作量應(yīng)盡可能小。 原則2:通過合理的任務(wù)分組方案，同一任務(wù)組內(nèi)的任務(wù)具有較高的關(guān)聯(lián)禍合度。任務(wù)組的屬性主要包括任務(wù)組的關(guān)聯(lián)關(guān)系、工作量、復雜度和進化度，這些屬性決定了任務(wù)組在產(chǎn)品設(shè)計中的關(guān)鍵度。為了充分發(fā)揮設(shè)計組的綜合能力，提高協(xié)同設(shè)計質(zhì)量，應(yīng)該把關(guān)鍵度高的任務(wù)組分配給綜合能力強的設(shè)計組，這樣能增加設(shè)計過程的可靠性，更能保證按時按質(zhì)的

16、完成產(chǎn)品的設(shè)計任務(wù)，即綜合能力越強的設(shè)計組應(yīng)承擔越關(guān)鍵的任務(wù)組的設(shè)計。 3.2方法概述 結(jié)合各設(shè)計任務(wù)的特點，按任務(wù)的工作量大小對其進行分類，以任務(wù)分組矩陣作為遺傳算法的染色體，并按照任務(wù)分組原則確定滿足多目標要求的適應(yīng)度函數(shù)，實現(xiàn)任務(wù)的合理分組;在此基礎(chǔ)之上，采用多屬性決策算法從多個設(shè)計組選擇合適的設(shè)計組承擔設(shè)計任務(wù)，并按任務(wù)組分配原則，采用基于樹的任務(wù)組分配算法實現(xiàn)任務(wù)組的合理分配。本方法的流程如圖3-2所示: 圖3-2：協(xié)同裝配設(shè)計過程任務(wù)分組及分配流程 4基于任務(wù)時間窗的協(xié)同裝配設(shè)計過程調(diào)度4.1方法概述 采用依賴關(guān)聯(lián)設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣表達設(shè)計任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系;基于并行任務(wù)串行化及串行任務(wù)

17、并行化原則，并根據(jù)任務(wù)組內(nèi)外任務(wù)的關(guān)聯(lián)約束，提出任務(wù)執(zhí)行時間窗求解算法;在上述基礎(chǔ)之上，提出基于DSM的隨機擇序設(shè)計過程隨機調(diào)度算法，以實現(xiàn)自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計過程的合理調(diào)度。本方法的流程如圖4-1所示。 圖4-1：協(xié)同裝配設(shè)計過程任務(wù)分組及分配流程4.2基于設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的設(shè)計任務(wù)關(guān)系表示 在自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計過程中，整個設(shè)計活動是高度并行的，活動之間關(guān)系的合理表達是進行設(shè)計過程規(guī)劃的前提條件，而設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣是表達設(shè)計活動依賴關(guān)聯(lián)關(guān)系最常用的方法。設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣可描述任務(wù)在設(shè)計過程之間的關(guān)系，評價任務(wù)間信息交流的程度及其對整個開發(fā)過程的影響。任務(wù)之間串行、并行和交互禍合關(guān)系的設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣如表4

18、-2所示，A、B代表設(shè)計任務(wù)。 表4-2：依賴關(guān)聯(lián)的設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣表示串行并行耦合ABABABDSM表示A00A00A01B10B00B10 不同類型的產(chǎn)品其設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣是不相同的，在給設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣賦值時，不但要考慮產(chǎn)品自身的特點，還要充分考慮協(xié)同裝配設(shè)計過程的特點。由于自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計是在已知概念設(shè)計草圖和重要的設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上進行的，產(chǎn)品的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和關(guān)鍵零部件之間的裝配接口關(guān)系也是己知的。參數(shù)關(guān)系和裝配接口關(guān)系都屬于直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以用0和1布爾值進行量化表達依賴關(guān)聯(lián)關(guān)系，但如果單獨使用參數(shù)關(guān)系或裝配接口關(guān)系來描述任務(wù)的依賴關(guān)聯(lián)關(guān)系都不合適，因為參數(shù)關(guān)系可能太復雜，

19、而裝配接口關(guān)系可能太簡單。而目前大部分的算法是直接基于工程師的經(jīng)驗給出任務(wù)之間的依賴關(guān)聯(lián)關(guān)系，但工程師的經(jīng)驗也存在考慮不完善的方面。所以任務(wù)的依賴關(guān)聯(lián)關(guān)系具體表達最好通過有經(jīng)驗的工程師，并結(jié)合參數(shù)依賴和裝配接口關(guān)系來獲得。4.2設(shè)計任務(wù)時間窗確定協(xié)同裝配設(shè)計過程調(diào)度中最重要的是任務(wù)的時間窗確定，是影響產(chǎn)品設(shè)計周期和執(zhí)行效率的決定因素。任務(wù)的時間窗(TTW)是指任務(wù)在設(shè)計過程調(diào)度中的具體執(zhí)行時間，確定了任務(wù)在項目中的執(zhí)行流程。由于任務(wù)之間存在復雜的依賴關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)計過程會產(chǎn)生各種約束，從而影響任務(wù)的時間窗。設(shè)計過程中產(chǎn)生的約束是確定任務(wù)時間窗的主要影響因素。由于任務(wù)之間存在約束，使得任務(wù)執(zhí)行不可

20、能都是連續(xù)過程，從而使得整個任務(wù)的完工時間遠遠大于所有任務(wù)工作量的總和;另外，由于設(shè)計者在任務(wù)的執(zhí)行過程中需要等待，設(shè)計者重新開展工作要多花一定的時間去熟悉已經(jīng)完成的工作，這樣會降低工作效率。綜上所述，任務(wù)時間窗求解算法既要考慮任務(wù)組內(nèi)、外依賴關(guān)聯(lián)所產(chǎn)生的時間窗約束，又要考慮減少設(shè)計過程的等待次數(shù)和縮短等待時間。設(shè)有任務(wù)Pi，執(zhí)行時間周期Ti，時間窗可由以下條件決定，一是任務(wù)本身的執(zhí)行時間周期Ti，二是任務(wù)的開工時間Ds或任務(wù)的完工時間De，Ti=Ds-De。由于任務(wù)的執(zhí)行時間確定，所以任務(wù)的時間窗只需已知以上任意兩個參數(shù)即可，即可寫成TTW=(Ds，De)、TTW=(Ds.Ti)和TTW=(

21、De，Ti)三種形式之一。(以上含D的時間參數(shù)，都表示日期，時間越早，數(shù)值越小)。時間窗約束的定義及分類如下:開工時間約束Des:由于任務(wù)與另一任務(wù)有依賴關(guān)聯(lián)，使得該任務(wù)的開工時間不能早于某一時間值，即開工時間約束(Ds>Des)。完工時間約束Dce:由于任務(wù)與另一任務(wù)有依賴關(guān)聯(lián)，使得該任務(wù)的完工時間不能晚于某一時間值，即完工時間約束(De<Dcs)。由于任務(wù)在組間和組內(nèi)可能存在多個依賴關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而形成對時間窗的多重約束?？傮w上任務(wù)時間窗的多重約束可以分成以下三類:(l)任務(wù)Pi的開工時間約束，設(shè)為(Dcs1:，Dcs2，)，則總的開工時間約束為:Ds>max(Dcs1，D

22、cs2，);(2)任務(wù)Pi的完工時間約束，設(shè)為(Dce1:，Dce2，)，則總的完工時間約束為:De<min(Dce1,Dce2，);(3)任務(wù)Pi既有開工時間約束，設(shè)為(Dsl，Ds2，)，又有完工時間約束，設(shè)為 (Del，De2，)，任務(wù)本身的執(zhí)行時間周期設(shè)為Ti，則總的開工時間約束和總的完工時間約束為:Ds+Ti<min(Dce1，Dce2，)De-Timax(Dce1,Dce2，)如果任務(wù)時間窗約束有解，必須滿足上述三種約束，否則將產(chǎn)生沖突，導致任務(wù)時間窗無解，需要重新調(diào)整或劃分任務(wù)組，直至滿足任務(wù)時間窗約束要求。 5. 結(jié)論 協(xié)同的裝配設(shè)計模式，是一種新的綜合設(shè)計理念，能

23、使產(chǎn)品總體設(shè)計與詳細設(shè)計同步和穿插進行，能使組件之間、組件和裝配模型之間的幾何對象相互參照，能使并行過程最大化，從而提高產(chǎn)品的設(shè)計準確性和效率。但自頂向下協(xié)同裝配設(shè)計模式是以增大產(chǎn)品設(shè)計過程的復雜性為代價的，其設(shè)計過程具有群體性、分布性、交互性、協(xié)調(diào)性和動態(tài)性等特點，且設(shè)計過程沒有的固定的模式，相互之間存在各種約束，隨時可能發(fā)生干涉或沖突，所以需要通過形式化的方法建立其設(shè)計過程模型、研究該設(shè)計過程的本質(zhì)內(nèi)涵及其管理。 6. 鳴謝 由于以前學的專業(yè)是偏機械方面的課程，對于計算機集成制造系統(tǒng)這塊基本沒有接觸，所以這門課程在學的過程中遇到了很大的困難，不過在這一過程中多虧有周圍的不斷幫助，尤其是得到

24、了黃海松教授的細心講解和耐心指導，才使我在迷茫中找到了學習這門課程的方向和方法。黃教授在講課過程中耐心、細心，并且用理論聯(lián)系實際形式，讓我們在學習一些基本概念的同時舉一些計算機制造系統(tǒng)的實例，讓我們能夠很快地理解教材上的一些枯躁的定義等，在此，對黃教授表示十分感謝!并希望在今后的學習科研中還能向黃教授請教學習！ 7 參教文獻l謝友柏.現(xiàn)代設(shè)計理論和方法的研究.機械工程學報.2004，40(4):1一9. 2G.Ullinan.The mechanical design Proeess.New York.McGraw-Hill,1992.3唐榮錫.CAD/CAM技術(shù).北京.北京航空航天大學出版社，1994.4G.Pall,W.Beits.Engineering design:a system