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 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)同裝配設計是一種新的設計模式，新設計模式的采用給產(chǎn)品設計過程管理和規(guī)劃帶來了的挑戰(zhàn)。本文以協(xié)同裝配設計過程建模及規(guī)劃技術為研究對象，通過分析協(xié)同裝配設計過程特點，提出層次著色Petri網(wǎng)(HCPN)建模方法，以設計者的設計過程活動為建模對象，基于HCPN構建自頂向下協(xié)同裝配設計過程的模型，以刻畫設計過程的復雜行為特

2、征，揭示設計過程的內(nèi)涵特點。采用設計結構矩陣表達任務之間的關聯(lián)關系，提出設計組承擔的任務量均衡和分在同一任務組內(nèi)的任務具有較高關聯(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)任務的合理分組，達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和設計組之間的交互量的目標。 關鍵詞：協(xié)同裝配設計 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)品設計是產(chǎn)品全生命周期設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)品設計的知識含量需求高，是高增值的環(huán)節(jié)。雖然產(chǎn)品設計只占了產(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)品的結構、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，涉及的技術和科學領域也越來越多，產(chǎn)品開發(fā)所依賴的各種資源，已經(jīng)逐步由傳統(tǒng)的垂直結構向水平結構，即分布式結構轉(zhuǎn)變川，傳統(tǒng)的設計理論和方法己經(jīng)不能適應指導現(xiàn)代產(chǎn)品設計活動的要求。計算機支持協(xié)同設計(CSCD， ComputerSupported CooperativeDesign)是計算機支

9、持協(xié)工作(CSCW)的一個重要應用領域，它是CAD和CSCW技術相結合的產(chǎn)物，主要研究群體成員如何在計算機及網(wǎng)絡的支持下進行產(chǎn)品的協(xié)同設計，共同完成產(chǎn)品開發(fā)的問題。計算機支持協(xié)同設計的特點在于產(chǎn)品設計由分布在不同地點的產(chǎn)品設計人員協(xié)同完成，不同地點的產(chǎn)品設計人員通過網(wǎng)絡進行產(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)絡進行設計方案的討論、設計結果的檢查與修改，使產(chǎn)品設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)同設計特別強調(diào)計算機技術、網(wǎng)絡通訊技術、信息技術和現(xiàn)代管理技術在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中的綜合應用，特別強調(diào)人的主體作用，強調(diào)人、技術、管理的有機結合

10、.上述特點使得協(xié)同設計能夠較大幅度地縮短產(chǎn)品的設計周期，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)展的關鍵。針對協(xié)同設計的研究可以從多個角度進行，如協(xié)同設計的支持環(huán)境、協(xié)同設計過程中的智能技術以及協(xié)同設計的實施理論與技術等。這些方面相輔相成，目前更多的是從實現(xiàn)技術細節(jié)展開研究。從設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)同設計研究過渡。對基于二維設計環(huán)境的協(xié)同設計來說，主要集中在協(xié)同設計研究的早期。2.基于HCPN的協(xié)同裝配設計過程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)建模技術的特點，比較適合構建自頂向下協(xié)同裝配設計過程模型。但通過分析現(xiàn)有的Pe

12、tri網(wǎng)建模技術，我們發(fā)現(xiàn)單純采用一種形式的Petri網(wǎng)建模技術，較難解決自頂向下協(xié)同裝配設計過程的動態(tài)行為描述及所構模型的復雜性問題。采用著色Petri網(wǎng)與層次Petri網(wǎng)相結合的層次著色Petri網(wǎng)建模，能綜合兩種建模技術的優(yōu)點，適合自頂向下協(xié)同裝配設計過程建模的需要。2.2方法概述 根據(jù)自頂向下協(xié)同裝配設計的特點，基于HCPN構建自頂向下協(xié)同裝配設計的過程模型?；贖CPN建模的主要過程如下: (l)構建協(xié)同基本活動過程的Petri網(wǎng)模型。 (2)構建基于HCPN的自頂向下協(xié)同裝配設計的過程模型。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)同裝配設計過程模型的特性進行分析，消除設計過程中的沖突與死鎖，保證模型的活性。3.協(xié)同裝配設計過程任務分組及分配3.1任務分配及分配原則一個復雜的產(chǎn)品設計將被劃分為若干個任務，采用分布式的協(xié)同設計，一般情況下，并不一定是一個任務分配給一個設計者來完成，這樣不利于協(xié)同，將增加協(xié)同的復雜性和設計過程管理的難度。實際情況一般是將任務進行分組，然后交給分布在異地的設計組，在可能的情況下，設計組可再根據(jù)實際需要進一步對任務組進行重新分配。不管是最初的任務分組還是對任務組的進一步細分，都包含兩個主要過程:任務分組和任務組分配。以上兩個任務規(guī)劃過程在任何粒度的分組情形下的性質(zhì)是相同的。任務規(guī)劃與任務、任務

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

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

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

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

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

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

20、能都是連續(xù)過程，從而使得整個任務的完工時間遠遠大于所有任務工作量的總和;另外，由于設計者在任務的執(zhí)行過程中需要等待，設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，任務時間窗求解算法既要考慮任務組內(nèi)、外依賴關聯(lián)所產(chǎn)生的時間窗約束，又要考慮減少設計過程的等待次數(shù)和縮短等待時間。設有任務Pi，執(zhí)行時間周期Ti，時間窗可由以下條件決定，一是任務本身的執(zhí)行時間周期Ti，二是任務的開工時間Ds或任務的完工時間De，Ti=Ds-De。由于任務的執(zhí)行時間確定，所以任務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:由于任務與另一任務有依賴關聯(lián)，使得該任務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:由于任務與另一任務有依賴關聯(lián)，使得該任務的完工時間不能晚于某一時間值，即完工時間約束(De<Dcs)。由于任務在組間和組內(nèi)可能存在多個依賴關聯(lián)關系，從而形成對時間窗的多重約束?？傮w上任務時間窗的多重約束可以分成以下三類:(l)任務Pi的開工時間約束，設為(Dcs1:，Dcs2，)，則總的開工時間約束為:Ds>max(Dcs1，D

22、cs2，);(2)任務Pi的完工時間約束，設為(Dce1:，Dce2，)，則總的完工時間約束為:De<min(Dce1,Dce2，);(3)任務Pi既有開工時間約束，設為(Dsl，Ds2，)，又有完工時間約束，設為 (Del，De2，)，任務本身的執(zhí)行時間周期設為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，導致任務時間窗無解，需要重新調(diào)整或劃分任務組，直至滿足任務時間窗約束要求。 5. 結論 協(xié)同的裝配設計模式，是一種新的綜合設計理念，能

23、使產(chǎn)品總體設計與詳細設計同步和穿插進行，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)品的設計準確性和效率。但自頂向下協(xié)同裝配設計模式是以增大產(chǎn)品設計過程的復雜性為代價的，其設計過程具有群體性、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計過程模型、研究該設計過程的本質(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.北京.北京航空航天大學出版社，1994.4G.Pall,W.Beits.Engineering design:a system