计算机集成制造系统(大)

1、 计算机集成制造系统 题 目： 协 同 装 配 设 计 学 院： 专 业： 姓 名： 学 号： 年 级： 任课教师： 摘 要 随着现代产品复杂程度的提高，企业为了增强竞争力，在激烈的市场竞争环境下取得成功，必须缩短产品的开发周期和降低产品成本，提高产品的开发效率和经济效益。自顶向下协同装配设计是一种新的设计模式，新设计模式的采用给产品设计过程管理和规划带来了的挑战。本文以协同装配设计过程建模及规划技术为研究对象，通过分析协同装配设计过程特点，提出层次着色Petri网(HCPN)建模方法，以设计者的设计过程活动为建模对象，基于HCPN构建自顶向下协同装配设计过程的模型，以刻画设计过程的复杂行为特

2、征，揭示设计过程的内涵特点。采用设计结构矩阵表达任务之间的关联关系，提出设计组承担的任务量均衡和分在同一任务组内的任务具有较高关联祸合度两个分组原则，并采用基于多目标的遗传优化算法，以实现任务的合理分组，达到缩短产品开发周期和设计组之间的交互量的目标。 关键词：协同装配设计 过程规划 过程建模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. 引言产品设计是一个将人的某种目的或需要转换为一个具体的物理形式或工具的过程，产品设计也可以看作是有步骤地分析与综合，不断从定性到定量的问题求解过程。产品设计是产品全生命周期设计过程中最重要的环节和最重要的因素。产品全生命周期包括需求分析、设计、生产制造、销售、售后及回收利

8、用等多个环节，其中产品设计的知识含量需求高，是高增值的环节。虽然产品设计只占了产品成本的5%左右，但却往往决定了8俄左右的产品成本，决定着产品的结构、性能、质量、成本、交货时间以及可制造性、可维修性以及人、机、环境等要素。随着市场竞争日益激烈和经济全球化，用户对产品要求的个性化和多样化，产品的复杂程度越来越大，涉及的技术和科学领域也越来越多，产品开发所依赖的各种资源，已经逐步由传统的垂直结构向水平结构，即分布式结构转变川，传统的设计理论和方法己经不能适应指导现代产品设计活动的要求。计算机支持协同设计(CSCD， ComputerSupported CooperativeDesign)是计算机支

9、持协工作(CSCW)的一个重要应用领域，它是CAD和CSCW技术相结合的产物，主要研究群体成员如何在计算机及网络的支持下进行产品的协同设计，共同完成产品开发的问题。计算机支持协同设计的特点在于产品设计由分布在不同地点的产品设计人员协同完成，不同地点的产品设计人员通过网络进行产品信息的共享和交换，实现对异地以X等软件工具的访问和调用，通过网络进行设计方案的讨论、设计结果的检查与修改，使产品设计工作能够跨越时空进行，使企业能够快速开发新产品。计算机支持的协同设计特别强调计算机技术、网络通讯技术、信息技术和现代管理技术在整个产品开发过程中的综合应用，特别强调人的主体作用，强调人、技术、管理的有机结合

10、.上述特点使得协同设计能够较大幅度地缩短产品的设计周期，降低产品的开发成本，提高新产品的开发能力，成为企业赢得竞争，不断发展的关键。针对协同设计的研究可以从多个角度进行，如协同设计的支持环境、协同设计过程中的智能技术以及协同设计的实施理论与技术等。这些方面相辅相成，目前更多的是从实现技术细节展开研究。从设计的对象及模型来看，目前主要有面向零件和面向装配的协同设计，模型的类型主要有二维和三维两种。从研究的现状来看，目前的研究是以三维建模环境为主，逐渐从单个零件向复杂的装配件协同设计研究过渡。对基于二维设计环境的协同设计来说，主要集中在协同设计研究的早期。2.基于HCPN的协同装配设计过程2.1层

11、次着色Petri网(HCPN) Petri网是一种面向图形的建模语言，具有很强的动态分析能力。Petri网是完全从过程的角度出发的，它在描述并发、冲突、同步等重要行为现象上所表现出的优势，以及具有形式化步骤与数学图论相支持的理论严密性，特别是图形表达的直观性和便于编程实现的技术特点，使其适用于对不确定性的并发系统进行形式化建模，适用于对事件和状态存在优先、交错、并发和冲突等约束的动态行为进行表示，能够较好的满足动态协作的建模需要。但普通Petri网在描述复杂系统时，会由于节点过多，引起状态爆炸等问题。根据Petri网建模技术的特点，比较适合构建自顶向下协同装配设计过程模型。但通过分析现有的Pe

12、tri网建模技术，我们发现单纯采用一种形式的Petri网建模技术，较难解决自顶向下协同装配设计过程的动态行为描述及所构模型的复杂性问题。采用着色Petri网与层次Petri网相结合的层次着色Petri网建模，能综合两种建模技术的优点，适合自顶向下协同装配设计过程建模的需要。2.2方法概述 根据自顶向下协同装配设计的特点，基于HCPN构建自顶向下协同装配设计的过程模型。基于HCPN建模的主要过程如下: (l)构建协同基本活动过程的Petri网模型。 (2)构建基于HCPN的自顶向下协同装配设计的过程模型。该建模过程主要由以下两个部分组成:协同设计过程建模和外部信息处理过程建模。 (3)对自顶向下

13、协同装配设计过程模型的特性进行分析，消除设计过程中的冲突与死锁，保证模型的活性。3.协同装配设计过程任务分组及分配3.1任务分配及分配原则一个复杂的产品设计将被划分为若干个任务，采用分布式的协同设计，一般情况下，并不一定是一个任务分配给一个设计者来完成，这样不利于协同，将增加协同的复杂性和设计过程管理的难度。实际情况一般是将任务进行分组，然后交给分布在异地的设计组，在可能的情况下，设计组可再根据实际需要进一步对任务组进行重新分配。不管是最初的任务分组还是对任务组的进一步细分，都包含两个主要过程:任务分组和任务组分配。以上两个任务规划过程在任何粒度的分组情形下的性质是相同的。任务规划与任务、任务

14、组和设计组之间的关系如图3-1所示。图3-1说明一个任务组可以有一个或一个以上的任务，一个任务组可以由多个设计组来承担，但一个设计组只能承担一个任务组。图3-1：1任务、任务组和设计组之间的关系 协同装配设计过程复杂，设计者之间需要大量的协作和共享信息，采用自顶向下协同的设计方式大大增加了设计过程管理的复杂度，需要通过有效合理的规划来提高设计过程的效率，以减少交互，控制产品的设计周期。为了控制产品的设计周期和减少各设计组之间的交互量，本章基于以下原则进行自顶向下协同装配设计过程的任务规划。原则1:通过合理的任务分组，使每个设计组的工作量尽可能均衡。根据自顶向下协同装配设计过程具有高度并行性，且

15、设计过程中各种信息具有不确定性和不完善性等特点，工作量最大的设计组将决定整个产品的设计周期，也可以说，只要有一个设计者工作没有完成，设计结果就不能算确定，其他设计者的设计结果都有修改的可能，不能算真正的完成。所以要使得产品的设计周期尽可能短，工作量最大的设计组的工作量应尽可能小。 原则2:通过合理的任务分组方案，同一任务组内的任务具有较高的关联祸合度。任务组的属性主要包括任务组的关联关系、工作量、复杂度和进化度，这些属性决定了任务组在产品设计中的关键度。为了充分发挥设计组的综合能力，提高协同设计质量，应该把关键度高的任务组分配给综合能力强的设计组，这样能增加设计过程的可靠性，更能保证按时按质的

16、完成产品的设计任务，即综合能力越强的设计组应承担越关键的任务组的设计。 3.2方法概述 结合各设计任务的特点，按任务的工作量大小对其进行分类，以任务分组矩阵作为遗传算法的染色体，并按照任务分组原则确定满足多目标要求的适应度函数，实现任务的合理分组;在此基础之上，采用多属性决策算法从多个设计组选择合适的设计组承担设计任务，并按任务组分配原则，采用基于树的任务组分配算法实现任务组的合理分配。本方法的流程如图3-2所示: 图3-2：协同装配设计过程任务分组及分配流程 4基于任务时间窗的协同装配设计过程调度4.1方法概述 采用依赖关联设计结构矩阵表达设计任务之间的关联关系;基于并行任务串行化及串行任务

17、并行化原则，并根据任务组内外任务的关联约束，提出任务执行时间窗求解算法;在上述基础之上，提出基于DSM的随机择序设计过程随机调度算法，以实现自顶向下协同装配设计过程的合理调度。本方法的流程如图4-1所示。 图4-1：协同装配设计过程任务分组及分配流程4.2基于设计结构矩阵的设计任务关系表示 在自顶向下协同装配设计过程中，整个设计活动是高度并行的，活动之间关系的合理表达是进行设计过程规划的前提条件，而设计结构矩阵是表达设计活动依赖关联关系最常用的方法。设计结构矩阵可描述任务在设计过程之间的关系，评价任务间信息交流的程度及其对整个开发过程的影响。任务之间串行、并行和交互祸合关系的设计结构矩阵如表4

18、-2所示，A、B代表设计任务。 表4-2：依赖关联的设计结构矩阵表示串行并行耦合ABABABDSM表示A00A00A01B10B00B10 不同类型的产品其设计结构矩阵是不相同的，在给设计结构矩阵赋值时，不但要考虑产品自身的特点，还要充分考虑协同装配设计过程的特点。由于自顶向下协同装配设计是在已知概念设计草图和重要的设计结构参数的基础上进行的，产品的重要结构参数之间的关联关系和关键零部件之间的装配接口关系也是己知的。参数关系和装配接口关系都属于直接关联关系，可以用0和1布尔值进行量化表达依赖关联关系，但如果单独使用参数关系或装配接口关系来描述任务的依赖关联关系都不合适，因为参数关系可能太复杂，

19、而装配接口关系可能太简单。而目前大部分的算法是直接基于工程师的经验给出任务之间的依赖关联关系，但工程师的经验也存在考虑不完善的方面。所以任务的依赖关联关系具体表达最好通过有经验的工程师，并结合参数依赖和装配接口关系来获得。4.2设计任务时间窗确定协同装配设计过程调度中最重要的是任务的时间窗确定，是影响产品设计周期和执行效率的决定因素。任务的时间窗(TTW)是指任务在设计过程调度中的具体执行时间，确定了任务在项目中的执行流程。由于任务之间存在复杂的依赖关联关系，设计过程会产生各种约束，从而影响任务的时间窗。设计过程中产生的约束是确定任务时间窗的主要影响因素。由于任务之间存在约束，使得任务执行不可

20、能都是连续过程，从而使得整个任务的完工时间远远大于所有任务工作量的总和;另外，由于设计者在任务的执行过程中需要等待，设计者重新开展工作要多花一定的时间去熟悉已经完成的工作，这样会降低工作效率。综上所述，任务时间窗求解算法既要考虑任务组内、外依赖关联所产生的时间窗约束，又要考虑减少设计过程的等待次数和缩短等待时间。设有任务Pi，执行时间周期Ti，时间窗可由以下条件决定，一是任务本身的执行时间周期Ti，二是任务的开工时间Ds或任务的完工时间De，Ti=Ds-De。由于任务的执行时间确定，所以任务的时间窗只需已知以上任意两个参数即可，即可写成TTW=(Ds，De)、TTW=(Ds.Ti)和TTW=(

21、De，Ti)三种形式之一。(以上含D的时间参数，都表示日期，时间越早，数值越小)。时间窗约束的定义及分类如下:开工时间约束Des:由于任务与另一任务有依赖关联，使得该任务的开工时间不能早于某一时间值，即开工时间约束(Ds>Des)。完工时间约束Dce:由于任务与另一任务有依赖关联，使得该任务的完工时间不能晚于某一时间值，即完工时间约束(De<Dcs)。由于任务在组间和组内可能存在多个依赖关联关系，从而形成对时间窗的多重约束。总体上任务时间窗的多重约束可以分成以下三类:(l)任务Pi的开工时间约束，设为(Dcs1:，Dcs2，)，则总的开工时间约束为:Ds>max(Dcs1，D

22、cs2，);(2)任务Pi的完工时间约束，设为(Dce1:，Dce2，)，则总的完工时间约束为:De<min(Dce1,Dce2，);(3)任务Pi既有开工时间约束，设为(Dsl，Ds2，)，又有完工时间约束，设为 (Del，De2，)，任务本身的执行时间周期设为Ti，则总的开工时间约束和总的完工时间约束为:Ds+Ti<min(Dce1，Dce2，)De-Timax(Dce1,Dce2，)如果任务时间窗约束有解，必须满足上述三种约束，否则将产生冲突，导致任务时间窗无解，需要重新调整或划分任务组，直至满足任务时间窗约束要求。 5. 结论 协同的装配设计模式，是一种新的综合设计理念，能

23、使产品总体设计与详细设计同步和穿插进行，能使组件之间、组件和装配模型之间的几何对象相互参照，能使并行过程最大化，从而提高产品的设计准确性和效率。但自顶向下协同装配设计模式是以增大产品设计过程的复杂性为代价的，其设计过程具有群体性、分布性、交互性、协调性和动态性等特点，且设计过程没有的固定的模式，相互之间存在各种约束，随时可能发生干涉或冲突，所以需要通过形式化的方法建立其设计过程模型、研究该设计过程的本质内涵及其管理。 6. 鸣谢 由于以前学的专业是偏机械方面的课程，对于计算机集成制造系统这块基本没有接触，所以这门课程在学的过程中遇到了很大的困难，不过在这一过程中多亏有周围的不断帮助，尤其是得到

24、了黄海松教授的细心讲解和耐心指导，才使我在迷茫中找到了学习这门课程的方向和方法。黄教授在讲课过程中耐心、细心，并且用理论联系实际形式，让我们在学习一些基本概念的同时举一些计算机制造系统的实例，让我们能够很快地理解教材上的一些枯躁的定义等，在此，对黄教授表示十分感谢!并希望在今后的学习科研中还能向黄教授请教学习！ 7 参教文献l谢友柏.现代设计理论和方法的研究.机械工程学报.2004，40(4):1一9. 2G.Ullinan.The mechanical design Proeess.New York.McGraw-Hill,1992.3唐荣锡.CAD/CAM技术.北京.北京航空航天大学出版社，1994.4G.Pall,W.Beits.Engineering design:a system