网络化协同制造业务建模与关键技术研究

网络化协同制造业务建模与关键技术研究内容摘要：

数据协同是过程协同的基础。 在过程 协同的研究方面，过程建模、优化和控制一直以来都吸引着众多研究者的关注，过程模型也是过程协同实现的关键所在。 在此方向上不同应用领域的国内外学者提出了众多的研究方法，因为学说之繁杂，致使有人专门来研究如何对这些学说进行整理。 Robert P Smith 等人在研究众多过程模型的基础上将其分为序列规划模型、分解模型、随机交货期模型、设计反馈模型和并行模型五类。 过程建模是进行过程优化和控制的基础，也是进行过程协同的基础。 过程建模方法从模型建立的形式上看，可以分为三类：第一类为基于语言的方法，如ULYSSES 框架用 Script 语言来描述设计任务；第二类为基于图形的方法，其中包括了有向图、网络计划和 Petri Net 等方法；第三类为基于知识的方法，如Minerrs 采用了基于知识的设计流描述和管理开发过程。 但是，这些模型和工具并未能很好地满足用户的客观需求，因而，未能在工业界得到普遍认可和应用，过程建模方法仍然值得深入研究。 过程优化分析是对过程进行重组以实现过程的优化。 Steward 提出用设计结构矩阵对具有回路信息要求的众多变量进行排序，并给出了找出耦合集合打破循环的方法； Eppinger 等人发展了 Steward 的设计结 构系统，他们提出的算法考虑了工程的技术结构，不仅能将任务重新排序，而且能将某些任务简化或分解成小的子任务，避免了设计的瓶颈； Kusiak 采用矩阵分析方法，通过将设计过程分解，对设计活动运用聚类（ Cluster Identification）算法和分支定界（ Branch and Bound）算法使任务子集之间具有最小的依赖关系以提高过程的并发性。 上述算法的缺陷是在任务数量较多时，复杂性迅速增加。 由于产品开发过程的复杂性，上述分析方法需要对产品开发过程进行了一定程度的简化，因而与实际的情况有相当的差距。 采用仿真 的方法可以考虑更多因素的影响，但是，仿真方法目前广泛应用于生产过程建模与优化，相对说来，对产品开发过程的仿真研究尚不多见。 基于过程模型的产品开发过程真正开始后，任务调度和资源分配是保证开发过程有序进行的关键。 已有大量文献研究了如何依据过程模型，在资源约束条件下将任务事先分配给开发人员，即任务的静态调度。 但是产品开发过程具有不确定性和多样性，因而静态调度并不能满足实际需要。 Lokesh Gupta 和 Charles Petrie分别提出了基于约束的调度方法，主要解决在产品开发活动发生变化后如何调度的问题。 1 绪论 6 为 了加快产品开发过程，工作流技术被用来驱动整个产品开发过程的运行，实现产品开发过程的自动化。 工作流管理一直是企业界和学术界关注的热点领域， 1993 年，国际上专门成立了工作流管理联盟（ WFMC），按 WFMC 的定义，工作流是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程，根据一系列过程规则，文档、信息或任务能够在不同执行者之间传递、执行。 目前国际上有较大影响的工作流系统包括美国佐治亚大学研制的 Meteor 系统、美国普度大学开发的CORBAflow 系统、土耳其中东大学开发的 METUFlow 系统等。 当前，在知识经济和网络经 济时代的大背景下，工作流技术发生了深刻的变化，其作用已不再是简单地在使用者之间传递任务与数据以实现商业流程自动化，而是能够有效管理商业规则知识库，在商业逻辑发生变化的时候不需要重写应用过程，而且能够聚合、裂变和优化过程知识。 工作流技术作为计算机支持的协同工作的一种重要使能技术，在支持协同产品开发中扮演着重要角色。 但是，产品开发过程具有的不确定性和创造性的特点给工作流技术带来了挑战。 目前的工作流适合于那些过程可以事先明确定义，执行时只需要简单实例化的场合。 将工作流技术运用到产品开发过程时必须解决如何增强工作流 的适应性的问题。 目前的工作流技术在支持复杂产品开发过程方面还存在以下不足： 1) 工作流模型只能描述如办公自动化中电子邮件或文档等简单的工作流，而不能描述工程设计等复杂过程处理。 2) 不能提供很好的互操作性。 例如，在异构环境中， IBM 的 FlowMark 不提供 API 接口以支持一个工作流的输出，作为下一个工作流的输入。 3) 大多数现有工作流应用系统只是作为设计一种协作工具，适用于小群体之间业务的工作流，在体系结构上存在缺陷，缺乏可伸缩性。 4) 大多数现有工作流软件只适合于小团体和轻负载，缺乏有效的后备机制，不具备强的故障恢复能力 ，达不到复杂环境下的应用要求。 课题来源及研究目的与意义 课题来源 课题 来源 为 国家 863 计划先进制造技术领域目标导向课题（ 2020AA04Z1B1） 课题目的 网络化协同设计制造是未来的趋势，对企业快速开发产品，抢占市场有着举足重轻的作用，但业务流程的再造也是很重要的环节，本文主要针对网络化协同设计过程的业务流程进行建模，并给出了软件的技术架构的解决方案，以满足企业 快速响应市场机遇，迅速组织人力、物力资源，开发出质量优、成本低的新产品，赢得市场竞争。 1 绪论 7 课题意义 目 前 ,我国众多机械制造企业中 ,大型企业约占 2%,中小企业约占 98%。 大多数中小企业是大型企业的零部件供应商 ,在设计过程中都需要与供应链的上游主机厂发生连接 ,进行协同。 新产品立项以后 ,整机厂首先进行项目阶段规划 ,编制具体的项目计划 ,然后发布项目任务 ,并向配套厂提供与设计相关的技术文档 ,要求其参照执行。 此间 ,就涉及到了大量的项目协同、技术协同、资源协同需求。 基于互联网的“企业间网络化协同设计与管理平台” (以下简称协同平台 )采用ASP 应用服务提供商的模式向平台用户提供服务。 整机企业利用网络平台与配套企业进行项目的异 地协同 ,技术沟通和资源共享 ,有效缩短开发周期 ,降低开发成本 ,提高产品的市场竞争力。 章节安排 全文 共分为四个章节，每部分的内容如下： 第一章 介绍了本文的研究背景，指出技术进步和外部环境的变化必然导致新方法、新理论、新技术的产生。 在分析现代产品开发特点的基础上，从过程协同和数据协同两个层次对协同产品开发的相关研究进行了系统的综述。 回顾、分析了当前相关领域的研究状况，明确本文的研究重点和主要内容。 第二章结合一般企业间的实际协同业务流程建立了面向主机厂的协同设计业务建模。 详细的描述了主机厂在网络化协同 设计制造系统中怎么开展业务，在协同项目创建后如何选择自己的供应商和零部件厂商，如何通过协同设计平台很好地组织零部件厂商进行协同项目，控制项目进度，最终完成协同项目。 然后利用 UML 建模工具建立了面向主机厂的协同设计业务模型。 第三章针对第二章中的业务流程，从平台实现的角度给出了部分重要环节的解决方案。 第四章在已有的网络化协同设计制造平台上，模拟减速器的网络化协同设计制造过程，从项目的创建、子任务的划分、供应商的查找、动态联盟的形成到任务的发放、数据的发放、任务的管理、任务的评审直至项目文档的形成。 验证了第章 中协同设计制造业务流程的可行性。 第五章结合减速器案例总结了全文的主要工作内容及平台的应用效果，对网络化协同制造所需要进一步研究的工作做了展望。 2 面向主机厂的 协同设计业务建模 8 2 面向 主机厂 的 协同设计业务建模 面向主机厂的减速器协同设计实例 现代产品的复杂度越来越来高，更新换代的速度也越来越快，主机厂要想快速的开发出自己的产品，抢占市场，满足消费者日益增长的需求，协同设计作为一种新的设计理念，自然成为主机厂的首选。 本小节将以减速器为例，说明一般的协同过程是如何进行的。 现在重庆减速器厂 A 需要为某带式运输机设计一减速器 ，重庆减速器厂 A根据设计任务书中 运输带工作拉力 F， 运输带工作速度 V， 输送带滚筒直径 D，先选择电动机的类型，再根据 工作机械所需功率 Pw 计算出 电动机所需功率 Pd，确定电动机的具体型号和转速。 然后根据带轮速度和电动机的实际转速， 确定传动装置的总传动比并分配各级传动比 ，并确定传动形式。 最后确定传动装置的运动及动力参数，包括各轴的转速、 各轴输入功率 、 各轴转矩。 主机厂短时间完成不了设计任务，所以决定将部分设计外包。 初步分为箱体的设计、轴系的设计和减速器附件的设计，如图 所示。 其中箱体有主机厂自己设计，轴系的设 计外包给零配件厂 B 完成， 附件的设计外包给零配件厂 C 完成。 轴系的外包设计有任务输入和任务输出，其中任务输入为每根轴的转速、输入功率和扭矩，还包括预计将与重庆减速器厂 A 和零配件厂 C 的交互内容，比如轴承的选取、端盖与轴之间密封圈的选取以及与主机厂关于箱体外形尺寸的交互等。 输出任务为轴系的设计说明书和三维模型，包括轴和轴上的键和齿轮的设计参数和三维模型。 减速器附件的外包设计同样也有任务输入和任务输出，其中任务输入包括每根轴的设计参数和箱体的外形尺寸。 任务输出为各附件的设计参数，比如轴承端盖、各种螺栓、联轴器、油 标及轴承的选取。 重庆减速器厂 A 完成上述总体设计后，在协同电子商务网上查找满足自己要求的零配件厂商，邀请加入自己的协同项目，成为自己的供应商；或者写好自己的需求信息，在协同电子商务网上发布，让零配件厂商自己找上门，然后主机厂从这些零配件厂商中挑选合适的零配件厂商成为自己的供应商。 协同项目创建后，先将轴的设计任务书发给零配件厂 B，并给其限定设计任务完成时间，零配件厂 B 完成轴的设计任务后，提交设计文档给重庆减速器厂 A，重庆减速器厂 A 组织人员对零配件厂 B 的设计说明书审核，若有问题，打回重新设计，直至通过审核。 轴 系的设计完成后，减速器的箱体设计和附件设计就要 2 面向主机厂的 协同设计业务建模 9 开始了，重庆减速器厂 A 参考轴系的设计数据和箱体的设计数据写好减速器附件的设计任务书，并将其发给零配件厂 C，同样给其限定任务完成时间。 外协厂的数据同样要经过审核才能算完成设计任务。 重庆减速器厂 A 拿到所有的设计数据后，开始虚拟装配，当发现冲突后，分析到底是哪里有错，然后通知相关企业开会讨论如何解决冲突，最终确定解决方案，完成项目的设计任务。 总体设计 重庆减速器厂 A 为国内比较知名的减速器供应商，在行业内有较好的声誉。 其总部设在重庆市沙坪坝区，现有员工 300 多人。 现应某带式输送机厂商要求需要 设计带式输送机的传动系统，采用两级圆柱直齿齿轮减速器传动。 减速器任务书如下所示： 设计带式输送机的传动系统，采用两级圆柱直齿齿轮减速器传动。 （ 1）外形美观，结构合理，性能可靠，工艺性好； （ 2）多有图纸符合国家标准要求； （ 1）运输带工作拉力 F=4KN， ， 5KN （ 2）运输带工作速度 V=， ， （ 3） 输送带滚筒直径 D=450mm， 450mm， 450mm 两班制工 作，空载起动，载荷平稳，常温下连续（单向）运转，工作环境多尘，中小批量生产，使用期限 10 年，年工作 300 天。 重庆减速器厂 A 接到上述设计任务书后组织人员完成总体设计，传动方案如图 所示，计算过程如表 所示。 图 传动方案的拟定 2 面向主机厂的 协同设计业务建模 10 减速器总体设计 表 设 计 计 算 与 说 明 运输带工作拉力 F=4KN 运输带工作速度 V=输送带滚筒直径 D=450mm 一 、 选择电动机的类型 按工作要求和条件，选用 Y 系列一般用途的全封闭式自扇冷鼠笼三相异步电动机。 二 、 计 算和选择电动机的容量 1．求工作机械所需功率 wP F D 4 0 0 0 4 5 0T = = = 9 0 0 N m 2 2 1 0 0 0  2020 60 3 m i 450wnr 主 执 行 机 构 —— 主执行机构的传动效率，取  主 执 行 机 构 ； 由方案可得 9 0 0 8 4 . 9 3 8 . 69 5 5 0 9 5 5 0 0 . 9 3ww wTnP K W    2．求电动机所需功率 dP wdaPP  32a      V带 刚 联 减 速 器 齿轴 承 式中 a —— 电动机至主执行机构冲头的传动总效率 V带 —— V 带的效率，查得  V带 ； 刚 联 —— V 带大轮轴与减速器输入轴间的联轴器，取 1 钢 联 ； 减 速 器 —— 减速器的效率，查得  减 速 器 ； 轴 承 —— 一对滚动轴承的效率，取  0 .9 9 轴 承 角 接 触 球 轴 承； 齿 —— 一对闭式圆柱齿轮传动齿合效率，当齿轮精度为 8 级（不含轴承效率）稀油润滑时取  齿 ； 则 320 . 9 5 1 0 . 9 6 0 . 9 9 0。