（机械设计及理论专业论文）基于web的协同装配规划.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 网络技术和协同技术的发展为计算机辅助装配规划提供了新的手段，j 本文旨在 探讨利用网络的协同工作支持能力，解决现有装配规划中存在的对象产品复杂程度 有限、人机协同方式简单、求解的组合爆炸难以避免等问题。 首先，本文从装配建模、计算机辅助装配规划技术、c s c w 技术、网络技术等 多个方面分析和总结了国内外相关研究成果和最新研究进展。( 在此基础上，提出基 于w e b 的协同装配规划系统集成框架，该框架以一个适于网络协同的装配规划工作 流程为主线，对其各个阶段提供网络和应用支持。集成框架以w e b 环境为应用平台， 结合现有的c a d 系统，形成一整套的装配设计规划工具。) 其次，本文建立了面向w e b 环境的协同装配模型，在整体上采用多又树描述组 成零部件间的逻辑从属关系。姓& 过利用v r m l 描述零部件的几何形体，使得模型在 w e b 环境的应用成为可能。由于在模型中加入了装配联系拓扑图和装配体零部件的 工程语义信息及协同并发控制信息，使得装配模型可以应用到协同工作环境中。j 然后，提出了装配体的分解原则，设计了协同装配分解模型和模型的分配算法。 在分析了装配序列隐含的信息以及子装配体规划结果在整体装配体中的适用程度 的前提下，提出利用予装配序列合成得到整体装配体的装配序列图的算法。以合成 装配序列图为输入条件建立了序列规划提示算法，算法产生提示用来引导装配规划 人员的在协同装配规划环境中的规划工作。) 最后，结合以上建模结构和各种算法，利用j a v a 和v r m l 语言开发了基于w e b 的协同装配规划原型系统w e b c a p s 。( 通过具体的实例对上述方法进行了验证。总 结了全文，并提出了进一步研究工作的方向和内容。0 关键词：协同装配规划；装配建模i 装配体分解，子序列合成，w e k i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n t so f t h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dc o l l a b o r a t i v et e c h n o l o g ys u p p l ya n e w w a y t os o l v ea s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n gp r o b l e m t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so nu t i l i z i n g t h ec o l l a b o r a t i v ec a p a b i l i t yo ft h en e i w o r ka n ds o l v i n gt h ed i f f i c u l t ye n c o u n t e r e di nt h e t r a d i t i o n a la s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n gt e c h n o l o g y a tf i r s t ，t h et h e s i sr e v i e w sr e l a t e dl i t e r a t u r e si n c l u d i n ga s s e m b l ym o d e l i n g ，c o m p u t e r a i da s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g ，c s c w ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ew o r k ) ，w e b t e c h n o l o g ya n ds oo n a ni n t e g r a t e df r a l n e w o r ko fw e b b a s e dt o l l a b o r a t i v ea s s e m b l y p l a n n i n gs y s t e mi sp r o p o s e dw h i c hi s b a s e do naw e bo r i e n t e da s s e m b l yp l a n n i n g p r o c e s s f u r t h e r m o r e c u r r e n tc a d t o o l sa r ei n t e g m t e di n t ot h ef r a m e w o r kt of o r mas e t o f p o w e r f u la s s e m b l y o r i e n t e da n a l y s i st o o l so nt h ep l a t f o r mo f w e be n v i r o n m e n t s e c o n d l y , t h et h e s i s e o n s l a - u c t saw e bo r i e n t e dc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l ym o d e l i n w h i c hah i e r a r c h i c a lt r e ei su s e dt od e s c r i b et h e l o g i c a lr e l a t i o n s h i p sa r n o n gt h e c o m p o n e n t so f t h ea s s e m b l y i nt h i sm o d e l ，t h eq u a n t i t yo ft h ed a t au s e dt od e s c r i b et h e m o d e lg e o m e t r i cs h a p eh a sb e e nc u td o w ns u c c e s s f u l l y b yu s i n g av r m l f o r m a t d e s c r i p t i o na s ar e s u l t ，t h en e wf e a t u r em a k e si tp o s s i b l ef o rt h em o d e lt ob eo p e r a t e di n t h ew e be n v i r o n m e n t m o r e o v e rw ea d ds o m eu s e f u li r f f o r m a t i o nt ot h em o d e ls u c ha s a s s e m b l yi i a i s o i lg r a p h ，u s e ri n f o r m a t i o na n d c o n c u r r e n f l j r c o n t r o li n f o r m a t i o n a i 】a b o v e m a k et h em o d e ls u i t a b l ef o rc o l ：i a b o r a t i v ce n v i r o r m a e n t t h i r d l y ，t h et h e s i sp r o p o s e sap r i n c i p l eo ft h ea s s e m b l yd e c o m p o s i t i o n a na s s e m b l y d e c o m p o s i t i o nm o d e la n d at a s k - a s s i g n m e n ta l g o r i t h ma r ep r o p o s e d a f t e ra n a l y z i n gt h e f e a s i b i l i t yo f t h es y n t h e s i so f t h e s u b - s e q u e n c e si n t oaw h o l ea s s e m b l ys e q u e n c ed i a g r a m , t h et h e s i sp r o p o s e sas u b s e q u e n c es y n t h e s i sa l g o r i t h ma n da p r o m p ta l g o r i t h mu s e di n c o l l a b o r a t i v ee n v i r o n m e n t a t l a s t ，u s i n gj a v a a n d v r m l ：t h et h e s i sd e v e l o p sap r o t o t y p es y s t e mo fw 曲b a s e d c o l l a b o r a t i v e a s s e m b l yp l a n n i n gs y s t e m ( w e b c a p s ) t h es y s t e mi st e s t i f i e db vm e e x a m p l e f i n a l l y , t h et h e s i si ss u m m a r i z e da n dt h ef u t u r ew o r k sa r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：c o l l a b o r a t i v e a s s e m b j y p l a n n i n g ，a s s e m b l y m o d e l i n g ，a s s e m b l y d e c o m p o s i t i o n ，s u b - s e q u e n c e ss y n t h e s i s w e b 。 一一 i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 11 背景 第一章绪论 随着全球经济的快速发展，世界经济一体化己逐步形成，市场竞争也愈演愈烈。 由于产品的更新换代设计周期不断缩短，为减少产品设计所需的时间与成本，提高 设计的质量与效率，许多公司不得不重新评价产品的设计过程，并开始求助于新的 设计技术。自八十年代以来，c a d c a m 技术的发展给制造业带来了革命性的变化， 促进了自工业革命以来生产率最大的飞跃。 从九十年代起，国内外很多企业在不同层次上实施了c i m s 、并行工程、敏捷 制造、网络制造等现代制造思想和技术。这样，在生产上表现为全球性供应链式生 产，在设计上表现为考虑产品全生命周期的设计。全新的产品全生命周期的设计方 法并行工程以缩短产品研制开发周期、全面提高产品质量和降低产品成本及方 便用户为目标。并行工程采用并行的而不是串行的工作模式来展开产品丌发活动。 它通过综合考虑各相关因素的影响，将后续应用环节中可能出现的问题尽可能提前 到产品开发的早期阶段解决，从而减少了产品开发过程中的设计时间，使产品的零 部件在制造、装配等方面都具有优良的性能，避免了因产品开发前期的失误给后期 造成的损失。这也正是并行工作模式与串行工作模式的本质区别。目前，公认的并 行工程定义为：“并行工程是一种在网络通讯和信息集成环境条件下对产品设计及 其相关过程( 包括制造和后勤过程) 进行并行、一体化设计的系统化工作模式。这 种方法使所有参与产品开发过程的人员能够完整、系统的考虑到自身活动在产品从 概念设计到产品报废的整个产品生命周期中所受到的约束和可施加的影响”【l 】。 现代制造业数据显示，装配工作量占整个制造工作量的2 0 7 0 ，平均起 来为4 5 。装配时间占整个制造时间的4 0 6 0 ，且装配工作中占用的手工劳 动量大，费用高，因此提高装配生产率带来的经济效益远比简单地降低零件的生产 成本效果显著。计算机辅助装配规划是并行工程的核心领域之一。其研究目的是从 装配的角度去评价产品在装配生产过程中的几何、工程、工艺、制造等方面的装配 i 华中科技大学硕士学位论文 划，计算机辅助装配规划技术可以在产品设计完成后规划装配体的装配序列和装配 路径，从而评价产品的可装配性、稳定性等产品设计的优劣，其规划得到的装配序 列和路径也可为下一步的制造提供指导。 然而就目前的产品设计和产品开发技术现状来看，有关产品装配结构及其工艺 的设计分析工具和水平仍然十分落后，这与装配在产品生命周期中的重要地位极不 相称。就现行的产品装配序列规划而言，c a d g e 具软件对产品装配分析的支持能力 还很差。以当前较为流行的p r o e i i d e a s 等系统来看，只做到对装配体的几何结构 设计和简单几何特征之间的干涉关系检验等功能的支持，因此仍然是在几何范畴内 的分析和设计。而在c a p p 系统中，目前也多是针对单个零件制造工艺的设计，而 对包括产品装配顺序规划在内的产品装配工艺设计与分析能力几乎没有。由于装配 规划的技术和手段落后，目前企业设计部门仍是依靠技术经验丰富的设计师、工艺 师来完成产品装配结构及装配工艺的设计任务，因而导致了设计周期长、设计受设 计者的知识局限性和主观性影响较大。尤其对于复杂产品的装配规划，规划人员往 往无法将各方面、各层次的问题都考虑进来，只能凭借经验来寻求可行解或局部较 优解，而全局最优的目标往往难以实现。 1 1 2 课题的提出 计算机辅助装配规划主要是研究在产品设计阶段，考虑产品零部件的装配序列、 装配路径、可装配性、装配难易程度和装配成本等因素，并根据面向装配的评价体 系进行综合评价和分析。它一方面为产品的设计提出合理修改意见，另一方面选出 较优的装配工艺为制定产品的装配工艺规程提供指导性意见，从而提高产品下游设 计与制造的一次成功率。计算机辅助装配规划能缩短开发周期，降低开发成本，对 产品的开发有着重大的影响，是并行工程的关键技术之一。 装配规划问题实际上是一个组合问题，装配体的装配序列数目将随着装配体零 件数目的增加呈指数关系增加。传统的装配规划方法般首先从零件的装配优先关 系考察零件的相互关系，尽可能的得到一个装配体的所有可行装配序列，然后通过 工程优化的方法得到工程较优的装配序列。以某装配体为例，其组成零件有1 1 个， 则其可行的装配顺序可以有5 0 7 4 8 条。这些装配顺序都是几何上无于涉的可行装配 顺序，而且，随着装配体中包含的零件数目的增多，几何可行装配顺序数目将随之 2 华中科技大学硕士学位论文 呈指数关系增长。这种特性使得现有的很多装配规划万压郁个口j ) 壁兜削趣到刖豕 品复杂程度有限、人机协同方式简单、求解的组合爆炸难以避免等问题。 为解决现有装配规划技术中随着零件数目增多而产生的求解组合爆炸难以避免 的问题，本文提出一种新的装配规划方法，该方法通过对装配体进行分解，降低求 解问题的规模和复杂程度。即先将一个复杂的装配序列规划问题分解为若干个难度 。 和规模较小的装配规划问题，然后利用现有装配规划技术和手段规划子装配体的装 配序列和装配路径，最后通过局部的装配规划结果获得整体装配体的规划结果。 网络技术和协同技术的发展为计算机辅助装配分析技术的发展提供了新的方向 和应用前景。w e b 技术的发展已经使i n t e m e t 成为一个开放的数据和应用共享平台， 也使得现有不同企业和不同应用系统间异构数据之间的数据共享成为可能。i n t e m e t 的发展同时也加快了企业动态联盟，网络制造等技术的实现。c s c w 技术使得分布 于网络环境中的不同用户可以共同参与到协同工作空间中协同地完成某一工作。借 助w e b 环境下的c s c w 技术研究的成果，可以在w e b 环境下为装配规划人员提供 一个协同装配规划环境，使多个装配规划人员共同地参与到一个装配规划工作中， 从而提高装配规划的效率。因此，有必要建立一个基于w e b 的协同装配规划支持环 境，在协同工作环境中支持本文提出了新的装配规划方法，即先将装配体分解并分 配给装配规划人员，待规划人员完成其负责的子装配体的规划任务后，在协同装配 规划工作环境中共同规划装配体。 依据以上讨论，作者参与了国家自然科学基金资助重大项目支持产品创新 的先进制造技术若干基础研究的子课题“支持产品创新设计的知识获取、组织、传 递及运用研究”( 项目编号为：5 9 9 9 0 4 7 0 2 ) 。 在研究过程中，本文提出了基于w e b 的协同装配规划分析系统框架。整个框架 以装配模型为基础，面向协同装配规划工作流程，面向协同网络环境，将现有的 c a d 系统、d f a 系统和基于w e b 的协同装配规划系统有机的结合起来，在基于 w e b 的协同工作空间中完成装配规划工作。同时，建立了w e b 环境下协同装配建模， 克服了现有装配模型不适用于w e b 环境、没有并发控制信息导致无法适应协同装配 工作空间的等缺点，最终形成一个面向w e b 环境的支持协同工作的装配模型。此外， 该系统还建立了协同工作环境下新的装配规划工作流程，这种新的装配规划工作流 程包括装配任务的分解与分配、分解后的子装配体规划结果的合成等相关方面研 究，并通过利用协同工作的优势来提高装配规划工作效率。 一_ 一一 3 华中科技大学硕士学位论文 1 1 3 课题的目的及意义 课题目的在于研究适用于网络协同环境下新的协同装配规划方法，解决现有装 配规划技术难以解决的问题。同时，研究w e b 协同工作环境，探讨在w e b 环境下 异地用户应用通讯实现方法，实现基于w e b 的协同装配规划原型系统以支持协同装 配规划方法。 课题研究的意义在于： ( 1 ) 用多人协同的工作方式，提高了装配规划的效率，提高了装配规划方法 在大规模复杂产品上的应用能力，克服了现有装配规划方法和手段难以 解决的问题。 ( 2 ) 通过分解装配体，降低装配规划问题的难度和问题的规模，避免了传统 装配规划问题难以克服的组合爆炸问题。 ( 3 ) 运用c s c w 技术的成果，提高了现有装配规划技术的协同化、网络化水 平。 ( 4 ) 采用w e b 作为应用平台，便于集成现有各种c a d 系统和装配设计分析 系统，为下一代基于i n t e r n e t 的网络设计分析和网络制造等系统做探索 性研究。 1 2 相关文献综述 1 2 1 装配规划技术 装配建模 装配建模技术是c a d 系统三大建模技术之，也是装配技术的基础。目前c a d 建模技术中几何建模和特征建模已有相当成熟的理论和实际系统，但在描述产品集 成信息，尤其是在支持装配特征的产品建模技术上，这两种建模方法是无能为力的。 装配建模正是在这种需求下提出的，它是建立在产品功能要求的基础上的建模技 术，是面向功能设计的信息集成。对于装配建模，国外学者己作了大量的研究工作， 装配建模技术也逐步由用图表达的拓扑结构向用树表达的层次结构发展。 4 华中科技大学硕士学位论文 ”k 一一一一一，。 。羔二二；二二二二奢 。 j j 。 j 、一t 二二二二二二一 ( a ) 装配体示意图 ( b ) 联系图模型 图卜1 示例装配图及联系图 1 ) 联系图模型7 1 联系圈模型是由法国学者b o u r j a u k 提出的，以连通图g ( p - l ) 表达装配体，p 表 示零件集合，l 为零件间的联系集合。图1 - 1 ( b ) 为图1 ，1 ( a ) 所示例子的联系图模型。 将零件之间的物理接触关系定义为联系即装配关系，其优点是方法简单，仅需联接 产品中存在物理装配关系的零件即可得到产品装配关系联系图，易于实现自动装配 建模。缺点是零件之间的联系并不对应具体的装配操作，利用联系图模型难以实现 自动装配规划。 2 ) 联接矩阵法8 装配关系联接矩阵( c o n n e c t i o nm a t r i x ) 是联系图模型的矩阵表示形式。如果零件 之间存在物理装配关系，则对应的矩阵元素为1 ，否则为0 。表1 1 为图1 - l 所示的 装配体的联接矩阵。根据装配关系联接矩阵的代数特性，能容易地判断装配体中零 件的联接紧密度，并可通过找出单位值最多的行或列识别出装配体的基础件。 表1 - 1 联接图的矩阵表达 螺钉1螺钉2螺钉3螺钉4底座平盖板 螺钉1 oooo11 螺钉2o00o1 1 螺钉3 00oo11 螺钉4o0o0】1 底座111101 平盖板 l1 1ll0 3 ) 增强联系图模型 华中科技大学硕士学位论文 接触。配合类型包括圆柱配合、棱柱配合、螺纹配合、焊接配合、粘接配合和虚拟 配合等类型。增强联系图g ( p ，l ) 中l 的形式化表示为： 上m = l i a i s o ( 只，c f 舻只) ( 1 1 ) 其中，p ，只p ，l 业上，“为0 ，只之间的联系，c 为接触类型矩阵，t 为配 合类型矩阵，c j 。和f 。的表达式分别由( 1 2 ) 式和( 1 3 ) 式给出： q = 芝c c j v 童 z ， 巧= 乏毛主 s ， 其中巴，b ，j x , y ，：，；，一y ，j ) 分别代表零件p 、只在z 、y 、z 六个方向的 接触类型和配合类型。与联系图模型相比，增强联系图模型增加了信息量 4 ) 关系模型( r e l a t i o n a lm o d e l ) 关系模型( r e l a t i o n a lm o d e l ) d qh o m e m d em e l l o 和a c s a n d e r s o n 提出0 i ，关系 模型由五元组 组成，其中，p 为零件集合，c 为零件间的物理接 触集合，a 为联接集合，r 为p u c u a 中各元素间的关系集合，f 为p u c u a u r 上的属性函数集合。关系模型由零件间的关系图及对应的属性函数表达。图1 3 为 图1 - 2 所示的产品关系模型图。 口口匠辟 图卜2 装配体爆炸图 图1 - 3 产品关系图模型 一一 6 华中科技大学硕士学位论文 关系模型区分了零件之间的接触关系和联接关系，记录的信息比联系图模型丰 富，因而利用关系模型比联系图模型更易于实现自动装配规划。然而，由于关系模 型记录了零件接触面之间的物理信息，使得所建立的图模型不是简单图，增加了装 配建模的难度。 5 ) 产品等级装配模型( h i e r a r c h i c a la s s e m b l ym o d e l ) 装配体的结构具有层次性，装配体可以分解为子装配体，子装配体又可分解为 下级子装配体和零件的集合。其优点是能方便地表达装配体的层次信息。等级模型 隐含了部分装配序列信息，等级模型中下层零部件的装配总是优先于上层零部件的 装配，同层次零部件之间装配关系的表达类似于关系模型。对于复杂装配体，采用 等级模型可减少装配规划的复杂度，提高装配规划效率。l e e 和g o s s a r d 都采用如 图1 - 4 所示的树形结构来表达装配体1 1 1 1 。 计算机辅助装配序列规划 1 ) 装配序列的产生与选择 1 9 8 4 年以来，b o u r j a n l t ，s a n d e r s o n 和h o m e md em e l l o 等人奠定了计算机辅助 装配顺序规划研究的基础1 1 2 - ”j 。这一时期的装配顺序规划研究主要集中在装配顺序 的几何可行性分析以及几何可行装配顺序求解研究。b o u r j a u k 提出了装配顺序优先 关系的概念用来描述装配体中各零件之间的装配顺序几何干涉关系。装配优先关系 是指装配体中某些零件之间的装配顺序先后关系，这种关系是随装配体结构设计而 确定的内在的、隐含的几何约束关系，这种关系一旦违背，则无法完成装配。因此， 装配顺序规划问题，其实质是对装配结构设计内在的、隐含的几何约束关系的分析、 提取和满足过程。一旦所有的装配顺序几何优先关系被完备并正确地推理出来，装 配顺序规划问题就成为在装配顺序优先关系约束条件下的几何可行装配顺序的搜 索算法设计问题。 为了搜索出所有的几何可行装配顺序，b o u r j a u l t 提出了产品装配结构的联系图 模型表达方法。利用这种装配关联图，b o u r j a u l t 设计了一种算法，该算法以装配联 系图为输入信息，通过对联系图的分析处理，针对装配操作的几何可行性，产生一 系列的y e s - n o 形式的问题，由用户根据装配体的几何结构设计信息进行人机交互 式回答。这些回答的答案一旦明确之后，便可以根据这些信息，利用算法自动搜索 7 华中科技大学硕士学位论文 图1 4 等级模式装配体模型 出所有的几何可行装配顺序。d ef a z i o 等人【8 】改变了提问的形式，减少了对用户的 提问次数。他们设计出来的提问形式不是y e s - n o 方式，而是需要用户通过对产品 装配结构进行推理和预测之后穷举出各个装配连接所有的装配优先关系。 9 0 年代以来，计算机辅助装配规划研究方法和水平得到了不断的发展和提高 17 - 2 4 。r a n d a l lh w i l s o n 提出了一种进一步减少向用户提问次数的a s p 方法。针对 每一种装配割集进行分解可行性分析，与简单的y e s n o 提问方式不同的是，这里 在简单提问分解可行性的基础上，叉增加了一种交互方式，在装配干涉发生时，允 许用户根据屏幕图形信息指出几何干涉的零件子集，从而为后继的割集分解提供了 更加丰富的判断信息，因此，进一步减少了向用户的提问次数。这种方法仍是基于 割集分析方法，并提供了一种约束零件定义的功能，使得用户回答问题的次数进一 步减少。该方法的实质改进是在每一个割集分解问题回答中，允许用户提供更加丰 富的信息，从而减少提问次数。 为了提高装配顺序规划分析的效率和自动化水平，h o m e md e m e l l o l 2 5 】提出了以 关系模型即5 元组 为基础研究装配序列的规划。该方法能够自动 推理出完备的装配顺序。g o t t i p o l ub 等人【2 6 】提出一种新的装配顺序推理方法。该方 法首先定义了接触向量和干涉向量，通过增加装配模型中的几何设计信息，使得在 规划时的自动获取装配优先关系，提高了装配规划的自动化程度。 华中科技大学硕士学位论文 然而，现有的装配规划技术或多或少的基于割集方法的思路，即首先利用割集 分割法得到所有的装配序列，然后通过人交互方法和或者计算机自动提取【2 ”的方法 获得装配优先关系，从而得到装配体的可行装配序列。最后，针对一定的工程指标 从可行装配序列中筛选工程意义上可行或较优的装配序列。受装配技术本身特点的 限制，这些方法在规划装配序列时随着装配体零件数目的增多，装配体的零件序列 的数目呈指数增长，导致规划的计算复杂性是难以接受的。 2 ) 装配序列的表达 m c m l u i 2 8 1 和b a l d 谢nd f f 2 9 在装配序列生成和评价的研究中首先提出了 装配序列图的概念。该表达方法具有表达直观和便于编辑等优点。a b e l lt e 在 其实现的装配序列编辑软件中也利用了装配序列图表达装配体的装配序列。 装配序列图以装配体联系图模型为基础，通过描述装配体联系的建立情况描述 装配体的状态。如图1 - 5 所示，左下为装配联系图，右图为装配序列图，图中每一 个节点表达一个装配状态，用黑色填充已经建立的联系。装配序列图顶层节点为完 全分散的装配体，底层节点为完全装配好的装配体。从上到下每一个连接两节点的 连线为一个装配操作，从最上一个节点到最下一个节点的每一条路径都是一条可行 的装配序列。 此外，还有一些装配序列表达的方法，如：d ef a z i o 8 1 和w h i m e y l l 0 提出的优先 联系图( p r e c e d e n c er e l a t i o ng r a p h ) h o m e md em e l l o l l l l 和s a n d e r s o n 1 4 1 提出的与或图 ( a n d o r g r a p h ) 等等。这些建模方法均是以常见的结构表达形式描述了装配体零部 件之间的相互关系。 第0 层 第1 层 第2 层 第3 层 第4 层 第5 层 图1 5 装配序列联系图 9 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2c s c w 及协同技术 计算机支持协同工作( c s c w ) 的概念最早提出于6 0 年代，当时的研究仅限 于文件共享、电子邮件和很薄弱的多媒体应用等。随着与c s c w 相关的计算机技术 如网络技术、多媒体技术和通讯技术等的发展，c s c w 技术有了长足的发展。1 9 8 4 年，m i t 的i g r i e f 和d e c 公司的rc a s h m a n p o l 正式提出了c s c w 的概念。c s c w 可以定义为一个网络环境下的计算机系统，该系统支持组用户参与个任务，并 提供给他们访问共享环境的接口，即一个任务、多个用户和为完成共同任务而组成 用户群( g r o u p ) ，c s c w 技术研究为这个用户群提供协同支持p ”。 从总体上说c s c w 具有分布性、并发一致性和交互性等的特点 3 3 】。分布性是 指c s c w 本质上是一个分布式系统，用户在不同的地域上分布，通过连接到计算机 网络的计算机参与协同工作。并发一致性即系统中用户的操作是同时进行的。由于 同时操作使得同一数据对象可能被多个人使用，因此需要维护数据的致性。交互 性是指c s c w 系统应具有交互式用户接口并支持多中形式的共享。用户接口除了给 用户提供方便友好的操纵外，还需要使其适应群组工作模式，即使用户感觉到别的 用户的合作同时也使该用户的动作被别的用户感知到。为了达到支持扬、同工作的目 的，系统应提供多种形式的信息共享：如文本、图形、声音、图象等。此外，c s c w 还应具有可靠性、高性能、易于升级和开放等特点。 协作的动态性和灵活性决定了c s c w 协调机制的复杂性。协调指对个人的工作 进行调整和集成以完成群体目标。传统的分布式系统在协调控制方面对c s c w 支 持不足，这是c s c w 系统区别于其他分布式应用的要求和特性：c s c w 支持丰富 的人际间协作模式，允许用户显式地控制合作过程，即控制要以用户为中心【3 4 i 。为 了支持协同感知的特性，多用户界厩是要建立和维持一个公共上下文【3 5 】，允许一个 用户的活动能反映在其他用户的屏幕上。这个公共上下文通过共享应用的信息来实 现，对共享信息的实时的表达和操作是协同多用户界面的主要功能【3 6 】。 c s c w 技术的发展为协同c a d c a m 技术提供了基础，许多研究开始研究协同 c a d c a m 技术，y u nc h o u k a o 3 7 1 开发了一个协同c a d c a m 系统，该系统能支持 两个分布不同地域的用户协同，动态地在c a d c a m 系统编辑，操作三维几何体， 支持多用户感知。其中系统的动态数据通讯是通过u n i x 的i p c 实现的。在研究中， y u n c h o u k a o 提出了协同网络算法，协同c a d c a m 的系统框架。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3w e b 技术及基于w e b 的协同装配技术 w e b 多用户协作环境 w e b 环境一般是指运行h t t p 协议，采用b s 结构的网络环境。它一般由客户 端与服务器组成。客户端简单地由t c p i p 协议加上w e b 浏览器组成，w e b 服务器 则由h t t p 服务器加后台数据库组成。早期的w e b 技术主要处理文本。随着技术的 发展，其功能已经扩展到了其他很多方面。这些扩展一般是通过增加w e b 服务器功 能，增加w e b 浏览器或中间件功能来实现。在w e b 浏览器上运行客户端程序( 如 插件，控件或j a v a 小应用程序) 以处理客户端的各种数据；w e b 服务器端通过中间 件如c g i ，p h p ，j s p 或c o r b a 与后台应用服务器相连，向w 曲浏览器端的应用 程序提供多种服务，如数据库查询和事务处理等；借助于特定的协议、应用客户程 序可以直接和应用服务器通讯1 3 8 。 现有的各种w e b 技术已经使w e b 成为强大功能的计算平台。吕纪竹等利用p e t r i 网对w e b 应用系统进行分析，从理论上证明了w e b 浏览器插件足够实现分布式应 用系统1 3 。其他w e b 技术( 如c g i 和a s p ) 也得到大量的研究和应用，如杨海等 利用c g i 、插件和j a v a 实现了基于w e b 的分布式网络实时监控系统：w r i g h t 等实 现了基于c g i 的w e b 远程加工系统。这些w e b 技术可用来实现多用户的协同工作 环境。 实现多用户协作w e b 环境的关键是多用户通讯模型的确定。目前存在两种通讯 模型：对等模型和客户服务器模型。对等模型需要在支持广播的网络上实现；h u a n g 的基于d i s 的多用户共享环境、o l i v e r i a 的s v r t 、等都是采用这种对等模型。采用 对等模型能够实现在实时性强大的大规模协同环境，但实现复杂。客户服务器实现 较简单且适于实现基于j a v a 小应用程序的w e b 分别式系统，但需要特定的服务器。 当协作用户增多时，服务器端容易出现通讯瓶颈而无法满足实时性要求。采用客户 服务器模型的有w e r g e s l 4 0 1 ，刘一松【4 1 】等。 基于w e b 的协同装配技术 随着w 曲技术的发展和i n t e m e t 的普及，一些包括装配技术在内的c a d 技术的研 一 l i 华中科技大学硕士学位论文 图】- 6 基于w e b 的应用系统 究开始转w e b 平台。这些研究一般从系统框架、w e b 协同装配建模、w e b 环境协 同技术的应用等方面研究基于w e b 的装配技术。 q q h u a n 9 1 4 2 1 研究基于w 曲的装配设计分析系统的系统构架，提出j ( w e b 环境 构建装配分析系统的方法和若干关键技术，并在研究中将一个传统的d f a 系统移植 至l j i n t e m e t 上以验证w e b c a d 系统框架的可行性。 h yk a n t 4 3 】利用自由软件v n e t 结合j a v a 和v 刚l 实现了个基于i n t e m e t 的协同 虚拟环境系统( v c s ) ，该系统适用于小型和中型产品的开发。在研究中，hy - k a n 讨论了v c s 系统与现有的商业系统集成的前景和基于w e b 的系统装配设计分析系 统的应用前景。 y g k i m l “ 实现了一个3 d 协同平台3 d - s y n ，平台利用j a v a 和v r m l 实现，能够 支持多用户的协同装配操作。该平台面向供应链，通过i n t e m e t j 各零件供应商和客户 联系起来，零件供应商和客户可以同时登录该平台，分析供应商提供的零件是否符 合客户需求，从而提高的采购质量。 n s h y a m s u n d a r 认为实际的装配设计中，不同的部件和子装配体一般由不同的 人来设计和规划。为了提高企业竞争力，企业越来越多地采用外购件设计的方法。 由于这种设计方式中，设计由分布于不同地域的设计人员完成装配体的部件和子装 配体，这些设计会发生冲突，导致极大的延长了产品投放市场的时间。在研究中n s h y a m s u n d a r 【4 5 】提出了一个面向i n t e m e t 的协同装配设计模型a r e p ，该模型面向w e b 环境，能支持多用户同时的修改装配体，指定装配约束，同步的设计装配体的部件 和子装配体。为验证该模型，n s h y a m s u n d a r 实现了一个基于w e b 的协同装配设计 1 2 华中科技大学硕士学位论文 系统c p a d 。 目前，基于w e b 的协同装配技术研究还不深入，现有基于w e b 的装配技术的研究 般仅从技术实现以及系统框架上探索了基于w e b 的装配技术的前景和发展，或者 研究面向装配设计和供应链技术在w 曲环境下的应用。基于w 曲的装配技术中对装 配规划的研究还很少，基于w 曲的装配规划技术研究还处于研究初期阶段。 1 3 本文的主要内容及章节安排 为解决现有装配规划技术中存在的对象产品复杂程度有限、人机协同方式简 单、求解的组合爆炸难以避免等问题，本文对装配规划技术中部分关键技术的原理 及方法开展了相应的研究工作： 在分析装配规划技术和网络技术的基础上，提出利用分解降低装配规划问题难 度的规划方法和一个适用于网络环境的协同装配规划工作流程，并建立了面向协同 装配规划系统的集成框架，该框架包含了计算机辅助装配规划技术中各项关键技术 并集成现有c a d 系统，各模块相互协调，最终形成一个大的功能集。 在研究了w e b 协同工作环境的特点后，提出一个面向w e b 环境的协同装配模型。 该模型在整体上采用多叉树描述组成零部件间的逻辑从属关系，利用v r m l 描述零 部件的几何形体，使得模型在w e b 环境的应用成为可能；模型还加入了装配联系拓 扑图以描述组成零部件间的配合联接关系，同时还添加了装配体零部件的工程语义 信息和协同并发控制信息，使得模型可以应用到w e b 协同工作环境中。 考察了装配规划全过程；研究了分解分配装配体的若干问题；提出了装配体的 分解原则和参考启发规划用于指导装配体的分解：提出了协同装配分配模型和模型 的分配算法；讨论了合成子序列时遇到的若干问题；提出了子序列合成算法；结合 w e b 协同装配规划工作环境的构建提出了序列提示算法。 在讨论了若干技术实现上的关键技术和模块后，本文利用j a v a 和v r m l 实现 了一个基于w e b 的协同装配规划原型系统w e b c a p s ，并用实例验证了系统和本文 的方法。 本文的组织结构如下： 第一章阐述本课题的研究背景、目的及意义，对装配建模技术、协同技术、 基于w e b 的协装配规划技术等领域的国内外研究成果和进展进行了综述； 第二章分析了利用网络协同工作方式提高装配规划效率和分析能力的可彳亍 一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 规划系统集成框架。 第三章本章结合w e b 环境和协同装配规划的特点，提出扩展的协同装配模型 表达，建立了适用于w e b 环境的协同装配模型。该模型采用v r m l 表达零件的三 维几何形体，增加了装配体层次间的联系、装配体拓扑关系及并发控制信息等，一 方面使得模型更加适用于装配规划；另一方面极大的减少了装配模型的信息量。 第四章提出了装配体的分解原则和利用参考启发规划用于指导装配体的分解， 建立了协同装配分配模型和模型的分配算法。通过分析合成子序列时遇到的问题， 提出了子序列合成算法，并结合w e b 协同装配规划工作环境的构建提出了序列规划 提示算法。 第五章建立了基于w e b 的协同装配规划原型系统( w e b c a p s ) ，介绍了该原型 系统的软件平台和用户界面，并用示例验证了前述几章中用于复杂装配体的分解、 序列合成等方法的可行性。 第六章总结全文，并对进一步研究工作展望。 一一1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章基于w e b 的协同装配规划集成框架 装配规划是产品设计过程中的重要环节，用以评价装配体的设计并指导下游的 生产。然而，就目前的装配规划技术的现状来看，有关产品装配规划的工具和水平 仍然十分落后，这与装配在产品生命周期中的重要地位极不相称。由于装配规划技 术和手段的落后，目前企业设计部门仍是依靠技术经验丰富的设计师、工艺师来完 成产品装配结构及装配工艺的设计规划任务，规划周期长、受规划人员知识局限性 和主观性影响较大，尤其对于复杂产品的装配规划，规划人员往往无法将各方面、 各层次的问题综合考虑，往往只能凭借经验寻求可行解或局部较优解，全局最优的 目标往往难以实现。 现有装配规划技术中的这些问题，部分是由于现有装配规划技术手段的落后， 更主要的原因是装配规划问题本身决定的。装配序列规划问题是个组合问题，随着 零件数目的增多不可避免的会产生求解组合爆炸问题。基于对这一问题的思考，本 章提出了通过分解以降低装配规划问题的难度和规模的装配规划方法。 2 2 协同装配规划工作流程 现代制造业中产品结构日益复杂以及现有装配规划技术的种种不足迫切要求 一种新的装配规划方法。本文提出一个新的装配规划方法：首先分解装配体以降低 装配规划问题的难度和规模，将一个超出现有装配规划技术手段规划能力的装配体 分解为若干个规划问题规模较小的子装配体，然后利用现有装配规划技术和手段规 。划子装配体，最后通过子装配体的规划结果获得整体装配体的解，从而最终提高现 有装配规划技术手段的适用程度。 受很多因素的影响，现有技术获得的装配序列都只是理论可行、较优或最优， 而不是工程实际上可行或较优的装配序列。获得工程意义上可行或者较优的装配序 列往往需要人的参与。基于w 曲的协同装配规划也是如此，在子装配体规划过程中， 规划人员对装配体的局部已经有了较为充分的认识，该通过子装配序