چکیده

در یک محیط صنعتی توزیع شده، کارخانه های مختلف و دارای ماشین ها و ابزارهای گوناگون در مکان های جغرافیایی مختلف غالبا به منظور رسیدن به بالاترین کارایی تولید ترکیب می شوند. در زمان تولید قطعات و محصولات مختلف ، طرح های فرایند مورد قبول توسط کارخانه های موجود تولید می شود. این طرحها شامل نوع ماشین، تجهیز و ابزار برای هر فرآیند عملیاتی لازم برای تولید قطعه است. طرح های فرایند ممکن است به دلیل تفاوت محدودیت های منابع متفاوت باشند. بنابراین به دست آوردن طرح فرایند بهینه یا نزدیک به بهینه مهم به نظر می رسد. به عبارت دیگر تعیین اینکه هر محصول درکدام کارخانه و با کدام ماشین آلات و ابزار تولید گردد امری لازم و ضروری می باشد. به همین منظور می بایست از بین طرحهای مختلف طرحی را انتخاب کرد که در عین ممکن بودن هزینه تولید محصولات را نیز کمینه سازد. در این تحقیق یک الگوریتم ژنتیک معرفی می شود که بر طبق ضوابط از پیش تعیین شده مانند مینیمم سازی زمان فرایند می تواند به سرعت طرح فرایند بهینه را برای یک سیستم تولیدی واحد و همچنین یک سیستم تولیدی توزیع شده جستجو می کند. با استفاده از الگوریتم ژنتیک، برنامه ریزی فرآیند به کمک کامپیوتر (CAPP) می تواند براساس معیار در نظر گرفته شده طرح های فرایند بهینه یا نزدیک به بهینه ایجاد کند، بررسی های موردی به طور آشکار امکان عملی شدن و استحکام روش را نشان می دهند. این کار با استفاده از الگوریتم ژنتیک در CAPP هم در سیستمهای تولیدی توزیع شده و هم واحد صورت می گیرد. بررسی های موردی نشان می دهد که این روش شبیه یا بهتر از برنامه ریزی فرآیند به کمک کامپیوتر (CAPP) مرسوم تک کارخانه ای است

واژه‌های کلیدی

برنامه ریزی فرآیند به کمک کامپیوتر (CAPP)، الگوریتم ژنتیک، محیط صنعتی توزیع شده، تولید یکپارچه کامپیوتری.

فهرست مطالب

فهرست شکلها

فهرست جدولها

مقدمه

در جهان صنعتی امروز، به تولید به عنوان یک سلاح رقابتی نگریسته می شود و سازمانهای تولیدی در محیطی قرار گرفته اند که از ویژگی های آن می توان به افزایش فشارهای رقابتی، تنوع در محصولات، تغییر در انتظارات اجتماعی و افزایش سطح توقع مشتریان اشاره کرد. محصولات در حالی که باید بسیار کیفی باشند، تنها زمان کوتاهی در بازار می مانند و باید جای خود را به محصولاتی بدهند که با آخرین ذائقه، سلیقه و یا نیاز مشتریان سازگار هستند. بی توجهی به خواست مشتری و یا قصور در تحویل به موقع ممکن است بسیار گران تمام شود. شرایط فوق سبب گردیده تا موضوع اطلاعات برای سازمانهای تولیدی از اهمیت زیادی برخوردار شود. از طرف دیگر، آخرین بررسی ها حاکی از آن است که استراتژی رقابتی مبتنی بر بازار خود نیز به تدریج در حال گذر است و چشم انداز استراتژیک رقابت در آینده مبتنی بر منابع خواهد بود. به عبارت دیگر در حالی که شرکتها امروزه موفقیت را در تبعیت و استفاده درست از قوانین، فرصتها و شرایط دیکته شده توسط بازار می دانند، استراتژی مبتنی بر منابع بر این موضوع تاکید دارد که منفعت و موفقیت بیشتر با اتکا بر مزیتها و منابع منحصر به فرد و قابل اطمینان شرکت و سرمایه گذاری به منظور توسعه و حفاظت از آنها حاصل خواهد شد.

البته منابع تولیدی مورد نظر تنها شامل سرمایه، زمین، ماشین آلات و تجهیزات نمی شوند، بلکه بنای تولید نسل آینده بر تاکید و توجه به اطلاعات، مدیریت دانش و توجه ویژه به مسئله آموزش افراد خواهد بود.

وضعیت به وجود آمده و تحولات صورت گرفته مذکور در حوزه فعالیتهای تولیدی، اگرچه خود حاصل به کارگیری گسترده و همه جانبه فناوریهای اطلاعاتی در این حوزه است، ولی در عین حال باعث توجه مضاعف سازمانها و شرکتهای تولیدی به مقوله اطلاعات و فناوریهای مرتبط با آن شده است. این تحقیق با هدف تبیین موضوع فوق به طور عام و تبیین بخش خاصی از آن به نام برنامه ریزی فرایند به کمک کامپیوتر صورت گرفته است. اهمیت این بررسی از آنجا ناشی می شود که چند سالی است در کشور، افزایش تعداد واحدهای تولیدی و به تبع آن تحقق نسبی فضای رقابتی باعث گردیده تا توجه تولیدکنندگان و شرکتهای صنعتی به کیفیت محصولات، افزایش سهم بازار و مسئله صادرات معطوف گردد. از همین رو به نظر مــی رسد دانستن تحولات صورت گرفته در بخشهای تولیدی جوامع پیشرفته می تواند در تعیین و شناخت بهتر مسیری که سازمانهای تولیدی و صنعتی کشور برای ارتقای توان رقابتی خود باید طی کنند موثر واقع شود. توسعــه های اخیر در حوزه فناوری اطلاعات به ویژه هوش مصنوعی و سیستم های خبره، وضعیت تولید در جوامع صنعتی را دگرگون ساخته است.

عصر فعلی را برخی عصر اطلاعات لقب داده اند. این نامگذاری شاید به این دلیل باشد که امروزه اطلاعات به جزء تفکیک ناپذیر زندگی بشر تبدیل شده است. اگرچه اطلاعات از دیرباز در زندگی بشر تاثیر بسزایی داشته و انسان برای تصمیم گیریها و طی طریق همواره محتاج به آن بوده است ولی آنچه که امروزه اهمیت آن را صدچندان کرده، شرایط نوین زندگی و افزایش سهم اطلاعات در آن است.

اختراع رایانه، امکان پردازش سریع و ذخیره حجم انبوهی از داده ها را فراهم آورد و پیشرفتهای بعدی در زمینه ارتباط بین رایانه ها و امکان تبادل داده بین آنها، تبادل و انتقال اطلاعات را در سطح وسیعی ممکن ساخت. این رویدادها به همراه سایر پیشرفتهای صورت گرفته در زمینه الکترونیک و ارتباطات اعم از میکروالکترونیک، نیمه هادیها، ماهواره و روباتیک به وقوع انقلابی در زمینه نحوه جمع آوری، پردازش، ذخیره سازی، فراخوانی و ارائه اطلاعات منجر گردید که شکل گیری فناوری اطلاعات حاصل این رویداد بود.

براساس تعریف، فناوریهای اطلاعاتی مجموعه ای از ابزارها، تجهیزات، دانش و مهارتهاست که از آنها در گردآوری، ذخیـــــره سازی، پردازش و انتقال اطلاعات (اعم از متن، تصویر، صوت و...) استفاده می شود.

در این میان نقش ابزارهای رایانه ای و مخابراتی به وضوح مشخص است. این فناوری به سرعت در حال رشد است و فعالیتها و سرمایه گذاریهای انجام شده در این زمینه به ویژه پس از ظهور پدیده اینترنت، بسیار چشمگیر است. دامنه علوم مرتبط با آن بسیار گسترده و وسیع بوده و مباحثی نظیر علوم رایانه و مهندسی نرم افزار، مخابرات، هوش مصنوعی، سیستم های اطلاعاتی مدیریتی، سیستم های پشتیبانی تصمیم، مهندسی دانش، فناوری چندرسانه ای، مدیریت اطلاعات، امنیت داده و اطلاعات، داد و ستد و ارتباطات انسان - رایانه، ارتباطات گروهی مبتنی بر رایانه، روباتیک و پایگاههای اطلاعاتی اینترنتی را شامل می شود. پرتوهای این فناوری نوین بسیاری از زوایای زندگی انسان را فرا گرفته است و بسیاری از علوم و موضوعها را تحت تاثیر خود قرار داده است.

امروزه موارد استفاده فناوری اطلاعات را می توان در آموزش، مدیریت و سازمان، پزشکی، تجارت، امور نظامی، تولید و صنعت، تحقیقات، حمل و نقل، کنترل ترافیک و صنعت نشر به وضوح مشاهده کرد.

جستجو به منظور یافتن راهی بهتر برای تولید قطعات، همواره عامل محرک و اساسی در خودکارسازی یا اتوماسیون بوده است. تعویض نیروی کار انسانی با ماشین را می توان ابتدایی ترین مرحله خودکارسازی تولید دانست که حدوداً در سال 1775 میلادی به وقوع پیوست و انقلاب صنعتی نقش موثری در رابطه با آن داشت. دستگاه تراش و نقاله ها نمونه هایی از مکانیزاسیون ایجاد شده بودند. روند اتوماسیون، در سال 1952 با ساخت اولین ماشین NC در دانشگاهMIT وارد مرحله جدیدی شد که مشخصه بارز آن عبارت بود از جایگزینی کنترل انسانی با کنترل خودکار ماشین. نوعی از اتوماسیون قابل برنامه ریزی بود که عملیات آن به وسیله اعداد و نشانه ها کنترل می شد.

در دهه 70، با ظهور رایانه های ارزانتر و کارآتر و پیشرفتهای الکترونیکی و مخابراتی، اتوماسیون های نقطه ای نیز به تدریج گسترش یافته و با پیوستن به یکدیگر تبدیل به اتوماسیون های گسترده تری به نام جزایر اتوماسیون شدند. جزایر اتوماسیون نشانگر مجموعه ای از زیرسیستم های یکپارچه خودکار شده در کارخانه هستند. سیستم های تولید انعطاف پذیر، سیستم مدیریت تولید، سیستم های یکپارچه جابجایی و انبارسازی مواد و سیستم های CAM وCAD نمونه هایی از جزایر اتوماسیون ایجاد شده هستند. انگیزه غایی، همانا خواست انسان برای افزایش هرچه بیشتر اتوماسیون در سیستم تولیدی به منظور دستیابی به بهره وری بالاتر است.

باادامه فعالیت و تحقیق بر روی جزایر اتوماسیون، این جزایر نیز به مرور توسعه پیدا کرده و شروع به همپوشانی و رقابت با یکدیگر کردند.

این مسئله به همراه جایگزینی تدریجی اندیشه سیستمـی و کل نگر به جای اندیشه جزء نگرانه، همچنین پیشرفتهـای صورت گرفته در زمینه فناوری اطلاعات باعث شد تا برخی به فکر یکپارچه سازی کلیـه عملیات تولیدی با یکدیگر بیفتند و به این ترتیب موضـوع «تولید یکپارچه رایانه ای» Computer Integrated Manufacturing = CIM)) مطرح گردید.

تولید یکپارچه رایانه ای اگرچه پایان تلاشهای محققان در خودکارسازی امور تولیدی و صنعتی نیست اما از آنجا که نمایانگر خودکارسازی و یکپارچه سازی کلیه فعالیتهای مرتبط با تولید به وسیله به کارگیری رایانه ها، روبات ها و شبکه های ارتباطی در درون یک کارخانه است دارای اهمیت بسیار زیادی است.

تولیدیکپارچه رایانه ای نوعی فناوری است که می تواند به هر صنعت وابسته شده و توسط آن صنعت هدایت شود، بدین معنی که هر صنعت برحسب مجموعه تجارب، نیازمندیها و موقعیتهای خاص خود، شرایطی ویژه برای تولید یکپارچه رایانه ای فراهم می آورد. از این رو، تعاریف و توصیفهای متفاوتی برای آن وجود دارد. در زیر نمونه هایی از توصیف های صورت گرفته ارائه شده است.

سیستم یکپارچه رایانه ای شامل رایانه ای کردن فراگیر و سیستماتیک فرایند تولیدی است. چنین سیستم هایی بااستفاده از پایگاه داده های مشترک، فعالیتهایی همچون طراحی به کمک رایانه، ساخت به کمک رایانه، مهندسی به کمک رایانه، انجام تست ها، تعمیرات و مونتاژ را یکپارچه می سازند.

(اسپریت، کمیسیون انجمن های اروپایی 1982) سیستم تولید یکپارچه رایانه ای عبارتست از به کارگیری یکپارچه اتوماسیون بر پایه رایانه و سیستم های پشتیبانی تصمیم گیری به منظور مدیریت فعالیتهای سیستم تولیدی، از طراحی محصول تا فرایند تولیدی و نهایتاً توزیع به انضمام مدیریت تولید و موجودی و مدیریت منابع مالی.

(هارن و براون 1984) سیستـم تولید یکپارچه رایانـه ای، پردازنـده های مواد و اطلاعات است که سه زیر سیستم اصلی آنها عبارتند از: سیستم فیزیکی کارخانه، سیستم تصمیم و سیستم اطلاعاتی.

(مایر 1990) تولید یکپارچه رایانه ای عبارت است از علم و هنر خودکارسازی بااستفاده از یکپارچگی حاصل از فناوری اطلاعات در فرآیندهای تولیدی. (یومانز و همکاران 1986)

با کمی دقت در توصیفها و دیدگاههای مذکـور در مورد تولیـد یکپارچه رایانـه ای مـــی توان به نقش و اهمیت اطلاعـات و فناوریهای اطلاعاتی در تحقق سیستم تولید یکپارچـه رایانه ای پی برد. به بیان دیگر، می توان گفت که این سیستم در طی روند توسعه فناوری اطلاعات به مانند فعالیت مهمی در کنار آن ظاهر گردیده و گسترش یافته است.

برای بررسی نقش فناوری اطلاعات در این سیستم بهتر است که ابتدا دیدگاه مذکور کمی شفاف تر شود. همانگونه که هارن، براون و شیونان در کتابشان اشاره می کنند، درک مسئله این سیستم بستگی به زمینه تجربی و دیدگاه اشخاص نسبت به آن دارد. از این رو است که نگرشها و دیدگاههای متفاوتی در رابطه با آن وجود دارد که آنها در اثر خود به برخی از آنها اشاره کرده اند. آنچه در اینجا به عنوان ملاک در نظر گرفته می شود، دیدگاهی است که خودهارن و همکارانش در مورد این سیستم ارائه کرده اند. این دیدگاه که در شکل یک نشان داده شده است به لحاظ جامعیت و نگرش سیستمی، مناسبترین دیدگاه از بین دیدگاههای موجود به نظر می رسد .

ارتباط نشانگر یکپارچگی مجموعه عملیات و نیز نشاندهنده مدار بسته بازخورد اطلاعات هستند. به طور خلاصـه، مـی توان گفت که تولید یکپارچه رایانه ای به معنی یکپارچگی جزایر اتوماسیون مرتبط با عملیات اداری - مالی، پشتیبانی مهندسی، مدیریت تولید و عملیات مربوط به سطح اجرایی است. این فرایند به وسیله ارتباطات رایانه ای و تسهیلات ذخیره سازی داده ها انجام می شود.

در گذشته طراحی قطعات و محصولات به صورت دستی و بااستفـاده از میزهای بزرگ و ابزارهای نقشــــه کشی انجام می گرفت و نقشه ها غالباً برروی کاغذ ترسیم می شدند. به همین سبب طراحیها عموماً وقت گیر و پردردسر بودند. همچنین در صورت ترسیم اشتباه و یا تغییر طرح، اصلاح و رسم مجدد نقشه ها زمان زیادی را به خود اختصاص می داد. این مسئله در مواردی که محصول از قطعات متعدد و پیچیده برخوردار بود نمود بیشتری داشت. نگهداری نقشه ها و مراقبت از آنها نیز مسئله دیگری بود که هم فضای زیادی را می طلبید و هم زمان قابل توجهی را برای کدگذاریبایگانی و بازیابی مجدد به خود اختصاص می داد. بااین همه این نقشه ها تنها نمایانگر شکل و وضعیت هندسی و مکانی قطعات نسبت به یکدیگر آن هم به صورت دو بعدی بودند.

به تدریج با بکارگیری رایانـه در امر نقشــه کشی و ایجاد و توسعه نرم افزارهای CAD ، تحولی در امور طراحی به قوع پیوست. کاهش خطاهای طراحی و تولید، ایجاد تناسب میان نقشه و روشهای تولید، تشخیص آسان روابط اجزای قطعه در مرحله تحلیل، تسهیل در آمــاده سازی مستندات و بهبود یا افزایش استانداردهای طراحی از مزایای طراحی به کمک رایانه بودند.

امروزه باافزایش توان رایانه ها در ذخیره و پردازش داده و همچنین پیشرفتهای صورت گرفته در زمینه فناوریهای اطلاعاتی به ویژه هوش مصنوعی، امکانات و قابلیتهای سیستـــم های CAD به طور چشمگیری افزایش یافته است. نرم افزارهای پیشرفتهCAD امروزی، امکان ایجاد مدلهای توپر سه بعدی را برای طراح فراهم آورده اند. این نرم افزارها با بهره برداری وسیع از تکنیــک های هوش مصنوعی و به لطف سیستم های خبره تعبیه شده در آنها، قابلیت تجزیه و تحلیل طرحها را نیز دارا هستند. به عنوان مثال آنها قادرند جرم طرح، حجم طرح و مرکز ثقل قطعات را محاسبه و تعیین کنند.

می توانند محل برخورد یا فصل مشترک قطعات مونتاژی را بررسی کنند و خواص مکانیکی قطعات نظیر تنش و یا جریان گرمایی را مورد تجزیه و تحلیل قرار دهند. برخی از این نرم افزارها می توانند حرکت قطعات را نیز مورد مطالعه قرار دهند و برخی دیگر قادرند نقاط و زمانهای بازرسی قطعه را تعیین سازند. آنها حتی پایگاه اطلاعاتی مورد نیاز تولید محصول را به وجود می آورند. پایگاه مذکور شامل تمام اطلاعات مربوط به محصول از دید طراحی، از اطلاعات هندسی، لیست مواد و قطعات، مشخصات مواد و غیره گرفته تا اطلاعات اضافی مورد نیاز برای تولید می شود. سیستم های قدرتمندCAD فعلی، همچنین قابلیت تبادل اطلاعات با سیستم های بانک اطلاعاتی و انتقال داده ها به سایر نرم افزارهای تولیدی را نیز دارا هستند که این ویژگی، کارآیی آنها را به نحو چشمگیری افزایش داده است.

یکی دیگر از جزایر اتوماسیون ایجاد شده در زمینه تولید، سیستم طراحی فرآیند به کمک رایانه (Computer-Aided Process Planning=CAPP) است. این سیستم هـا بـه منظور انجام خودکار طراحی فرایند تولید قطعاتی که در گذشته توسط متخصصان روشهای تولیـدی انجام می گرفت ایجاد گردیده اند. این سیستم ها از نظر یکپارچـــــه سازی اهمیت بسیاری دارند چرا که یکی از نقاط کلیدی در ایجاد ارتباط میانCAD و CAM به شمار می روند. خروجیهای یک سیستم طراحی فرآیند عبارتند از: انتخاب عملیات مناسب و تعیین توالی عملیات مزبور بر روی قطعه، انتخاب ماشین آلات ضروری برای اجرای عملیات، تعیین ابزارآلات و فیکسچرها و همچنین دستورالعملهای اجرایی برای تنظیم دستگاه، مسیر حرکت ابزارها، پارامترهای عملیات نظیر سرعت، مدت، میزان بار و... البته باید خاطرنشان ساخت از آنجا که برنامه ریزی و طرح ریزی فرایند ساخت قطعات بسیار متکی به تجربه و قضاوت برنامه ریزان است، خودکارسازی کلیه فعالیتهای یادشده، کاری بس دشوار بوده و غالب سیستم های موجود طراحی فرآیند، توان اجرای تمامی فعالیتهـای فوق را ندارند، بلکه در اکثـر موارد تنهـا مــــی توانند خدمات پشتیبانی تصمیم گیری ارائه کنند.

نقش فناوری اطلاعات در سیستم طراحی فرآیند نیز بسیار مشهود است. به طور کلی در توسعه این نوع سیستم ها دو رویکرد مطرح است: 1 - رویکرد بهبودی یا متنوع؛ 2 - رویکرد مولد یا بنیادی.

در رویکرد بهبودی که اساس آن استفاده از فناوری گروهی و ابزارهای دسته بندی و کدگذاری است، از یک قطعه مرکب اصلی برای نشان دادن دامنه اشکال تولیدی در یک خانواده استفاده می شود. هرگاه که سیستم قطعه جدیدی را به عنوان عضوی از یک خانواده خاص شناسایی کرد، طرح ریزی فرآیند قطعه مرکب آن خانواده را به گونه ای اصلاح می نماید که بتواند طرح فرآیند آن قطعه جدید را ایجاد کند. سیستـم در این رویکرد، برای تعیین شکل قطعـات از تکنیک های طبقـه بندی قطعات استفاده کرده و آنها را با اشکال متناظـر در قطعات اصلی مطابقت مـــی دهد.

در رویکرد بنیادی، طرح فرآیند براساس اطلاعات موجود در پایگاه داده های تولید ایجاد می شود. در این رویکرد، سیستم طراحی فرآیند در شکل سیستـم های دانش - پایه و هوش مصنوعی و در برخی موارد نیز به صورت یک سیستمDSS عمل کرده و با دریافت اطلاعات جزئیات قطعه موردنظر، انواع عملیات تولیدی در دسترس و توانایی آنها برحسب دقت و تلرانس، تجربه مربوط به قطعات پیشین و... اقدام به طراحی فرآیند مناسب جهت قطعه می کند.

موضوع مورد بحث در تحقیق حاضر شرح برنامه ریزی فرآیند به کمک کامپیوتر و کاربرد الگوریتم ژنتیک برای این مهم می باشد.

فصل یکم –معرفی برنامه ریزی فرآیند به کمک کامپیوتر و الگوریتم ژنتیک

1-1 برنامه ریزی فرایند به کمک کامپیوتر (CAPP)

یکی از کاربردهای کامپیوتر مربوط به پشتیبانی از ایجاد و توسعه طرح های فنی مورد نیاز برای تولید یک قطعه می باشد. در اصطلاح به این کاربرد Computer Aided Process Planning CAPP) )گفته می شود. این کاربرد از نظر یکپارچه سازی اهمیت بسیاری دارد، زیرا یکی از نقاط کلیدی در ایجاد ارتباط میان CAD و CAM به شمار می رود. خروجی طرحریزی فرایند CAPP شامل موارد ذیل است: توالی عملیات مورد نیاز برای تولید قطعه، تعیین ماشین آلات ضروری برای اجرای عملیات و زمان عملیات. همچنین CAPP ابزارآلات ویژه و دستورالعمل های اجرایی را برای تنظیم دستگاه مشخص می کند. تا به حال کاربردهای CAPP بیشتر در زمینه برش فلزات بوده است. بر اساس نظر چانگ (1990) عملیات طرحریزی فرایند ممکن است شامل همه یا برخی از فعالیت های ذیل باشد:

• انتخاب عملیات مناسب برای ماشین کاری.
• تعیین توالی عملیات مزبور.
• انتخاب ابزارهای برش مربوطه.
• تعیین رویه های آماده سازی ماشین.
• محاسبه پارامترهای برش از جمله: سرعت برش، میزان بار ابزار، استفاده از مایعات خنک کننده برای برش و عمق برش.
• طراحی مسیر حرکت ابزار و تهیه برنامه های مخصوص هر قطعه برای ماشین های کنترل عددی.
• طراحی ابزارآلات و فیکسچرها.

خودکارسازی کلیه فعالیت های طرحریزی فرایند، کاری دشوار است که به هیچ وجه نباید ناچیز تلقی شود. به همین دلیل غالباً سیستم های مبتنی بر کامپیوتر توان اجرای تمامی فعالیت های فوق را ندارند. در واقع سیستم های CAPP موجود تنها در اکثر موارد فوق می توانند خدمات پشتیبانی تصمیم گیری ارائه دهند. بطور کلی برای توسعه سیستم های CAPP دو رویکرد مطرح است:

رویکرد متنوع (یا بهبودی)

رویکرد مولد (یا بنیادی)

1-1-1- رویکرد متنوع

در رویکرد متنوع (یا بهبودی) برای آماده سازی یک طرح فرایند از یک طرح استاندارد یا طرح قطعه ای مشابه استفاده می شود. طرح فرایند برای قطعه مرکب اصلی در کامپیوتر ذخیره می شود و در طراحی قطعات بعدی نیز مورد استفاده قرار می گیرد. قطعه اصلی، ترکیبی است از تمامی اشکالی که ممکن است در قطعات مورد نظر موجود باشد. رویکرد بهبوددهنده برای تعیین شکل قطعات از تکنیک های طبقه بندی قطعات استفاده کرده و آنها را با اشکال متناظر در قطعه اصلی مطابقت می دهد. طراحی بهبود دهنده فرایند در مقام عمل با استفاده از تکنیکی به نام تکنولوژی گروهی اجرا می شود و بدین سان موجب تشخیص خانواده هایی از قطعات می شود که دارای طرح و ویژگی های تولیدی مشابه هستند. تکنولوژی گروهی رویکردی برای تولید است که در آن کلیه قطعات در قالب زیرمجموعه ها یا خانئاده های قطعات گروه بندی می شوند تا از مزایای تشابه آنها در تولید یا طراحی استفاده شود.خانواده های قطعات در تکنولوژی گروهی غالباً با استفاده از سیستم های کدینگ و طبقه بندی قطعات مشخص می شوند.بنابراین قطعات مشابه دارای کدهای مشابه هستند. در رویکرد طراحی بهبوددهنده فرایند، از یک قطعه مرکب برای نشان دادن دامنه اشکال تولیدی در یک خانواده استفاده شده و سپس طرح فرایند مرکب برای آن قطعه مرکب توسعه می یابد. به عبارت ساده تر هرگاه قطعه جدیدی به عنوان عضوی از یک خانواده خاص شناسایی شود، طرحریزی فرایند مرکب آن خانواده به گونه ای اصلاح می شود که بتواند طرح فرایند آن قطعه جدید را ایجاد نماید. رویکرد بهبوددهنده علیرغم برخی معایب مهم، به شکل گسترده ای در عمل مورد استفاده قرار می گیرد. واضح است که تنها فرایند قطعاتی را می توان طراحی کرد که در محدوده تنوع قطعات موجود باشد. همچنین برای حک و اصلاح طرح فرایند مرکب و برای افزودن جزئیات لازم به آن، به طراحان باتجربه ای در زمینه طرحریزی فرایند نیاز است. رویکرد دیگر سعی در رفع بعضی از این معایب دارد، این رویکرد در اصطلاح به نام طرحریزی فرایند بنیادی یا مولد شناخته می شود.

1-1-2- رویکرد بنیادی

در رویکرد بنیادی طرح فرایند بر اساس اطلاعات موجود در پایگاه داده های تولید ایجاد می شود. نیازهای این رویکرد عبارتند از شرح جزئیات قطعه مورد نظر، انواع عملیات تولیدی در دسترس و قابلیت عملیات مزبور بر حسب دقت فرایند، تلرانس ها و غیره. به عنوان مثال این سیستم در زمینه ماشین کاری به بررسی همه سطوح موردنظر پرداخته و تلرانس سطوح مزبور را با تلرانس قابل دستیابی به وسیله فرایند موجود مقایسه می نماید. اگر فرایند موجود توانایی دستیابی به تلرانس موردنظر را داشته باشد، آنگاه ممکن است از آن فرایند برای ایجاد سطح مزبور استفاده شود. در غیر این صورت فرایند مذکور از بررسی های بعدی حذف خواهد شد.

چانگ (1990) معتقد است که یک سیستم طرحریزی فرایند تولید مولد از سه عنصر اساسی ترکیب یافته است: (1) شرح قطعه، (2) پایگاه های داده های تولیدی و (3) الگوریتم ها و منطق تصمیم گیری. معمولاً پایگاه های داده های تولیدی می توانند اطلاعاتی در زمینه قابلیت فرایند، انتخاب ماشین، نوع ابزار و قید و غیره ارائه دهند. منطق تصمیم گیری غالباً بر پایه جداول و درخت های تصمیم گیری استوار است. جداول و درخت های تصمیم گیری شرایط مورد نیاز را برای اتخاذ تصمیمات یا انجام اقدامات طرحریزی فرایند مناسب مشخص می کنند. به عنوان مثال اندازه و تلرانس خاص یک سوراخ در یک قطعه به مجموعه ای از تصمیمات مربوط به طرحریزی فرایند می شود که ممکن است ترکیب خاصی از عملیات سوراخ کاری و برقوکاری باشد. شرایط در این مثال همان اندازه و تلرانس خاص، و اقدام همان ترکیب عملیات می باشد. از الگوریتم ها برای محاسبه شرایط خاص برش استفاده می شود، شرایطی همچون سرعت ابزار برش، تعداد دفعات برش کاری، میزان بارگذاری بر ابزار، عمق برش، محاسبات مربوط به عمر ابزار و غیره.

اخیراً پژوهشگران با استفاده از تکنیک های هوش مصنوعی (AI) شروع به نمونه سازی از سیستم های CAPP نموده اند. از این جمله می توان به تحقیقات دیسکات و لاتمب (1981،1985)، و بودن و براون (1987) اشاره کرد. ویژگی های متعدد CAPP زمینه ای مناسب برای بکارگیری آن در سیستم های دانش-پایه فراهم آورده اند. طراح فرایند از دانش مربوط به فرایندهای مختلف تولیدی (ماشین ها و ابزارآلات) و دانش برآمده از تجربیات مربوط به قطعات پیشین به یک اندازه بهره می گیرد. ابزارهای AI قابلیت ذخیره و ارائه این دانش را به نحو کارا فراهم کرده و بکارگیری آن را در طرحریزی فرایند کنترل می نماید. تکنیک های ذخیره و ارائه دانش نمونه ای از این تکنیک ها هستند که از تکنولوژی AI وام گرفته شده اند. این تکنیک ها به میزان قابل توجهی در سیستم های CAPP مبتنی بر دانش بکار می روند. تکنیک های مزبور عبارتند از:

الف) قواعد تولیدی با ساختار اگر(شرایط) – آنگاه(اقدام)، که برای نمایش جداول تصمیم گیری به شکل منطقی و دانش رویه ای به کار برده می شوند.

ب) شبکه های معنایی.

ج) فریم ها که برای نمایش اشیاء و ویژگی های مربوط به آنها استفاده می شوند.

اکنون تکنیک های AI در حال دستیابی به کاربردهای ویژه ای در ارتباط با سیستم های طرحریزی فرایند بنیادی هستند. سیستم های کامپیوتری طرحریزی فرایند عمدتاً برای عملیات ماشین کاری توسعه یافته اند. البته کاربردهای معدودی نیز در در مونتاژ دارند، ولی از هیچ گونه استاندارد و طبقه بندی مقبولی که بطور گسترده پذیرفته شده باشد برخوردار نیستند. این در حالی است که عملیات ماشین کاری و ساخت از مدل های "پیش استاندارد شده" بهره می گیرند. بنابراین می توان گفت که طرحریزی فرایند مونتاژ به میزان زیادی وابسته به دو عامل ذیل است:

(1) تجربه طراحان فرایند

(2) نوع صنعتی که طرح فرایند در آن اجرا می شود

به همین دلیل سیستم های پشتیبان طرحریزی فرایند مونتاژ که نقش یک سیستم پشتیبانی تصمیم گیری (DSS) هوشمند را به عهده می گیرند، عملاً تصمیم نهایی را در مورد انتخاب عملیات به طراح فرایند می سپارند. توسعه یک سیستم چندمرحله ای برای طراحی، روشی دیگر برای طرحریزی فرایند مونتاژ است. سیستم مزبور توانایی تشخیص محل تماس قطعات، ارزیابی امکان جابجایی قطعات مونتاژ، ارائه تحلیلی از میزان دسترسی به قطعات، انتخاب قطعات پایه و در نهایت تعیین توالی عملیات مونتاژ را دارد. این رویه به دلایل زیر از پیچیدگی خاصی برخوردار است:

(1) دشوار بودن استفاده از استنتاج هندسی در فعالیت های مونتاژ

(2) تنوع دامنه ارتباط سطوح

(3) تنوع ساختارهای ممکن برای مونتاژ

احتمالآً یکپارچه سازی سیستم های CAPP توسط سیستم های CAD و CAM جالب توجه ترین مسأله در حوزه CAPP است. موضوع یکپارچه سازی از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. یکپارچه سازی شامل مواردی از این قبیل است: انتقال داده ها میان سیستم های طراحی و ساخت، بررسی نقش و موقعیت طراحی برای ساخت (DFM) و طراحی برای مونتاژ (DFA). سیستم طرحریزی فرایند از نقطه نظر عملیاتی، نقطه اصلی تمرکز برای گذر از مرحله طراحی به مرحله ساخت محصول است. واضح است که سیستم یکپارچه CAPP,CAD و CAM به میزان زیادی موجب کاهش زمان ارائه به بازار می شود.

1-2-الگوریتم ژنتیک

بدن هر موجود زنده ای از سلول تشکیل یافته است و هر سلول هم از کروموزوم تشکیل یافته است کروموزوم ها نیز از رشته های DNA تشکیل یافته اند. به هر بلوک DNA یک ژن می گویند. و هر ژن نیز از یک پروتئین خاص و منحصر به فرد تشکیل یافته است. به مجموعهای از ژنها یک ژنم (GENOME) می گویند.

از اصطلاحاتی که از مباحث زیست شناسی به مبحث الگوریتم ژنتیک (GE) وارد شده است و باید به آتها اشاره کرد می توان به موارد زیر اشاره نمود.

1- تولید مثل(crossover) که به تولید یک کروموزوم جدید توسط ترکیب ژنهای والدین می گویند.

2- جهش یا تغییر ناگهانی(mutation): به تغییرات ایجاد شده در DNA میگویند

3- صحت و درستی(fitness): برای یک موجود زنده به صورت موفقیت آن موجود در ایجاد حیات و تشکیل خود می گویند. البته ممکن است در نگاه اول مطالب بالا کمی نامفهوم به نظر برسد. اما در ادامه به توضیح بیشتر آنها و همچنین نوع کاربرد آنها در الگوریتم ژنتیک اشاره خواهد شد.

1-2-1-کلیات الگوریتم ژنتیک

الگوریتم های ژنتیک روش قدرتمندی را برای توسعه اکتشافی مسائل بهینه سازی ترکیبی مقیاس بزرگ فراهم آورده است . انگیزه اصلی مطرح کردن الگوریتم ژنتیک می تواند این گونه عنوان شودکه «تکامل تدریجی» به شکل قابل ملاحظه ای در توسعه انواع وگونه های پیچیده از طریق مکانیزم های نسبتاً ساده تکمیلی نمود یافته است . حال سوال اساسی این است : پذیرش کدام ایده از تئوری تکامل تدریجی می تواند به ما در حل مسائل این قلمرو کمک کند ؟ این سوال با توجه به غنای پدیده تکامل تدریجی جوابهای متفاوتی دارد. هالند و دی جانگ (1975) از نخستین کسانی هستندکه با معرفی مفهوم الگوریتم ژنتیک به عنوان یک تکنیک جستجوی عمومی - که از تکامل تدریجی بیولوژیک در قالب بقای افراد اصلح و مبادله ساختارمند و تصادفی اطلاعات الگوبرداری می کند- درصدد پاسخگویی به این سوال برآمدند.

یک الگوریتم ژنتیک مسئله را به صورت مجموعه ای از رشته ها که شامل ذرات ریزهستند کد گذاری می کند ، سپس برای تحریک فرایند تکامل تدریجی ،تغییراتی را بر روی رشته ها ا عمال می‌دارد. در مقایسه با الگوریتم های جستجوی محلی ، در جستجوی عمومی که تنها یک راه حل قابل قبول وجود دارد ، الگوریتم های ژنتیک جامعه ای از افراد را در نظر می‌گیرند . کـــار با مجموعه ای از افراد، امکان مطالعه ساختارها و ویژگیهای اصلی افراد متفاوت را که منجر به شناسایی و کشف راه حلهای کارآمد تر می شود، فراهم می‌سازد . در طی مطالعه ، الگوریتم ژنتیک رشته های متناسب با ارزش را برمی گزیند و آن دسته از رشته‌هایی را که تنــاسب کمتری با جمعیت مورد بررسی دارند حذف می‌کنند .

هر کدام افراد جمیعت که تقریبهای از جواب نهایی می باشند به صورت رشته هایی از حروف یا ارغام کدگذاری می شوند این رشته ها را کروموزوم می نامند. متداول ترین حالت نمایش با ارقام صفر و یک است. حالتهای دیگر استفاده از سه رقم، اعداد حقیقی و اعداد صحیح هم مورد استفاده قرار می گیرند. برای مثال یک کروموزوم با دو متغییر a ,b با ساختار شکل 1-1 نمایش داده می شود.

شکل 1-1- نمایش یک کروموزوم با ارقام صفر و یک

متغییر a با ده خانه اول سمت راست و b با یازده خانه باقیمانده نمایش داده شده است. این می تواند به علت سطح دقت و یا محدوده متغییر تصمیم گیری باشد.

مقادیرموجود بر روی کروموزومها به تنهایی معنی خاص ندارند بلکه باید از حالت کد شده خارج شوند تا به عنوان متغییرهای تصمیم گیری دارای معنی و نتیجه باشند باید توجه داشت که فرآیند جستجو بر روی اطلاعات کد شده انجام می گیرد مگر در صورتی که از ژنهایی با مقادیر حقیقی شود. بعد از اینکه کروموزومها از حالت کدگذاری شده خارج شدند می توان کارایی یا برازش هر فرد از جمیعت را محاسبه کرد. برازش مقیاس نسبی است که شایستگی افراد برای تولید نسل بعد را نشان می دهد. در طبیعت برازش معادل توانایی فرد برای بقا می باشد. تابع هدف در تعیین برازش افراد نقش تعیین کننده دارد.

در هنگام تکثیر به کمک اطلاعات اولیه ای که از تابع هدف به دست می آید. برازش هر فرد مشخص می گردد. از این مقادیر در فرآیند انتخاب استفاده می شود تا آنرا به سمت انتخاب افراد مناسب سوق دهد. هر چه برازش فرد نیبت به جمیعت بالاتر باشد احتمل بیشتری دارد که انتخاب شود. هر چه برازش نسبی آن کمتر باشد احتما انتخاب آن برای تولید نسل بعد ی کمتر می شود.

وقتی که برازش تمام افراد جمیعت مشخص شد. هر کدام با احتمالی که متناسب با میزان برازش آنهاست می توانند برای تولید نسل بعد انتخاب شوند. عمل تکثیر در الگوریتم ژنتیک برای رد و بدل اطلاعات ژنتیکی بین یک جفت یا تعداد بیشتری از افراد به کار می رود. ساده ترین نوع تکثیر تقاطع یک نقطه است دو رشته شکل را در نظر بگیرید اگر یک عدد صحیح از یک تا تعداد ارقام رشته منهای یک انتخاب شود و اطلاعات دو رشته را در دو طرف این دو نقطه عوض کنید دو رشته جدید به وجود می آیند که آنها را فرزند می نامیم به عنوان مثال اگر عدد شش را برای دو رشته شکل انتخاب کنیم نتیجه تقاطع یک نقطه ای به صورت شکل1-2 در می آید.