大型復(fù)雜產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃技術(shù)研究

焦躍龍　張義森　王志超

摘 要：裝配序列規(guī)劃技術(shù)是虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對傳統(tǒng)的裝配序列規(guī)劃方法已不能滿足船用推進器等大型復(fù)雜裝配體序列規(guī)劃的需求，提出了基于層次關(guān)聯(lián)圖的裝配信息模型，以及裝配經(jīng)驗知識與割集法相結(jié)合的序列生成方法。最后憑借研究的理論知識開發(fā)了裝配序列規(guī)劃系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：裝配序列規(guī)劃技術(shù)；層次關(guān)聯(lián)圖；裝配經(jīng)驗知識；割集法

1.裝配信息模型

裝配信息模型是裝配序列規(guī)劃的基礎(chǔ)，完善、正確的裝配信息模型是裝配序列生成的保證。

1.1.裝配模型的信息需求

建立完整、精確的裝配信息模型的目的在于一方面為裝配序列規(guī)劃優(yōu)化提供全面的信息和支持。另一方面要簡化裝配序列生成過程中算法的復(fù)雜度、提高計算效率。影響裝配序列規(guī)劃的裝配信息主要有三類：1.零件自身的屬性信息，主要包括零件的形狀、尺寸、材料等；2.產(chǎn)品的組成層次信息，一個產(chǎn)品根據(jù)設(shè)計時的功能、結(jié)構(gòu)特點可以劃分為多個功能模塊，功能模塊又可進一步劃分；3.零部件間的裝配聯(lián)接關(guān)系信息，主要反映零部件之間的相對位置、相互聯(lián)接、相對運動關(guān)系以及配合關(guān)系。

1.2.裝配模型的表達方式

國外很多學者對裝配信息模型的表達方式進行了研究，提出了不同的表述方法，歸納起來共有兩種比較成熟的方法：

1.2.1.關(guān)聯(lián)圖模型：表達機械產(chǎn)品的裝配關(guān)系最初由法國學者Bourjault提出，Bourjault以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的圖結(jié)構(gòu)G（P，L）表達裝配體，其中節(jié)點P={ ， ， …… }代表裝配體中的零部件，n為產(chǎn)品中零部件的數(shù)目；邊L={ ， ， …… }代表裝配體中的零部件間的聯(lián)接關(guān)系，這里的聯(lián)接關(guān)系表示零件之間的物理接觸關(guān)系，m為聯(lián)接邊的數(shù)量。

1.2.2. 層次模型：從三維建模軟件中可以獲得原始的裝配樹結(jié)構(gòu)，該裝配樹中只包含裝配體中零部件的名稱信息，為了能夠自動生成裝配序列，還需對產(chǎn)品的零件、子裝配體、緊固件進行統(tǒng)一的編號，為簡化裝配層次樹，還可以將一組規(guī)格、功能相同的緊固件合并當作一個零件處理。最后生成一個新的經(jīng)過編號和簡化的裝配層次關(guān)系樹用于割集法生成裝配序列。

1.3.基于層次關(guān)聯(lián)圖的裝配信息模型

層次模型可以樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達，反映了裝配體中零部件之間的裝配層次關(guān)系，符合人們的思維習慣，能較好地體現(xiàn)設(shè)計意圖和產(chǎn)品的零部件組成層次，由于將產(chǎn)品的零部件分層來表示，所以當采用割集法生成裝配序列時，只對某一層的零部件進行規(guī)劃，可以有效降低裝配序列規(guī)劃的復(fù)雜度。層次樹模型的缺點是缺乏對同層中零部件裝配關(guān)系的描述，也沒有涵蓋零部件裝配操作有關(guān)的信息，因此這種模型很難被裝配序列規(guī)劃模塊直接所用，關(guān)系模型主要用圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達，反映了裝配體中零部件之間的聯(lián)接關(guān)系，但是該模型不能清楚的表達產(chǎn)品零部件的層次結(jié)構(gòu)，不符合人們對產(chǎn)品的認識習慣，對于割集算法當產(chǎn)品中零部件數(shù)量較多時，容易產(chǎn)生“組合爆炸”問題。

針對上述兩種方法的缺點，提出一種層次模型和關(guān)系模型相結(jié)合的裝配模型表達方法，即基于層次關(guān)聯(lián)圖的裝配信息模型。既表達了裝配體中零部件的裝配層次關(guān)系，也反映了零部件之間的聯(lián)接關(guān)系。

2.裝配序列生成

2.1.目前裝配序列求解比較典型的幾種方法，按求解方向的不同又可以將裝配序列生成方法分為兩大類，一類是正向法，正向法是按照產(chǎn)品裝配的順序得出裝配序列；另一類是逆向法，逆向法是按照產(chǎn)品拆卸的方法得出拆卸序列，再取逆序得裝配序列。

常用的知識表示結(jié)構(gòu)有：基于邏輯的知識表示，基于框架的知識表示，基于規(guī)則的知識表示三種類型。其中基于規(guī)則的知識表示經(jīng)過分析更加符合裝配序列規(guī)劃的過程，同時在系統(tǒng)實現(xiàn)方面比較容易，本文將主要介紹基于規(guī)則的裝配知識表示?；谝?guī)則的知識表示形式如下：

IF（前提條件1，前提條件2，…，前提條件n），THEN（結(jié)果），CF（可信度）

其中前提條件主要描述配合的零件以及裝配特征類型等，結(jié)果表述零件的裝配序列，可信度表示結(jié)果正確的概率。

為了基于規(guī)則描述各種裝配知識還需定義若干謂詞，現(xiàn)舉例如下：

螺栓聯(lián)接用Bolt（x， ， ，y）表示，其中x表示螺栓，y表示螺母， ， 表示彈簧墊片和平墊片，當 ， 為0時表示該聯(lián)接沒有使用墊片。

Connect（（x），（y））表示用聯(lián)接件y將x中的零件聯(lián)接起來。

Sequences（x，N）表示零件x的裝配順序為N。

利用上述三個謂詞可以構(gòu)造一個螺栓聯(lián)接的推理規(guī)則，先敘述如下：

IF（Connect（（x，y），bolt（cont1，cont2）），bolt（cont1，0，0，cont2）），

THEN（Sequence（cont1，1），Sequence（y，2），Sequence（x，3），Sequence（cont2，4）），CF（0.9）

該規(guī)則包括兩個前提條件，前提條件1表示用聯(lián)接件（cont1，cont2）將零件x，y聯(lián)接起來，前提條件2表示螺栓cont1，螺母cont2形成螺栓聯(lián)接但沒有使用墊片。結(jié)果為先安裝cont1，然后y，x，最后cont2。該結(jié)果正確的概率為90%。

2.2. 割集法

割集法求解裝配序列是裝配序列規(guī)劃問題的重要方法之一，它把裝配體得拆卸過程巧妙的與圖的分割過程結(jié)合在一起。但是割集法也有一個很大的缺陷，當零件的數(shù)目增加時，割集分解的數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)級增加，因此對于解決大規(guī)模裝配體割集法則顯得無能為力。

在利用割集法求解時，最后得到了每層子裝配體的裝配與或圖。

3.總結(jié)：

傳統(tǒng)的方法只能解決零部件較少的小型裝配體的裝配序列規(guī)劃問題，本文針對大規(guī)模裝配體提出了基于層次關(guān)聯(lián)圖的裝配信息模型，該模型能夠恰當?shù)谋磉_裝配體的結(jié)構(gòu)層次性以及零部件之間的聯(lián)接關(guān)系，在裝配序列生成時采用正逆向相結(jié)合的方法即裝配經(jīng)驗知識與割集法相結(jié)合來求解裝配序列。

參考文獻：

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