基于配合節(jié)點序列的航天產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃

陳剛，陸海濱，莊純，顧華洋，顧丹

(上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

基于配合節(jié)點序列的航天產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃

陳剛，陸海濱，莊純，顧華洋，顧丹

(上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

不同于通?；诹悴考男蛄幸?guī)劃，提出用配合節(jié)點序列表征裝配序列的方法。構(gòu)建配合節(jié)點模型，并基于此構(gòu)建裝配序列模型及其代價函數(shù)。使用模擬退火算法對目標(biāo)空間中裝配序列進(jìn)行尋優(yōu)。以某航天產(chǎn)品的裝配為例進(jìn)行驗證。結(jié)果表明該方法合理有效。

裝配序列；規(guī)劃；配合節(jié)點序列；代價函數(shù)；模擬退火算法

0 引言

隨著我國航天事業(yè)的深入開展，航天器結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)產(chǎn)品正朝著更大、更重、更精密、更復(fù)雜的方向演變。目前，業(yè)內(nèi)對其裝配方案的探尋主要依賴于多階段實物驗證試驗并迭代改進(jìn)，而鮮有從理論上進(jìn)行規(guī)劃、分析的案例。

相對其他行業(yè)特別是各高校在裝配序列規(guī)劃領(lǐng)域開展了大量的工作，其研究成果多集中于以下兩個方面：

1) 裝配模型構(gòu)建方法：主要有基于裝配序列優(yōu)先圖(或優(yōu)先關(guān)系矩陣)[1-3]、基于子裝配體(或裝配模塊)[4-6]和基于基礎(chǔ)件[7]的模型構(gòu)建法。

2) 裝配序列優(yōu)化引擎：主要有專家系統(tǒng)[8]、知識論[9]、啟發(fā)式算法(粒子群算法[1]、蟻群算法[2]、遺傳算法[10]等)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11]。

從以上文獻(xiàn)可知，構(gòu)建裝配模型是實施序列規(guī)劃的必要條件，該模型的有效性直接影響序列規(guī)劃的效率和精度。一個優(yōu)良的裝配模型不僅要求能夠巧妙的表達(dá)參與裝配的各零件及其約束信息，更能有利于使用高效的序列優(yōu)化引擎。通觀引文所涉及的3種模型構(gòu)建方法，雖然側(cè)重點各不相同，但無一不是針對裝配主體(零件、部件、子裝配體等)來展開研究。基于裝配主體的模型構(gòu)建方案具有表達(dá)自然、建模靈活的優(yōu)點，眾多研究成果表明，該方案已趨于成熟，并能有效的應(yīng)用于各領(lǐng)域。

針對以上現(xiàn)狀，通過深入發(fā)掘裝配信息，識別其他有效建模元素，提出不同于“主體建模法”的“配合節(jié)點建模法”，研究了基于配合節(jié)點序列的航天產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃方法，為裝配序列規(guī)范方案探尋另一種可能。

1 配合節(jié)點模型

機(jī)械產(chǎn)品的裝配過程是參與裝配的零件互相連接的過程。為了便于開展研究，現(xiàn)將某零件與其他零件的連接部位及其對應(yīng)的連接操作抽象為配合節(jié)點，并形式化定義如下：

表1對以上參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

表1 配合節(jié)點參數(shù)說明

續(xù)表1

ef完成p1和p2在指定連接面的緊固所消耗的能量設(shè)緊固件的數(shù)量為n，保險系數(shù)γ=1，2，3}{分別對應(yīng)“無保險”、“螺紋膠或定力”和“鋼絲繩”，則ef=γ×nst已完成裝配的其他零件對本次搬運(yùn)操作的干擾量sc已完成裝配的其他零件對本次配合操作的干擾量分“無遮蔽”、“部分遮蔽”、“較大遮蔽”、“嚴(yán)重遮蔽”和“完全遮蔽”五級，對應(yīng)取值“1、2、5、10和￥”sf已完成裝配的其他零件對本次緊固操作的干擾量

注：為了統(tǒng)一度量，“賦值策略”中`

2 遮蔽度評價

由于零件間的干擾量與其外形、尺寸、位置等非結(jié)構(gòu)化因素密切相關(guān)，對配合節(jié)點遮蔽度進(jìn)行自動評價面臨建模困難和計算量大的問題，而人工評價則可“一目了然”。

2.1 制定評價表

定義2：設(shè)零件pa與零件p1或p2有連接關(guān)系且不屬于p1或p2，則稱pa為p1或p2的一級關(guān)聯(lián)零件；設(shè)零件pb與pa有連接關(guān)系且不屬于p1、p2或pa，則稱pb為p1或p2的二級關(guān)聯(lián)零件；依此類推。一般情況下，二級及以后的關(guān)聯(lián)零件對遮蔽度的影響已非常小，僅考慮一級關(guān)聯(lián)零件，簡稱關(guān)聯(lián)零件。

對于給定的配合節(jié)點，其遮蔽度由零件p1、p2及其關(guān)聯(lián)零件決定。通過制定遮蔽度評價表可便于羅列所有配合節(jié)點的遮蔽度信息，如圖1所示。

圖1 遮蔽度評價表模板

2.2 填寫評價表

采用“人工評價”的方式，按表1賦值策略對遮蔽度評價表的主表和關(guān)聯(lián)零件表進(jìn)行逐項賦值，具體步驟如下：

1) 主表賦值

在三維裝配圖環(huán)境下，通過隱藏除p1，p2外的其他零件模型來考察指定配合節(jié)點的遮蔽度并填寫主表對應(yīng)項目。

2) 關(guān)聯(lián)零件表賦值

在三維裝配圖環(huán)境下，通過隱藏除p1，p2及其對應(yīng)的關(guān)聯(lián)零件外的其他零件模型來考察指定配合節(jié)點的遮蔽度并填寫關(guān)聯(lián)零件表對應(yīng)項目。

3 裝配序列規(guī)劃

3.1 裝配序列模型

文中以配合節(jié)點序列來表征裝配序列，即：

3.2 裝配序列評價

以按指定裝配序列AS完成目標(biāo)裝配所付出的代價作為裝配序列評價的唯一依據(jù)，用代價函數(shù)C(AS)表示。

(1)

式(1)中f(nck)是完成配合節(jié)點nck相關(guān)操作的代價函數(shù)，如式(2)所示。

f(nck)=etkstk+ecksck+efksfk

(2)

由表1可知，et=M×h，ec=ξ×τ×M，而M和h均受上游配合節(jié)點的影響；同時，根據(jù)上游配合節(jié)點的不同，st,sc,sf將在遮蔽度評價表中取不同的值。因此，不同的節(jié)點序列中f(nck)取值各不相同，則C(AS)相應(yīng)不同。文中序列規(guī)劃的目標(biāo)即尋找一組序列AS，使得C(AS)最小。

3.3 模擬退火算法

對于在復(fù)雜解空間中進(jìn)行尋優(yōu)，啟發(fā)式算法是行之有效的方法。文獻(xiàn)[12]通過獲取目標(biāo)城市序列來解決旅行商問題，文中的研究模式與之類似，可借鑒其采用模擬退火算法進(jìn)行配合節(jié)點序列尋優(yōu)，算法流程如圖2所示。

圖2 模擬退火算法執(zhí)行流程

4 應(yīng)用實例

4.1 規(guī)劃對象

某型號電源分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)部分由5大部件組成，各部件在上游環(huán)節(jié)完成部裝后統(tǒng)一交付，由總裝車間完成其在艙體上的安裝，裝配完成后的構(gòu)型如圖3所示。

圖3 某型號電源分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)部分總裝構(gòu)型示意圖

4.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

由于參與裝配的部件與艙體均已完成交付，總裝期間不允許對其進(jìn)行拆解，則以上6部分均可視為零件，可按表1和圖1構(gòu)建裝配體配合節(jié)點及其遮蔽度評價表，如表2、表3所示。

表2 裝配體配合節(jié)點信息

表3 配合節(jié)點遮蔽度評價表

b.關(guān)聯(lián)零件表

續(xù)表3 b.

T44125T52122T65252T73112T86212T94222T101122T11521010T122125

根據(jù)型號工藝要求，零件1(艙體)只能處于靜止?fàn)顟B(tài)，其他所有零件可自由組合，因此M和h按以下原則取值：

1) 如果本節(jié)點不直接或間接涉及零件1，則屬于地面裝配，h=0，M按質(zhì)量最小的零件組合取值；

2) 如果本節(jié)點直接或間接涉及零件1，則屬于艙上裝配，h按表2取值，M取參與裝配(除零件1)的零件組合的質(zhì)量；

3) 特別是，由于本例的特點，最后一個節(jié)點已處于半裝配狀態(tài)且不需要搬運(yùn)，則M取p1或p2中質(zhì)量最小的值，h=0。

節(jié)點遮蔽度選取原則：

1) 如果本次裝配只涉及零件p1和p2，遮蔽度在主表中取對應(yīng)值；

2) 如果本次裝配涉及關(guān)聯(lián)零件，遮蔽度在關(guān)聯(lián)零件表中取p1和p2對應(yīng)值之和。

4.3 執(zhí)行結(jié)果

圖4 模擬退火序列優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)語

相比于裝配主體序列，用配合節(jié)點序列表征裝配序列具有更高的通用性和一致性。建模時只要將主要精力集中于對單一節(jié)點代價函數(shù)的評價上，而無需考慮零部件之間的組合關(guān)系，適用于任何類型的裝配模式。研究表明，該方法具有一定的實用性；如果節(jié)點參數(shù)賦值合理，則序列規(guī)劃效果明顯。

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Assembly Sequence Planning for Aerospace Products Based on Fit Nodes Sequence

CHEN Gang, LU Haibin, ZHUANG Chun, GU Huayang, GU Dan

(Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer, Shanghai 200245,China)

This paper uses fit nodes sequence to denote assembly sequence other than the assembly sequence planning based on parts. It also sets up the fit node model, the assembly sequence model and the cost function and uses simulated annealing arithmetic to search the best assembly sequence, then validates the method by using some aerospace products. The result indicates that this method is reasonable.

assembly sequence; planning; fit nodes sequence; cost function; simulated annealing arithmetic

陳剛(1986-)，男，四川廣安人，工程師，碩士，從事飛行器總裝工藝研究。

TH131

B

1671-5276(2015)05-0068-03

2014-03-24