基于層次模型的人機(jī)交互裝配序列生成算法研究

牟小云

(陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723003)

基于層次模型的人機(jī)交互裝配序列生成算法研究

牟小云

(陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723003)

針對(duì)裝配序列規(guī)劃中組合爆炸及所生成裝配序列的工程有效性不高的問題，提出了在層次模型基礎(chǔ)上，對(duì)零件間裝配關(guān)系進(jìn)行人機(jī)協(xié)同量化，然后分層次、在子裝配體范圍內(nèi)進(jìn)行裝配序列規(guī)劃，最后結(jié)合柱塞泵的裝配實(shí)例，驗(yàn)證了采用該方法能生成工程有效性較高的裝配序列。

人機(jī)交互；裝配層次；子裝配體；裝配序列

裝配序列規(guī)劃是裝配工藝的核心內(nèi)容，對(duì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、提高裝配質(zhì)量及效率有著十分重要的意義，也是目前國內(nèi)外CIMS的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)計(jì)算機(jī)輔助裝配序列規(guī)劃進(jìn)行了大量研究[1-7]，裝配序列規(guī)劃技術(shù)取得了一定成果，但也存在著一些不足，如研究大部分偏重于規(guī)劃的自動(dòng)化，這樣當(dāng)零部件數(shù)目較多時(shí)，存在“組合爆炸”以及序列規(guī)劃結(jié)果的工程有效性較低等問題。

針對(duì)上述問題，結(jié)合復(fù)雜的機(jī)械類產(chǎn)品，提出了按產(chǎn)品模型分層級(jí)，分子裝配體，并通過人機(jī)交互進(jìn)行裝配序列規(guī)劃，提高了生成裝配序列的工程有效性和質(zhì)量。

1 基于層次模型的裝配序列生成基本思想

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有層次性。產(chǎn)品的層次模型能夠表達(dá)產(chǎn)品中零部件之間的層次裝配關(guān)系，不同層次零件的裝配存在先后順序約束，下層零件的裝配優(yōu)先于上層零件的裝配，不同子裝配體中的零件可以并行裝配，可見層次模型隱含了產(chǎn)品部分裝配順序信息。產(chǎn)品CAD的過程是按層次進(jìn)行虛擬裝配，裝配層次一般以模型樹的形式反映在產(chǎn)品窗口旁邊，而實(shí)際產(chǎn)品裝配也是按照裝配層次形成各級(jí)子裝配體進(jìn)而形成產(chǎn)品的；因此，本文在提取產(chǎn)品模型樹層次的基礎(chǔ)上，分層級(jí)、分子裝配體進(jìn)行裝配序列規(guī)劃，并結(jié)合裝配知識(shí)通過人機(jī)交互對(duì)產(chǎn)品模型簡(jiǎn)化，對(duì)零件間裝配關(guān)系進(jìn)行量化及判斷識(shí)別，生成產(chǎn)品的可行裝配序列。其技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 裝配序列生成過程路線

2 裝配模型數(shù)據(jù)的構(gòu)成

2.1 STEP文件中裝配層次提取及模型的簡(jiǎn)化

STEP文件標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)用于產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達(dá)與交換的國際標(biāo)準(zhǔn)，屬ASCll順序文件，文件的數(shù)據(jù)段包含了產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息。由于裝配體STEP文件數(shù)據(jù)段中按照一定的拓?fù)潢P(guān)系存儲(chǔ)了裝配體層次信息，其結(jié)構(gòu)是一種樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，樹的根為裝配體級(jí)的實(shí)體，其子節(jié)點(diǎn)為組成裝配體的各個(gè)零件或子裝配體，各個(gè)零件的子節(jié)點(diǎn)又是構(gòu)成該零件的體素，依次向下；因此，在分析產(chǎn)品STEP文件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用迭代法提取其裝配層次信息，存儲(chǔ)到裝配信息數(shù)據(jù)庫中，為裝配信息的數(shù)據(jù)構(gòu)成奠定了基礎(chǔ)。

為了防止裝配序列出現(xiàn)“組合爆炸”，減小裝配序列規(guī)劃難度，或剔除沒有實(shí)際操作意義的裝配序列，本文對(duì)產(chǎn)品的模型樹進(jìn)行了簡(jiǎn)化。例如，裝配中會(huì)遇到軸承、油標(biāo)和單向閥等標(biāo)準(zhǔn)化組件，由于它們?cè)趯?shí)際裝配中按零件的性質(zhì)一次裝配到位，因此在規(guī)劃裝配序列時(shí)把它們的屬性定義為零件，以簡(jiǎn)化模型的裝配關(guān)系。

2.2 零件間裝配關(guān)系量化

2.2.1 基礎(chǔ)件因子的確定

基礎(chǔ)件因子主要用來確定在一個(gè)子裝配體內(nèi)，首先要裝哪個(gè)零件的問題，基礎(chǔ)件因子大的先裝配。結(jié)合專業(yè)裝配知識(shí)及文獻(xiàn)[8-9]進(jìn)行模糊量化后得到下式：

Part[i]=(w1mi/mmax+w2vi/vmax+w3xi/xmax)λi

式中，Part[i]為裝配體中第i個(gè)零件的基礎(chǔ)件因子；mi、vi、xi分別為零件的質(zhì)量、體積、與之發(fā)生裝配關(guān)系零件個(gè)數(shù)；mmax、vmax、xmax分別為構(gòu)成產(chǎn)品零件中質(zhì)量、體積、裝配關(guān)系數(shù)的最大值；w1、w2、w3分別為質(zhì)量、體積、裝配關(guān)系數(shù)的影響權(quán)值，可人工輸入，本文針對(duì)柱塞泵選w1=w2=0.35，w3=0.3；λi為工程語義決定的零件基礎(chǔ)件系數(shù)，通常箱體類在某個(gè)子裝配體內(nèi)處于優(yōu)先裝配位置，λi可取大一點(diǎn)，軸類和蓋帽等依次降低。

2.2.2 零件間裝配因子的模糊評(píng)價(jià)

裝配因子(即裝配關(guān)聯(lián)強(qiáng)度)主要用來確定在一個(gè)子裝配體內(nèi)基礎(chǔ)件后，其他零件間的先后裝配順序問題，裝配因子大的先裝配。結(jié)合裝配知識(shí)及文獻(xiàn)[10]，本文最終按下式進(jìn)行衡量,零件M、N之間裝配因子relp-ship[m,n]為：relp-ship[m,n]=λmin[n/6 (0.6k1+0.4k2)+0.5w]式中，λmin為零件m、n中基礎(chǔ)件系數(shù)的最小值；n為零件被限制的自由度數(shù)；n/6為裝配穩(wěn)定性系數(shù)；k1、k2分別為同軸與共面的個(gè)數(shù)；w為裝配邏輯特征值，旨在反映裝配操作中零件間應(yīng)滿足的一定邏輯順序。

零件間的裝配關(guān)系進(jìn)行量化定義后，輸入零件的基礎(chǔ)件因子和裝配因子信息，就產(chǎn)生了1個(gè)帶權(quán)裝配的產(chǎn)品模型。

2.2.3 零件類和裝配關(guān)系類數(shù)據(jù)構(gòu)成

裝配模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括子裝配的信息表和零件信息表，用來描述裝配體的拓?fù)潢P(guān)系信息。

子裝配體信息表數(shù)據(jù)構(gòu)成主要有子裝配體序列號(hào)、子裝配體記錄ID號(hào)、子裝配體的名稱、子裝配體所在產(chǎn)品裝配樹的層次、子裝配體所包含零件和子裝配體、上層裝配體的序列號(hào)等。零件信息表數(shù)據(jù)的構(gòu)成主要有零件序列號(hào)、零件記錄ID號(hào)、零件名稱、所在產(chǎn)品裝配樹的層次、零件質(zhì)量、零件體積、該零件與其他零件的裝配關(guān)系、上層子裝配體的序列號(hào)等。

根據(jù)裝配數(shù)據(jù)庫中的各個(gè)數(shù)據(jù)表，對(duì)應(yīng)建立一個(gè)擴(kuò)展類，如零件類(part)，將零件中的信息都從數(shù)據(jù)庫中讀取到計(jì)算機(jī)內(nèi)存模型中，裝配關(guān)系類(relp-ship)用來表示零件相互之間的裝配關(guān)系。在建立了零件類和裝配關(guān)系類等的基礎(chǔ)上，對(duì)裝配體中的裝配關(guān)系進(jìn)行識(shí)別判斷。

3 裝配序列的生成

圖2所示為某產(chǎn)品裝配層次圖，裝配體Z0分解為子裝配體與零件，子裝配體再進(jìn)一步分解下去，直至分解為不可再分的零件為止，產(chǎn)品總體裝配層次為N層，依次往上為N-1層，N-2層，…，最后產(chǎn)品所在為0層。

圖2 某產(chǎn)品的裝配層次圖

裝配體進(jìn)行裝配順序規(guī)劃時(shí)以子裝配體為研究對(duì)象，依據(jù)層次樹結(jié)構(gòu)，采用自下而上的順序?qū)Ω鲗幼友b配體內(nèi)部的零件進(jìn)行分層規(guī)劃，產(chǎn)品總裝配體也被視為子裝配體，具體過程如下。

1)對(duì)次下層級(jí)(見圖2中N-1層)的每一個(gè)子裝配體中的零件進(jìn)行裝配順序規(guī)劃，即對(duì)子裝配體Z3、Z4、Z5內(nèi)的零件先排序。對(duì)Z3內(nèi)零件排序時(shí)，先根據(jù)基礎(chǔ)件因子大小確定該子裝配體序列的第1個(gè)裝配零件，基礎(chǔ)件因子大的先裝配；再根據(jù)該零件的裝配鏈往下搜索，當(dāng)有多個(gè)零件與之裝配時(shí)，排除在該子裝配體內(nèi)已經(jīng)被裝配過的零件鏈和超出該子裝配體范圍的零件鏈后，對(duì)未裝配零件鏈比較裝配因子大小，裝配因子大的就是下一個(gè)裝配零件，依次類推；當(dāng)由某一零件往下搜索時(shí)排除掉已裝配的零件后，在該子裝配體范圍內(nèi)再也找不到裝配鏈，則從基礎(chǔ)件(該子裝配體的)后的第1個(gè)零件到該零件之間的零件序列為1條裝配線，進(jìn)行記錄；再回到該子裝配體內(nèi)的基礎(chǔ)件零件，按照裝配鏈及裝配因子強(qiáng)弱搜索其他的裝配線，直至該子裝配體內(nèi)所有零件被搜索過為止；然后對(duì)該子裝配體內(nèi)的所有裝配線進(jìn)行組合，得到Z3裝配序列解。同理可得到Z4和Z5裝配序列解。

2)對(duì)其上一層級(jí)(見圖2的N-2層)的每一個(gè)子裝配體中的零部件按照上述的方法進(jìn)行排序，即對(duì)子裝配體Z1和Z2進(jìn)行裝配順序規(guī)劃。依次類推到頂層的子裝配體Z0，即產(chǎn)品。對(duì)產(chǎn)品按裝配層次、分子裝配體進(jìn)行裝配順序規(guī)劃的總體算法如圖3所示，子裝配體內(nèi)部零部件排序算法框圖如圖4所示，即圖3中虛線框部分算法。

圖3 生成裝配序列的流程

圖4 子裝配體內(nèi)零部件排序算法框圖

上述裝配序列搜索過程要遵守如下原則。

1)裝配體進(jìn)行裝配順序規(guī)劃時(shí)以每層裝配體為研究對(duì)象，在對(duì)子裝配體內(nèi)零部件排序時(shí)，搜索裝配鏈都不能超出該子裝配體的范圍。

3)部件的裝配關(guān)系由其內(nèi)零件裝配關(guān)系確定，從圖4算法框圖中可體現(xiàn)；被添加到裝配序列中的零件應(yīng)被標(biāo)識(shí)過，不再被排序。

在上述算法和原則的基礎(chǔ)上，以Jave為開發(fā)工具，針對(duì)典型機(jī)械類產(chǎn)品開發(fā)了裝配序列規(guī)劃軟件，其具體應(yīng)用詳見下述實(shí)例。

4 應(yīng)用實(shí)例

1)進(jìn)行產(chǎn)品STEP文件裝配層次信息提取。圖5a所示為在Pro/E5.0下產(chǎn)品柱塞泵的裝配模型，包含陣列由36個(gè)零部件組成，把文件存為*stp格式后，利用STEP后處理程序提取其裝配層次信息(相同軸承取不同名稱)，其結(jié)果如圖5b所示，可見柱塞泵由6個(gè)子裝配體和5個(gè)不同類的零件組成，點(diǎn)擊FATI.id:30子裝配體的下一層還可以看到組成它的下層子裝配體和零件。

圖5 柱塞泵模型及其裝配層次提取

2)對(duì)柱塞泵的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。因?yàn)檩S承是標(biāo)準(zhǔn)件，單向閥是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這里修改軸承和閥體的屬性為零件，系統(tǒng)自動(dòng)刪除其下屬零件，過程如圖6a所示，簡(jiǎn)化后模型框架如圖6b所示，此時(shí)還剩22個(gè)零件。

圖6 模型簡(jiǎn)化

3)通過人機(jī)交互添加零件間的裝配關(guān)系。首先添加基礎(chǔ)件信息，對(duì)簡(jiǎn)化模型的每一個(gè)零件(包括屬性為零件的部件)進(jìn)行添加，這些零部件的質(zhì)量和體積都可以在三維建模軟件中獲得，與之直接發(fā)生裝配零部件的個(gè)數(shù)通過產(chǎn)品裝配圖獲得，當(dāng)輸完被選中零件的基礎(chǔ)件信息后，“添加裝配關(guān)系”按鈕變?yōu)楹谏c(diǎn)擊它就可以添加與其發(fā)生直接裝配關(guān)系的零件的裝配信息值，輸完所有與之有裝配關(guān)系的零件信息后，再回到上面“添加基礎(chǔ)件信息”選擇另一零件，重復(fù)操作，添加其基礎(chǔ)件信息和裝配關(guān)系信息，以下類同。添加基礎(chǔ)件信息的界面如圖7a所示，添加裝配關(guān)系的界面如圖7b所示。也可以把組成產(chǎn)品零部件的基礎(chǔ)件信息和裝配信息量化后，按一定文件格式直接導(dǎo)入，減少輸入工作量，見圖7所示的“導(dǎo)入裝配關(guān)系”按鈕。

圖7 基礎(chǔ)件系數(shù)和裝配關(guān)系添加

4)生成可行的裝配序列。當(dāng)模型所有零部件的裝配關(guān)系添加完后就可以生成可行的裝配序列了，點(diǎn)擊圖7對(duì)話框中“生成理論可行序列”會(huì)生成柱塞泵的理論可行序列24個(gè)，如圖8a所示。

5)去除一些理論上可行但不符合實(shí)際操作性的裝配序列，本文通過輸入優(yōu)先裝配關(guān)系進(jìn)行淘汰。油標(biāo)和單向閥的裝配線必然在主軸系和柱塞部件裝配的后面，輸入優(yōu)先裝配關(guān)系，最后得到柱塞泵產(chǎn)品的裝配序列如圖8b所示。

圖8 裝配序列生成

裝配序列結(jié)果為：1)1(泵體)→2(軸套)→5(軸)→26(軸承)→6(平鍵)→7(凸輪)→8(套筒)→25(軸承)→12(前端蓋)→13(前端蓋墊片)→23(聯(lián)接螺釘)→9(崗套)→10(柱塞)→11(彈簧)→16(螺釘)→14(左端蓋)→15(左端蓋墊片)→24(聯(lián)接螺釘)→3(油杯)→4(油杯蓋)→17(閥體墊片)→30(單向閥)。

其他3種裝配序列結(jié)果可簡(jiǎn)化如下。

1)1→2→5→26→6→7→8→25→12→13→23→9→10→11→16→14→15→24→17→30→3→4。

2)1→9→10→11→16→14→15→24→2→5→26→6→7→8→25→12→13→23→3→4→17→30。

3)1→9→10→11→16→14→15→24→2→5→26→6→7→8→25→12→13→23→17→30→3→4。

上述4種裝配順序與柱塞泵產(chǎn)品的實(shí)際裝配過程是基本相符的。

5 結(jié)語

把裝配知識(shí)與計(jì)算機(jī)智能相結(jié)合，在產(chǎn)品層次模型的基礎(chǔ)上采用人機(jī)交互規(guī)劃裝配序列，大大地提高了裝配序列規(guī)劃的效率和質(zhì)量；但在裝配關(guān)系量化輸入的過程中，工作較為繁瑣，對(duì)操作人員的要求也很高。

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責(zé)任編輯鄭練

MethodforAssemblySequencePlanningbasedonHierarchicalModelandHuman-mputerCollaborative

MU Xiaoyun

(Institute of Machinery Engineering, Shanxi University of Technology, Hanzhong 723003, China)

Aimed at the problems of combination explosion and inefficient in assembly sequence planning, on the basis of hierarchical model, relationship of parts was quantified by human-computer collaborative. Assembly sequence was formed through searching hierarchical model in every sub-assembly range. At last, the assembly sequence planning of piston pump was finished.The results showed that the way is effective.

human-computer collaborative, assembly level, sub-assembly, assembling sequence

TP 391

：A

牟小云(1972-)，女，碩士，副教授，主要從事圖學(xué)教育和先進(jìn)制造技術(shù)等方面的研究。

2014-05-30