基于割集算法的車削夾具虛擬裝配序列規(guī)劃

鮑成偉，宋孟華，劉雪梅

(西北工業(yè)大學(xué) 明德學(xué)院，西安　710124)

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基于割集算法的車削夾具虛擬裝配序列規(guī)劃

鮑成偉，宋孟華，劉雪梅

(西北工業(yè)大學(xué) 明德學(xué)院，西安710124)

摘要：目前航空航天企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量眾多,且在實(shí)際加工過程中需要大量的夾具。針對(duì)小批量、多品種的生成模式，快速準(zhǔn)備符合加工要求的夾具是航空航天企業(yè)急需解決的問題。應(yīng)用裝配關(guān)聯(lián)圖為基礎(chǔ)，描述某車削夾具的裝配信息模型，結(jié)合割集算法的技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的虛擬裝配序列規(guī)劃，并對(duì)生成的裝配規(guī)劃進(jìn)行評(píng)價(jià)。應(yīng)用該裝配序列規(guī)劃方法可實(shí)現(xiàn)夾具的快速工裝，明顯提升生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：車削夾具；裝配序列規(guī)劃；虛擬裝配；割集算法

0引言

航空航天企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件數(shù)量眾多、制造工藝復(fù)雜，實(shí)際加工中需要大量的夾具，如飛機(jī)等產(chǎn)品甚至需要上萬件，如此大的數(shù)量給夾具準(zhǔn)備工作造成巨大的壓力。這一過程占用了較多的人力和周期，且當(dāng)產(chǎn)品改變時(shí)，又要重新設(shè)計(jì)和制造夾具。因此，針對(duì)這種小批量、多種類的生產(chǎn)模式，如何快速準(zhǔn)備符合加工要求的夾具，已成為航空航天企業(yè)亟需解決的難題。夾具設(shè)計(jì)、工裝效率和質(zhì)量是影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量的瓶頸因素，成為目前航空航天產(chǎn)品高效、高精數(shù)控加工迫切需要解決的問題之一[1]。但由于夾具設(shè)計(jì)資源沒有得到很好的共享和重用，夾具設(shè)計(jì)、工裝效率和質(zhì)量仍然是影響航空航天產(chǎn)品研制的重要因素之一[2]。

1裝配序列規(guī)劃簡(jiǎn)介

裝配序列規(guī)劃是虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是針對(duì)某一產(chǎn)品，探索滿足一定要求和條件的裝配順序，通過一定的方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而得到滿足裝配時(shí)間最短、費(fèi)用最低、工藝性最好等最優(yōu)裝配方案與裝配序列[3-4]。夾具作為加工過程中一種重要的工藝裝備，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和研制周期，其中車削夾具在航空制造工藝裝備中占有較大比重。

德國(guó)工業(yè)工程研究所虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室較早地研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)的裝配規(guī)劃系統(tǒng)。加拿大大學(xué)在虛擬裝配中引入仿生智能,使用仿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行裝配序列規(guī)劃,最終生成機(jī)器人指令,并進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化[5]。Kuehne和Oliver建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的虛擬裝配系統(tǒng),可以通過導(dǎo)入CAD模型裝配層次結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生裝配順序,但它沒有碰撞干涉檢測(cè)和觸覺反饋[6]。

現(xiàn)階段的裝配序列研究主要是實(shí)現(xiàn)智能化、集成化、自動(dòng)化的可行序列的生成。但是面對(duì)零部件數(shù)量眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型裝配體時(shí)，都有一定的局限性，陷入序列組合爆炸的死循環(huán)[7]。具有嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)的應(yīng)用型幾何推理算法計(jì)算過程繁瑣運(yùn)算量大；具有專業(yè)領(lǐng)域裝配經(jīng)驗(yàn)的人工智能技術(shù)結(jié)合多種算法，根據(jù)裝配約束關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)推理容易在分析時(shí)序列組合出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，實(shí)用性不強(qiáng)。

所以如何排列優(yōu)先約束關(guān)系、進(jìn)行組件識(shí)別、生成運(yùn)算矩陣、建立裝配經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)、結(jié)合拆卸法與圖論割集法的逆向思維，針對(duì)研究對(duì)象的自身存在的幾何、技術(shù)和機(jī)械的可行性，快速準(zhǔn)確的找出符合要求的可行最優(yōu)序列是當(dāng)今裝配序列規(guī)劃迫切要解決的課題[8]。

2車削夾具裝配信息模型的建立

對(duì)車削夾具進(jìn)行裝配序列規(guī)劃研究，首先要建立完善、正確的表達(dá)裝配信息的虛擬模型。虛擬裝配模型中應(yīng)該包含車削夾具在工作狀態(tài)下所有零件之間以及它們與被加工工件之間的所有內(nèi)在裝配約束關(guān)系。完善的車削夾具虛擬裝配信息模型能夠提供裝配序列規(guī)劃、評(píng)價(jià)所需的必要信息。

由于車削夾具需要經(jīng)常拆卸和裝配，在建模過程中我們要注意一些問題和細(xì)節(jié)，方便其裝配。在建模過程中采用面向裝配的設(shè)計(jì)DFA(Design For Assembly)的設(shè)計(jì)原則，其中包含構(gòu)成零件數(shù)量和類型最少原則、裝配方向最少原則、零件易于定位原則和模塊化的設(shè)計(jì)原則[9]。本文以角鐵類車削類夾具為研究對(duì)象，因?yàn)樵擃悐A具都是專用型夾具，適用于小批量的生產(chǎn)，需要經(jīng)常進(jìn)行裝配與拆卸操作，如圖1所示的車削夾具三維工裝圖。

圖1　車削夾具三維工裝圖

根據(jù)裝配序列規(guī)劃的需要車削夾具的裝配信息分為三類，如表1所示。

表1　裝配信息分類

3車削夾具裝配序列的生成與評(píng)價(jià)

根據(jù)車削夾具在加工時(shí)需要經(jīng)常拆卸和重新裝配的特點(diǎn)，在此提出一種正逆向結(jié)合法，充分利用裝配經(jīng)驗(yàn)知識(shí)正向推理得到一些常見子裝配體和典型的裝配工藝結(jié)構(gòu)的裝配序列；對(duì)于根據(jù)現(xiàn)有裝配經(jīng)驗(yàn)知識(shí)不能直接推導(dǎo)出序列的部件采用割集法逆向分析生成拆卸序列，然后推導(dǎo)出所有可行的車削夾具裝配序列，針對(duì)車削夾具的裝配序列生成的流程如圖2所示。

圖2　裝配序列生成流程圖

3.1車削夾具的裝配知識(shí)

獲取裝配知識(shí)是進(jìn)行裝配經(jīng)驗(yàn)推理的基礎(chǔ)，目前主要將車削夾具的裝配經(jīng)驗(yàn)知識(shí)分為兩大類，一類是約束型知識(shí)，通常是指根據(jù)車削夾具中零部件之間的配合特征約束關(guān)系推理出零部件之間的裝配優(yōu)先關(guān)系；另一類是通用型知識(shí)，例如車削夾具的一般裝配工藝要求的經(jīng)驗(yàn)，裝配時(shí)一般把重量較大、與其它零件聯(lián)接關(guān)系較多的零部件做為基礎(chǔ)件，車削夾具都是以本體為基礎(chǔ)件進(jìn)行裝配。

3.2割集算法中裝配序列的生成

割集法是一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)理論方法，將數(shù)學(xué)圖論中關(guān)于圖的割集思想應(yīng)用于裝配體的拆卸過程中，使得裝配序列規(guī)劃更為嚴(yán)謹(jǐn)[10-11]。裝配序列中的拆卸逆向割集法巧妙高效地解決了裝配序列生成問題，但是它對(duì)裝配體中零部件的數(shù)量有著嚴(yán)格的要求，一般限制在5～8個(gè)左右。所以在使用割集法之前需要將裝配關(guān)聯(lián)圖進(jìn)一步簡(jiǎn)化，將裝配關(guān)聯(lián)圖按照裝配割集不斷分割，滿足特定的數(shù)目要求。車削夾具特殊的使用要求，滿足所有零部件都是剛性元件并且可裝即可拆，裝配體的拆卸序列的逆序即為裝配序列，符合割集算法求解裝配序列規(guī)劃的要求。

割集法求解就是割集把裝配關(guān)聯(lián)圖分割成兩個(gè)零件連通子圖，然后再對(duì)分割后的兩個(gè)子圖，直到不能再進(jìn)行分割為止，割集算法的具體流程如圖3所示。

此研究采用SPSS17.0軟件。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,計(jì)數(shù)資料以(%)表示,以卡方檢驗(yàn)。P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

通過子裝配體簡(jiǎn)化的車削夾具裝配關(guān)聯(lián)圖明顯可以觀察到該關(guān)聯(lián)圖中節(jié)點(diǎn)較多，不符合割集算法的運(yùn)算條件，結(jié)合12～16 零件的在裝配關(guān)聯(lián)圖中的特點(diǎn)，可以根據(jù)裝配經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來分析裝配優(yōu)先約束條件，得到它們必須連續(xù)裝配且裝配順序?yàn)?6-12-13-14-15。相同的原理可得到子裝配體Z2 必須在子裝配體Z1 裝配之后才能進(jìn)行裝配，且必須連續(xù)裝配。對(duì)經(jīng)過子裝配體分析簡(jiǎn)化過后的裝配關(guān)聯(lián)圖中的所有關(guān)聯(lián)邊進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，車削夾具的簡(jiǎn)化關(guān)聯(lián)圖如圖4所示。去掉1、2、6 和7 邊后得到車削夾具的一棵如圖5所示的生成樹。

圖3　割集發(fā)生裝配層次流程圖

圖4　簡(jiǎn)化后的裝配關(guān)聯(lián)圖

圖5　生成樹

在以車削夾具裝配模型為基礎(chǔ)上的生成樹，有且僅有一個(gè)樹枝的割集稱為基本割集，對(duì)分析過后所有的可行的基本割集矩陣進(jìn)行環(huán)和運(yùn)算得到代表生成所帶可行裝配序列完全割集矩陣，其中每一列都對(duì)應(yīng)裝配關(guān)聯(lián)圖圖4中的一條邊，并且序號(hào)相同，每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)割集，對(duì)應(yīng)矩陣中共有31 個(gè)割集，如下面矩陣所示。

對(duì)割集進(jìn)行分析可知，其中只有割集1，3，4，6，8，12 為真割集，其余割集都為偽割集，應(yīng)刪除，在所有真割集進(jìn)行可行性分析，只有1，3，4，6 滿足可行性要求，換算成裝配序列與或圖表達(dá)形式如圖6所示。

圖6　裝配序列與或圖

再對(duì)與或圖進(jìn)行自下而上搜索或自上而下搜索求出裝配序列中的二叉樹，換算成裝配序列為：

①1-Z3-Z1，Z2-Z4-12，13，14，15，16-Z5；

②1-Z3-Z1，Z2-12，13，14，15，16-Z4-Z5；

③1-Z3-12，13，14，15，16-Z4-Z1，Z2-Z5；

④1-Z3-Z4-12，13，14，15，16-Z1，Z2-Z5；

①1-9-0-ZA1-3-2-6-5-4-10-11-16-12-13-14-15-ZA2-17；

②1-9-0-ZA1-3-2-4-6-5-10-11-16-12-13-14-15-ZA2-17；

③1-9-0-ZA1-3-2-6-5-4-16-12-13-14-15-10-11-ZA2-17；

④1-9-0-ZA1-3-2-4-6-5-16-12-13-14-15-10-11-ZA2-17；

⑤1-9-0-16-12-13-14-15-10-11-ZA1-3-2-6-5-4-ZA2-17；

⑥1-9-0-16-12-13-14-15-10-11-ZA1-3-2-4-6-5-ZA2-17；

⑦1-9-0-10-11-16-12-13-14-15-ZA1-3-2-6-5-4-ZA2-17；

⑧1-9-0-10-11-16-12-13-14-15-ZA1-3-2-4-6-5-ZA2-17；

3.3裝配序列的評(píng)價(jià)

車削夾具實(shí)際裝配時(shí)主要考慮的是裝配整體的工藝性、時(shí)間性、經(jīng)濟(jì)性等多方面因素[12]。但在眾多的影響因素中，工藝性往往決定裝配質(zhì)量、裝配時(shí)間和裝配費(fèi)用等。結(jié)合車削夾具作為車削加工過程中必備的工藝裝備的和定位、固定和夾緊加工工件的使命，針對(duì)專用夾具需要經(jīng)常拆卸和裝配的特點(diǎn)，確定以實(shí)現(xiàn)理想時(shí)間和保證工藝性為評(píng)價(jià)目標(biāo)，以裝配狀態(tài)的穩(wěn)定性、裝配并行度、重定向次數(shù)、零件二次調(diào)整次數(shù)，為評(píng)價(jià)因素，并利用層次分析法確定各因素在評(píng)價(jià)過程中的權(quán)重。

車削夾具在裝配序列生成過程中采用是割集算法，經(jīng)過可行性分析，保證了裝配裝配的穩(wěn)定性，層次關(guān)系樹和與或圖的表達(dá)方式確定了裝配的并行度。另外，在夾具與車床連接過程中現(xiàn)場(chǎng)操作的方便和簡(jiǎn)單性，主要采用了零件二次調(diào)整次數(shù)和重新定向次數(shù)兩個(gè)整體性因素來對(duì)裝配序列進(jìn)行評(píng)價(jià)，裝配評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　裝配評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由表2的數(shù)據(jù)明顯可知裝配序列2的結(jié)果為最優(yōu)，也比較符合工人的在實(shí)際操作時(shí)的裝配習(xí)慣。

4結(jié)論

通過UG NX虛擬裝配技術(shù)建立車削夾具三維工裝模型，根據(jù)實(shí)體模型的裝配關(guān)系和特征構(gòu)建層次聯(lián)結(jié)關(guān)系圖形式的車削夾具裝配信息模型，采用裝配知識(shí)與割集算法相結(jié)合，進(jìn)行裝配序列規(guī)劃，通過一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得出最優(yōu)的裝配序列，為研究基于裝配順序的虛擬裝配提供了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)夾具的快速工裝，提高生產(chǎn)效率。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 靳江艷,黃翔,劉希平,等.基于廣義裝配關(guān)系的復(fù)雜產(chǎn)品裝配單元?jiǎng)澐址椒╗J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2012,44(2):50-55.

[2] 劉檢華,孫連勝,張旭,等.三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)內(nèi)涵及關(guān)鍵問題[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2014,20(3):496-504.

[3] 彭深,劉克能,周長(zhǎng)省.機(jī)械產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃研究[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2006,6(2):81-85.

[4] 崔小龍，劉新華，宋國(guó)民.基于子裝配的裝配序列規(guī)劃方法研究[J].組 合 機(jī) 床 與 自 動(dòng) 化 加 工 技 術(shù),2012(5):78-81.

[5] TURNER J U, SUBRAMANIAM S,GUPTA S. Constraint representation and reduction in assembly modeling and analysis[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1992,8(6): 741-750.

[6] YANG Rundang, WU Dianliang, FAN Xiumin. Research on constraint-based virtual assembly technologies[J].Computer Integrated Manufacturing Systems,2006,12(3):413-419.

[7] 單鴻波,李淑霞.產(chǎn)品DFA相關(guān)研究現(xiàn)狀及展望[J].中國(guó)制造業(yè)信息化.2007(6):18-23.

[8] 趙磊,李原,余劍峰.支持變約束的裝配順序隨需式規(guī)劃方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(5):149-155.

[9] 王恒,寧汝新.面向虛擬裝配的產(chǎn)品公差模型[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng).2006(7):961-968.

[10] 姚壽文,魯立鵬,李慎龍.基于割集算法和子裝配體識(shí)別的裝配順序規(guī)劃[J].機(jī)床與液壓,2008(9):6-8.

[11] 張慶霞,鐘艷如,馬如林.一種基于有向割集分解的裝配序列生成改進(jìn)算法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(6):68-70.

[12] 周開俊,李東波,許煥敏.一種產(chǎn)品裝配序列的評(píng)價(jià)方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2006,12(4):563-567.

(編輯趙蓉)

Lathe Fixture Virtual Assembly Sequence Planning Based on the Cut-set Theory

BAO Cheng-wei, SONG Meng-hua, LIU Xue-mei

(Mingde College,Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710124, China)

Abstract：Currently aerospace enterprise product structure are complicated, parts are numerous and requires a lot of fixtures in the actual processing.For small quantities, multi-species generation mode,rapid prepare fixtures in line with processing requirements is aerospace enterprise urgent problems.Based on assembly related pictures,describe a certain turning fixture assembly information model,combined cut-set algorithm’s technology,design and implementation of product ‘s virtual assembly sequence planning,and evaluate the resulting assembly planning.Applying this assembly sequence planning method enables rapid fixture,significantly increase production efficiency.

Key words：lathe fixture; assembly sequence planning; virtual assembly; cut-set theory

文章編號(hào)：1001-2265(2016)05-0134-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.037

收稿日期：2015-05-26；修回日期：2015-07-01

作者簡(jiǎn)介：鮑成偉(1989—)，男，吉林延吉人，西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造，(E-mail)baobao74@163.com。

中圖分類號(hào)：TH12；TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A