虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)的智能化成套裝備關(guān)鍵技術(shù)研究

劉冉冉 馬廣勇 鄭健

摘要：為解決傳統(tǒng)成套裝備無(wú)法適應(yīng)市場(chǎng)需求的問題，開始使用虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)對(duì)智能化成套裝備的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。首先需要利用蟻群算法作為選擇最優(yōu)調(diào)配路徑時(shí)算法流程的工具，設(shè)計(jì)虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)，然后基于蟻群算法得到最短路徑。再根據(jù)裝配工具的更換次數(shù)、裝配方向的改變次數(shù)以及代價(jià)值對(duì)智能化成套裝備裝配序列路徑進(jìn)行規(guī)劃。通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證本文虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)的智能化成套裝備關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)方法，證明了本文所研究的技術(shù)具備實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;智能化;成套裝備;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD421? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0083-02

0? 引言

智能化成套裝備是隨著市場(chǎng)對(duì)制造業(yè)要求的不斷提高而產(chǎn)生的一種新興技術(shù)，在工業(yè)制造十分發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)，產(chǎn)品的運(yùn)營(yíng)周期越來(lái)越短，并出現(xiàn)了大規(guī)模的成套裝備開發(fā)速度趕不上市場(chǎng)變化速度的情況，這為傳統(tǒng)的制造業(yè)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。因此為了能夠更好地適應(yīng)市場(chǎng)，原始的成套裝備從只能生產(chǎn)一件產(chǎn)品開始向智能化轉(zhuǎn)變[1]。這時(shí)候，在智能化成套裝備技術(shù)中引入虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)。虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，它主要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)、計(jì)算機(jī)智能技術(shù)、仿真技術(shù)共同構(gòu)建一個(gè)虛擬的產(chǎn)品模型，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝配的目的，并通過裝配過程實(shí)現(xiàn)仿真機(jī)械的技術(shù)分析。我們研究虛擬仿真機(jī)械調(diào)配技術(shù)是在工業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)領(lǐng)域十分普遍[2]。本文主要應(yīng)用虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)對(duì)智能化成套裝備的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，首先需要對(duì)虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用蟻群算法作為選取零件調(diào)配最佳路徑的工具，通過構(gòu)造禁忌表，在迭代中存儲(chǔ)所有已走過的路徑，并選取最短路徑最為最優(yōu)解，即機(jī)械產(chǎn)品的成套裝備技術(shù)中的零件最優(yōu)裝配順序。然后根據(jù)裝配工具的更換次數(shù)、裝配方向的改變次數(shù)以及代價(jià)值的計(jì)算得到智能化成套裝備裝配序列路徑的規(guī)劃。

1? 智能化成套裝備關(guān)鍵技術(shù)研究

對(duì)于智能化成套裝備關(guān)鍵技術(shù)的研究主要包括如圖1所示的四類技術(shù)。如圖1所示，本文主要從碰撞檢測(cè)、裝配序列和路徑規(guī)劃以及基于蟻群算法的最優(yōu)路徑選擇等方面對(duì)智能化成套裝備關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1.1 基于蟻群算法的最優(yōu)路徑選擇

虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)在提高產(chǎn)品的質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率中有著至關(guān)重要的作用，在智能化成套裝備對(duì)每一個(gè)零件進(jìn)行裝配或拆卸之前，必須首先作出規(guī)劃，以確定如何才能在拆卸或裝配下一個(gè)零件時(shí)達(dá)到最佳效果。此時(shí)需要利用計(jì)算機(jī)智能技術(shù)解決智能化成套裝備的設(shè)計(jì)問題，建立搜索空間，模擬蟻群算法，根據(jù)裝配特點(diǎn)和需求來(lái)解決復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的成套裝備技術(shù)問題[3]。（圖2）

在圖2所示的算法流程中，首先需要?jiǎng)?chuàng)建好調(diào)配系統(tǒng)所需的調(diào)配模型，此時(shí)在各個(gè)零件節(jié)點(diǎn)上隨機(jī)分布著信息素作為成套裝備智能化的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，然后將調(diào)配模型作為基準(zhǔn)件將所有數(shù)據(jù)初始化，更新信息素τ0和τij。再設(shè)置零件節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑k，并將k賦值為k=k+1。設(shè)置迭代次數(shù)n，將n賦值為n=n+1[4]。

所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后即可按照轉(zhuǎn)移概率公式選擇裝配零件的順序，直至虛擬仿真系統(tǒng)中所有零件都完成了裝配。對(duì)已經(jīng)完成的裝配序列進(jìn)行評(píng)價(jià)，并設(shè)置其概率轉(zhuǎn)移系數(shù)，以評(píng)價(jià)結(jié)果和概率轉(zhuǎn)移系數(shù)來(lái)修改零件的裝配順序，并調(diào)整信息素，在迭代次數(shù)的影響下，算法開始循環(huán)[5]。當(dāng)算法在不斷迭代的前提下遍歷過所有路徑，并將所有路徑流程都存入禁忌表后，就代表已知所有路徑均被記錄。此時(shí)比較所有存入禁忌表中路徑的總長(zhǎng)度，并找到最短路徑，這就是此時(shí)智能化成套設(shè)備零件調(diào)配的最優(yōu)解。將最優(yōu)解儲(chǔ)存后，在迭代次數(shù)達(dá)到最大時(shí)，循環(huán)終止，并得到最短路徑即最優(yōu)裝配順序。

1.2 智能化成套裝備裝配序列路徑規(guī)劃

智能化成套裝備的裝配規(guī)劃是整個(gè)智能化成套裝備關(guān)鍵技術(shù)的重要組成部分，裝配序列的路徑規(guī)劃影響著最終產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，智能化成套裝備的裝配規(guī)劃就需要通過最優(yōu)路徑選擇的方法，努力提升裝配序列的質(zhì)量，并對(duì)一些看似差不多的路徑擇優(yōu)選擇。在選擇裝配序列時(shí)，需要考慮零件數(shù)量的多少、零件模型的形狀和作用、零件裝配操作的工藝性等，通過對(duì)裝配方向改變次數(shù)和代價(jià)值的計(jì)算對(duì)該路徑進(jìn)行評(píng)價(jià)。在不同的裝配序列中，對(duì)于工具的使用次數(shù)是不同的，因此往往在一套智能化成套裝備中需要改變好幾次工具，但是一旦工具更換次數(shù)過多，既會(huì)浪費(fèi)時(shí)間，也會(huì)增加裝配成本，因此通過計(jì)算裝配工具的更換次數(shù)來(lái)檢驗(yàn)該路徑的優(yōu)越性，公式如下：

其中，n1表示裝配方向的改變次數(shù)，M表示零件的個(gè)數(shù)，ti表示第i次更換工具所消耗的時(shí)間。裝配方向改變次數(shù)的計(jì)算公式如下所示：

其中，n2表示裝配方向的改變次數(shù)，M表示零件的個(gè)數(shù)，di表示裝配方向第i次改變時(shí)所消耗的時(shí)間。

代價(jià)值又可以表示為f（S）值，在對(duì)零件裝配的智能化路徑進(jìn)行篩選時(shí)，會(huì)有很多條疑似最優(yōu)解的路徑，此時(shí)可以通過代價(jià)值來(lái)判斷關(guān)于這條路徑優(yōu)化程度。根據(jù)相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以得到零件裝配順序的代價(jià)函數(shù)：

其中，ω1和ω2分別為不同裝配指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，一般情況下ω1<ω1，n1代表裝配工具的切換次數(shù)，n2則代表裝配方向改變次數(shù)。

2? 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作

CAD軟件能夠?qū)⒕唧w的零件信息展示在計(jì)算機(jī)上，因此選取CAD軟件作為虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)建模功能的背景環(huán)境，再通過Matlab軟件計(jì)算零件節(jié)點(diǎn)及成套裝備的角度改變值。首先需要以一個(gè)玩具產(chǎn)品作為初始模型，在不改變其核心科技的前提下對(duì)其外表進(jìn)行改進(jìn)并以此對(duì)智能化成套裝備進(jìn)行改造。將本文研究的基于虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)的智能化成套裝備改造技術(shù)設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將傳統(tǒng)的基于DELMIA的智能化成套裝備改造技術(shù)設(shè)置為對(duì)照組，將玩具產(chǎn)品本身的復(fù)雜程度即零件數(shù)目作為變量，通過計(jì)算裝配方向的改變次數(shù)以及代價(jià)值來(lái)探究?jī)煞N技術(shù)方法的優(yōu)劣。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過Matlab軟件計(jì)算的基于兩種方法的裝配次數(shù)改變次數(shù)及代價(jià)值如表1所示。

如表1所示，當(dāng)零件數(shù)目超過20以后，實(shí)驗(yàn)組的工具更換次數(shù)就超過了對(duì)照組，當(dāng)零件數(shù)目為5個(gè)時(shí)，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)組還是對(duì)照組裝配方向改變次數(shù)都為1，但是隨著零件數(shù)目的增加，對(duì)照組的裝配方向改變次數(shù)增加幅度大于實(shí)驗(yàn)組。因此可以得知，本文研究的基于虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化成套裝備關(guān)鍵技術(shù)方法比傳統(tǒng)基于DELMIA的方法所消耗的能源少，成本少，其智能化成套裝備的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。裝配序列的代價(jià)值與裝配方向改變次數(shù)和裝配工具的更換次數(shù)相反，代價(jià)值越小則代表該條零件裝配的序列越好，比較零件數(shù)目相同時(shí)的代價(jià)值，實(shí)驗(yàn)組總是小于對(duì)照組，因此可以得知，當(dāng)零件數(shù)目相同時(shí)，使用本文研究的基于虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化成套裝備關(guān)鍵技術(shù)方法選擇度裝配路線優(yōu)于使用傳統(tǒng)基于DELMIA的智能化成套裝備改造技術(shù)路線。

3? 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)市場(chǎng)對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品的需求，對(duì)虛擬仿真機(jī)械調(diào)配系統(tǒng)的智能化成套裝備關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，使用蟻群算法尋找最優(yōu)路徑，并改進(jìn)了智能化成套裝備的關(guān)鍵技術(shù)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的技術(shù)方法在裝配路線優(yōu)化效果和能源消耗上都優(yōu)于傳統(tǒng)方法，證明了本文所研究的方法具備實(shí)際價(jià)值，值得被推廣。

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