大型復雜產品裝配序列規(guī)劃技術研究

焦躍龍　張義森　王志超

摘 要：裝配序列規(guī)劃技術是虛擬裝配的關鍵技術之一。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雜裝配體序列規(guī)劃的需求，提出了基于層次關聯(lián)圖的裝配信息模型，以及裝配經驗知識與割集法相結合的序列生成方法。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)。

關鍵詞：裝配序列規(guī)劃技術；層次關聯(lián)圖；裝配經驗知識；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，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.產品的組成層次信息，一個產品根據設計時的功能、結構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、相對運動關系以及配合關系。

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.關聯(lián)圖模型：表達機械產品的裝配關系最初由法國學者Bourjault提出，Bourjault以數據結構中的圖結構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為產品中零部件的數目；邊L={ ， ， …… }代表裝配體中的零部件間的聯(lián)接關系，這里的聯(lián)接關系表示零件之間的物理接觸關系，m為聯(lián)接邊的數量。

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構，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過編號和簡化的裝配層次關系樹用于割集法生成裝配序列。

1.3.基于層次關聯(lián)圖的裝配信息模型

層次模型可以樹的數據結構來表達，反映了裝配體中零部件之間的裝配層次關系，符合人們的思維習慣，能較好地體現(xiàn)設計意圖和產品的零部件組成層次，由于將產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)劃的復雜度。層次樹模型的缺點是缺乏對同層中零部件裝配關系的描述，也沒有涵蓋零部件裝配操作有關的信息，因此這種模型很難被裝配序列規(guī)劃模塊直接所用，關系模型主要用圖的數據結構來表達，反映了裝配體中零部件之間的聯(lián)接關系，但是該模型不能清楚的表達產品零部件的層次結構，不符合人們對產品的認識習慣，對于割集算法當產品中零部件數量較多時，容易產生“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系模型相結合的裝配模型表達方法，即基于層次關聯(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系，也反映了零部件之間的聯(lián)接關系。

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。

常用的知識表示結構有：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。基于規(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，結果表述零件的裝配序列，可信度表示結果正確的概率。

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。結果為先安裝cont1，然后y，x，最后cont2。該結果正確的概率為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合在一起。但是割集法也有一個很大的缺陷，當零件的數目增加時，割集分解的數量呈現(xiàn)指數級增加，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：

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聯(lián)圖的裝配信息模型，該模型能夠恰當的表達裝配體的結構層次性以及零部件之間的聯(lián)接關系，在裝配序列生成時采用正逆向相結合的方法即裝配經驗知識與割集法相結合來求解裝配序列。

參考文獻：

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