基于配合節點序列的航天產品裝配序列規劃

陳剛，陸海濱，莊純，顧華洋，顧丹

(上海航天設備制造總廠，上海 200245)

基于配合節點序列的航天產品裝配序列規劃

陳剛，陸海濱，莊純，顧華洋，顧丹

(上海航天設備制造總廠，上海 200245)

不同于通常基于零部件的序列規劃，提出用配合節點序列表征裝配序列的方法。構建配合節點模型，并基于此構建裝配序列模型及其代價函數。使用模擬退火算法對目標空間中裝配序列進行尋優。以某航天產品的裝配為例進行驗證。結果表明該方法合理有效。

裝配序列；規劃；配合節點序列；代價函數；模擬退火算法

0 引言

隨著我國航天事業的深入開展，航天器結構與機構產品正朝著更大、更重、更精密、更復雜的方向演變。目前，業內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，而鮮有從理論上進行規劃、分析的案例。

相對其他行業特別是各高校在裝配序列規劃領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) 裝配模型構建方法：主要有基于裝配序列優先圖(或優先關系矩陣)[1-3]、基于子裝配體(或裝配模塊)[4-6]和基于基礎件[7]的模型構建法。

2) 裝配序列優化引擎：主要有專家系統[8]、知識論[9]、啟發式算法(粒子群算法[1]、蟻群算法[2]、遺傳算法[10]等)和人工神經網絡[11]。

從以上文獻可知，構建裝配模型是實施序列規劃的必要條件，該模型的有效性直接影響序列規劃的效率和精度。一個優良的裝配模型不僅要求能夠巧妙的表達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化引擎。通觀引文所涉及的3種模型構建方法，雖然側重點各不相同，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建方案具有表達自然、建模靈活的優點，眾多研究成果表明，該方案已趨于成熟，并能有效的應用于各領域。

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

1 配合節點模型

機械產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，現將某零件與其他零件的連接部位及其對應的連接操作抽象為配合節點，并形式化定義如下：

表1對以上參數進行了詳細的說明。

表1 配合節點參數說明

續表1

ef完成p1和p2在指定連接面的緊固所消耗的能量設緊固件的數量為n，保險系數γ=1，2，3}{分別對應“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”、“嚴重遮蔽”和“完全遮蔽”五級，對應取值“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、位置等非結構化因素密切相關，對配合節點遮蔽度進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：設零件pa與零件p1或p2有連接關系且不屬于p1或p2，則稱pa為p1或p2的一級關聯零件；設零件pb與pa有連接關系且不屬于p1、p2或pa，則稱pb為p1或p2的二級關聯零件；依此類推。一般情況下，二級及以后的關聯零件對遮蔽度的影響已非常小，僅考慮一級關聯零件，簡稱關聯零件。

對于給定的配合節點，其遮蔽度由零件p1、p2及其關聯零件決定。通過制定遮蔽度評價表可便于羅列所有配合節點的遮蔽度信息，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聯零件表進行逐項賦值，具體步驟如下：

1) 主表賦值

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

2) 關聯零件表賦值

在三維裝配圖環境下，通過隱藏除p1，p2及其對應的關聯零件外的其他零件模型來考察指定配合節點的遮蔽度并填寫關聯零件表對應項目。

3 裝配序列規劃

3.1 裝配序列模型

文中以配合節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完成目標裝配所付出的代價作為裝配序列評價的唯一依據，用代價函數C(AS)表示。

(1)

式(1)中f(nck)是完成配合節點nck相關操作的代價函數，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均受上游配合節點的影響；同時，根據上游配合節點的不同，st,sc,sf將在遮蔽度評價表中取不同的值。因此，不同的節點序列中f(nck)取值各不相同，則C(AS)相應不同。文中序列規劃的目標即尋找一組序列AS，使得C(AS)最小。

3.3 模擬退火算法

對于在復雜解空間中進行尋優，啟發式算法是行之有效的方法。文獻[12]通過獲取目標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行配合節點序列尋優，算法流程如圖2所示。

圖2 模擬退火算法執行流程

4 應用實例

4.1 規劃對象

某型號電源分系統結構、機構部分由5大部件組成，各部件在上游環節完成部裝后統一交付，由總裝車間完成其在艙體上的安裝，裝配完成后的構型如圖3所示。

圖3 某型號電源分系統結構、機構部分總裝構型示意圖

4.2 數據準備

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行拆解，則以上6部分均可視為零件，可按表1和圖1構建裝配體配合節點及其遮蔽度評價表，如表2、表3所示。

表2 裝配體配合節點信息

表3 配合節點遮蔽度評價表

b.關聯零件表

續表3 b.

T44125T52122T65252T73112T86212T94222T101122T11521010T122125

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

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

2) 如果本節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)的零件組合的質量；

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

節點遮蔽度選取原則：

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值；

2) 如果本次裝配涉及關聯零件，遮蔽度在關聯零件表中取p1和p2對應值之和。

4.3 執行結果

圖4 模擬退火序列優化結果

5 結語

相比于裝配主體序列，用配合節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點代價函數的評價上，而無需考慮零部件之間的組合關系，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；如果節點參數賦值合理，則序列規劃效果明顯。

[1] 王豐產,孫有朝,李娜. 多工位裝配序列粒子群優化算法[J]. 機械工程學報,2012,48(9):155-162.

[2] 唐秋華,雷喆,鄧明星. 基于改進蟻群算法的裝配序列規劃研究[J]. 機械設計與制造,2012,(5):42-44.

[3] 陳家照,廖海濤. 基于優先約束關系的裝配序列規劃研究[J]. 機械制造與自動化,2012,(4):32-34.

[4] 趙燕偉,盛猛,蘇楠，等. 于關聯函數的復雜產品裝配序列規劃方法[J]. 計算機集成制造系統,2011,17(6):1208-1214.

[5] 崔小龍,劉新華,宋國民. 基于子裝配的裝配序列規劃方法研究[J]. 組合機床與自動化加工技術,2012,(5):78-85.

[6] 龐芝亮,房海蓉. 基于子裝配識別和有向割集的裝配序列研究[J]. 機械工程與自動化,2012,(3):159-161.

[7] 王江濤,戴國洪,朱林立. 基于基礎件和連接關系的裝配序列自動快速規劃研究[J]. 制造業自動化,2012,34(7):29-31.

[8] 朱曉林,黃敏純,章嘉瓊,等. 基于灰色關聯理論的裝配序列評價研究[J]. 鹽城工學院學報(自然科學版),2011,24(1):44-47.

[9] 胡小梅,朱文華,俞濤. 基于模糊粗糙集的并行裝配序列規劃方法[J]. 機械工程學報,2010,46(15):130-135.

[10] 蔣超,吳波,李明宇,等. 基于遺傳算法的產品裝配序列規劃研究[J]. 機械與電子,2012,(4):7-11.

[11] 張晶,崔漢國,朱石堅. 基于人工神經網絡的裝配序列規劃方法研究[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2010,34(5):1053-1056.

[12] 郭樂新. 基于模擬退火算法的旅行商問題的實現[J]. 現代計算機(專業版),2012，(3):3-5.

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