基于消耗式物料清單轉換的復雜產品圖示化裝配工藝規劃技術*

□ 王 成 □ 許建新

1.西安航空學院 機械工程學院 西安 7100772.西北工業大學 機電學院 西安 710072

1 研究背景

裝配是產品生命周期中的重要環節。在現代機械制造業中,產品裝配占用了40%以上的生產費用,裝配所需工時占產品生產制造總工時的40%～60%。對于結構復雜的產品而言,這個比例會更高,而裝配工藝規劃則是影響復雜產品裝配質量和成本的重要因素[1]。傳統的裝配規劃采用人工方式,工藝人員根據設計圖紙和技術文檔,分析產品裝配圖中零件的幾何形狀和位置關系,必要時和設計人員進行討論,進一步明確設計者的真正意圖,利用經驗和知識，規劃出產品的裝配方案。這種方法工作量大、效率低,且難以保證裝配方案的經濟性。

近年來,許多學者對裝配工藝規劃技術進行了深入研究。Zhou Wei等[2]提出了基于遺傳-細菌趨藥性算法的裝配序列優化,給出了裝配序列優化模型與遺傳-細菌趨藥性算法模型之間的映射關系。Zhou Wei等[3]還提出了將嵌套分割算法用于完成裝配序列的合并,實現了計算機輔助推理的裝配序列合并方法。李博、賈曉亮等[4]提出了一種面向產品全生命周期的航空復雜產品裝配工藝規劃設計技術。石炳坤、賈曉亮等[5]研究了復雜產品數字化裝配工藝規劃與仿真優化技術,建立了三維數字化裝配工藝規劃設計與仿真優化應用模式。張磊等[6]針對航空航天產品的裝配工藝規劃技術進行研究,提出了基于模型定義的航天產品裝配工藝規劃技術,構建了以工藝-工廠-產品-資源模型為核心的裝配工藝信息模型。俞琳[7]以典型裝配工藝的發掘與重用為基礎,實現了一種由典型工藝驅動的飛機三維裝配工藝快速設計方法。孟倩[8]針對復雜產品裝配工藝的需求及重復性大的特點，提出了基于流程和模板的裝配工藝設計。常建娥等[9]提出了索引層和答案層的層次結構實例表示法,建立了符合汽車總裝特點的案例推理模型,實現了基于案例推理的汽車總裝工藝設計。呂國艷等[10]綜合運用拆卸反演、裝配線平衡優化等方法，對裝配過程進行規劃,確定了裝配線上每個裝配工作站的具體作業內容,提升了裝配線的平衡率與裝配效率。費天鳴[11]針對柴油機等復雜產品,提出了以裝配物料清單轉換、結構化工藝設計及工藝仿真驗證為主體的關鍵技術，并展開深入研究,構建了船用柴油機結構化裝配工藝設計系統平臺。劉檢華等[12]對裝配工藝規劃技術的現有成果進行了綜述性研究。郭飛燕、劉檢華等[13]基于制造過程中的全數字量協調傳遞方式,通過虛實融合、以虛控實的手段,對由數字孿生模型驅動的航空產品裝配工藝優化-反饋-改進環機制進行了研究,實現了產品研發生產的閉環優化決策及產品研制模式的改變,提高了裝配準確性、一致性及裝配效率。從現有文獻可以看出,目前對于虛擬裝配規劃技術和裝配規劃序列的研究頗多,而在裝配物料清單與圖示化裝配工藝規劃相結合的方面研究還較少。筆者在現有文獻的基礎上,研究復雜產品圖示化裝配工藝規劃技術,提出基于消耗式物料清單轉換的復雜產品圖示化裝配工藝規劃技術,以實現復雜產品的可視化快速裝配工藝規劃。

2 復雜產品裝配信息建模

產品裝配信息模型是裝配工藝規劃的基礎,它的優劣直接決定了裝配工藝規劃的效率。為此，裝配信息模型應具備四方面要求。

(1) 完整性要求。產品裝配信息模型不僅描述零部件本身的信息,而且還描述零部件之間的裝配關系、資源和操作等信息。

(3) 獨立性要求。產品裝配信息模型應該充分利用現有三維計算機輔助設計軟件強大的建模功能,同時又獨立于三維計算機輔助設計軟件。

(4) 開放性要求。在產品需求發生變化時,通過裝配信息模型可以方便地修改產品設計，以適應新的產品需求。

筆者采用結構化思想，進行產品裝配信息建模,如圖1所示。

▲圖1 產品裝配信息模型

產品裝配信息模型主要由產品、部裝和裝配單元三部分組成。其中，裝配單元除了自身的基本信息外,還包含本單元的參裝件、工位、工裝及裝配工藝信息。裝配工藝信息模型同樣以結構化的方式進行數據組織,一份裝配工藝主要包含工序、工步、參裝件、工裝、設備等對象。為了清晰完整地表達對象之間的關系,采用獨立的關系存儲模式,通過起始端到終止端的關聯方式進行關系存儲。

總而言之,產品裝配信息模型采用面向對象的思想進行建模,以裝配單元為核心構建數據之間的關系。通過這一模型可以保證數據的完整性和有效存儲,為后續物料清單轉換的一致性提供基礎保障,同時提高裝配工藝規劃的效率和質量。

3 消耗式物料清單轉換技術

假設某個產品由n個零件組成,在一定的裝配約束下，可劃分為若干個裝配單元,裝配單元集合用U表示,每個裝配單元由若干個相應的零部件組成。在裝配單元內，零部件之間具有一定的連接關系和裝配工藝相關性,裝配單元的結構完整、穩定。裝配單元可以進行獨立的裝配工藝規劃,不受其它單元影響。

心律失常性心肌病是指因心動過速、心動過緩、節律不規整及心臟收縮不同步等心律失常引起的左室結構或功能受損，經控制心室率或轉復心律后，心臟功能大多可以逆轉的一組心肌病。心律失常性心肌病又分為快速性和緩慢性兩種，前者由房顫、房撲、陣發性室上速、室速等快速性心律失常引起。由于該類心肌病與擴張型心肌病的臨床表現極為相似，因此臨床上極易混淆。現就該病的發病機制進行闡述，以提高臨床醫師對該類疾病的認識。

對于裝配規劃而言,劃分裝配單元的目的是將復雜的產品結構逐步分解,將復雜的裝配規劃問題分解成若干個相對簡單的問題,并在一定的企業資源條件下，以最高的效率進行生產。可見,裝配單元的劃分要遵循一定的規范,依據實際情況,根據產品生產規模、產品功能結構、企業裝配資源等條件進行。影響裝配單元劃分的因素是多方面的,如成本、機械化、自動化等定量因素,以及產品結構、使用、維修、運輸、材料、勞動條件、全局工藝生產等定性因素。

因此,在考慮裝配單元的結構、功能和裝配工藝的相關性時,應從生產實際出發,優先考慮裝配工藝的約束,然后進行裝配單元的劃分，如圖2所示。裝配工藝約束的主要因素包括工藝因素、制造資源因素和管理因素，工藝因素指裝配重定向次數、裝配工具改變次數、裝配干涉等,制造資源因素指裝配工位布局條件、工裝資源等，管理因素指裝配線利用率及均衡率、裝配成本、裝配作業協調難易程度等。在實際裝配單元劃分時，應以這三類因素作為依據進行考慮。

物料清單是組成部件的所有零部件、原材料的列表,是企業不同部門、不同流程間傳遞的基本數據。在企業實際物料清單管理中,大多數物料清單視圖都采用費時費力的手工方式建立,在建立過程中往往沒有統一的設計和管理規范,各個物料清單視圖之間的數據正確性、完整性和一致性很難保證,嚴重影響了數據向下游傳遞的正確性,最終影響整個產品的研制周期。

▲圖2 工藝約束下裝配單元劃分

物料清單不一致的情況主要有循環引用、變化、部件沖突等。為了消除物料清單不一致性因素,減少人為因素造成的差錯,筆者提出了基于消耗式的物料清單轉換技術。

消耗式物料清單轉換的基本思想是以消耗工程物料清單產品零部件的方式重構出裝配物料清單,在構建裝配物料清單的過程中，保證零部件能夠完整、正確地獲取,保證產品數據的一致性。重構出的裝配物料清單能正確反映產品裝配結構，以及合理的裝配單元層級結構。消耗式工程物料清單轉換可以視為一個從拆解到裝配的過程,隨著工程物料清單零部件的逐步提取、消耗,裝配物料清單上逐步形成完整的裝配單元結構。在整個消耗過程中，零件會從一種狀態變成另外一種狀態。在整個變化過程中，零件的數量保持不變,具體的消耗過程如圖3所示。

以下對消耗式轉化過程的算法進行描述。設工程物料清單集合為So,工程物料清單消耗區集合為Sc,裝配物料清單生成區集合為Sg。

(1) 將So中的所有元素復制到Sc,復制過程中要求Sc與So的數據存儲結構保持一致。

(2) 根據裝配單元劃分要求,在Sg中建立部裝節點和U。

(3) 將Sc中的元素以拖拽的方式分配到U中,在分配過程中,保證Sc中的元素和Sg中的元素在編號和數量總和上保持不變。直到Sc中元素數量減少為零,消耗過程終止。

(4) 在Sg中對分配到U內的元素進行調整和修改,對增加、變化和修改的零件進行記錄,并注明消耗方來源。

(5) 轉化完成,程序退出。

▲圖3 工程物料清單消耗過程

4 圖示化裝配工藝規劃技術

產品裝配過程分為裝配單元階段、部裝階段和總裝階段,部裝由裝配單元組成,總裝由部裝組成,裝配單元由零件組裝而成。以下對圖示化裝配工藝規劃技術進行深入研究。

4.1 圖元模型定義

為了對裝配工藝規劃整個操作過程進行可視化展示,對圖元模型進行了定義,如圖4所示。圖元模型由面板、形狀和連接線三部分組成。

(1) 面板。面板承載所有的圖元元素,如形狀和連接線圖元元素。面板用P表示,它所包含的屬性集合記為P，P={標志,元素標志},通過元素標志與圖示模型中的流程元素進行關聯。

(2) 形狀。形狀元素負責在面板中繪制模型所定義的各種形狀,如開始、結束、網關、模塊和單元。形狀用E表示,它所包含的屬性集合記為E，E={標志,元素標志,形狀類別,高度,寬度,X軸坐標,Y軸坐標},通過元素標志與圖示模型中的開始、結束、網關、模塊、單元等元素進行關聯。

(3) 連接線。連接線元素負責將形狀進行兩兩連接。連接線用L表示,它所包含的屬性集合記為L，L={標志,元素標志,路徑點集合},元素標志與圖示模型中的連接線元素進行關聯。這里需要特別說明的是,由于繪制一條連接線可能存在多個折點,因此連接線元素中用路徑點集合進行表示。

▲圖4 圖元模型定義

4.2 圖示模型定義

圖示模型主要描述了流程、開始、結束、網關、模塊、單元及連接線等模型元素的存儲和結構,如圖5所示。由圖5可知,在圖示化裝配工藝規劃過程中,圖示模型清晰地表征了數據的存儲、數據之間的關聯關系，以及裝配元素之間的序列。

▲圖5 圖示模型定義

4.3 映射關系

為了使數據之間的關系進一步明確,筆者研究了裝配規劃模型、圖示模型及圖元模型之間的映射關系,如圖6所示。圖6中共描述了三組關系,第一組是面板-流程-總裝之間的關聯關系,第二組是形狀-開始、結束、網關、模塊、單元-部裝、裝配單元之間的關聯關系,第三組是連接線-連接線-裝配序列之間的關聯關系。其中最核心的部分是圖示模型中單元與裝配規劃模型中裝配單元的對應關系。

4.4 圖示化裝配規劃

為了進一步明確結構化視圖與圖示化視圖的對應關系,假設裝配物料清單的最終轉化結果如圖7所示。在圖元模型和圖示模型的支撐下,按照實際的裝配規劃需求,可以通過圖示化的方式進行裝配工藝規劃,如圖8所示。圖8中包含了串行、并行、模塊嵌套、獨立單元等所有圖示化裝配規劃組合,其中需要特別說明的是，當出現網關節點時,都要設置相應的優先級,優先級用P來表示,編號越小,級別越高。通過圖示化裝配工藝規劃，不僅可以清楚地描述裝配單元之間的關系和序列,而且可以查看裝配單元的內部信息,如工位、工裝和參裝件等。

▲圖6 映射關系▲圖7 裝配物料清單最終轉化結果

5 實例驗證

筆者根據復雜產品圖示化裝配工藝規劃技術,研發了圖示化裝配工藝規劃設計工具,已成功應用于某企業裝配車間,如圖9所示。這一工具以圖示化設計為主體,以消耗式物料清單轉換技術為底層數據支撐,以知識庫為設計輔助,實現了復雜部件裝配工藝的可視化快速準確設計。實踐證明,這一工具在一定程度上有效提高了裝配工藝規劃設計的效率和質量。

▲圖8 圖示化裝配工藝規劃

▲圖9 圖示化裝配工藝規劃設計工具

6 結束語

筆者提出基于消耗式物料清單轉換的復雜產品圖示化裝配工藝規劃技術,解決了裝配工藝規劃時各對象及關系的存儲問題，以及物料清單數據在轉換過程中存在的不一致和不完整問題,簡化了復雜產品的裝配層次結構和裝配順序,提高了裝配工藝規劃的效率和質量。