大型复杂产品装配序列规划技术研究

焦跃龙　张义森　王志超

摘 要：装配序列规划技术是虚拟装配的关键技术之一。针对传统的装配序列规划方法已不能满足船用推进器等大型复杂装配体序列规划的需求，提出了基于层次关联图的装配信息模型，以及装配经验知识与割集法相结合的序列生成方法。最后凭借研究的理论知识开发了装配序列规划系统。

关键词：装配序列规划技术；层次关联图；装配经验知识；割集法

1.装配信息模型

装配信息模型是装配序列规划的基础，完善、正确的装配信息模型是装配序列生成的保证。

1.1.装配模型的信息需求

建立完整、精确的装配信息模型的目的在于一方面为装配序列规划优化提供全面的信息和支持。另一方面要简化装配序列生成过程中算法的复杂度、提高计算效率。影响装配序列规划的装配信息主要有三类：1.零件自身的属性信息，主要包括零件的形状、尺寸、材料等；2.产品的组成层次信息，一个产品根据设计时的功能、结构特点可以划分为多个功能模块，功能模块又可进一步划分；3.零部件间的装配联接关系信息，主要反映零部件之间的相对位置、相互联接、相对运动关系以及配合关系。

1.2.装配模型的表达方式

国外很多学者对装配信息模型的表达方式进行了研究，提出了不同的表述方法，归纳起来共有两种比较成熟的方法：

1.2.1.关联图模型：表达机械产品的装配关系最初由法国学者Bourjault提出，Bourjault以数据结构中的图结构G（P，L）表达装配体，其中节点P={ ， ， …… }代表装配体中的零部件，n为产品中零部件的数目；边L={ ， ， …… }代表装配体中的零部件间的联接关系，这里的联接关系表示零件之间的物理接触关系，m为联接边的数量。

1.2.2. 层次模型：从三维建模软件中可以获得原始的装配树结构，该装配树中只包含装配体中零部件的名称信息，为了能够自动生成装配序列，还需对产品的零件、子装配体、紧固件进行统一的编号，为简化装配层次树，还可以将一组规格、功能相同的紧固件合并当作一个零件处理。最后生成一个新的经过编号和简化的装配层次关系树用于割集法生成装配序列。

1.3.基于层次关联图的装配信息模型

层次模型可以树的数据结构来表达，反映了装配体中零部件之间的装配层次关系，符合人们的思维习惯，能较好地体现设计意图和产品的零部件组成层次，由于将产品的零部件分层来表示，所以当采用割集法生成装配序列时，只对某一层的零部件进行规划，可以有效降低装配序列规划的复杂度。层次树模型的缺点是缺乏对同层中零部件装配关系的描述，也没有涵盖零部件装配操作有关的信息，因此这种模型很难被装配序列规划模块直接所用，关系模型主要用图的数据结构来表达，反映了装配体中零部件之间的联接关系，但是该模型不能清楚的表达产品零部件的层次结构，不符合人们对产品的认识习惯，对于割集算法当产品中零部件数量较多时，容易产生“组合爆炸”问题。

针对上述两种方法的缺点，提出一种层次模型和关系模型相结合的装配模型表达方法，即基于层次关联图的装配信息模型。既表达了装配体中零部件的装配层次关系，也反映了零部件之间的联接关系。

2.装配序列生成

2.1.目前装配序列求解比较典型的几种方法，按求解方向的不同又可以将装配序列生成方法分为两大类，一类是正向法，正向法是按照产品装配的顺序得出装配序列；另一类是逆向法，逆向法是按照产品拆卸的方法得出拆卸序列，再取逆序得装配序列。

常用的知识表示结构有：基于逻辑的知识表示，基于框架的知识表示，基于规则的知识表示三种类型。其中基于规则的知识表示经过分析更加符合装配序列规划的过程，同时在系统实现方面比较容易，本文将主要介绍基于规则的装配知识表示。基于规则的知识表示形式如下：

IF（前提条件1，前提条件2，…，前提条件n），THEN（结果），CF（可信度）

其中前提条件主要描述配合的零件以及装配特征类型等，结果表述零件的装配序列，可信度表示结果正确的概率。

为了基于规则描述各种装配知识还需定义若干谓词，现举例如下：

螺栓联接用Bolt（x， ， ，y）表示，其中x表示螺栓，y表示螺母， ， 表示弹簧垫片和平垫片，当 ， 为0时表示该联接没有使用垫片。

Connect（（x），（y））表示用联接件y将x中的零件联接起来。

Sequences（x，N）表示零件x的装配顺序为N。

利用上述三个谓词可以构造一个螺栓联接的推理规则，先叙述如下：

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）

该规则包括两个前提条件，前提条件1表示用联接件（cont1，cont2）将零件x，y联接起来，前提条件2表示螺栓cont1，螺母cont2形成螺栓联接但没有使用垫片。结果为先安装cont1，然后y，x，最后cont2。该结果正确的概率为90%。

2.2. 割集法

割集法求解装配序列是装配序列规划问题的重要方法之一，它把装配体得拆卸过程巧妙的与图的分割过程结合在一起。但是割集法也有一个很大的缺陷，当零件的数目增加时，割集分解的数量呈现指数级增加，因此对于解决大规模装配体割集法则显得无能为力。

在利用割集法求解时，最后得到了每层子装配体的装配与或图。

3.总结：

传统的方法只能解决零部件较少的小型装配体的装配序列规划问题，本文针对大规模装配体提出了基于层次关联图的装配信息模型，该模型能够恰当的表达装配体的结构层次性以及零部件之间的联接关系，在装配序列生成时采用正逆向相结合的方法即装配经验知识与割集法相结合来求解装配序列。

参考文献：

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[2]王艳玮.计算机辅助装配顺序规划关键技术研究[D].西安：西北工业大学，1999.3：1～5.

[3]于建明，蔡建国.装配建模及装配顺序分层规划方法研究[J].机械科学与技术，2000，19（4）：671～673.