虚拟仿真机械调配系统的智能化成套装备关键技术研究

刘冉冉 马广勇 郑健

摘要：为解决传统成套装备无法适应市场需求的问题，开始使用虚拟仿真机械调配系统对智能化成套装备的关键技术进行研究。首先需要利用蚁群算法作为选择最优调配路径时算法流程的工具，设计虚拟仿真机械调配系统，然后基于蚁群算法得到最短路径。再根据装配工具的更换次数、装配方向的改变次数以及代价值对智能化成套装备装配序列路径进行规划。通过实验分析验证本文虚拟仿真机械调配系统的智能化成套装备关键技术优于传统方法，证明了本文所研究的技术具备实用价值。

关键词：虚拟仿真;智能化;成套装备;关键技术

中图分类号：TD421                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0083-02

0  引言

智能化成套装备是随着市场对制造业要求的不断提高而产生的一种新兴技术，在工业制造十分发达的现代社会，产品的运营周期越来越短，并出现了大规模的成套装备开发速度赶不上市场变化速度的情况，这为传统的制造业带来了巨大的挑战。因此为了能够更好地适应市场，原始的成套裝备从只能生产一件产品开始向智能化转变[1]。这时候，在智能化成套装备技术中引入虚拟仿真机械调配系统。虚拟仿真机械调配系统是一个非常复杂庞大的系统，它主要利用虚拟现实技术、计算机图像技术、计算机智能技术、仿真技术共同构建一个虚拟的产品模型，从而实现机械装配的目的，并通过装配过程实现仿真机械的技术分析。我们研究虚拟仿真机械调配技术是在工业设计生产领域十分普遍[2]。本文主要应用虚拟仿真机械调配系统对智能化成套装备的关键技术进行研究，首先需要对虚拟仿真机械调配系统进行设计，使用蚁群算法作为选取零件调配最佳路径的工具，通过构造禁忌表，在迭代中存储所有已走过的路径，并选取最短路径最为最优解，即机械产品的成套装备技术中的零件最优装配顺序。然后根据装配工具的更换次数、装配方向的改变次数以及代价值的计算得到智能化成套装备装配序列路径的规划。

1  智能化成套装备关键技术研究

对于智能化成套装备关键技术的研究主要包括如图1所示的四类技术。如图1所示，本文主要从碰撞检测、装配序列和路径规划以及基于蚁群算法的最优路径选择等方面对智能化成套装备关键技术进行研究。

1.1 基于蚁群算法的最优路径选择

虚拟仿真机械调配系统在提高产品的质量和设计效率中有着至关重要的作用，在智能化成套装备对每一个零件进行装配或拆卸之前，必须首先作出规划，以确定如何才能在拆卸或装配下一个零件时达到最佳效果。此时需要利用计算机智能技术解决智能化成套装备的设计问题，建立搜索空间，模拟蚁群算法，根据装配特点和需求来解决复杂机械产品的成套装备技术问题[3]。（图2）

在图2所示的算法流程中，首先需要创建好调配系统所需的调配模型，此时在各个零件节点上随机分布着信息素作为成套装备智能化的关键技术要点，然后将调配模型作为基准件将所有数据初始化，更新信息素τ0和τij。再设置零件节点的最优路径k，并将k赋值为k=k+1。设置迭代次数n，将n赋值为n=n+1[4]。

所有数据准备就绪后即可按照转移概率公式选择装配零件的顺序，直至虚拟仿真系统中所有零件都完成了装配。对已经完成的装配序列进行评价，并设置其概率转移系数，以评价结果和概率转移系数来修改零件的装配顺序，并调整信息素，在迭代次数的影响下，算法开始循环[5]。当算法在不断迭代的前提下遍历过所有路径，并将所有路径流程都存入禁忌表后，就代表已知所有路径均被记录。此时比较所有存入禁忌表中路径的总长度，并找到最短路径，这就是此时智能化成套设备零件调配的最优解。将最优解储存后，在迭代次数达到最大时，循环终止，并得到最短路径即最优装配顺序。

1.2 智能化成套装备装配序列路径规划

智能化成套装备的装配规划是整个智能化成套装备关键技术的重要组成部分，装配序列的路径规划影响着最终产品的质量。因此，智能化成套装备的装配规划就需要通过最优路径选择的方法，努力提升装配序列的质量，并对一些看似差不多的路径择优选择。在选择装配序列时，需要考虑零件数量的多少、零件模型的形状和作用、零件装配操作的工艺性等，通过对装配方向改变次数和代价值的计算对该路径进行评价。在不同的装配序列中，对于工具的使用次数是不同的，因此往往在一套智能化成套装备中需要改变好几次工具，但是一旦工具更换次数过多，既会浪费时间，也会增加装配成本，因此通过计算装配工具的更换次数来检验该路径的优越性，公式如下：

其中，n1表示装配方向的改变次数，M表示零件的个数，ti表示第i次更换工具所消耗的时间。装配方向改变次数的计算公式如下所示：

其中，n2表示装配方向的改变次数，M表示零件的个数，di表示装配方向第i次改变时所消耗的时间。

代价值又可以表示为f（S）值，在对零件装配的智能化路径进行筛选时，会有很多条疑似最优解的路径，此时可以通过代价值来判断关于这条路径优化程度。根据相应的评价指标，可以得到零件装配顺序的代价函数：

其中，ω1和ω2分别为不同装配指标的权重系数，一般情况下ω1<ω1，n1代表装配工具的切换次数，n2则代表装配方向改变次数。

2  实验分析

2.1 实验准备工作

CAD软件能够将具体的零件信息展示在计算机上，因此选取CAD软件作为虚拟仿真机械调配系统实现建模功能的背景环境，再通过Matlab软件计算零件节点及成套装备的角度改变值。首先需要以一个玩具产品作为初始模型，在不改变其核心科技的前提下对其外表进行改进并以此对智能化成套装备进行改造。将本文研究的基于虚拟仿真机械调配系统的智能化成套装备改造技术设置为实验组，将传统的基于DELMIA的智能化成套装备改造技术设置为对照组，将玩具产品本身的复杂程度即零件数目作为变量，通过计算装配方向的改变次数以及代价值来探究两种技术方法的优劣。

2.2 实验结果分析

通过Matlab软件计算的基于两种方法的装配次数改变次数及代價值如表1所示。

如表1所示，当零件数目超过20以后，实验组的工具更换次数就超过了对照组，当零件数目为5个时，无论是实验组还是对照组装配方向改变次数都为1，但是随着零件数目的增加，对照组的装配方向改变次数增加幅度大于实验组。因此可以得知，本文研究的基于虚拟仿真机械调配系统设计的智能化成套装备关键技术方法比传统基于DELMIA的方法所消耗的能源少，成本少，其智能化成套装备的关键技术优于传统技术。装配序列的代价值与装配方向改变次数和装配工具的更换次数相反，代价值越小则代表该条零件装配的序列越好，比较零件数目相同时的代价值，实验组总是小于对照组，因此可以得知，当零件数目相同时，使用本文研究的基于虚拟仿真机械调配系统设计的智能化成套装备关键技术方法选择度装配路线优于使用传统基于DELMIA的智能化成套装备改造技术路线。

3  结束语

本文针对市场对于工业产品的需求，对虚拟仿真机械调配系统的智能化成套装备关键技术进行研究，使用蚁群算法寻找最优路径，并改进了智能化成套装备的关键技术。通过实验验证了本文设计的技术方法在装配路线优化效果和能源消耗上都优于传统方法，证明了本文所研究的方法具备实际价值，值得被推广。

参考文献：

[1]王荣利，蔺玲，韩建魁，刘扬，孙亚芬，杨璐，潘颖，张丹，任国勋，魏鑫，赵瑞阳，段乔.数字化装配工艺技术的研究及应用[J].新技术新工艺，2020，01：1-5.

[2]马军，徐海军，徐驰，彭赞，张嘉妮.基于DELMIA的智能工艺体系关键技术研究与运用[J].新技术新工艺，2020，01：53-57.

[3]吴宁，杨波，廉兵.大采高综采工作面成套设备智能化的研究与应用[J].能源技术与管理，2019，44（06）：53-56.

[4]谢新慧，司占军.基于碰撞检测技术的涂布机虚拟装配系统研究[J].数字印刷，2019，06：44-49，76.