（机械制造及其自动化专业论文）数字化装配序列规划系统的研究与开发.pdf

南京理t 入学t 学硕i 。学位论文毂7 化杖雕宁刈捌划系统的研究和开发 摘要 装配序列规划在产品丌发设计中占有十分重要的地位，它是面向装配设计 ( d f a ) 的藿要研究内容之一，装配序列规划的优劣将直接关系到产品的呵装配性、 装配质璧和装配成本，已经成为现代企业关注的焦点；另一方面，产品装配序列规 划问题在本质上是一个n p 组合优化难题，如何快速高效准确的获得企业所需的最 优装配序列一直以来是业界研究的热点。 本文首先分析了数字化装配设计的总体功能结构与体系结构，明确了数字化装 配序列规划在其中的重要地位。然后专注于解决装配序列规划问题，建立了一种面 向装配序列规划的混合装配模型，该装配模型不仅能完整地描述产品中零部件的组 成信息，零部件的自身特征信息、零部件之日j 的装配关系信息，还包括零件装配的 相关装配资源信息：同时还引进了装配语义封装，以便提供局部优先装配序列和提 供语义识别方便装配模型重建。在此基础上构造了一种基于遗传算法的装配序列规 划方法，并通过工厂应用实例验证说明了该算法是一种宵工程实际应用意义的方法， 能够实现产品装配序列的高效自动筛选。最后利用v i s u a lc + + 语言丌发了寄尘于u g 系统的数字化装配序列规划系统原型，该原型系统能满足企业的初步需要，初步实 现了装配序列规划系统所具备的各项功能。 关键词：装配建模、装配序列规划、遗传算法、数字化装配设计、面向装配的设计 i-_fo；j，ji 二i一二二-t ；，* i l l s c ；m a 妇a 窄睇d i 赋恂曲轴h l t e d 幻蚋j 订馨i 腑o fs c i & t e c h 辄时d i 粤删a 鲺州母s e q l i m 豁p | a m 吨对卿 a b s t r a c t a s s e m b l ys e q u e n c e sp l a n n i n g ( a s p ) ，o n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n mo f d e s i g nf o ra s s e m b l y ( d f a ) ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np r o d u c td e s i g n t h er e s u l t so f a s p ，r a t i o n a lo ri r r a t i o n a l ，h a v ed i r e c te f f e c to np r o d u c ta s s e m b l a b i l i t y ，a s s e m b l yc o s t a n da s s e m b l yq u a l i t y ，w h i c hh a v eb e c o m et h ef o c u so fm o d e r ne n t e r p r i s ep l a y i n g a t t e n t i o nt o o nt h eo t h e rh a n d , a s pi san o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l ( n p ) c o m b i n a t i o n o p t i m i z a t i o nb a f f l i n gp r o b l e mo ne s s e n c e ，h o wt oo b t a i nt h er i g h ta s s e m b l ys e q u e n c eb y h i g he f f i c i e n c y , l o w e s tc o s ta n dm o s ts u i t a b l et ot h er e l a t i v ee n t e r p r i s e i st h eh o tp o i n to f c u r r e n tr e s e a r c h t h i sp a p e rh a sf i r s ta n a l y z e dt h ea r c h i t e c t u r ea n dt h eo v e r a l lf u n c t i o ns t r u c t u r eo f d i g i t a la s s e m b l yd e s i g n ，a n dt h ep o s i t i o no fa s p i nd i g i t a la s s e m b l yd e s i g ni sc o n f i r m e d s e c o n d l y , ak i n do fc o m p o s i t ea s s e m b l ym o d e lf o ra s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n gi ss e tu p 。 t h ea s s e m b l ym o d e lc a nn o to n l yd e s c r i b ea s s e m b l y ss t r u c t u r e ，t h ep a r t s s e l ff e a t u r e i n f o r m a t i o na n da s s e m b l yr e l a t i v e s ，b u ta l s oc a nd e s c r i b ea s s e m b l yr e s o u r c ei n f o r m a t i o n ； a tt h es a m et i m e ，a s s e m b l ys e m a n t i ci ss t i l li n t r o d u c et oo f f e rm e a lp r i o ra s s e m b l y s e q u e n c ea n do f f e rs e m a n t i ci d e n t i f i c a t i o nc o n v e n i e n tt oa s s e m b l ym o d e lr e c o n s t r u c t i o n ； t h i r d l y , am o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) ，b a s e do nt h ea b o v ef o u n d a t i o n ，i sp r o p o s e d t oo p t i m i z ea s s e m b l ys e q u e n c e s a n dt h ef a c t o r ya p p l i c a t i o ne x a m p l ei s g i v e nt o i l l u s t r a t et h ea v a i l a b i l i t yo ft h eg a f i n a l l y , ad i g i t a la s s e m b l ys e q u e n c e sp l a n n i n g s y s t e mp r o t o t y p ew h i c hp a r a s i t i z e so nu gs y s t e mi sd e v e l o p e db yv i s u a lc hl a n g u a g e t h ep r o t o t y p es y s t e mc a l ls a t i s f yt h ep r e l i m i n a r yn e e d so fe n t e r p r i s e ，a n dh a sr e a l i z e d p r e l i m i n a r yf u n c t i o no f a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g k e yw o r d s ：a s s e m b l ym o d e l i n g ，a s s e m b l ys e q u e n c e sp l a n n i n g ( a s p ) ，g e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) ，d i s t a la s s e m b l yd e i g n , d e s i g nf o ra s s e m b l y ( d f a ) l i f ，lr 声明 y l o o o g 8 3 本学位沦文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：吃年月同 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 巧年名月 闩 南京理t 人学t 学坝 学位论文教7 化装配宁州m 茏0 系统的研究1j 开发 l 绪论 1 1 课题背景 装配足产品开发活动中最具影响力的一个环节。现代产品的竞争是性能、质量、 价格、上市时日j 、外观形状、售后服务等多种因素的综合竞争，所有这此因素无不 与装配存在密切的联系。1 9 9 0 年，w o m a c k 等1 1 1 在一项耗资$ 5 0 0 力的调查中发现： 产品的装配劳动量约占产品生产总工时的2 0 3 0 ，装配成本约占q 三产总成本的 4 0 。自动化装配程度的高低，不是影响生产率高低的直接因素，装配费用成为许 多制造企业费用的最大组成部分，形成“装配瓶颈”现象。研究还发现：在提高生 产率方面，产品的可制造性和易装配性比自动化程度更为莺要。如果产品设计本身 存在不足或缺陷，在后续制造或装配工艺方面的任何改善( 包括采用先进制造工艺、 提高自动化程度、增加机器人等) 都不可能最有力的提高生产率和降低生产成本，使 这个产品具有很强的竞争性。为了达到缩短产品丌发周期的目的，不仅要求在设计 阶段就考虑产品的可装配性，而且要求在设计时考虑得越早越好。 面向装配的设计( d f a ) 正是这样一种在装配设计阶段统筹兼顾的设汁思想和 方法，在产品设计过程中利用各种技术手段，如分析、评价、规划、仿真等，充分 考虑产品的装配环节及其相关的各种因素的影响，在满足性能与功能的条件下改进 产品装配结构，使设计出来的产品是可以装配的，并尽可能降低装配成本和产品总 成本口1 。d f a 足一种广义的装配设计方法，覆盖范围包括产品生命周期中与装配相 关的各种活动，产品装配结构设计、装配公差分析与综合、装配工艺规划、装配系 统规划都足研究的内容。 装配序列规划在产品开发设计中占有十分重要的地位，它足面向装配设计 ( d f a ) 的藿要研究内容之一，装配序列规划的优劣将直接关系到产品的町装配性、 装配质量和装配成本；另一方面，产品装配序列规划问题在本质上是一个n p ( n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i m 非多项式确定) 组合优化难题，如何快速高效准确的 获得相关企业需要的最优装配序列一直以来是业界研究的热点。因此对装配序列规 划的研究和探讨具有重大的理论意义和工程应用价值。 1 2 企业概况 南通轻机集团位于江苏省南通市港闸经济技术丌发区，创建于1 9 5 8 年，是南通 市最早的机械企业之一。厂区占地面积7 7 9 万平方米，交通发达便利，公司共有职 ；l-o 。ii-r- 南京理t 夫学t 学_ | i 鳓i 学位论丈 敏7 化装配序列规划系统的研究oj 开发 工1 8 9 0 人，其中工程技术人员2 3 0 人，占1 2 2 ，生产工人1 2 8 0 人，占6 7 7 ，管 理人员1 6 1 人，占8 5 ，服务人员1 7 9 人，占1 1 6 ，工厂拥有主要设备3 2 3 台， 其中金切设备1 2 8 台，锻压设备3 8 台，数控设备6 台，该企业集团足以生产轻工机 械为主的大型骨干企业，主要产品有香皂生产线，车圈生产线、供料机、装封箱机、 玻璃制品模具、中空蠼料盒等等，同时企业亦已涉足专业机械产品生产，为相关主 机厂家配套生产各类机油泵、扫气泵、齿轮传动机构、减速器、发电机等产品。其 产品生产特点足典型的多品种小批量。企业现有的组织机构如图1 1 所示： 1 1 南通轻机集团企业组织结构图 出于用户要求的交货期越束越短，质量要求越来越高，传统的，产经营模式越 束越不适应这种多变的市场需求，加强企业的信息化建设，提高企业的产品丌发和 经营管理水平，是企业赢得市场竞争的必然选择。在南通市科技局的扶持下，轻机 集团与南通职业大学及其下属技师学院共同合作，对现有的迅猛发展的多品种、小 批量外协配套产品进行信息化改造。首先进行是占整个生产成本3 0 5 0 的装配活 动，拟组建一些小型混流装配线进行系列变型产品装配。由于企业原先的工艺水平 低下，一直以手工装配为主，对装配规划一直不太重视，现在上马自动、半自动7 产线，迫切需要对原有的产品进行面向装配的设计改造，用计算机辅助进行装配规 划( 特别是装配序列规划) 。 本课题正是在此背景下，依托轻机集团，追踪国内外研究的技术难点及应用、 发展趋势，引入现代优化算法( 遗传算法) ，建立面向装配序列舰划的装配模型，专 注于解决装配序列优化问题，以达到降低企业装配成本，缩短企业装配时| 日j 的目的。 2 i i i r 南京理t 人学t 学硕f 。学位论文致7 化裂雕序列规划系统的讲究j 开发 1 3 国内外研究与应用现状 2 0 世纪9 0 年代，并行工程技术的兴起导致了产品设计的广义化，许多处于下 游阶段的活动如制造、装配、测试、质量控制等都可望在产品设计的同时并行考虑。 在此背景下，装配设计范围自然扩展为产品生命周期中与装配有关的各种活动，它 实际上是一种基于三维数学模型的集成化装配设计，办称虚拟装配【2 l 。装配序列规 划足面向装配设计( d f a ) 的藿要研究内容之一，几乎所有的装配设计系统都包含育 装配序列规划模块。 典型的包含装配序列规划的虚拟装配系统有：华盛顿州立大学与荚囤国家标准 及技术研究所( n i s t ) 合作研制了一个名为“虚拟装配设计环境”( v i r t u a la s s e m b l y d e s i g ne n v i r o n m e n t ) 简称v a d e 的虚拟设计系统，设计人员可以在其中完成装配序 列规划和装配路径规划，并可以反馈设计修改意见1 3 l 。美国的s a n d i a 国家实验宅研 究丌发了一个名为a r c h i m e d e s 的用于生成、优化和检查装配工艺的交互式装配规划 系统，该系统目前已被成功地应用于荚国多家企业的实际产品部件的装配序列规划 4 1 。清华大学基于p r o e 软件研制的计算机辅助产品装配顺序规划( t h c a a s p ) 【5 6 l 原型系统及西北工业大学丌发了基于s o l i dw o r k s 和c a t i a 软件平台的装配仿真系 统【7 1 ，在装配建模、装配顺序规划与路径规则、装配操作仿真等方面进行了研究。 浙江大学刀：发实现了一个基于多通道的、集成的虚拟设计与虚拟装配系统v d v a s ， 设计者可以通过直接三维操作和语音命令直观方便地建屯装配模型，并通过交互拆 装柬得到零件的装配顺序和装配路径等信息1 8 1 。从国内外同行最新的研究论文及研 究动态来看，可以发现面向装配的设计方面的研究主要宵两类：一类是借助虚拟现 实设备进行仿真研究；一类指在计算机环境下进行规划研究，办称数字化装配。本 课题的研究属于后一类。装配序列规划的工作主要集中在装配序列的7 e 成和装配序 列的评价两个方面。装配序列的评价足根据评价指标( 操作次数、装配时问、装配 成本等) ，从可行装配序列中选择较好的装配序列，已经取得了一定的成果【4 8 1 。装 配序列的生成主要集中在装配序列的几何可行性分析和几何可行性序列求解两个方 面，装配序列生成方法主要有以下几类： ( 1 ) 基于装配优先约束关系的装配序列生成方法【9 1 0 i 获取优先约束关系并将其显式表达是最直观的装配顺序生成方法。优先约束关 系指零件之间的装配顺序约束。优先约束关系可分为两类： 建立两零件问装配的先后关系或两零件日j 联接与建立其他联接之问的先后关 系： 3 南京理t 人学t 学坝f 1 学位论文 数7 化装雕序列规划系统的研究j 开发 由装配状态表示零件日j 或联接问的先后约束关系。 优先约束关系表示法可用谓词m p ( m u s tp r e c e d e ) 和n l ( n ol a t e rt h a n ) 表 示。m p ( l 1 ，l 2 ) 指条件l l 必须在条件l 2 之前装配完成，n l ( l l ，l 2 ) 指条件l l 不能在条件l 2 之后完成，嚼谓训的差别在条件l 1 和l 2 能否同时完成。对m p ( l 1 ， l 2 ) 和n l ( l i ，l 2 ) 中的条件l 可以足零件、连接或装配状态。有两种特殊情况： 一是m p ( l i ， ) ，指条件l l 必须最先装配完成，二是m p ( ，l 2 ) ，表示条件l 2 必须在所有条件装配或完成后j 装配或完成。 假设l 1 ，l 2 ，l 3 分别为装配过程中的三个零件，装配优先关系具有以下性质： 优先关系的传递性 m p ( l 1 。l 2 ) 八m p ( l 2 ，l 3 ) = m p ( l 2 ，l 3 ) 优先关系的交换律 m p ( l i ，l 2 ) ；咿( - 西) 优先关系的分配律 m p ( l i 八l 2 ，l 3 ) p ( l 1 ，l 2 ) 八m p ( l 2 ，l 3 ) m p ( l 1 ，l 2 l 3 ) m p ( l 1 ，l 2 ) m p ( l 1 ，l 3 ) m p ( l 1 v l 2 ，l 3 ) i p ( l 1 ，l 2 ) v m p ( l 2 ，l 3 ) m p ( l 1 ，l 2 v l 3 ) - - - - - m p ( l l ，l 2 ) v m p ( l 1 ，l 3 ) 装配序列优先约束足表达零件装配先后顺序的一种j 乍常紧凑的方法。这种方法 的关键足装配优先约束关系的获取。采用人机交互的方法，工作量大，对操作人员 要求商，而且容易出错。自动获取优先约束则有一定的难度。然而一旦获得零件装 配的优先约束，则能很容易地求得零件的装配顺序。 ( 2 ) 基于组件识别的装配序列求解方法1 根据d i n i 和s a n t o c h i 的提法，组件( s u b a s s e m b l y ) 可通过以下的三个条件来 加以判别： 组件中任意一个零件必须与i 幺组件另一个零件接触； 组件必须具有稳定性； 组件装配后不能干涉其它零件的装配。 工艺规划人员根据装配车问的实际情况，通过人机交互最后确定实际装配过程 的组件。确定组件之后，分层次生成组件的装配顺序。综合组件的装配顺序，可求 得产品的装配顺序。基于组件识别的求解方法可以有效地减小装配序列，成的复杂 性，删除那些装配操作工艺件差但理论上可行的装配序列。 4 南京理t 人学t 学颅t 学 f ，论文教7 化杖配宁刘_ l 甏划系圣觅的研究j 开发 ( 3 ) 拆卸法求解装配顺序的方法【1 2 l h o m e md em e l l o 和s a n d e r s o n 最先提出了以拆卸法求解装配顺序的系统方法。 b a l d w i n 继承了h o m e md em e l l o 和s a n d e r s o n 以及b a u r j a u l t 、d ef a z i o 和w h i t n e y 等人的工作，并进一步发展了l u i 和a b e l l 等人的研究成果，在拆卸法的基础上， 提出了装配序列评价的方法，并建立了装配序列交互编辑，修改的工具，使得所产 生的装配序列不仅满足几何可行性，而且可以满足机械设计和制造的要求。 拆卸法求解装配顺序的优点是：若判定某零件满足拆卸条件，则该零件一定满 足序列约束。反之，装配过程中某一阶段满足装配条件的零件并不一定满足装配序 列约束条件，因为该零件有可能影响到后续零件的装配。另外，通过几何计算和推 理可从零部件的装配状态演绎出零部件拆卸的初始方向，而从自由状态的零部件却 无法推导出零部件的装配方向。拆卸法的局限性是必须满足装配和拆卸互为可逆过 程这一前提条件。 ( 4 ) 基于知识的求解方法 h u a n g 和l e e 1 3 l 采用基于知识的方法求解装配序列，采用一阶谓谢逻辑束表达 产品结构、序列优先约束和装配资源约束等知识。系统以产品c a d 模型为输入，通 过人机交互获取零部件的装配优先约束、通过图搜索算法求解产品配合特征图的最 小割集来产生装配序列。基于知识的装配顺序的求解方法，对于特定产品的装配序 列求解比较有效，但其适用面窄，且领域知识的获取需要较深的专业知识。 上述方法共同存在的问题足产品包含的零件数目不能过多，一般不超过2 0 个 1 1 4 1 。由于产品装配序列规划问题在本质上是一个n p 组合优化问题，、与产品中零件 数日很多时，将会出现装配序列组合爆炸问题，传统的以图论为基础的搜索方法难 以进行求解，因此引进现代优化算法，利用现代优化算法强大的搜索能力，结合人 工智能的高效性、虚拟现实的直观性以及人工交互的方便性柬快速准确地生成所有 可行装配序列，将各种不同的方法相结合，取长补短，已成为装配序列规划方法发 展的必然趋势。 1 4 论文研究的目的及主要内容 装配序列规划的优劣直接与产品的呵装配性、装配质景和装配成本相关，它已 经成为现代企业关注的焦点；另一方面，产品装配序列规划问题在本质上是一个n p 组合优化难题，如何快速高效准确的获得企业所需的最优装配序列一直以来足业界 研究的热点。因此对数字化装配序列规划系统的研究和丌发具有极大的理论意义和 南京摩丁人学t 学硕i 学位论史 数，化装配序列规划系统的研究j 开发 重要的实际应用价值。本课题首先通过构建数字化装配设计系统的总体框架；在此 架构基础之上，展_ 丌= 对产品装配建模方法和装配序列规划方法的研究，并丌发数字 化装配序列规划系统的原型；最终达到降低产品装配成本，缩短产品装配时间的目 的。 论文主要研究的内容如下： 建立数字化装配设计系统的总体框架，该框架足保证实现装配设计系统 各功能模块( 分系统) 之日j 协同工作和信息共享；并在此基础上展丌对装 配序列规划系统的分析和研究。 建立面向装配序列规划的产品装配模型；该装配模型能满足企业装配序 列规划的要求，不仅能完整地描述产品中零部件的组成信息、零部件的 自身特征信息，还描述零部件之问的装配关系信息。 建立基于遗传算法的产品装配序列规划和评价方法；产品的装配序列规 划问题实际上是一个n p 组合优化问题，对于零件数量比较多的复杂装 配体，传统的以图论为基础的规划方法难以进行求解，本项目拟采用现 代优化算法来求解产品的装配序列，实现产品装配序列的商效自动筛 选。 开发出数字化装配序列规划系统的原型系统；该原型系统能满足企业的 初步需要，初步实现装配序列规划系统所具备的各项功能，能够规划出 企业满意的装配序列。 1 5 论文研究结构 本论文以面向装配序列规划的建模和基于遗传算法的装配序列规划作为蘑点研 究内容，以降低企业装配成本、缩短企业装配时问为最终目的，以数字化装配序列 规划系统为最终成果，全面展丌研究。论文的白局结构如下： 第一章：简述了本课题的背景、依托企业概况、装配序列规划系统的国内外研 究应用现状以及论文研究目的、主要内容和论文的白局结构： 第二章：构建数字化装配设计系统的总体框架，并对该框架系统应用层中的四 个主要功能模块：装配建模模块、装配序列规划模块、装配路径规划模块、可装配 性评价分析模块进行了分析说明，最后分析了装配序列规划在数字化装配设计系统 中的地位； 第三章：对经典装配模型的表示方法及工程装配语义进行了详细研究，提出了 6 南京婵t 人学t 学硕十学位论文敦7 化裂配宁列规划系统的研究j 开发 一种面向装配序列规划的混合建模方法，并通过应用实例对其进行了分析说明。 第四章：分析目前基了二现代优化算法的装配序列规划研究现状，构造一种基f 遗传算法的装配序列规划方法，并通过工厂应用实例验证说明该算法是一种有工程 实际应用意义的方法。 第五章：介绍了基于u g o p e n 的数字化装配序列规划系统原型的开发及实现。 第六章：总结作者在课题研究期h j 的所做工作与论文的不足之处。 全文各章节研究内容之自j 的关系如图1 2 所示。 第一章绪论 + 第一章数字化装配设计总体框架 + 第二章面向装il 第四章基于遗 配序列规划的卜_ 叫传算法的装配序 装配建模研究ii 列规划方法研究 + 第五章数字化装配序列规划系统原世开发 + 第六章总结与展望 图1 2 论文结构示意图 7 南京埋r 人学t 学琐 学位论史数宁化装配序列捌划系统的研究1 开发 2 数字化装配设计总体框架 数字化装配设计系统总体框架是数字化装配设计各分系统c 装配建模、序列上见 划、路径规划、可装配性评价等) 协同完成产品面向装配的设计的基础，同时也是 体现并行设计理念，将传统设计方法中设计一制造一再设计的大循环分解为设计环节 中的若干个小循环，在每一个小循环内进行设计一检验一再设计的基础。 2 1 数字化装配设计系统需求分析 数字化装配设计系统的宗旨和目的是在设计过程中尽可能早的进行装配分析， 使设计出柬的产品足可以装配的而无需通过实物验证，从而达到降低企业成本，提 高企业装配设计速度的目的。它就要求数字化装配设计系统必须具备以下几个特点： 1 ) 能够支持自顶向下的设计方法。目前南通轻机集团仍然采用自底向上的设 计方式。这种设计方式是由设计师在头脑中先构思好产品的概念模氆，设计好各个 零件，然后再将这些零件拿到一起进行装配。当在装配中发现某些零件不符合要求， 如零件伽发生干涉时，就要对零件进行重新设计，重新装配，再发现问题，再进行 修改，直至满足设计要求。这种缺乏全局规划的设计方法使得南轻集团新月：品 的开发过程周期很长、成本非常高，而且设计质最得不到保证，严蘑影响了企业的 市场竞争力。自顶向下的设计方法与自底向上的设计方法不同，它足从产品的功能 要求出发，进行产品的功能分解，确定产品的初步方案，建立产品的装配模型，再 通过设计计算，进行零件的详细设计，装配成产品。这种方法在产品的设计过程早 期可以对产品的各种设计方案进行分析评价，修改不满意之处直至该阶段设计符合 要求再向下进行。这种方法可以减少设计阶段的重复工作，是数字化装配设汁必备 的功能之一。 2 ) 能够提供智能规划工具。长期以来南通轻机集团产品的装配规划主要由有 经验丰富的技术人员规划完成，但是装配工艺规划是一项十分复杂的工作，且集团 产品品种繁多，各种产品之侧相差很大，原先产品几乎都是手工装配，现在正逐步 向自动半自动生产线装配过渡，对产品装配工艺的要求变得越来越严格，因此仅依 靠技术人员经验规划指导装配，不可避免地会存在大量缺陷，如由于个人经验以及 其考虑问题的全面性和正确性等的限制，很难得到最优设计，使得工艺规划缺乏系 统性和科学性。因此数字化装配设计系统必须提供智能规划工具辅助设计人员进行 各类规划分析，不仅可以提高设计效率，还能提高装配质量，降低装配成本。 3 南京理t 大学t 学颀t 学位论文 教，化装龇序列规划系统的研究j 开篾 3 ) 系统应能支持分在、并行、协同工作方式，同时也要具有伸缩性、丌放性、 町重用性。由于产品异地协同设计和制造、敏捷制造技术、虚拟制造技术等先进的 制造模式和技术成为制造工程界研究和应用的热点和苣点，数字化装配设计也将向 网络化、并行化和协同的方向发展。另一方面市场竞争越发激烈，凭单个企业的能 力很难获得较大的市场份额，因此南轻集团必须加强与合作伙伴之日j 的合作关系， 强强联合共同谋取最大的利益。从长远束看，就要求系统能支持分布，并行、协同 工作方式，使分白在不同地点、不同部门、不同号业背景的人员可以在同一个产品 模型t 协同工作，交流和共享信息；与产品有关的各种信息、过程信息、资源信息 以及各种知识均可以分白式存放和异地获取；工程人员可以使用位于不同地点上的 各种应用工具软件进行工作等。在敏捷制造过程中，因合作任务的完成和新的任务 的开始，虚拟企业时而解散时而蓖建，因此要求系统能随着用户群的动念变化而动 态适应，即系统要具有伸缩性。另外，数字化装配设计系统还必须与其它系统相连 或集成到其它系统中去或其它系统集成到数字化装配设计系统中来，这就要求系统 具有良好的斤放性和藿用性。 上述的特点分别从不同的侧面对南通轻工集团数字化装配设计系统提出了要 求，“支持自顶向下的设计方法”从方法论上对数字化装配设计系统提出要求，它是 数字化装配设计系统工作的主流程：“能提供智能规划工具”是数字化装配设计系统 的目的，通过提供智能辅助工具，数字化装配设计系统能够协助用户或技术人员更 快更好的进行装配设计；“系统应能支持分布、并行、协同工作方式，n j 时也要具有 伸缩性、丌放性、可藿用性”对软件编制提出了要求，要求站在发展的角度看问题， 标准高，理念先进。 2 2 数字化装配设计系统的体系结构 2 2 1 数字化装配设计系统的功能结构 根掘上一节的需求分析，在参考前人的研究成果的基础上，从功能上把数字化 装配设计系统划分为如下一些必备的基本模块，它们是：产品装配建模，产品装配 序列规划、产品装配路径规划、产品可装配性分析等功能模块组成，如图2 1 所示。 9 南京理t 人学t 学硕 学位论文 敏7 化杖雕序列成划系统的研究j 开，芷 数字化装配设计系统 装配建模 可装配性分析 装 配 结 构 建 模 装 配 关 系 建 模 装 配 零 件 建 模 设 计 方 案 评 价 装 配 过 程 评 价 图2 1 数字化装配设计系统功能结构图 产品装配建模模块为数字化装配设计系统提供了一个产品装配建模环境，它借 助_ f 三维c a d 软件( u g ) 提供了相应的建模工具和资源，并为下游各功能模块提 供所需的零件信息、装配结构树和装配关系等信息。它包括产品装配零件建模、产 品装配结构建模、产品装配关系建模三个功能子模块。 产品装配序列规划为数字化装配设计系统提供了一个产品装配序列规划环境， 系统提供了相应的序列规划工具和资源，并为下游各功能模块提供装配序列信息。 它主要由：优先顺序输入、算法参数调整、序列自动规划三个部分组成，通过人机 交互弓自动智能算法的协作运行舰划出有工程实际意义的装配序列。 产品装配路径规划为数字化预装配系统提供了一个产品装配路径规划环境，提 供相应的路径规划工具和资源，并为下游功能模块提供产品装配路径信息。装配路 径的规划与产品装配过程的仿真是密不可分的，装配路径规划要判断在某具体位置 足否与其它零件于涉要用静态干涉法进行碰撞检测，在零件从某位置装配到某位置 过程中要判断足否与其它零件发生干涉要用动态碰撞检测法进行碰检测。在规划好 路径还要进行装配过程仿真看装配路径是否合理或最优，因此将产品装配仿真模块 并入产品装配路径规划模块。产品装配路径规划模块主要由碰撞枪测、路径规划、 装配仿真三个子模块组成。 产品的町装配分析模块为数字化装配设计系统提供一个产品呵装配性分析、评 价、反馈的环境，提供相应的可装配分析工具和资源，并为t 游功能模块提供呵装 配分析评价、建议结果，以指导装配设计的改进。它包括设计方案评价、装配过程 评价、零件町装配性评价分析等三个功能子模块。 【rlrrr irlrrl，irrri，r-roerl【lr lr【r 南京理r 人学t 学硕卜学俯论文 教7 化_ 转配序列规划系统的研究。j 开发 2 2 2 数字化装配设计系统的结构框架 数字化装配设计系统是个非常庞大复杂的系统，国内外研究机构根掘研究霞点 不同或研究的角度不同，提出许多各具特色的体系结构1j + - 1 9 a 7 l 。通过总结分析前 人的成果，同时结合工厂未来发展和近期的实际情况，将数字化装配设计系统的体 系结构分为：界面层、管理层、应用层、支撑层等四层( 如图2 2 ) 。系统框架具有 伸缩性、丌放性、可重用性、可扩展性。各层的功能如下： ( 1 ) 界面层：是用户与系统交互的接口，用于定义用户与系统日j 交互的方式。 界面层由输入界面和输出界面两部分组成。输入界面用于接受用户的输入命令，响 应用户的鼠标与键盘事件。输出界面用于将应用层的处理结果以图形化方式或肯对 话交互形式反馈给用户。将界面层与应用层分离有利于系统的部署和网络化应用， 同时界面层的独立有利于在适当的时机将虚拟现实设备引入系统界面，如将v r 设 备( 头盔冠示器、数据手套) 、语音命令输入技术引入输入界面；在输出界面提供相 应的声音反馈，以加强设计者对其设计的理解，甚至提供力反馈信息等d 5 - 1 9 l 。这样 通过扩展输入输出手段，为设计者提供自然、高效的交互方式。 ( 2 ) 管理层 1 5 - 1 9 1 ：是控制系统协调有序运行的核心，主要包括分布式网络协同 环境和网络安全两部分。它以项目管理的方式对分白式网络中的协同工作进行规划、 管理和监控，使不同地点、不同部门、不同等业背景的人员可以协同进行设计信息 的交流和共享，共同完成数字化装配设计的流程。主要的协同工具包括：自板、视 频会议、音频设备等；网络安全包括网络传输安全、用户身份认证和访问控制等一 系列安全问题。因为协同设计过程中所需的各种信息资源会异地存放，因此应该保 证在传输过程中，机密信息不被攻击者读取、重放、篡改和伪造。另一方面，系统 也通过赋f 不同用户不同的权根，确保正确的用户能访问到正确的信息资料。 ( 3 1 应用层：是数字化装配设计系统应用实现的核心部分，主要包括产品装配 建模模块、装配序列规划模块、装配路径规划模块、可装配性分析评价模块。这网 个模块是数字化装配设计系统的主要关键技术，装配建模模块足基础，为装配序列 规划模块提供装配关系、干涉信息、装配资源等数据；装配序列规划模块为装配路 径规划模块装配顺序信息、装配关系，装配建模模块提供零件的几何信息；装配路 径规划模块提供装配路径信息、装配建模模块提供各阶段的装配设计信息给町装配 分析模块，由可装配模块评价分析设计的好坏并提供修改建议。 ( 4 ) 支撑层：它主要包括后台数据库、底层操作系统和网络。操作系统和网络 南京理t 夫学t 学碗卜学位论文 教7 化效配序列规魁系统的研究j 开篾 是数字化装配环境的支持技术层，为环境提供基本的网络通信和安全支持。后台数 据库用于存取，生成、维护和管理系统运行过程中的各类信息。主要包括装配模型 信息，装配资源信息、装配过程信息以及产品结构层次信息等等。装配模璎主要描 述被装配零件的几何信息以及零件问装配关系和装配约束的信息组织结构。装配资 源模型描述了零件的装配工具、夹具等等。装配过程信息主要包括零部件之问的联 接、接触信息，干涉矩阵信息及装配路径信息，主要服务于后续的序列规划和可装 配性分析。 界面层 管理层 心川层 支挣层 用户界面 矧 二三维c a d 软件( 如u g ) 基于项只管理的协同装配设计过程监控管理 声 产i f l 装配结构建模 3 品 l 一型库 装 产品装配关系建模 配 建 产品装配零件建模 模 弋7 产品装配序列j j l l 划模块( 生成、评价、优化) 7 产品装配路径规划模块( 动静态碰撞榆测，装配过程仿真) 7 产品町装配性分析模块( 包括方案，装配过程。零件) 7 操作系统、网络、数据库 图2 2 数字化装配设计系统结构框架图 2 3 数字化装配设计系统的关键技术 j 下如上节所介绍的，数字化装配设计系统的关键技术主要包括：装配建模技术、 装配序列规划技术、装配路径规划技术、可装配性分析评价技术等等。 ( 1 ) 数字化装配设计系统的建模技术 1 2 南京理r 人学t 学颅l 学位论文 敏7 化装配序列胤划系统的研究j 开发 数字化装配设计系统的基础是装配建模技术，因为装配建模技术为后续的功能 模块提供基础信息。因为装配建模系统与产品设计过程息息相关，既要记录装配设 计过程的结果信息如零件几何信息、装配模氆等，又耍记录装配设计过程的信息如 装配干涉信息、装配路径信息。装配信息模型记录的信息全面与否直接关系到装配 设计系统的效率，建立的装配模型信息全面可以减少后续模块的人机交互次数，从 而提高装配设计系统的效率。 ( 2 ) 装配序列规划技术 装配序列规划即产生一个装配顺序，在经济最优化的i i 提下，把分离的零件装 配在一起，形成目标产品。这一过程关系到装配系统配置、装配作业调度和装配工 央具等工装的设计等，是装配过程优化设计众多研究内容中的关键。这一过程一般 可分为两步：可行装配序列的产生和优化装配序列的产生。可行装配序列足指满足 几何约束、工程约束等“硬”约束条件下产生的装配顺序。优化装配序列是指结合 部分经验“软”约束等条件，考虑和满足所有或大多数装配约束因素+ f ( 最少装配 方向改变、最少装配工具改变等) ，使装配成本最低、效率最高的装配顺序【1 9 1 。 ( 3 ) 装配路径规划技术 装配路径规划足运动规划的主要研究内容之一，是为了避障及满足作业需要而 进行的以安全性为主要指标的路径设置。装配路径规划就足寻求一条装配零件从装 配起点到装配目标点的空日j 装配运动路径，当零件沿此路径装配时不能与环境中其 它物体发生碰撞。路径规划问题一般与装配仿真模拟紧密相关，在路径规划过程中 必须随时进行碰撞检测( 动态、静态碰撞检测) ，以便发现装配中存在的于涉；路径 规划好后还要进行仿真模拟以便优化调整装配路径。 ( 4 ) 可装配性评价分析技术 产品的呵装配性足指产品相对于装配资源的装配难易程度的一种度量，它与产 品结构、装配方法和装配资源有密切的关系，应全面合理地评价，并返回评价结果， 以指导设计者进行再设计和修改。它是面向装配设计的最高层模块，通过利用并行 工程设计理念，将呵装配性评价大循环分成对设计方案、装配过程和最终装配零件 进行三次小循环( 设计一评价一修改) 评价，提出修改意见，确保最终设计出的产品 一丌始就足可装配的。 2 4 序列规划在数字化装配设计系统中的地位 装配序列规划模块在数字化装配设计系统中起着承上启下的作用，它位于装配 -r-rlrrr 南京理丁夫学t 学颂t 学位论文数7 化装配序列规划系壬宽的研究j 开慢 建模模块之上，在装配路径规划模块与可装配性分析模块之下。它为装配路径规划 模块提供最优的装配顺序、零件之日j 的装配关系及各种相关的装配资源，是装配路 径规划模块的前提；另一方面它与路径规划模块一同提供装配资源信息、装配过程 信息给可装配性分析模块，为装配结构和零件可装配性评价提供分析信息。少了它， 装配路径规划模块和可装配性分析模块就不能j 下常工作。另一方面由于缺乏装配序 列规划模块，后续的装配设计修改信息不能顺畅传送到装配建模模块，使得装配建 模模块不能很好的工作，影响了装配设计的效率，尉时装配设计的质量也得不到保 证。因此装配序列规划是数字化装配设计的霞要和必不可少的模块之一，另一方面 装配序列规划系统由于其位于系统的底层，各企业可以根据需要将装配序列规划模 块和装配建模模块独立出来，专注于装配序列优化。 本文的出发点就足针对目前装配研究工作中不太成熟的与企业装配成本息息相 关的装配序列规划问题，研究面向装配序列规划的装配建模方法，并建立基了二遗传 算法的装配序列规划方法，优选出符合企业所需的装配时间最短、效率最高的装配 序列，以达到降低企业的装配成本、缩短企业装配时间的目的。 2 5 小结 本章在总结分析前人成果的基础上进行了数字化装配设计系统的需求分析，并 提出了数字化装配设计系统的体系结构，该体系结构分为界面层、管理层，应用层、 和支撑层。其中应用层足数字化装配设计系统的核心，面向装配设计的大多数功能 由其完成。最后分析了装配序列规划在数字化装配设计系统中的地位，引出了本文 研究的霞点：面向装配序列规划的装配建模方法和基于遗传算法的装配序列规划方 法。下一章将介绍面向装配序列规划的装配建模方法。 1 4 l l rlf-lp !l， 南京理t 人学t 学颅l 学位论文教7 化装配宇州妁! 刨系统的 f 究j 开发 3 面向装配序列规划的装配模型研究 建立装配模型足装配序列规划的前提和基础，冈为装配模型包含宵零件之日j 的 装配关系、约束信息及零件自身的几何拓扑信息，因此有必要对装配建模方法展丌 深入研究。目前的装配模型结构毛要有两类：关系网络毽结构和层次树状璎结构。 但是这两种模型都存在自身的缺陷，均不能完整的描述装配信息，因而都不能满足 装配序列规划对装配模毽的需要。本文拟建立一种混合的装配模型柬适应装配序列 规划的要求。 3 1 经典装配模型的表示方法 经典的装配模型表示方法主要有如下几种；联系图模型、关系模型、层次模型 等。代夜了不同时期研究人员在该领域所取得的成绩，这些模型表示方法是构建装 配模型