（机械设计及理论专业论文）基于step+cad装配序列规划方法研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文基于s t e p c a d 装配序列规划方法研究 是本人在指导教师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者签名鲨坐年三月卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导敦师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用规 定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文 数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借间。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学 位论文。 作者签名 导师签名 磷 鳓多 塑坐年三月日 世互月日 摘要 在此项研宄中，开发了一个全自动化的装配序列规划，可以直接从s t e p c a d 文件 中自动地提取几何信息，然后生成带有装配方向再定位次数最小值的可行装配序列。 同时也证实了用规划方案来减少装配时间的可行性。该项研宽分为三个部分： 第一部分为从s t e pc a d 文件中自动地提取几何信息和检测出零件沿主轴装配方 向的装配运动中可能发生的碰撞，开发了建立在提取几何信息基础上的运算法则和软 件。开发的软件直接搜集一个已设计产品装配模型的s t e pc a d 文件，输入到电脑再 输出六个自由度的矩阵模型，描述了装配过程中沿着六个主轴方向零件之间可能存在 的碰撞关系。 研究的第二部分第一部分开发的软件综合了一个基于运算法则的遗传装配序列 规划。改进的规划方案随后被用来自动地发现优选或近优选的装配序列，以装配方向 再定位次数为用户定义的标准。完整的装配序列规划方案直接将产品装配模型的一个 s t e pc a d 文件作为输入然后输出几何学上可行性的装配序列并依据的是装配方 向调整次数的最小值。 研宄的第三部分，通过一个个案研宄证实了装配方向调整对装配时间的影响，对 机器装配和人工装配而言都是如此。个案研宄的结果表明在一个装配序列里的再定位 次数对装配时间有重要的影响。该结果支持基本的研宄假设，即使用一个需要越多装 配方向调整的装配序列，花费装配时甸就会越长。个案研究有助于证实和确定了在装 配序列规划中，使用全自动装配序列规划方案来减少装配方向上再定位次数的重要性 和实效性。 关键字：s t e pc a d 装配序列规划再定位次数 a b s t r a c t i n 山i ss m d vac o m p l e t e l ya u t o m a t i ca s s e m b l y s e q u e n c ep l a ni sd e v e l o p e d1 1 a s s e m b l ys e q u e n c ep l a nc a r ldr e c ve x t r a c tg e o m e t r yi n f o r m a t i o n f r o ms t e pc a df i l e t h e n 2 e n e r a l e t h e f e a s i b l ea s s e m b l ys e q u e n c e w h o s e t h en u m b e ro fr e o r i e n t a t i o n i sa m i n i m u m i n a s s e m b l yd i r e c t i o n t h es t u d yi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r to f t h es t u d y i no r d e rt oe x t r a c tg e o m e t r yi n f o r m a t i o nf r o ms t e pc a d f i l e a n dt e s to u tp a r t sa l lt h ep o s s i b i l i t yo fc o l l i s i o n1 1 1a s s e m b l ym o v e m e n ta l o n gs p i n d l e a s s e m b l yd i r e c t i o n a l la l g o r i t h ma n ds o f m , a l ea b o u te x t r a c t i n gg e o m e t r yi sd e v e l o p e dt h e s o f t w a r ed e v e l o p e dd i r e c t l yc o l l e c tad e s i g n e dp r o d u c ta s s e m b l ys t e pc a df i l e ，i n p u tt ot h e c o m p u t e ra n do u t p u ts i xd e g r e e so f f r e e d o m m a t r i xm o d e lt h a td e s c r i b e sa l lt h ep o s s i b i l i t yo f c o l l i s i o nr e l a t i o n sb e t w e e np a r t si na s s e m b l yp r o c e s sa l o n gt h es i xs p i n d l ed i r e c t i o n t h es e c o n dp a r to f t h es t u d yt h ef i r s tp a r td e v e l o p e ds o f t w a r es y n t h e s i z ea l la s s e m b l y s e q u e n c ep l a nw h i c hi s b a s e do nt h eg e n e t i ca l g o r i t h m st h ei m p r o v e da s s e m b l ys e q u e n c e p l a ni st h e nu s e dt oa u t o m a t i c a l l yf i n do p t i m i z a t i o no rn e a r l yo p t i m a la s s e m b l y p ma s s e m b l y d i r e c t i o nh u m b e ro fr e o r i e n t a t i o na s u s e rd e f i n e dc r i t e r i ac o m p l e t ea s s e m b l y s e q u e n c e s c h e m ew i l l d i r e c t l yp u tap r o d u c ta s s e m b l ys t e pc a df i l e a sl n p u la n do u t p u tt h e g e o m e t r yf e a s i b l ea s s e m b l ys e q u e n c e i td e p e n d so nm i n i m u mo fa s s e m b l y d i r e c t i o n a a j u s t m e n t r e s e a r c ho ft h et h i r dp a r tt h r o u g hac a s es t u d yd e m o n s t r a t e st h a tt h ea d j u s t m e n t so f a s s e m b l yd i r e c t i o ne r i e c ta s s e m b t i m e t ot h ea s s e m b l yo ft h em a c h i n ea n da r t i f i c i a l a s s e m b l yt h es a m ew a vc a s es t u d yr e s u l t ss h o wt h a tt h en u m b e ro f a s s e m b l yr e o r i e n t a t i o ni s j m p o r i a n tf o ra s s e m b l yt i m e a t a s s e m b l ys e q u e n c et h er e s u l t ss u p p o r tb a s i cr e s e a r c h h y p o t h e s i st h a t u s em o r et h ed i r e c t i o no ft h ea s s e m b l ya d j u s t m e n t n e e dm o r ea s s e m b b t i m ec a s es t u d yc o n f i r mt h a tu s ea u t o m a t i ca s s e m b l ys e q u e n c es c h e m et or e d u c ea s s e m b l y t h en u m b e ro fr e o r i e n t a t i o n i ti sv e r yi m p o r t a n la n de f f e c t i v e k e ) w o r d s ：s t e p c a da s s e m b bs e q u e n c ep l a nt h en u m b e ro fr e o r i e n t a t i o n 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1 1 引言 12 装配序列规划的研究背景 13 本论文研究的目的 14 术语的定义 1j 研究的意义 i6 论文结构 第二章c a d 文件自动提取几何信息算法 2l 引言 22 用j s d a i 从s t e p 文件中提取b - r e p 数据 23 把零件转换到统一的坐标空间 24 确定零件之间的干涉关系 25 个案研宄 26 本章小结 第三章s t e pc a d 中装配序列规划方法 31 引言 32 用j s d a i 从s t e pc a d 文件中提取几何信息 33 将零件转换到装配坐标系中 34 确定零件之间的干涉关系 35 寻找一个指定装配模型的优选或近优选的装配序列 36 实际应用 3 7 本章小结 第四章再定位次数对装配序列生成效率的影响 41 引言 42 探讨问题，可变因素和假说 43 研究方法 4 4 个例研究 45 讨论 46 展望 第五章总结与展望 jl 总体论述 52 结论 j3 对未来工作的展望 致谢 参考文献 0 0 ，0 0 n u他h巧m均趴姐船sj盐暑j鹦札虬盟；i船蛇船“惦蚰盯 第一章绪论 11 引言 装配是一个非常重要的制造业活动。装配过程通常在总的生产时间和总的制 造成本中占据很大的比重。为了在当今市场经济下竞争制造商必须努力的减少 装配时间和装配成本。 为了使制造者在装配过程和设备运作期间能够减少劳工成本及装置和工具 变动的数量或再定位的数量从而达到降低整体装配成本的目的研究数字化产 品预装配规划成为亟待解决的问题。装配序列规划通过帮助制造者减少在装配 作业期间的装置和工具变动的数量或再定位的数量来降低整个制造业的装配时 间和成本。另外装配序列规划在产品设计中也扮演着根重要的角色。在设计阶 段，设计者能用装配规划来验证一个设计是否能够安全的装配，组件之间是否产 生干涉和碰撞。 传统的c a d 系统并不能执行装配序列规划。因此，大多数早期的装配规划工 具必须独立于c a d 系统工作，并且要求用户手动转换c a d 模型的设计信息与装配 规划的信息兼容。尽管人们在装配序列规划期间互相配台允许更有弹性的建立 装配序列质量评价标准但是于动转换和相互作用是非常耗时和容易出错的。为 了提高装配序列规划的效率和精确性c a d 设计和装配序列规划高效率地自动化 集成是非常必要地。 要改进c a d 设计和装配序列规划之间的集成和通信，提出的方法是使用一 个中间c a d 文件格式从计算机辅助设计系统输出设计信息，并输入设计信息给 装配序列规划。 s t e pr s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 在很大程度上支持 c a d 文件格式，还在不同的计算机辅助设计系统之间或在c a d 和c a m 系统之 间，促进高效率数据交换和信息共享。因此，在此项研究中s t e p c a d 文件格 式被选择用来作为在计算机辅助设计系统和装配序列规划之间转移设计信息的 媒介。 此项研宄进行高效率地集成计算机辅助设计系统与装配序列规划并且核实 自动化的装配序列规划可咀帮助减少装配时间。在这项研宄中，提出的工作是需 要从s t e p c a d 文件自动提取设计信息将设计信息转化成几何装配约束信息， 用一个装配序列规划方案来生成带有最少装配方向再定位次数的可行性装配序 列。通过减少装配再定位次数帮助机器人和手工工人节约装配产品所花费的时 间。 2 装配序列规划的研究背景 1 2l 相关技术发展历程 早期装配规划研宽的目标是平衡装配线从而改进装配线的效率。早期工作 与介入的装配规划关联，选择一个可行的装配序列，然后分配不同的装配步到不 同的装配位置，以便每个位置在同一时间完成一定数量的工作。 要实现早期装配规划研究的目标，开发7 人工投入线性平衡算法。其中一种 最早的算法用于平衡装配线由p r e n t i n g 和b a t t a g l i n ( 1 9 6 4 ) 开发。该算法采取了 优先次序图表作为输入，排列出了装配任务的顺序。优先次序图表是手工创建出 来的，基本上是包含所有网络形式的可行装配序列。最后，算法搜寻出了优先次 序图表网络最佳平衡的序列。 在2 0 世纪7 0 年代机器人装配出现以前几乎没有装配序列规划的研究被完 成。机器人装配给装配规划提出了新的要求，同时也产生了新的方法。其中有几 个启发式算法。 在1 9 8 0 年a k a g i 等人开发了一个启发性算法，能连贯地分析装配工作， 通过拆卸装配体成工作元素并分配工作元素到工作站。他们的方法根据紧固件分 析，将所有零件分类成单位群由被用于紧固件的连接零件进行装配。用这个方 法，制造工程师需要手动建立一个图标以表示用于连接零件而进行装配的紧固 件类型和由紧固件连接成的零件群。结果制造工程师使用图标手动地确定出在 小组之中的优先次序关系。基于生成的图标和优先次序图制造工程师能容易地 将装配工作划分成几个工作元素并分配工作元素到装配工作站。为了单独的平 衡装配线，他们的方法可以被用于将装配任务划分成工作元素。然而启发性方 法不保证结果是可行的，因为它可能错过可行的序列或生成不正确序列。 与肩发法相比计算机图表接索算法可咀保证正确性和完整性。在】9 8 4 年， b o u r j a u l t l 3 1 提议并且开发了能够生成所有可行装配序列的第一个计算机图表搜索 算法。b o u r j a u l t 的方法是使用联络或连接图表( 是在产品中连接组件的一张图 表) 。这个方法认为装配过程就如建立一个规定连接的装配序列并且就以建立 的序列联络图来表达装配序列。 b o u r j a u l t 的方法通过测试来检验在装配过程中的特定阶段能不能完成联络。 要做测试，软件对操作员有一系列的要求，并且根据连络图对操作员的答复和被 问的问题做几何分析。b o u o a u l t 的方法能找到合适完整的装配序列。然而，用 户交互式方法要求大量的问题被提出和回答这将消耗很多的时间。另外，需要 加以询问的问题的数量比连接数的平方还要大。 d ef a z i o ( 】9 8 7 ) 等a 1 4 l 通过减少被问问题的数量，改进了b o u r j a u l t 的方法 由于d ef a z i o 的改进需要加以询问的问题数量，相对于连接数目是成比例增 长的。然而，由于在一个产品中零部件数量的增长，问题的数量也快速的增长， 因此连接数的增长与零件数有关。用这个方法，回答被问的问题，用户必须得出 图表部分连接( 连络图表) 的装配和手动地确定连络之间的优先次序关系这是费 时和易出错的。该方法介绍了连络序列分析，可以帮助用户以一个图解格式发现 产品的所有可能的装配序列。因此，连络序列分析可以充当一个框架就许多不 同的评估标准来比较和考虑不同的装配序列。另一方面。连络序列分析不直接地 列出重要评估标准，例如装配技巧、取向变动、装置和需要的工具以及费用。 b o u r j a u l t 、d ef a z i o 的方法都是用户交互式的。在他们的方法中，一旦计算 机程序出现了问题，人还能够熟练的回答。对于复杂的案例甚至人都很难来回 答的问题，都能保证他们答案的准确性。 h o m e md em e l l o ( 1 9 9 1 ) 等人 5 - 7 1 通过所设计的计算机程序，改善了以前的用户 交互式方法，从描述装配体包含的信息直接地回答问题。他们是采取分解法来获 取装配序列。强调其方法的基本思想是列举连接装配图表的分解，并且选择可行 的分解法。h o m e md em e l l o 的方法仍然需要人熟练的生成装配连接图表和交互 式地确定分解的可行性，因此这个算法也要求一些用户互相作用。虽然他们减 少了整体时间，但是相当数量的交互应该仅对一个特定的装配体能发现其所有可 行的装配序列。 h o m e md em e l l o 开发了可行序列的a n d 0 r 图表表示法。然而他们没有 考虑不同的序列在装配时间和费用上可能会产生的影响。另外h o m e md em e l l o 并没有开发确定的方法做到根据标准从所有可行序列中选择一套序列。 d i n i ( 1 9 9 2 ) 等k 1 8 9 错一步地改善了装配序列规划的自动化程度。在确定装配 序列的过程中克全消除用户互动。d i n i 的装配序列方案能根据用户提供的信息自 动生成一个装配中所有可行的序列用户信息是在确定装配序列过程之前被输入 的。开发的算法采取三种类型的矩阵来输入：干涉矩阵、联络矩阵和连接矩阵。 干涉矩阵和联络矩阵由用户建立，主要解析沿三个笛卡尔坐标轴，每个矩阵包含 六个装配方向的干涉或连接信息。 为了创建矩阵用户需要测定在装配操作中沿着坐标轴进行的变换，装配中 一些组件和其他组件之间可能发生的所有碰撞。然后用户需要将碰撞信息转化 成干涉矩阵和连接矩阵的形式。 在发现装配序列的过程中虽然d i n i 的算法消除了用户的相互作用但是 在运行自动装配规划方案之前需要手工预处理很多工作才能生成输入矩阵。创建 干涉和联络矩阵的手工方法可能导致在矩阵中出错误，并难以发现。另外d i n i 也没有再开发自动选择首选序列的方法。 些早期的探讨研究，在确定装配序列的过程中努力减少或者消除用户互作 用，目的是实现装配序列规划过程自动化。为了进一步增加装配序列规划的自动 化程度，做到自动生成所需的装配规划方案，自动评估和从装配规划方案生成的 众多装配序列中选择优选序列，这需要更多的来研究自动预处理。 结果，b “d w i n ( 1 9 9 1 ) 等人0 唧发了一套生成所设计产品的全部可行装配序 列的用户交互式计算机程序，井基于各种各样的圈标帮助用户判断装配序列质 量。他们的程序为生成装配序列使用的是拆卸或分解分析法。他们使用的算法是 由b o 皿a u l t ( 1 9 8 4 ) ，d ef a z i o ，h o m e md e m e l l o 研究获得的。然而b a l d i n 等人 根据标准，例如装配状态和移动的数值，所需的再定位操作数，装配方向再定位 的次数，通过集成交互式方法和装配序列评估来选择一个环境，改善了以前的算 法。b “d w i n 等人开发了后加工装配序列部分自动化的方法。然而在他们的方 法中，信息必须由用户输入，通过对问题交互式的回答来确定装配序列，并且评 估和选择装配序列。 l i n g ( 1 9 9 3 ) 等a i l l 提出了一个基于汇编设计信息更加完整的装配规划系统， 它包括几何和非几何信息。系统用立体几何格式表示装配模型的几何信息。系统 表示在一个框架计划中非几何信息用于传达从设计工程师到制造工程师的设计 意图。提出的方案把提供的几何和非几何信息作为输入，并发现一套可行的装配 序列作为输出。 装配规划对几何信息进行几何推理生成了连续性图表、连接面，连接的方向 和碰撞信息。随后装配规划使用非几何信息建立了在装配中零件之间的优先次序 限制。最后，装配规划根据几何和非几何信息做出判断。生成可行的序列。 l i n g 等人开发了自动预先处理几何设计信息的方法，能自动地获得装配规 划输入的信息。然而他们提出的装配序列规划方案没有提供装配序列评估和选 择性的后期处理。如果框架表示法中的非几何信息是由设计师手动获得的，手工 完成工作是非常困难的特剐是当装配体包含很大数量的零件和连接体时。 g u 和y a h ( 1 9 9 5 ) 1 1 2 开发了一个能直接地从c a d 数据库自动地获得装配序列 的装配序列规划方案。该自动装配序列规划系统在生成装配序列过程中不需任 何人为干预。生成装配序列主要步骤是，根据产品的特点创建连通性图表，使用 连通性图表将装配体分解成子单位，生成每个次级单位的拆卸序列，并能通过在 一个完全拆卸序列中结合次级拆卸序列将拆卸序列转化生成一个装配序列。在他 们的方法中，装配模型信息从一个基于特点的产品设计模型生成一个被检索的 连通性图表，谚特点是基于带有界限和工艺约束的几何实体而被定义的。 g u 和y a n 的装配序列规划算法通过完全消除用户相互作用促进了自动前 处理的装配序列规划研究。然而，他们的研究没有包括装配序列评估或选择性的 后期处理。 z h a 、l i r a 和f o k ( 1 9 9 8 ) ”。”通过推导和分解装配体变成可行的组件，然后 评估序列，提出生成产品的所有可行的装配亭列的方法。他们的方案采用连络国 表、装配和拓挣学约束、几何约束、稳定约束和优先次序约束作为输入。算法从 给出的输入生成所有可行的装配序列。然后根据一套装配序列评估标准，该算法 自动地从一套可行的序列中选择出优选的序列，例如需要的再定位装置的数量。 他们的方案集成所有首选的可行性序列的世代。结果，他们的工作有助于提升后 期处理能力。然而，为了很好的运用这个方案，用户仍然需要手动地生成一张连 络图表和输入装配约束的信息。 e n g ( 1 9 9 9 ) ”1 等开发了一种基于特点的装配序列世代算法。他们的方案结合 几何推理技术。提出的方法是使用一套用户标准帮助装配规划获得一个首选的序 列，而不是一套可行的序列。他们的方法使用特性集合矩阵代表联络信息和自由 联接的组件。从特点联接矩阵几何推理出每个部分的几何信息从而生成可行的 装配序列。方案使用装配序列评估标准。例如装配方向再定位次数，稳定性和费 用，从一套可行的序列中选择一个首选的序列。 然而，在他们的方法中用户必须手动地生成必需的特点联接矩阵。特别是 当装配大量的零件时，手工生成特点联接矩阵的过程可能花费很多时间； 1 22 国外研究现状 m o k o n g 和w u ( 2 0 0 1 ) m 】介绍了一种自动生成装配序列和直接从s t e p c a d 文件进行零件装配操作的方法。m 0 k 等人的算法通过从s t e p 文件分析一 个装配等级制度的界限表示法，创建一张界限表和一张特征表。界限表记录了在 三个主要笛卡尔坐标轴方向每个零件尺寸的最大值和极小值。界限表用于确定 首选零件的装配顺序，特征表用于确定在生成装配序列时加入零件的联接操作。 在仅沿着一个唯一轴方向的装配操作中m 0 k 的方案用界限表和特征表里的信 息自动地生成组件的首选装配顺序。然而，他们的方法仅考虑了每个组件尺寸的 最大值和最小值及装配组件之间的空间关系，限制了规划方案的功能而且只能 生成一个唯一方向的产品装配序列。然而大多数实际产品不可能仅在一个装配 方向上完成装配。 m o k 等人的研究改进了装配序列规划的预处理技术，然而他们的方案不 包括后朝处理的能力。 s m i t h ( 2 0 0 2 ) i ”昕发了一个自动装配方案用遗传算法来寻找产品的装配序 列。具体方法是采用一个装配模型的无约束限制矩阵形式作为输入和直接地生成 装配序列，并要求装配方向再定位次数的最小值作为输出。然而，用户必须通过 分析装配模型创建一个手动输入的无限制矩阵。其他相似的序列规划算法也无法 解决从c a d 文件自动创建输入矩阵的问题。 因此结合，集成和改进预处理及装配序列规划方案的后加：e 能力是需要进一 步研宄的这样才能改进装配序列规划的速度可靠性和实用性。 l _ 2 3 国内研宄现状 南京理工大学的周开俊”对装配序列的几何可行推理约束进行分析后，建立 了优化评价模型其中包含装配方向改变次数、聚合性和稳定性三个因素。采用搜 索能力优良的遗传模拟退火算法对产品进行装配序列规划。 山东大学的刘洪涛建立了装配工艺数据库集成了各种与产品装配相关的信 息，在此基础上采用c - 语言建立用于装配序列规划的类结构。然后相应的类结 构读取装配工艺数据库中的信息。装配关系在计算机内存模式下依据装配体的几 何信息被自动识别出来。 华东船舶工业学院的朱大群等人。帅提出以层次等级关联关系模型为基础的 装配序列规划，该模型集中了关系模型和层次模型的优点，同时还对d f a 分析， 装配序列生成以及装配仿真做了深入研究。 中国科技大学的刘维来等人。1 做了基于遗传算法的机器人装配序列规划的 研究。为了使遗传算法减小搜索空间和改善早熟现象，需要在传统的遗传算法中 增加一个静态约束检测。 西北工业大学的李原等人”。做了基于遗传算法的飞机装配序列规划优化方 法改良了基囡算法，装配过程中的信息采用基因组描述，依据模糊集理论的适 应度函数对装配序列进行评价和优化。 西安交通大学的王陈春等人：为了减少人在序列规划中的干预，利用图论的 方法研究了零部件在装配体中之问的干涉信息和关联信息。 1 3 本论文研究的目的 这项研究的目的是通过集成预处理和后处理，进一步开发自动化装配序列规 划生成可行的装配序列，并且确定装配方向再定位的不同次数对整体装配时间的 作用。 此项研究分为三个部分： ( 1 ) 开发一个方法可以从c a d 工其到装配分析工具自动的转化几何数据。 ( 2 ) 开发一个可以从s t e p c a d 文件自动生成装配序列的方法。 ( 3 ) 确定生成的装配序列对整体装配时间的影响依赖于装配方向再定位不同 次数的作用。 在研究的第一部分中，将开发一个扶c a d 中间格式文件中自动获取几何数 据的软件工具。s t e p 将被选用作为这个中问格式文件。从s t e pc a d 文件中萃 取的几何数据将用来分析零件之间的干涉关系，生成的无限制矩阵将为一个装配 方案提供输入。 研究的第二部分将集成研究第一部分所开发的软件工其，实现装配序列规划 的全自动。联合装配规划从输入的c a d 文件提取几何信息，然后发现一个特定 产品装配的最少再定位次数的装配序列。装配规划被要求输入s t e p c a d 文件， 并且要与许多不同的c a d 软件包兼容。 要证明全自动化的装配序列规划具有实现工业应用的可能性，研究的第三个 部分将确定装配再定位对装配时间的作用。机器人和人工操作装配过程将作为研 究对象。装配时间和与之相对应的再定位次数将被记录并且分析。 此项研究的框架如图1 1 所示。框架图表明了研究中三项任务的关系。 c a ds t e p 文件) 装e 序刊计崩 矗日2 位序列 二z 幢捌装配再定位对装配时间的髟响 图l i 研究框图 14 术语的定义 s t e p s t e p 是一个应用广泛的i s o 标准f i s o 】0 3 0 3 ) ，描述了如何表示和交换数 字产品信息。i s o1 0 3 0 3 是一个用计算机进行产品数据表示和产品数据交换的国 际标准。i s o1 0 3 0 3 的目的是提供一种中性机制描述产品整个生命周期中的数 据。这种机制不仅适合为中间文件进行交换，以此为基础实施和共享产品数据库， 而且是实现产品数据库共享及产品数据长期存档的基础。 s t e p 是由许多不同部分组成的。这些部分依据功能被编成了8 个单元，如 图l2 所示。 巨l2s t e p 标准的体系结构 s t e p p a r t 】1 s t e pp a r t1 1 确定了s t e p 标准的信息建模语言表达。明示语言支持方面的 加强结构。明示语言提供r 一种机制，参照现有信息模型语境中的现行模式。 s t e pp a r t2 1 s t e pp a r t2 1 为不同产业定义了s t e p 格式产品数据文件不同的格式。s t e p p a r t2 1 数据文件必须依照s t e p p a r t2 1 和一种特定产业应用的s t e p 应用协议。 自动构造设计资料的s t e p 文件必须遵守s t e p p a r t2 1 标准和应用条款2 1 4 也就 是s t e p p a r t2 1 4 。然而对于电子装配和包装设计。一个s t e p p a r t2 l 文件必 须遵守应用条款2 】0 。 s t e pp a r t2 l 文件是交换结构的明码内码文本，经常被称为s t e p 物理文件。 s t e pp a n2 2 s t e p p a r t2 2 ，s d a i ( s t e p 数据存储界面标准) ，提供一个应用程序编程接口 f a p i ) 所载的数据和所描述的明确信息模型。在许多方面，s d a i 与传统的数据 管理系统应用接口( 如s q l 或c o d y s a l ) 相似。s d a i 与其他数据库接口不 同的地方是采用i s o1 0 3 0 3 其余的语境，它定义了一个基于语义的界面。相比之 下，传统数据库标准只定义了一个有权使用匿名数据的机制。s d a i 定义了一个 明确模型包含的数据标准，该模型没有提供关于实际数据怎样表示的信息。换而 言之，s d a i 定义了一个抽象数据结构表达的接口，而没有定义实际的数据口”。 j s d a l j s d a i 是s d a i 的一个实施形式( i s o1 0 3 0 3 2 2 ) 即一个j a v a 程序语言绑定 s d a i 进行外部扩展( i s o t s1 0 3 0 3 2 7 ) 。 s d a i s e s s i o n s d a i s e s s i o n 是j s d a l 一个有用的类。用于j s d a i 的开始和结束。这个类的 功能包括： 开始和结束s d a i 的任何活动 事件处理 0 开始一个事件 0 中止个事件 s d a i 库的动态处理 0 创建一个新的储存库 0 发现和连接在网络遥远的贮藏库 s d a i r e p o s i t o r y s d a i r e p o s i t o w 是j s d a i 的一个类。s d a i r e p o s i t o r y 的功能包括： s d a i m o d e l s 的一个物理容器和在s d a i m o d d s 中的个体实例 光盘上永久的数据保存 s t e p p a r t2 l 文件的输入口和输出口 s d a i m o d d s d a i m o d e l 是一个j s d a i 类，用来把实体例子进行分组。s d a i s e s s i o n 里的每 个实例必须属于某些s d a i m o d e l 。每一个s d a i m o d e l 都基于一个明确的计划表。 所有实体类型例子能在s d a i m o d e l 中显示因此s d a i m o d e l 必须在计划表中被定 义或公告出来。 e n t i t y e x l e n t e n t i t y e x t e n t 类将在s d a i m o d e i 内的所有个体事例编组进文件夹。在一个计 划表中定义每一个实体数据存在一个e n t i t y e x t e n t 实例。与个体数据类型相对应 的一个文件夹包含在s d a i m o d e i 之内的个体数据类型所有的事例阻2 6 1 。 15 研究的意义 这项研究提出了一种算法能根据s t e pc a d 文件包含的几何数据自动地 确定出在装配生产期间零件之间的空间干涉关系。通过集成s t e p 数据文件自动 预处理技术开发了一个全自动的装配序列规划方案，完全消除了手动输入，从 而改进了装配序列规划的效率。 最后，深入探讨了装配方向再定位的次数对装配时间的作用。通过实验验证 了装配方向再定位次数是影响整体装配时间的重要因素。本项研究所提出的装配 序列方案是以再定位次数作为优选序列的标准，应用到实际工作中能大幅度的缩 短装配时间，以降低生产成本，具有现实意义。 16 论文结构 本论文包括五章内容，主要内容和组织如下： 第一章从总体上介绍了装配计划的研究范围，通过回顾研宄范围中的背景资 料确定研究的问题之所在，明确r 研究的目的，简单的描述了用于研究中的术 语定义，并且说明了该项目的研究意义及重要性。 第二章列出了研究的第一个部分，即开发个算法，从c a d 文件中自动提 取产品设计的几何信息，并将几何信息自动的转化成三维矩阵的形式。 第三章致力于研宄的第二部分，开发一种直接从输入的s t e pc a d 文件中 自动获得最少再定位次数的装配序列的方法。 第四章介绍了一个个案研究，验证了装配方向再定位的次数对装配时间的影 响，并阐述了用开发的装配序列方案来减少装配时间的效果。 第五章列出了从论文中得到的一些结论，以及对今后工作的展望。 第二章c a d 文件自动提取几何信息算法 21 引言 在产品制作之前，设计师和制造者必须核实给定的设计产品可以被装配，而 且零件之问不存在干涉。另一方面，对于产品装配当前大多数的c a d 工具为了 生成一个优选或苦近优选装配序列，都不具有直接分析一个给定的装配规划可行 性的能力，结果，为了自动生成装配序列并优化，之前有很多人致力于开发外部 装配分析工其的研宄。 大多数以前的装配规划使用特征装配或无干涉的方法来确定装配零件的干 涉关系。特征装配和无干涉的方法，依赖于原始的几何信息和约束。c h e n 提出 了一种基于基因算法优选装配序列的方法。l i a o 开发了一个考虑装配稳定性的自 动装配规划。s m i t h t 2 7 - 2 9 提出了一种改进的基因算法，能从一个现有的装配模型 自动生成优质原始群体。在这些研宄中，考虑了多轴装配规划和装配过程零件之 间的干涉关系，并用无干涉矩阵将其表示出来，再通过视觉检查c a d 模型或者 装配图来手动确定。 因此为了使生成一个有效的装配序列过程全自动化，必须从c a d 文件中 自动提取c a d 模型的几何信息分析装配中零件之间的连接和干涉关系，然后 格式化供装配分析工具使用。但是，多数先前的装配序列规划并不能完成这三个 任务，而且还要求用户手动输入零件特征或者干涉信息，这是相当耗时和易出错 的。 本文将从c a d 文件中自动提取几何数据，分析装配中零件干涉关系并生成 无干涉矩阵从而使构建无干涉矩阵的过程全自动化。为了使本工作广泛适合于 不同的c a d 设计系统，产品模型数据交换标准s t e p 被选择作为新的c a d 文件 输入格式。s t e p 是当前一个支持大多数商业c a d 系统的标准。另外与其它 的c a d 文件格式相比，( 例如：o b jf l i e s s t lf l i e s 或i vf i l e s ) ，s t e p 格式文件更符 合a p 2 0 3 和a p 2 1 4 能用较少的点和面表示给定设计的零件。这个额外的优势有 利于更快更容易地确定零件之间的干涉。对于所提出的方法，尽管设计师可能使 用不同的c a d 系统，但是只需要将他们设计的产品保存在一个s t e p 格式的文 件中。开发的程序能自动地读取s t e p 文件并生成装配规划所需的无干涉矩阵 而且无需其他的文件格式转化。 在咀前与其相关的工作中m o k 等人1 2 9 1 介绍了一个自动生成装配序列和利 用s t e pc a d 文件中所包含的几何数据来进行连接零件操作的方法。m o k 的方 法是在s t e p 文件中创造一个边界表格和一个特征表格，分析了装配等级制度的 界限。在m o k 等人的研究中他们的技术被用于在s t e pc a d 文件中访问几何 数据并把零件的局部坐标系变换成没有被描述的装配坐标系。另外- 对于在一个 装配序列中重新对零件排序的技术治多个轴方向的零件之间并不考虑干涉关 系。然而，自动装配系统经常使用六个或者更多的装配方向a 本章的目标是，介绍从s t e pc a d 文件中自动提取几何数据信息，同时把 零件的局部坐标系转换成装配坐标系，并且能分析六个主轴装配方向上零件之间 的干涉关系的方法。最后，将干涉信息转化为无干涉矩阵的格式，并以文本文件 的形式输出。 22 用j s d a i 从s t e p 文件中提取b - r e p 数据 2 2 1 介绍s t e p 产品模型数据交换标准s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e l d m ) 是国际标准化组织i s o 为在c a x p d m 中表示和交换工业产品数据而建立 的标准。 数据储存界面标准s d a i ( s t a n d a r d d a t a a c c e s s i n t e r f a c e ) 为了读取s t e p 文件 数据提供一个a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) ，s t e p - f i l e 数据是由s t e p 建模语言( e x p r e s s ) 编写的。s d a i 定义了一个基于语义学的抽象界面，它是 依靠编程语言的。使用s d a i 到某种编程语言的联编来解决这个问题。j s d a i 是 一个绑定到s d a i 规格完整的j a v a 编程语言的a p i 。 s t e pp a r t2 l ( 实际的文件格式) 定义了一个s t e p 文件的格式和结构。另 外机械零件的格式和包含在文件中的装配数据必须遵守s t e p 的第2 0 3 部分 ( i s o1 0 3 0 3 2 0 3 ，它就是a p 2 一实际应用的2 0 3 号掷议。 s t e pp a r t2 2 ( s d a i ，s t e p 数据存储界面标准) 是一个抽象的说明书它定 义了a p i 的功能，即应用程序界面。 22 2 几何信息提取总体方案 通过执行完整的j a v a 程序设计语言遵守s d a i ( j a v a - s d a l 或j s d a i ) 应用 程序开发人员能够增加s t e pp a r t2 1 文件对j a v a 程序输入和输出的能力。在本 文，j s d m 用来加强从s t e p p a r t 2 1 文件自动提取几何信息的能力。 j s d a i 的核心是一套阅读或书写s t e p 格式数据的a p i 邀套a p i 包括j s d a i 运行时间的环境和各种j a v a 包裹。这个j s d a i 运行时间环境执行s d a i 字典图 表，s d a i 对象图表如对i s o1 0 3 0 3 2 2 定义的s d a i 操作，对第2 1 部分文件 的各种引伸：网络存取，映射操作，事件支持和其他。在输入j a v a 包裹到应用 程序r | _ l 咀后，实际上可咀直接地从s t e p 第2 1 部分文件读取几何数据，无需将 s t e p 文件转换成另一个数据文件格式。 22 3 从s t e p 文件中提取局部坐标 为从s t e p 文件提取局部坐标需要j s d a i 的“j s d a il a n g ”包裹中的四类： s d a l s e s s i o ns d a l r e p o s i t o r y , s d a i m o d e l 和e n t i t y e x t e n t 。s d a i s e s s i o n 类是用来开始 和结束任意j s d a i 活动。s d a i s e s s i o n 类可以初始化和终结s d a i 的活动，在程 序和一个s t e pp a r t 2 1 文件之间完成数据转换处理工作，并动态的建立新的存储 库。在用户定义的目录中s d a i s e s s i o n 类对象给s t e pp