（机械设计及理论专业论文）面向过程的产品装配信息自适应与自组织建模理论、方法及应用研究.pdf

塑垩盔兰望圭兰堡丝兰：耍塑过堡堕兰些茎墼笪星! 垩窒主宴塑望垄堡堡丝：立婆塑窒旦里塞 摘要 本文从新型生产模式对产品设计提出的要求出发，研究了产品设计过程中的装配信息 建模技术。提出了装配可行域判断及零件定位求解的方法，阐述了基于事物特性表的标准 件建库技术和零件图、装配图与图纸管理系统的信息共享机制，实现了面向过程的产品自 适应装配建模与产品装配信息自组织方法，开发了一个实用装配设计系统。本文提出的理 论、方法已成功应用于起重工具系列产品、剪板机系列产品和卫生用品设备的产品装配设 计中，取得良好效果。 ，第一章分析了新型生产模式对产品设计技术提出的要求，回顾了产品装配信息建模技 术的发展历程，综述了产品装配建模的研究现状，介绍了本文的研究背景、意义以及主要 内容。 第二章总结并归纳了六种装配约束，建立了基于约束的装配信息关系模型与相应的数 据结构，描述了双向装配设计的信息流程，提出装配过程图和装配序列的概念并用来刻画 装配设计过程。 第三章在装配约束分类的基础上，分析了简单约束、聚合约束以及约束组合对装配自 由度的影响，划分了装配可行、装配可能和装配不可行三个区域。采用分区域定位求解算 法，对装配可行域的零件直接进行定位求解；对装配可能域的零件结合装配约束类型和零 件的几何数据进行定位求解；对装配不可行域的零件不进行定位求解计算。 第四章吸收了合理化工程的思想，采用事物特性表的方法建立标准件库，阐述了常用 件变型设计的结构合理性判断。产品设计中尽可能使用标准件和常用件可以提高设计效 率、降低生产成本、便于组织生产管理。 第五章从设计信息在产品设计各阶段的流动出发，建立产品结构信息和技术信息的关 联，实现装配环境下的结构信息和技术信息的统一管理，并阐述了零件图、装配图和图纸 管理系统的信息共享技术。 第六章基于对初始装配设计信息的继承和重用，阐述了面向过程的产品自适应装配设 计技术，提出了自适应装配重构的方法，该方法根据设计过程中零件结构、装配约束关系 和装配顺序的变动自适应重构装配体。 第七章建立了产品装配信息自组织系统，提出了产品装配设计的自组织装配规则，阐 述了自组织装配设计的原理和过程，给出了自组织装配设计的一系列算法，深化了面向过 程的自适应装配设计的研究。 第八章阐述了面向过程的装配信息自适应与自组织实用系统的总体结构、开发环境和 摘要 系统特点。详细介绍了自适应装配设计、自组织装配设计、零件信息管理、标注零件序号 和零件操作五个模块的功能。最后给出球阀、无纺布滚轴部件、螺旋千斤顶、减速器等实 际产品的装配设计实例。 第九章总结了全文的主要研究成果，并展望了未来的研究工作。1 关键词：装配信息建模，双向装配设计，装配约束，零件定位求解，自适应装配，自组织 装配，事物特性表。 ，一塑竖查堂堡圭兰堡丝兰：耍旦婪堡竺主苎茎墼堕皇! 重生兰! 望堡壁苎堡笙：查鎏墨壁旦塑茎 a b s t r a c t f r o mt h ev i e wo fd e m a n d so ft h en e wm o d eo f p r o d u c t i o n ，p r o c e s s o r i e n t c d a s s e m b l ym o d e l i n gt e c h n i q u e i sr e s e a r c h e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h ea s s e m b i v f e a s i b i l i t ya s s e s s m e n ta n dp a r t - p o s i t i o n i n gm e t h o di sp u tf o r t h s t a n d a r dp a r ta n d i n t e r c h a n g e a b l ep a r tl i b r a r y b a s e do nt a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l e c h a r a c t e r i s t i c si s e s t a b l i s h e d ，a n d i n f o r m a t i o ns h a r e t e c h n o l o g ya m o n gp a r t d r a w i n g s ，a s s e m b l y d r a w i n g sa n dd r a w i n gm a n a g e m e n ts y s t e mi s i m p l e m e n t e d s e l f - a d a p t i v ea n ds e l f - o r g a n i z a t i o n a la s s e m b l ym o d e l i n gm e t h o di sr e a l i z e d ，a n dap r a c t i c a la s s e m b l y d e s i g n s y s t e mi sd e v e l o p e d t h et h e o r i e sa n dm e t h o d sp r o p o s e di nt h ep a p e rh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o t h ed e s i g no fs e r i e sp r o d u c t so f l i f t i n gt o o l s ，c l i p p e r sa n d s a n i t a r yt o w e le q u i p m e n t i nc h a p t e r1 ，t h ed e m a n d so f t h en e w m o d eo f p r o d u c t i o na r eg e n e r a l i z e d ，a n d t h ed e v e l o p m e n t o f p r o d u c ta s s e m b l yi n f o r m a t i o nm o d e l i n gi sr e v i e w e d f u r t h e r m o r e ， t h ep r e s e n ts i t u a t i o no f p r o d u c ta s s e m b l ym o d e l i n gi ss u m m a r i z e d ，a n dt h er e s e a r c h b a c k g r o u n d sa n dm a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ed i s s c u s s e d i nc h a p t e r2 ，o nt h eb a s i so f p r e s e n t i n gs i xt y p e so fa s s e m b l yc o n s t r a i n t s ，a 1 1 a s s e m b l y r e l a t i o n g r a p h m o d e la n dr e l e v a n td a t as t r u c t u r e sa r e s e t u p t h e i n f o r m a t i o nf l o wo fb i d i r e c t i o n a la s s e m b l yd e s i g ni sp r o p o s e d a s s e m b l yp r o c e s s g r a p ha n da s s e m b l ys e q u e n c e a r eu s e dt od e s c r i b ea s s e m b l y d e s i g np r o c e s s i nc h a p t e r3 ，a c c o r d i n gt os i m p l ec o n s t r a i n t , c o m p l e xc o n s t r a i n ta n dc o n s t r a i n t c o m b i n a t i o n si n f l u e n c e u p o na s s e m b l yd e g r e e o ff r e e d o m ，a s s e m b l y - f e a s i b l e ， a s s e m b l y p o s s i b l ea n da s s e m b l y - i n f e a s i b l er e g i o n sa r ec l a s s i f i e d ，ap a r t - p o s i t i o n i n g s t r a t e g yo f r e g i o n a l w i s ea l g o r i t h m i sa d o p t e d i n c h a p t e r4 ，s t a n d a r dp a r ta n di n t e r c h a n g e a b l ep a r tl i b r a r yb a s e do nt a b u l a r l a y o u t so fa r t i c l e c h a r a c t e r i s t i c si se s t a b l i s h e d t h ep a r t l i b r a r yh e l p st oi m p r o v e d e s i g ne f f i c i e n c ya n dm a k e sa s s e m b l yd e s i g nt o i n h e r i tr e l a t e di n f o r m a t i o no ft h e e x i s t i n gp a r t s ，w h i c hl a y s t h ef o u n d a t i o nf o rt h ei n f o r m a t i o ns h a r e a m o n gp a r t d r a w i n g s ，a s s e m b l yd r a w i n g s a n dd r a w i n gm a n a g e m e n t s y s t e m i n c h a p t e r 5 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r l l c n l r ei n f o r m a t i o na n dt e c h n i c a l i n f o r m a t i o ni se s t a b l i s e dd u r i n gt h ep h a s e so fd e s i g n t h ec o n s i s t e n tm a n a g e m e n to f s 仃u c t u r ei n f o r m a t i o na n dt e c h n i c a li n f o r m a t i o ni sr e a l i z e du n d e r 也ea s s e m b l y i l l a b s t r a c t c i r c u m s t a n c e f u r t h e r m o r e ，t h et e c h n i q u eo fi n f o r m a t i o ns h a r ea m o n gp a r td r a w i n g s ， a s s e m b l yd r a w i n g s a n dd r a w i n g m a n a g e m e n ts y s t e m i si m p l e m e n t e d i nc h a p t e r6 ，s e l f - a d a p t i v e a s s e m b l yd e s i g nt e c h n i q u e i s p r o p o s e db a s e do n i n h e r i t i n g a n dr e u s i n g d e s i g ni n f o r m a t i o no ft h ep r e v i o u sd e s i g np h a s e as e l f - a d a p t i v ea s s e m b l y r e c o n s t r u c t i o nm e t h o di s p r o v i d e d ，w h i c h r e c o n s t r u c t st h e a s s e m b l ya c c o r d i n gt oc h a n g e so fp a r ts t r u c t u r e s ，a s s e m b l yc o n s t r a i n tr e l a t i o n sa n d t h ea s s e m b l y s e q u e n c e i nc h a p t e r7 ，as e l f - o r g a n i z a t i o n a la s s e m b l ys y s t e mi se s t a b l i s h e d a c c o r d i n g l y ， s e l g o r g a n i z i n gr u l e s a n ds e l f - o r g a n i z a t i o na s s e m b l yd e s i g np r o c e s sa r ed e s c r i b e d ， a n das e r i e so f a l g o r i t h m sa r ep r o v i d e d i nc h a p t e r8 ，t h ef r a m e w o r ka n dm a i nf u n c t i o n so ft h ea p p l i c a t i o na r ee x p l a i n e d t h eb i d i r e c t i o n a la s s e m b l yd e s i g nm o d u l e ，s e l f - o r g a n i z a t i o nd e s i g nm o d u l e ，p a r t i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l e ，p a r tl a b e lm o d u l ea n dp a r to p e r a t i o nm o d u l ea r e i n t r o d u c e di nd e t a i l s s o m et y p i c a le x a m p l e sa r ei l l u s t r a t e d i nc h a p t e r9 ，a l la c h i e v e m e n t so f t h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e r r e s e a r c hw o r ki sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：a s s e m b l yi n f o r m a t i o nm o d e l i n g ，b i d i r e c t i o n a la s s e m b l yd e s i g n ， a s s e m b l yc o n s t r a i n t ，p o s i t i o ns o l v i n g ，s e l f - a d a p t i v ea s s e m b l y ，s e l f - o r g a n i z a t i o n a la s s e m b l y ，t a b u l a rl a y o u t s o fa r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s i v 浙江大学博士学位论文：面向过程的产品装配信息自适应与自组织建模理论、方法及应用研究 第一章绪论 【本章摘要】本章分析了新型生产模式对产品设计技术提出的要求， 回顾了产品装配信息建模技术的发展历程，综述了产品装配信息建模 的研究现状，介绍了面向过程的产品装配信息自适应与自组织建模理 论、方法和应用的研究背景、意义以及主要研究内容 计算机技术在工业、农业、科学、文化、教育以及人们日常生活各方面的广泛应用， 极大地促进了生产力的发展，使人类社会步入了信息时代。计算机辅助设计( c a d ) 是计 算机在工程设计领域应用的主要形式，c a d 技术的发展推动了工程设计领域的革命，深刻 地改变了传统制造业的生产方式。 1 。1 产品设计与产品装配信息建模 1 1 1 新型生产模式对产品设计技术提出的要求 现代制造技术正面临着来自市场变化和社会进步两个方面的挑战：动态多变的市场和 迎面而至的信息社会都迫使制造业在生产模式及其支撑技术等诸方面进行变革( 1 5 ”。现代市 场以快速多变且不易预测为主要特征l l ”j ，其特点是多品种、变批量、高性能、高质量、高 可靠性、短交货期和合理的价格。传统的大批量生产模式及相应的生产技术已经不能适应 现代社会对制造技术的要求。为适应市场快速多变的需求，人们已经并正在继续积极寻求 新的生产模式探索新模式下的设计、制造与管理技术，相继出现了成组技术、合理化工 程、并行工程以及精益生产、柔性制造、计算机集成制造、即时制造、敏捷制造等生产模 式和组织管理方式。这些代表现代制造技术的新哲理和新模式虽然出发点不同，但其共同 目标都是将传统的“少品种、大批量”的刚性生产改为“变品种、变批量”的柔性生产， 缩短产品开发和上市时间，提高产品质量，降低产品成本，适应快速多变市场需求i l ”j 。 新的生产模式需要新的技术支持系统，需要提供有效的辅助设计手段。c a d 技术在制 造业中的应用，由最初取代烦琐、费时、精度低的传统手工绘图，到目前的c a d c a e c a m 一体化，深刻地改变了传统的制造业，已成为先进制造技术的重要组成部分口”膦“。产品 的概念设计、系列化设计、集成设计与快捷设计等在新型生产模式中具有举足轻重的作用， 这些设计方法对产品装配信息建模技术提出了更高的要求： f 1 ) 支持整个产品设计周期；产品设计从明确用户需求开始，经过初始构思、分析、决 策到完成详细设计是一个逐步细化的循环与迭代过程，一般经过概念设计、装配设计和零 第一章绪论 件设计三个基本阶段。产品设计的三个阶段是相互制约的，设计信息的流动总体上是由概 念设计到装配设计、再到零件设计，但零件设计阶段的结果反过来也可以对装配设计或概 念设计进行修改。产品辅助设计系统应提供对产品设计过程的全面支持，以提高设计的自 动化水平，缩短产品开发周期； ( 2 ) 具有自组织性与自适应性：自组织是指当组成产品的零部件携带一定的装配设计信 息时，系统根据自组织规则自动形成产品的过程。自适应是指当设计因素发生变化时，产 品的结构和功能随之改变。支持产品设计的c a d 系统应具有白组织功能、自适应机制，以 满足不同的产品批量、不同的寻优目标和不同的生产环境的要求。 ( 3 ) 支持变型设计：变型设计是指在保证功能原理不变或微小改变的条件下，通过修改 结构产生一个与原产品结构相似的新产品的过程，在现代产品设计与制造环境中，绝大多 数产品设计都是变型设计。提供具有完善的变型设计能力的c a d 系统，能够对市场需求作 出快速反应，保证产品设计具有较短的交货期和良好的产品质量。 ( 4 ) 实现不同设计阶段的信息共享：产品及其设计过程是一个有机的整体，设计过程 中不同设计阶段、不同表达模型之间的信息共享是实现建模过程集成的基础。在产品装配 设计中，零件图、装配图之间的信息继承、传递以及与图纸管理系统的信息共享是提高产 品设计工效、保持产品信息一致性的基础。 1 1 2 产品装配伯息建模技术的发展 1 ) 产品信息建模过程及装配信息建模的地位 产品信息建模是将人们头脑中构思的机械产品转换成用图形、符号或算法表示的形 式，然后形成计算机内部数据模型的过程，包括产生、存储、处理和表达产品等环节。机 械产品信息建模的过程一般分成下列步骤 2 s 7 ： n 1 通过分析用户定单提出的要求，建立满足需求的概念模型。在概念模型中，包含 了设计师所使用的专业知识以及基于这些知识而定义的设计关系和设计约束。概念模型的 可视信息包括初始的计算文档和一些可见的图示信息( 如机构简图或装配示意图) 。 f 2 ) 将概念模型中的图示信息转换成装配信息模型。装配信息建模中，一方面要选择 合适的零件结构，另一方面要定义零件间的关系和约束。装配信息模型的可视表达是装配 图，装配图体现了产品的工作原理、功能和总体结构。 f 3 1 在装配信息模型的基础上进一步建立描述零件几何形状和拓扑关系的零件模型。 零件模型可以从装配信息模型中继承结构、尺寸、精度、材料等信息，采用适当的表达手 段完整地表达零件的结构，并根据功能扩展和细化零件的结构，直至标注出制造该零件所 需的全部尺寸。零件模型包含了产品的细节设计，其可视表达是零件图。 装配信息模型和装配信息建模在整个产品信息建模过程中具有重要作用，是c a d 系统 2 浙江大学博士学位论文：面向过程的产品装配信息自适应与自组织建模理论、方法及应用研究 的重要组成部分。装配信息模型既要继承概念模型的信息，有效地进行装配设计，又耍将 设计信息传递到零件模型中。从某种意义上说，装配信息建模是产品信息建模的核心内容， 它连接概念模型和零件模型，对生成完整的产品信息模型、满足产品生命周期各环节对信 息的需求具有非常重要的作用。 2 ) 装配信息建模技术的发展历程 装配信息建模是从整体上表示产品构造的过程，装配信息建模技术是随着c a d 技术的 发展而逐步发展起来的。 装配信息建模的研究建立在几何建模技术基础之上，几何建模技术经历了线框模型技 术、曲面造型技术、实体造型技术、参数化技术和变量化技术”9 】【1 7 2 口3 ”几个发展阶段。几 何建模技术存在着一个根本的缺欠，它不能向下游工作传递几何信息之外的其它信息，如 精度、材料、工艺等信息，因此使后续的辅助工艺设计及数控编程不得不另外补充信息， 甚至需要重新组织信息的输入，形成孤岛现象。针对几何建模的缺点，出现了基于特征的 建模方法。即特征造型技术。特征造型后的零件模型不仅具有几何信息，而且具有完备的 精度、表面粗糙度、材料、工艺等信息，满足了下游工作的需要。 装配信息建模技术的早期研究主要反映自底向上( b o t t o m - u p ) 的设计思想。在基于几 何建模的c a d 系统中，设计者首先定义每个零部件的详细结构，然后对零部件进行组装、 拼合，形成装配图，完成一个产品的定义。由于将零件设计与产品整体设计相分离，孤立 进行零件绘图，无法考虑零件的来源与概念设计的实现，也不能建立零件之间的装配约束。 支持自底向上思想的c a d 系统只能支持产品结构设计的底层工作，虽然可以方便地定义零 件几何、拓扑、精度、材料等属性，但是无法有效地表达实际产品的设计过程。 于是当前装配信息建模技术的研究重点转向自顶向下( t o p o w n ) 的设计。机械产 品设计是一个自项向下的过程，首先建立产品总体模型，然后在总体结构控制下逐步细化 零部件的结构，当产品中所有零件的结构及其配合关系确定后，最后完成零部件的详细设 计。体现自顶向下设计思想的c a d 系统应该提供一个支持概念设计及对零件结构进行逐 步求精的设计环境，使设计师可以方便地进行概念设计，比较各种设计方案，根据功能模 型建立设计关系和设计约束，实现零件模型与装配信息模型之间产品信息的传递与继承以 及装配设计与零件设计的循环。 支持自底向上装配设计的c a d 系统不符合实际产品设计过程，设计者难以有效地描 述产品功能需求、产品模型层次演化和零件结构求精，易使设计者从产品设计的一开始就 陷入产品设计的细节中，忽视对产品设计的全局考虑，不能从总体上把握产品的功能和特 性。这种c a d 系统只能充当最终设计的文档工具。而不能支持设计过程本身。 综上所述，研究面向设计过程产品装配信息建模技术，形成对自顶向下的产品设计过 程的支持，是c a d 系统与实际产品设计过程相结合的有效途径，对于使c a d 的应用重点 第一章绪论 从绘图向设计转化具有重要意义。 i 。2 产品装配信息建模技术的研究现状 产品装配信息建模是产品信息建模的重要环节，是实现c a d 技术与产品设计过程有 机结合的关键。国内外专家和学者对产品装配信息建模进行了大量研究，研究工作涉及装 配过程描述【4 3 】h 8 1 1 4 8 邺”、装配模型表示【3 1 1 【5 7 l 【8 8 】、装配定位求解【6 】【7 】1 1 4 脚1 ( 9 3 、装配公差 合成与分析【9 8 1 2 7 “5 8 “6 8 1 7 6 1 8 4 1 9 2 1 、装配序列生成【1 5 4 7 炉1 1 以及装配干涉检查【1 9 1 】 2 4 0 1 等， 主要取得了下列成果。 1 2 1 装配设计过程描述 装配设计过程是产品设计的重要组成部分，装配设计连接概念设计和零件设计，重在 体现由概念设计确定的功能向结构转变的过程，并将设计信息向零件设计传递。目前，面 向装配设计过程的研究主要有两种思想，自底向上自鸲配设计和自顶向下的装配设计。传 统的c a d 系统常采用自底向上的设计思想，自底向上装配设计是零件造型研究的自然延 续，是零件详细设计后的组装，即将零件造型系统形成的零部件组装起来形成一个装配体。 其核心问题是指定零件的位置并进行零件定位求解。在自底向上的设计思想中，设计的侧 重点是零件的详细设计，缺乏对产品设计的全局考虑。 与此相反，m a n t y l a 提出自项向下【6 目的装配设计思想，装配设计首先从总体上分析产品 的功能特性，确定产品的功能需求及预期的输出结果。然后，确定零部件的组成、产品的 结构、轮廓、主要构件、零部件之间的装配关系和相互约束关系。最后，考虑有关强度、 成本、可加工性等因素后再继续对产品结构逐步细化。 张申生“提出一个参照s t e p 有关规范的支持产品设计过程的产品装配信息模型，该 模型支持产品从概念设计到零件详细设计，并能完整、正确地传递不同装配体之间的设计 参数、装配层次和装配结构关系。 尹文生、周济口碉提出基于广义环图树的装配设计模型，将复杂的装配配合关系和设计 变量约束关系按照装配体的结构层次关系划分成一系列相互影响较小的部分，可以初步实 现自顶向下的设计。 高飞【l ”1 结合设计过程( d p ) 和产品造型的研究，通过对产品模型空间的分析，建立 了d p 概念模型、d p 语义模型和d p 应用模型。d p 概念模型体现设计哲理。语义模型表达 设计活动的内在机制，应用模型反映设计过程的外在表现。 蒋险峰口5 6 】提出支持自顶向下产品设计的语义零件和语义结构的概念，语义零件用简单 的图形表示实际零件间的装配语义，语义结构由语义零件组成，语义结构从总体上表达设 计者的设计意图。 4 浙江大学博士学位论文：面向过程的产品装配信息自适应与自纽织建模理论、方法及应用研究 谭建荣【2 5 4 艏”提出一种基于装配信息自组织的产品装配信息建模方法，主要包括面向 装配的产品信息的概念模型、零件的装配定位和装配信息模型的确定及零件的重新设计。 这种建模方法初步实现装配信息模型和概念模型的集成。 自顶向下的设计思想使产品信息建模前进了一大步，它使产品设计的后期阶段可以继 承前期设计阶段的信息，但它仍然存在一些缺点，即无法把后期设计阶段的信息反馈回前 期设计阶段中去，信息传递仍具有单向性。从本质上看，自顶向下的设计也难以对设计全 过程给予支持。 1 2 2 装配信息模型表示 装配信息模型主要有关系模型 5 4 1 5 ” 1 l o l 、层次模型 ”细混合模型5 4 1 三种表示方法。 ( 1 ) 关系模型：装配体中零件及其配合关系构成的关联图称为关系模型( 也称为图模 型) ，如图1 - 1 所示。在典型的关系模型中，零件以图的节点来表达，图中的边定义了零 件间的关系。每一条边包含了相关零件间的所有关系p 4 1 1 1 1 0 。在另一些研究者采用的关 系模型中，一条边仅代表一个关系例j ，每一个接触关系建立一个边，几何和非几何信息分 别被存姥在关系模型的节点和边上。 关系模型可直接用于装配推理和分析，或者作为生成其它类型装配信息模型的开始 点。关系模型中边的数量从o ( n ) ( 弱相关装配) 到o ( n 2 ) ( 强相关装配) 而变化。r o c h e l e a n 1 4 1 使用关系模型建立约束方程组，求解有关零件的位置。使用该模型，一个强相关的装配 体将导致昂贵的算法开销。用图理论分解关系模型可以对算法进行改进哪j ，其思想是将装 配体分解为准独立的部件组，零件在组内定位。实质上，这种分解是一个层次表达。 关系模型在问题规模比较小时，具有模型表示清晰、易于实现等优点。然而，在问题 1 篙广 i j n u t l n u t 2 b o l t l b r a c k e t b a s e ( a ) 螺栓副装配连接( b )关系图 图】1 螺栓副装配连接及其关系图【5 4 j b 0 1 t 2 规模较大时，计算开销急剧增大，甚至出现组合爆炸。此外，关系模型不能清晰地表达层 次关系，由于各零件处于同一层次上，给约束求解带来极大的困难。 第一章绪论 ( 2 ) 层次模型；层次模型将组成装配体的零部件按一定规则分成多个层次，产品从上 到下构成树结构，如图l 一2 所示。一个层次模型可以按零件装配的顺序施加约束获得。每 组己装配的零件形成一个子装配体，所有零件和子装配体的集合定义了完整的装配体。 建立层次模型可以将零件间的关系组织在子装配体中实现，所以，层次模型减少了装 配分析算法的计算复杂度。尽管在装配体中，还存在o ( n 2 ) 关系，算法通常一次只处理小数 量的零件或子装配件( 一般为两个) 的关系p 。 层次模型的优点是能清晰地表达产品的组成，便于产生装配规划序列，但它难以描述 零件之间的相互关系，不利于装配公差分析。 图卜2层次模型 ( 3 ) 混合模型；混合模型描述了零件之间的配合关系与功能关系，以层次结构为主 图1 3 虚链结构 浙江大学博士学位论文：面向过程的产品装配信息自适应与自组织建模理论、方法及应用研究 辅以配合关系。l e e p 4 1 提出的一种混合模型的经典数据结构如图1 3 所示。混合模型的数据 结构是通过虚链表达装配层次关系，即以一根链表示装配体中同一层中零件，而在虚链的 每个节点中都有明确指明相互配合的一对零件的指针。零件之间的关系由附加在子装配体 和零件上的约束网络表示。混合模型既表示了层次关系，又表示了配合关系。 混合模型对装配体模型的表达能力强，但由于在同一装配信息模型上有相对独立的两 种结构，混合模型的实现和一致性维护比较困难。 1 2 3 零件定位求解 装配体中零件的配合关系唯一确定了每个零件的空间位置，零件位置通过装配定位求 解方法确定。各种设计分析需要对零件位置进行求解计算，这些设计分析包括机构分析、 公差分析、装配序列规划和机器人路径规划等。因此，寻求有效的装配定位求解算法是装 配信息建模研究的关键问题之一。 零部件之间的装配关系形成一组约束方程组，约束方程组的解确定了相关的零件位 置。在模型空间坐标系中，零件的空间位置由4 x 4 变换矩阵表达。r o e h e l e a u 1 4 1 将变换矩阵 的1 2 个变量构成了描述零件位置的方程组未知数，约束方程是由贴台约束和对中约束生成 的。通常情况下，由零件间的配合关系形成的约束方程数多于变量数。l e e 和a n d r e w s l 5 5 j 首先去除线性相关的方程，然后任意选择一组方程，使其方程数等于变量数，这组联立方 程可以由n e w t o n r a p h s o n 迭代法求解。这种方法运算速度慢，结果依赖于对合适的方程组 的选择。 r o c h e l e a u 【1 4 1 的研究是根据6 个与零件相关的自由度来表达4 x 4 矩阵的1 2 个系数，相 关自由度是未知数，最小二乘技术用于求解方程组。与l e e 的方法口目相比，它节省了选择 合适方程组的初始开销，大大降低了计算量。然而，对于由几个零件组成的强连接装配体， 可能需要建立大量的联立方程。 a m b l e r 和p o p p l e s t o n e 【6 】【7 】对零件定位求解提出了不同的策略。系统为每对配合特征建 立等式表达式，每一个表达式根据有效的运动约束，定义了一个物体相对于另一物体的位 置。求解方程是基于符号法的，通过代数规则与方程组匹配简化方程组的求解。c o m e r 【1 ” 进一步介绍了利用快速查表法替代慢速的符号求解法。 上面描述的每个策略中，都是建立若干约束方程组用以表达装配体中零件间的关系， 方程组是联立求解的。在装配体中，当变量数的增长与零件数目呈线性关系时，约束的数 量可以呈线性或平方地增长，取决于装配的连接度。对于只有几个零件的装配体，也可能 需要建立大量的方程，约束方程组联立求解的计算开销非常高。此外，数值求解策略对未 知数的初始值选择是敏感的，计算中可能会不收敛，或者计算出不正确的局部解。 为减少联立求解方程的数量，k i m 和l e e 【”帔用关系图使子装配件首先孤立出来。这 7 第一章绪论 是依据图理论的概念提出的，即许多装配关系是局限在互相独立的子部件中，在子部件中 零件的定位可以局部地求解。 一般情况下，在机械产品的装配设计中，一次只有两个零件或子装配件参与定位和装 配，零件按一定顺序装配。因此可以采用顺序法求解零件位置，零件间的约束关系在每一 步中都得到满足，即使装配体是由大数量的零件组成，每一步涉及的约束数量总是保持在 小范围内。与求解联立方程组比较，有着明显的计算上的优势，当零件数量较多，约束方 程组较大时，顺序求解法的计算上的优势更加突出。 p r o e n g i n e e r 系统采用的是顺序求解法，设计者交互地确定两零件的配合关系，系统根 据配合关系确定相关的零件位置，这一过程进行直到装配体设计完成。 对于某些装配体设计，当几个零件之间的关系存在闭环约束时，即几个零件需要同时 定位，顺序求解策略对此无能为力。因此，采用顺序法求解法必须解决装配闭环约束下的 零件定位求解。 装配信息建模技术的另外两个主要研究领域是装配公差合成与分析眦1 8 ) 1 2 7 】【5 目雠】1 7 町【“l 【9 2 ) 和装配干涉检查 i g l 】口4 “。公差合成主要研究将功能需求转化为设计尺寸和公差的决策过 程，公差分析以及时发现设计尺寸的变动和尺寸变动的有效性为研究目标，装配干涉检查 主要研究装配设计中零件闻是否存在运动干涉和尺寸干涉。 1 。3 课厦的提出及本文研究的主要内容 1 3 1 课题的提出 装配信息建模研究涉及的领域非常广泛，既有前沿的理论研究问题，又有具体的实现 技术。虽然许多学者在各自的研究方向取得了若干研究成果，但装配信息建模技术与产品 设计对c a d 技术的要求尚存在定距离，有待于进一步深入探索和研究。目前的装配信息 建模技术仍然存在一些令人不甚满意之处： ( 1 ) 装配信息建模对产品设计全过程的支持能力较弱 产品的自顶向下设计使后期设计阶段可以继承前期设计阶段的信息，但它无法把信息 反馈回去。而通常情况下，产品的设计是一个复杂的过程，不是一次完成的，是个不断 细化、反复修改、反复迭代的过程，设计者有可能在设计的任意阶段进入设计过程的其它 阶段。显然，现有的产品装配信息建模不能支持产品的全过程设计，不能支持抽象和逐步 求精的设计，也不能支持对设计过程控制的随意性设计。 ( 2 ) 缺乏有效的零件定位求解方法 零件定位求解的方法主要有整体求解法和顺序求解法两种。整体求解法的特点是将零 浙江大学博士学位论文：面向过程的产品装配信息自适应与自组织建模理论、方法及应用研究 件间的约束关系用一组联立方程组表达，而一般情况下约束方程组是非线性方程组，当装 配体中零件数量较多时，非线性方程组的方程数量和变量数量巨大，又加之经常存在过约 束，用数值法求解非线性约束方程组计算量大，且数值解的迭代过程的收敛性对初始值的 选择很敏感。顺序求解法是按照零件的配合关系和装配顺序。确定零件的定位关系。但当 三个或三个以上的零件存在着相互依赖的定位关系时，顺序法就显得无能为力。所以，寻 找一个计算量小、安全可靠的零件定位求解方法是装配信息建模系统必须着重解决的问 题。 ( 3 ) 装配信息建模的自组织与自适应能力不够 产品设计初期着重于产品的功能设计，接下来确定组成产品的零件初步结构及零件问 的关系，即初始装配设计。随着设计的深入，零件结构得到细化，结构细化后的零件不仅 要继承装配设计中零件的结构、尺寸、零件间的关系，还要将细化后增加的信息反馈回装 配体。设计的深入也可以采用零件置换的方法，一般c a d 系统提供标准件库和常用件库， 装配设计中的零件可以用零件库中的零件置换，置换过程必须进行约束关系的映射。此外， 在产品设计后期，为保证零部件的工作环境和工作状态，可能对概念设计的功能作补充设 计，通过插入或删除相应的零件来实现。上述的零件细化、零件置换、零件删除和零件插 入都将引起局部结构或装配关系发生变化，要求装配信息建模系统具有自组织和自适应重 构装配体的能力，以满足设计要求。 ( 4 ) 零件图、装配图与图纸管理系统之间缺乏有效的信息共享机制 工程图纸是产品信息的载体，是企业组织生产的主要技术依据。由于新工艺、新产品 的不断涌现，工程图纸呈爆炸式地增加，给图纸的分类检索造成极大的困难。因此，建立 图纸管理系统有效地组织和科学地管理工程图纸是非常必要的。 装配图中的许多信息与零件图是相关的。装配图体现了产品的工作原理、功能和总体 结构，零件图实现了组成产品各零件的详细结构、尺寸和技术要求。装配图中的零件视图 来自于组成装配体的零件视图，可以继承零件图的部分内容。装配图的明细栏是由各组成 零件的信息构成的，必须与相应零件图的标题栏信息保持一致。借助于数据库技术建立零 件图和装配图信息的关联是实现零件信息与装配信息共享的有效手段，现有的大多数c a d 系统尚不能很好地实现零件图和装配图技术信息共享。 零件信息包括结构信息和技术信息。零件的结构信息表达了零件的结构，通过结构完 成零件在装配体中的功能。零件的技术信息主要指零件的类型、来源、技术参数、设计者、 技术要求、加工手段等。在装配环境下生成零件并管理零件信息，是实现产品信息集成的 关键按术之一。目前的c a d 系统还很难在装配环境下实现对零件结构信息和零件技术信息 的统一管理。 第一章绪论 本文从产品装配设计过程演化的角度对上述问题从理论和应用两方面进行了探索性研 究，提出了面向过程的产品装配信息自组织与自适应建模理论和方法，解决了产品装配过 程的计算机描述和产品信息的多通道共享，有利于实现产品装配信息的集成建模和提高对 产品设计初期阶段的支持能力。 1 3 2 本文研究背景和主要内容 本文的研究工作是在国家杰出青年科学基金项目( 6 9 4 2 5 0 0 5 ) “基于生物型与自组织 的产品信息建模理论方法研究”和高等学校博士学科点专项科研基金项目( 9 8 0 3 3 5 0 6 ) “面 向概念设计的产品装配信息建模理论与方法研究”的资助下完成的，并以富阳起重工具厂 的起重工具系列产品、温州冲剪机床厂的剪板机系列产品和广州姿庭公司的卫生用品设备 改造做为实际应用背景，建立面向过程的产品装配信息自组织与自适应建模理论的整体框 架，解决与之相关的技术问题。本文的主要研究有： ( 1 ) 基于约束的产品装配信息模型与数据结构 建立基于约束的产品装配信息的图模型( 也称关系模型) ，零件以图的节点表达， 图中的边定义了零件间的约束关系。几何和非几何数据( 如装配约束信息) 分别存储在图 模型的节点和边上。 根据工程设计的需求，提出表达零件间关系的六种装配约束，建立描述装配约束信 息的数据结构，阐述系统内部对约束信息的处理机制。 ( 2 ) 装配可行域判断与零件定位求解 分析零件可装配的必要条件和装配参数，对装配约束进行分类，总结和归纳单一装 配约束和装配约束组合对装配参数的影响，并将装配判别区域为装配可行区域、装配不可 行区域和装配可能区域。 提出零件定位求解的一般原则，采用顺序求解法对装配可行域和装配可能域的零件 进行分区域定位求解计算，确定装配参数，对零件进行装配操作。 ( 3 ) 基于事物特性表的通标件建库 产品设计中大约5 0 - 9 0 的零件采用标准件和常用件( 通称为通标件) ，通标件在 使用中被证明是合理的、可靠的。引入合理化工程的思想，建立基于事物特性表的标准件 库，对常用件进行变型设计，产品设计中广泛使用这些零件可以使设计、制造成本大幅度 下降。 ( 4 ) 零件图、装配图与图纸管理系统的信息共享 建立零件结构信息、零件标号、零件明细栏和零件技术信息之间的关联。在装配设 浙江大学博士学位论文：面向过程的产品装配信息自适应与自组织建模理论、方法及应用研究 计环境下可以输入和修改零件的信息，对零件进行技术信息提取、分类和排序，自动生成 明细栏，并对零件技术信息和结构信息进行动态查询。 给出装配图和零件图中的结构信息重用、装配图对零件图的技术信息的继承以及装 配图与零件图设计信息传递的实现技术。 零件图和装配图是企业组织生产的主要技术依据，建立图纸管理系统可以有效组织 和科学管理零件图和装配图，实现对产品设计信息的统一管理。 ( 5 ) 面向过程的自遣应装配设计 建立