（机械电子工程专业论文）基于层次推理的产品装配规划研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着世界制造业市场竞争的不断加剧，以最短的时间开发和生产出高质量、 低成本的产品成为每个企业所追求的目标。在计算机技术只新月异飞速发展的形 势下计算机辅助设计与制造、计算机集成制造、异地无纸设计、并行工程等新技 术、新思想、新模式、新哲理应运而生。利用计算机进行数字化产品预装配规划， 推理确定装配序列，确保了产品真实装配过程中装配序列的可行性和最优性，对 于进一步提高产品质量，降低产品成本，缩短产品生产周期具有重要意义。 本文结合了国内外的研究现状和实际情况，对装配序列规划及其关键技术进 行了深入的研究，主要研究内容如下： 1 装配建模 对并行工程下的产品装配模型进行了阐述，并在此基础上对装配建模的一些 基本策略和装配建模的两种设计过程b o t t o m - u p 和t o p - d o w n 进行了探讨，论 述了产品装配模型的实现。 2 装配序列生成 在构造产品层次结构装配模型的基础上生成装配体的层次结构树，以分层结 构中产生的基本子装配体为基础，建立简化的装配关联图。在此基础上，采用宽 度优先搜索装配关联图的算法求解装配序列，从而较好解决了求解复杂装配体装 配序列的难题。 3 装配序列评价 给出了最大装配角、装配重定向数、装配并行度、子装配体稳定性、操作复 杂性、聚合性、装配时间等评价指标，并提出了个评价指标的算法。将最大装配 角作为装配重定向数、子装配体稳定性、聚合性等评价指标的基础，在实现方法 上简单有效，具有一定的创新。 本文通过装配实例对主要研究结果加以验证，表明了装配建模、装配序列规 划及其评价等方面的研究成果的可行性和有效性。 关键词：装配建模、装配序列规划、装配关联图，宽度优选搜索，装配序列评价 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o m p e t i t i o no fm a n u f a c t u r i n ga n dr a p i dd e v e l o p m e n to ft h en e w c o m p u t e rt e c h n o l o g y , i no r d e rt oa d a p tt h eq u i c k l yc h a n g e a b l em a r k e tr e q u i r e m e n t ， n e wt e c h n o l o g y , n e wp h i l o s o p h y , n e wp a t t e r na n dn e wi d e o l o g y , s u c h a s c o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n dc o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r e ，c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r e ，n o - p a p e rd e s i g ni nd i f f e r e n tp l a c e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n ge r e ，e m e r g e i ne n d l e s s l y i nc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，d i g i t a lp r o d u c ta s s e m b l yp l a n n i n gu s i n g c o m p u t e r c a np r o v i d ef o u n d a t i o nf o r g u a r a n t e e i n ga s s e m b l yf e a s i b i l i t y a n d o p t i m i z a t i o nu s i n ga c t u a lp r o d u c ta s s e m b l yp r o c e d u r e ，a n d i s v e r yi m p o r t a n ti n i m p r o v i n gp r o d u c t i o nq u a l i t y , d e c r e a s i n gp r o d u c tc o s ta n ds h o r t e n i n gp r o d u c t i o nt i m e t h i sp a p e rp r e s e n t sar e s e a r c ho fc o m p u t e r a i d e da s s e m b l ys e q u e n c e sp l a n n i n g a n di tr e l a t e dk e yt e c h n o l o g yc o m b i n e du n d e rt h er e s e a r c hc o n d i t i o na n dp r a c t i c a l s i t u a t i o nb o t hi n s i d ea n da b r o a d t h ed e t a i ic o n t a i n so f t h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a s s e m b l ym o d e h n g o nt h eb a s i so ft h ed i s c u s s i o n so ft h ep r o d u c ta s s e m b l ym o d e lb a s e do n c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，s o m em e t h o d so fa s s e m b l ym o d e l i n ga n dt h e “b o t t o m - u p ” a n d “t o p d o w n ”d e s i g nm e t h o d sa n dp r o c e s sa l er e s e a r c h e d 。t h ep r o d u c ta s s e m b l y m o d e lt e c h n i q u ei sa l s or e s e a r c h e d 2 a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g m e t h o d si sp r o p o s e dt og e n e r a t et h ea s s e m b l yh i e r a r c h i c a lr e l a t i o nt r e eb a s e do n t h ep r o d u c ta s s e m b l ys e q u e n c el a y e r - b u i l tm o d e l ；a n dt h e nu s et h es u b a s s e m b l yp a r t s o ft h et r e et og e n e r a t et h em a t i n gg r a p ho ft h ep r o d u c t s i no r d e rt oc o n f i r mt h e u l t i m a t ea s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n ga n dr e d u c et h ew o r ki nt h ee n d ，i ti su s e st h e b r e a d t h f i r s ts e a r c hi nm a t i n gg r a p h 3 a s s e m b l ys e q u e n c ee v a l u a r i a n t h ec r i t e r i o n so ft h em o s ta s s e m b l ya n g l e ，ar e o r i e n t a t i o n ，a s s e m b l yp a r a l l e l i s m ， s u b a s s e m b l ys t a b i l i t y , a s s e m b l yo p e r a t i o nc o m p l e x i t y , a s s e m b l yc l u s t e r i n g ，a s s e m b l y h a r d n e s s ，a s s e m b l yc o s ta n dt h e i rc o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h ma r ep r o p o s e d t h i sp a p e r c o n s i d e r so fm o s ta s s e m b l ya n g l ea st h eb a s eo fa s s e m b l yr e o r i e n t a t i o n ，s u b a s s e m b l y s t a b i l i t y , a s s e m b l yo p e r a t i o nc o m p l e x i t y , a s s e m b l yc l u s t e r i n g ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e a b s t r a c t o f s i m p l i f i c a t i o na n de f f i c i e n c yi ni m p l e m e n t ，t h ew o r ki sc r e a t i v e m o s to fm e t h o d sa n da l g o r i t h m sa l ea v a i l a b l ea n du t i l i z a b l eb yi m p l e m e n t i n gi n a na p p l i c a t i o ni n s t a n c e s i nt h ee n dt h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed i s s e r t a t i o na n db r i n g f o r w a r dp r o b l e mt os t u d yi nt h i sf i l e di nf u t u r e k e y w 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 ep l a n n i n g ，m a t i n gg r a p h b r e a d t h f i r s ts e a r c h ，a s s e m b l ys e q u e n c ee v a l u a t i o n i l j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果也不包含为获得墨鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：，列i 馥茹 签字日期：。 年月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解硅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供套闶和借阅a 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘a ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 一习日瓣 签字日期：口i - 年，月 ，ve t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字化产品预装配规划的意义 随着工业技术的进步和贸易壁垒的消除，制造业的国际化趋势日益明显， 这将要求企业在竞争中具有较大的灵活性和适应性。如何缩短产品的开发周期， 提高产品的质量、降低产品的成本、提高产品的竞争力，己成为企业生存和发 展的关键。在这种新形势下，计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 、计算机集 成制造系统( c i m s ) 、并行工程( c e ) 、异地无纸设计等新技术、新思想、新 哲理、新模式应运而生。 c a d c a m 是指从设计到制造的整个过程应用计算机进行信息处理的技 术，它的基础是本世纪五六十年代出现的数控技术、计算机图形学和计算几何。 设计人员在c a d ，c a m 系统支持下，通过交互方式进行产品设计构思和论证、 产品总体设计、零部件设计、工程分析以及工程图纸输出和文档资料编制等； 而工艺设计人员则可以根据c a d 提供的信息和c a m 系统的功能，进行零件加 工工艺路线的制定、加工状况预显以及生成零件数控加工程序。c a d c a m 技 术改变了工程技术人员和劳动工人的工作方式，有效地缩短了生产时间，提高 了产品质量。但由于其主要目标和成果只是解决制造过程中一个局部制造活动 中的问题，不能有效地处理面向整个制造过程的信息，而对于制造系统这样的 过程来说，大量的信息交换及共享是很自然的要求，因此集成问题成为当时制 造系统的瓶颈。 为了实现c a d ，c a p p c a m 等系统之间的信息集成，c i m ( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r e ) 这一信息时代组织、管理与运行企业生产的新哲理应运 而生。c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r es y s t e m ) 是基于c i m 哲理而组 成的系统，它通过计算机硬件和软件，并综合运用现代管理技术、制造技术、 信息技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关人、技术和经营管n _ - - 要素及信息流和物质流完整而有机地结合起来，从而达到企业运营整体优化的 目标。 c i m s 模式的应用提高了企业的市场应变能力和竟争力，但其传统的串行 产品制造过程的思想使得产品的需求和设计仅仅考虑产品功能或性能方面的要 求及约柬，忽略了诸如产品的可装配性等下游园素，制约了制造效率的提高和 信息的有效利用。人们意识到产品生产过程不只是一个信息集成处理的过程， 第一章绪论 而且是一个人一人以及人一机协同工作的过程，在这个过程中，信息的集成与 共享是协同工作的基础。 产品生产过程的集成性与协同性使并行工程这一崭新的系统化工作模式开 始出现。并行工程c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 是对产品及其相关过程包括制 造过程和支持过程进行并行、一体化设计的一种模式。它以产品为核心组织跨 部门的综合产品开发项目组，利用各种辅助工具，实现面向产品整个生命周期 的制造。在产品设计阶段，不但考虑产品的功能，还考虑产品的质量、成本、 可加工性、可装配性、可测试性、可维护性和可回收性，以便在设计前期能充 分反映其下游各过程因素对产品设计的影响，从而尽可能的避免因上下游缺乏 足够的交流而引发的问题，或尽可能早地解决这类问题。 实现产品并行设计的基础是建立多功能、多专业的协同工作小组，并保证 协同工作所需的信息能够集成与共享，其核心在于实现生产过程中产品设计与 工艺设计的集成。与传统顺序的、迭代式的、分散的设计过程相比较，这一系 统的工程方法中产品设计和制造过程几乎是同时进行的，并提供了与产品各方 面因素密切相关的、并行的管理方式和工作环境。从生命周期的全局出发，尽 量考虑周全，尽量不出问题或尽早发现问题，通过生命周期早期的小循环代替 晚期的大循环。从而缩短开发周期，提高设计一次成功率。 在这种并行的管理方式和工作环境中，从信息处理的角度看，产品主要以 数字化信息的形式存在，产品生产过程实质上是一个数据采集、传递、加工和 利用的过程，最终形成的产品可以看作是信息的物化表现。因此，产品的设计、 制造等就必须以无纸设计技术为基础。 随着并行工程、c i m s 和无纸设计技术的发展和应用，单个零件的设计、 生产和管理都已达到了相当的自动化、集成化的水平。相比之下，装配设计和 装配工艺则处于落后现状，严重影响了产品开发过程的集成化程度。装配是产 品生命周期的重要环节，是产品功能实现的主要过程。在工业化国家，产品的 生产过程中产品装配所需工时占产品生产制造总工时的4 0 - 6 0 ，装配成本占 总生产成本的5 0 左右，大约3 0 左右的人力在从事有关的装配活动。为了实 现c i m s 整体优化目标，要求产品的装配设计也必须实现计算机化。 1 9 9 4 年，美国波音飞机公司向世界展示了本世纪最大的双发运输机波音 7 7 7 。该公司在多年应用c a d c a m 技术的基础上，从1 9 8 6 年丌始将并行工程 的理论付诸实践，在波音7 7 7 飞机项目完成中利用计算机技术，采用三维c a d 系统构造产品的数字模型( 实体模型) ，并进行数字化产品与装配规划，设计的 修改工作显著减少，极大地缩短了波音7 7 7 的研制和生产周期，使波音公司在 激烈的市场竞争中继续保持领先地位。 第一章绪论 基于并行工程的数字化产品预装配规划，以计算机仿真技术为前提，在产 品的设计阶段，根据产品设计的数字化信息，在计算机上进行预装配分析，模 拟产品装配的真实过程，确定装配序列、装配工具和夹具等，解决装配中可能 存在的问题，从而为确保装配实际可行性和装配过程最佳化提供依据，避免产 品真实装配中出现问题而带来的负面影响。数字化产品预装配规划是异地无纸 设计系统及并行工程研究的一个重要内容，是实现c i m s 的一个不可缺少的环 节。 然而，在目前的产品设计和产品开发中，产品的可装配性没有受到足够的 重视，有关产品装配结构及其装配工艺的设计工具落后，设计水平低下，与装 配在产品生命周期中的重要地位极不相称。就现行的产品装配设计而言，c a d 工具软件对产品装配结构设计的支持能力还很差，以当前较为流行的 p r o e n g i n e e r 和i d e a s 等系统来看，只实现了对装配体的几何结构设计和简单 几何特征之间的干涉检验等功能的支持，仍然是几何范畴分析和设计。在c a p p 系统中，目前也多是针对单个零件制造工艺的设计，对包括产品装配序列规划 在内的产品装配工艺设计与分析几乎没有。 由于装配设计的手段落后，目前企业设计部门仍是依靠技术经验丰富的设 计师、工艺师来完成产品装配结构及装配工艺的设计任务。结果导致设计周期 长，受设计者的知识局限性和主观性影响较大，尤其对复杂产品的装配设计， 设计者往往无法将各方面、各层次的问题都考虑进来，而只能凭借经验来寻找 可行解或局部较优解，全局最优的目标则难以实现。许多企业采用的新型制造 过程和装备与现有的装配方法不协调。装配往往成为生产中的瓶颈，不得不增 加工人、自动装配机器和机器人的数目，而这又使装配费用提高。因此，研究 和发展数字化产品预装配规划技术势在必行。 数字化产品预装配规划研究中设计的主要内容包括：装配信息模型的表示、 装配序列的生成、装配序列的评价与优化以及装配设备与夹具的选择、装配过 程仿真等关键技术。其中装配序列生成a s g ( a s s e m b l ys e q u e n c eg e n e r a t i o n ) 口6 描述产品装配过程的重要信息，是数字化产品预装配的核心，是评价与优化 装配序列、选择装配设备与夹具的依据，是实现装配过程仿真的基础。可见， 研究装配序列的自动生成具有十分重要的意义。 第一章绪论 1 2 计算机辅助产品装i e i b i 页序规划 1 2 1 装配顺序规划的含义 装配作业的目标是使参与装配的全部零件、组件、部件按照装配要求在一 定的装配条件约束下作空间相对有序的分布，并实现产品的性能所要求的相对 物理关系( 如预紧力、相对有精度的运动、装配的精度等) 。 设a 为一产品，它由n 个零件组成，这n 个零件组成一个零件集合p p = p i i = 1 ，2 ，n ) 1 1 ) 其中，p 为a 中序号为i 的零件。产品a 装配时的技术要求以及装配条件等可 视为一约束集，用c 表示： c = c l ，c 2 ，c 3 ) ( 1 - 2 ) 其中。c 1 为产品a 中零件之间的几何及物理约束；c 2 为一个目标约束，如装 配中使用的夹具最少，装配时间最短等：c 3 为a 的装配辅助设备约束，如用什 么工具、央具等。s i 是p 上的个有向序列， s i = p i l ，p i 2 ，p n ) ( 1 - 3 ) 其中，p u 为a 中的一个零件，j = 1 ，2 ，n 。若按s 给定的零件的顺序， 在约束c 下能成功地装配出a ，则称s ，为a 的一个合理的装配顺序。装配中 的并行工序可以分解为若干串行工序。 产品a 的所有合理的装配顺序构成一个集合s q ： s q = ( s ii = 1 ，2 ，k )( 】一4 ) 其中s i 为a 的一条合理装配顺序，k 为a 中所有合理装配顺序的数量，s q 为 产品a 的合理装配顺序集。 计算机辅助产品装配顺序规划的含义有以下两个方面： ( 1 ) 根据产品的几何信息、物理信息及装配的设备约束信息等用相应的算 法在计算机上自动规划出产品的合理装配顺序集s q 及每一装配顺序的装配工 艺参数。 ( 2 ) 由装配的目标约束函数，从s q 上选择一条适用于实际装配的最佳装 配顺序。 1 2 1 2 装配顺序规划的基本假设 对本文研究的装配顺序规划有如下假设 第一章绪论 1 ) 参与装配的零件均为刚体，即不考虑由变形而引起的装配顺序的改变： 2 ) 产品的拆卸与装配可逆，即每个装配操作对应一个相应的拆卸操作； 3 ) 每次装配操作均完成两个零件或子装配体的装配： 4 ) 每次装配操作后，对两零件或子装配体间的所有装配关系次建立，且 在整个装配过程中保持不变； 5 ) 所有装配方向均在x o y 、y o z 、z o x 平面内完成，且只考虑直线装配。 6 ) 功能和作用相同的零件用一个零件表示； 7 ) 紧固件不作为普通零件处理。 在本文中，如不特别说明，所有的装配方向都是拆卸方向。 1 3 国内外研究综述 规划是人工智能领域的重要研究课题，而装配顺序规划则是人工智能与装 配技术交叉的一个新的领域。这方面的研究始于2 0 世纪8 0 年代中期，近年来 引起了国内外机械工程及人工智能这两个领域中许多研究人员的关注，作了大 量的探索与研究，取得了一定的成果。 1 3 1 装配顺序的生成 1 9 8 4 年以来，b o u r j a u l t ，s a n d e r s o n 和h o m e md em e l l o 等人奠定了计 算机辅助装配顺序规划研究的基础，b o u r j a u i t 最先深入地研究了装配j 顺序规划 问题，他提出了产品装配结构的连接图模型表达方法。装配连接图是一种二维 拓扑结构图，其中，各个节点代表装配体中的各个零件，节点之间的连接弧线 代表各个零件之间的装配连接关系。在装配体中，某两个零件之间的连接关系 可能不止一种，但在b o u r 3 a u l t 提出的装配连接图中都表示成为一条无向弧线。 因此。b o 埘a u k 提出的连接图是一种最简单的无向图。利用这种装配连接图， b o u r i a u k 设计了一种算法，该算法以装配连接图为输入信息，通过对连接图的 分析处理，针对装配操作的几何可行性，产生一系列的y e s - n o 形式的问题，由 用户根据装配体的几何结构设计信息进行人一机交互式回答。这些回答的答案 一旦明确之后，便可以根据这些信息，利用算法自动搜索出所有的几何可行装 配顺序。在人机交互中，人需要回答的问题数为q ，则有： 2 “( n 十1 ) q 下的坐标轴方向矢量和坐标原点位置矢量表达。 ( 2 ) 物理装配特征 与零部件装配有关的物理特征属性。包括零件的体积、重量、配合面粗糙 度、刚性等。 ( 3 ) 装配操作特征 指装配操作过程中零件的装配方向、装配过程中的阻力、握持性、对称性、 有无定向与定位特征、装配轨迹以及装配方法等。 2 1 _ 3 装配模型的关系表达 装配模型中零件闾的装配关系的表达是产品装配建模的一个重要方面。主 要有以下模型【1 4 】： ( i ) 联接关系图 联接关系图模型由法国学者 b o u r j a d t 提出，b o u t j a u l t 以图结构 g ( p ，l ) 表达装配体，如图2 - 4 所示，g ( p ，l ) 为一连通图，p 表示零件集合，l 为零件间的联系 集合，b o u r j a n l t 将零件之矧的物理 接触关系定义为联系即装配关系， 装配体中联系l 的数量满足一定的 关系。 图2 - 4 装配体的联接关系图模型 图2 - 5 所示的阀门装配，其联接关系图为图2 - 6 。其中v i 代表零件i ( i = l ， 2 t ，7 ) 。e j ( j = 1 ，2 ，9 ) 为零件间的联接关系。根据装配的经验知识 规则与配合约束关系，可知区域l 中的零件可暂不参与阀门的整体装配，待主 体装配完成后再在后序装配中加入；而区域2 种的零件可视为阀门装配的子装 配体v 6 - 7 ，在进行装配时可作为一个装配整体看待，故可将图2 - 6 进一步简化， 其简化结果如图2 7 所示。 第二章产品装配模型的建立与实现 圈2 - 5 阀门装配 1 一阀门壳体2 一螺母3 一取头螺柱4 旋寒5 一填料压盖6 一下柄7 一下把 幽2 - 6 阀门的联接关系圈 图2 7 阀门的简化联接关系图 区域1 采用联接关系图表达产品装配关系的优点是方法简单，仅需联接产品中存 在物理装配关系的零件即可得到产品装配关系联系图，易于实现自动装配建模。 缺点是零件之间的联系并不对应具体的装配操作，利用联接关系图模型难于实 现自动装配规划。 第二章产品装配模型的建立与实现 ( 2 ) 邻接矩阵 装配关系邻接矩阵( c o n n e c t i o nm a t r i x ) 是关联图模型的矩阵表示形式。 装配体中的零件分别沿矩阵行和列排列、如果零件之间存在物理装配关系，则 对应的矩阵元素为单位值，否则为零。用邻接矩阵表示装配关系的优点是根据 装配关系邻接矩阵的代数特性，能容易地判断装配体中零件的联接紧密度，并 可通过找出单位值最多的行或列对应的零件，这对于识别装配体的基础件具有 重要意义。 图2 5 中阀门装配的邻接矩阵如图2 - 8 所示。矩阵的维数为零件数，采用 上三角矩阵，矩阵的非零元素表示零件之间存在着与装配有关的所属关系和约 束关系。显见矩阵中非零元素的个数与关联图中零件间的联接关系( e i ) 总数 目相同，而零件所在行与列非零元素之和表示了与该零件有直接装配关系零件 数。例如螺柱( v 3 ) 所在行有1 个非零元素，所在列有2 个非零元素，其和为 3 ，表明有3 个零件与螺柱( v 3 ) 有直接装配关系。 壳体( v 1 ) 螺母( v z ) 螺枰( v 3 ) 旋塞( v 4 ) 压盖( v s ) 手柄( v 6 ) 手把( v 7 ) 壳q 摹( v 0 螺母( v 2 ) 螺柱( v 3 ) 旋塞( v 4 ) 压盖( v 5 ) 手柄( v 6 ) 手把( v 7 ) 00ll1 00 0101 00 001 00 01l0 000 01 0 图2 - 8 阀门装配体邻接矩阵 ( 3 ) 增强联系图 零件间的联系分为两大类，即接触和配合。接触分为物理接触和虚拟接触， 配合类型包括圆柱配合，棱柱配合、螺纹配合，焊接配合，粘接配合，虚拟配 合等类型。s u k h a n ，l e e 等人为联系图g ( p ，l ) 中的零件集合p 和联系集合 l 分别定义了属性。c h e e m s k e r k 将联系图分解为三部分，第一部分为材料清 单b o m ，第二部分为零件位置网络，第三部分为零件关系网络。与联系图模 型相比，增强联系图模型在联系图模型的基础上增加了信息要素。 ( 4 ) 关系模型 关系模型( r e l a t i o n a lm o d l e ) 由五元组 组成，其中， p 为零件集合，c 为零件间接触面集合，a 为联接件集合，r 为联接关系集合， 第二章产品装配模型的建立与实现 f 为全局干涉关系集合。关系模型由零件间的关系图及对应的属性函数表达， 关系模型区分了零件之间的接触关系和联接关系，记录的信息比联系图模型丰 富，因而利用关系模型比联系图模型更易于实现装配规划自动化。然而，由于 关系模型记录了零件接触面之间的物理信息，使得所建立的图模型不为简单图， 增加了装配建模的难度。 ( 5 ) 层次模型 装配体的结构具有层次性，装配体可以分解为子装配体，子装配体又可分 解下级子装配体和零件的集合。层次模型的优点是能方便地表达装配体的层次 信息。层次模型隐含了部分装配序列信息。采用层次模型可减少装配规划的复 杂度，提高装配规划效率。一般都采用树形结构来表达装配体。 图2 5 中阀门装配的层次装配模型如图2 - 9 所示。由图可知，在装配体的 每一层次上都包含有零件和子装配体，其中零件已不可拆分，而子装配体还能 再继续往下拆分成零件和子装配体，层次模型的最后一层将全部由零件组成。 2 2 装配建模的方法 图2 - 9 阀门装配的层次装配模型 2 2 1 装配建模的基本策略 产品装配信息建模可以采用以下三种基本策略【1 2 1 ： 1 特征设计与特征提取的综合利用 特征是产品建模强有力的支持。最理想的是有一个特征设计系统，能全面 提供装配建模活动所需的特征。然而，专门构造这种特征建模系统是极不合算 的。一来工作量太大，费用太高；二来产品设计过程牵涉到太多的领域，要想 使特征满足所有领域的需求几乎是不可能的。因此，装配建模时可以将特征设 计与特征提取( f e a t u r ee x t r a c t i o n ) 结合起来，充分利用现有c a d 系统的特征 造型功能。具体实施时尽可能利用现有c a d 系统所提供的特征，并通过有关 内部数据库直接提取；不够的部分，再通过自定义特征( u d f ) 来实现。 第二章产品装配模硝的建立与实现 2 基于s t e p 的o o 构造思想 信息建模方法有多种，常用的有实体关系( e r ) 法、i d e f l 及i d e f ) 。等。 它们均能反映信息模型中实体问的联系，但用以建立复杂系统的全局模型时往 往只能表示特定层次上的信息模型，且难以描述系统的动态特性。o o 建模方 法继承了这些方法的优点，且具备其他一些优越性：它的继承性可以显式地表 达共有特性，使模型在语义水平上易于维护；封装性可以屏蔽细节，支持模型 的局部自治。这些特点使得信息模型呈现为一种开放式结构。s t e p 标准中的 e x p r e s s 语言可以方便、有效地描述信息模型，因此可以借鉴o o 思想构造 产品装配模型，并采用e x p r e s s 语言的图示化形式e x p r e s s g 进行模型的 描述和表达。 3 模型的“多视图”组织 考虑到设计过程涉及众多的领域，而 不同领域对装配信息的需求往往是不同 的，可以采用“多视图”方式组织集成化 的装配模型，如图2 1 0 所示。 其中，视图模型对应于具体应用领域， 源模型对应于基本设计过程。源模型相当 于中心模型，从源模型到视图模型并非简 单的映射，某些特有信息需通过专门豹交 互输入得到。 图2 - 1 0 模型的“多视图”组纵 2 2 _ 2 装配建模的两种设计过程 现今流行的c a d 系统提供了较强的零件实体造型功能，特别是特征造型 技术的发展，使用户可以方便地设计出各种形状的零件，输入零件之间的几何 约束关系，将设计好的零件装配成产品，这是目前c a d 系统可以支持的一种 自底向上( b o t t o m - u p ) 的设计过程。还有一种设计过程：自顶向下( t o p d o w n ) ， 在零件设计的初期就考虑零件与零件之间的约束和定位关系，在完成产品的整 体设计之后，再实现单个零件的详细设计。两种设计过程各有各的特点，各有 各的优势，但自顶向下( t o p d o w n ) 更能反映真实的设计过程，节省不必要的 重复设计，提高设计效率1 1 6 i 。 1 b o t t o m u p 设计过程 这是传统的c a d 软件中通常使用的一种设计过程。它的主要思路是先设 计好各个零件，然后将这些零件拿到起进行装配，如果在装配过程中发现某 些零件不符合要求，诸如：零件与零件之间产生干涉、某一零件根本无法进行 第二章产晶装配模型的建立与实现 安装等，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， 反复此过程，直至满足装配要求为止( 见图2 1 1 ) 。 b o t t o m u p 设计过程由 于事先没有一个很好的规 划，没有一个全局的考虑， 设计阶段的重复工作很多， 造成了时间和人力资源的很 大浪费，工作效率低。这种 设计过程是从零件设计到总 体装配设计，既不支持产品 从概念设计到详细设计，也 不支持零件设计过程中的信 息传递，特别是产品零、部 件之间的装配关系( 如装配 形式、层次、配合等) 无法 在现有的c a d 系统中得到 完整描述。即使有的c a d 图2 - 11 b o t t o m - - u p 设计过程 系统具有装配功能，但也仅仅是描述了实体模型中几何要素的低级关联信息， 其装配则是通过坐标变换将已经设计好的零件拼凑到一起的过程。零、部件之 间仍然没有必要的内在联系和约束，产品的设计意图、功能要求以及许多装配 语意信息都得不到必要的描述。但它的优点则是思路简单、操作便捷，容易被 大多数设计人员所理解和接受。 2 t o p d o w n 设计过程 随着计算机技术日新月异的发展，c i m s 、并行工程概念的相继产生，以及 动态导航技术和参数设计的综合运用，为产品设计从概念设计到零、部件详细 设计以及产品的并行设计提供了坚实的基础。为了佼设计符合常规，且能实现 并行设计，提出了在装配层次上进行产品建模，用产品装配模型改进现有的 c a d 系统，自顶向下“t o p d o w n ”的设计过程。设计首先从产品功能要求出 发，选用一系列的零件去实现产品的功能：先设计出初步方案及其结构草图， 建立约束驱动的产品模型：通过设计计算，确定每个设计参数，然后进行零件 的详细设计，通过几何约束求解将零件装配成产品；再对设计方案进行分析， 返回修改不满意之处，直至的得到满足功能要求的产品。t o p d o w n 设计过程 的思路如图2 1 2 所示。 第二章产品装配模型的建立与实现 图2 。1 3 示意说明了两 种设计过程的不同，两个零 件之间有两个约束其中一 个是同轴的约束，另一个是 面贴合的约束。图a 为应用 b o t t o m u p 设计过程设计这 两个零件，由图中可以看到， 在这种设计过程中，先要定 义好两个零件的详细结构信 息，再利用装配功能添加几 何约束。而使用图b 所示的 t o p d o w n 设计过程进行设 计则完全不同，在这种设计 过程中，先定义好两个零件 的位置以及它们之间的几何 约束关系，而具体零件的结 构信息是通过参数约束关系 来进行定义的，当改变其中 一个零件的参数时，则另一 个零件的参数将会随之更 改。 i 装配 卜 产品功能要求 建立功能设计方案卜叫建立功能设计方案 建立零件和子模 块的设计方案 建立装配设 计关系模型 建立零件和装配 体详细设计方案 设计方案分析 产品设计方案 修改零件和子模块 的设计方案设计 修改装配设 计关系模型 修改零件和装配 体详细设计方室 图2 - 1 2t o p d o w n 设计过程 参数约束关系 匈曲 d = d l = l a ) b o t t o m - u p 设计过程 b ) t o p - d o w n 设计过程 图2 - 1 3 两种设计过程的比较 9 第二章产品装配模型的建立与实现 2 3基于并行工程的产品装配模型的实现 2 3 1c e 对装配建模系统的要求 为适应并行工程的需要，实现计算机对设计全过程的支持，产品装配建模 系统应满足如下功能要求： 1 支持产品多层次的功能表达 自项向下的产品装配建模过程是一种逐步求精的求解过程。在概念设计阶 段，零部件的详细几何结构是不确定的，无法对其进行表达。详细几何结构是 在设计过程中逐步细化和具体化的。系统应提供产品设计不同抽象层次表达方 法，以简化和方便设计过程。 2 支持产品生命周期中多种设计活动的集成 面向并行工程的产品装配建模环境应能支持与装配有关的多种设计活动的 集成。不同的设计活动具有不同的信息模型，系统应能在装配模型的基础上推 导出各种设计活动的信息模型。 3 在设计过程中能维护产品的功能要求 在自顶向下的设计过程中将对设计方案进行多次评估，在评估分析之后， 所做的修改应不违反产品的功能要求，自动保持产品功能不变。为此，要求系 统将产品建模过程中所用到的设计知识和设计约束全部保存在知识库中，从而 使产品模型具有联动修改效应，在修改中自动维护产品数据的一致性。 2 3 2 装配模型的实现 并行工程下，产品装配建模的目的是在计算机内形成一套完整的装配信息 存取机制，以支持面向装配的产品设计过程。其实现过程涉及到功能结构的形 成、装配模型与c a d 系统集成、数据结构的建立、装配元件的标识等多个方 面。 1 功能结构的形成【2 】 产品的功能结构是在产品定义过程中逐渐形成的。产品定义是一个由抽象 到具体的逐步求精过程。一般步骤是，先通过产品规划和方案设计将总的需求 目标转化为功能上的层次结构关系( 见图2 1 4 ) ，然后经过结构设许和详细设 计得到实现这些功能的部件和零件。这样，就可以对应于具体功能的各零部件 的层次结构关系，郎产品装配的功能结构关系，它是产品装配结构的核心，其 他领域视图的构造以此为纽带。 第二章产品装配模型的建立与实现 图2 1 4 产品定义过程中的功能分解 2 装配模型与c a d 系统的集成 应用装配模型有两种方式，一种是从装配模型出发重新设计c a d 系统； 一种是利用装配模型改进现有的c a d 系统，前者的工作量较大，对于后者， 因为新一代参数化的c a d 系统设计参数与几何模型的结构尺寸有显式的对应 关系，所以并行支持系统中可以根据装配模型中记录的设计参数修改相关的几 何模型【1 5 】。 比如零件的柱面贴合关系( 轴孔配合) ，两几何模型中轴和孔的直径引用参 数表中的同一记录当用户修改装配体中一个零件的直径时，系统根据装配模 型中的记录，判断出所有需要修改的零件以及相应的尺寸，并调用下面数据接 口函数自动修改相关的零件模型尺寸。 p a f th a n d l e+ 根据装配模型中的记录得到的零件旬柄 p a r an a m e + 零件的名称+ p a r a+ 新的几何尺寸值+ _ v a l u e i n t a s m m o d e l _ c h a n g e _ d i m _ v a l u e ( p a r a _ _ h a n d l e ，p a r a _ n a m e ，p a r a _ v a l u e ) p r o h a n d l ep a r th a n d l e ； + 零件几何模型的旬柄+ c h a r p a r a ； + 参数名称+ n a m e d o u b l e p a r aa l u e ； + 新的参数值+ i n t d i n m u m ，i ，+ d i m i d s ，r e g e m c h a r p a r a _ s y m b l e 8 0 ； + 参数符号 + 从零件中读取符合条件的尺寸个数+ d i m a u m = p r o d i mg e t _ d i m _ i d s ( p a r t _ h a n d l e ，p r o d i m _ p a r a m ，& d i m i d s ) ： t 查找需要修改的尺寸+ f o r ( i = o ；i d i m n u mi + + 1 髫泸 第一章产品裟配模型的建立与实现 i f ( ! p r o d i mg e t _ d i m e n s i o n ( p a r t _ h a n d l e ，d i m i d s i ，p r o d i m p a r a m ， & d i m e n s i o n ) ) c o n t i n u e ； i f ( ! s t r c m p ( d i m e n s i o n t y p e ，”p r o _ d i m a n g ”) ) c o n t i n u e ； p r ow s t rt os t r ( p a r a _ s y m b l e ，d i m e n s i o n s y m b l e ) ； i f ( ! s t r c m p ( p a r a _ s y m b l e ，p a r a _ n a m e ) ) + 找到需要修改的尺寸+ d i m e n s i o n v a l u e = p a r av a l u e + 将新尺寸值写入尺寸结构中去+ p r o _ s e t _ d i m ( p a r t _ h a n d l e ，i ，& d i m e n s i o n ) ；+ 重新设置零件中的对应尺寸结