基于层次模型的人机交互装配序列生成算法研究

牟小云

(陕西理工学院 机械工程学院，陕西 汉中 723003)

基于层次模型的人机交互装配序列生成算法研究

牟小云

(陕西理工学院 机械工程学院，陕西 汉中 723003)

针对装配序列规划中组合爆炸及所生成装配序列的工程有效性不高的问题，提出了在层次模型基础上，对零件间装配关系进行人机协同量化，然后分层次、在子装配体范围内进行装配序列规划，最后结合柱塞泵的装配实例，验证了采用该方法能生成工程有效性较高的装配序列。

人机交互；装配层次；子装配体；装配序列

装配序列规划是装配工艺的核心内容，对实现生产自动化、提高装配质量及效率有着十分重要的意义，也是目前国内外CIMS的研究热点。国内外学者对计算机辅助装配序列规划进行了大量研究[1-7]，装配序列规划技术取得了一定成果，但也存在着一些不足，如研究大部分偏重于规划的自动化，这样当零部件数目较多时，存在“组合爆炸”以及序列规划结果的工程有效性较低等问题。

针对上述问题，结合复杂的机械类产品，提出了按产品模型分层级，分子装配体，并通过人机交互进行装配序列规划，提高了生成装配序列的工程有效性和质量。

1 基于层次模型的装配序列生成基本思想

产品结构具有层次性。产品的层次模型能够表达产品中零部件之间的层次装配关系，不同层次零件的装配存在先后顺序约束，下层零件的装配优先于上层零件的装配，不同子装配体中的零件可以并行装配，可见层次模型隐含了产品部分装配顺序信息。产品CAD的过程是按层次进行虚拟装配，装配层次一般以模型树的形式反映在产品窗口旁边，而实际产品装配也是按照装配层次形成各级子装配体进而形成产品的；因此，本文在提取产品模型树层次的基础上，分层级、分子装配体进行装配序列规划，并结合装配知识通过人机交互对产品模型简化，对零件间装配关系进行量化及判断识别，生成产品的可行装配序列。其技术路线如图1所示。

图1 装配序列生成过程路线

2 装配模型数据的构成

2.1 STEP文件中装配层次提取及模型的简化

STEP文件标准是一个用于产品数据表达与交换的国际标准，属ASCll顺序文件，文件的数据段包含了产品数据信息。由于装配体STEP文件数据段中按照一定的拓扑关系存储了装配体层次信息，其结构是一种树型数据结构，树的根为装配体级的实体，其子节点为组成装配体的各个零件或子装配体，各个零件的子节点又是构成该零件的体素，依次向下；因此，在分析产品STEP文件结构的基础上，采用迭代法提取其装配层次信息，存储到装配信息数据库中，为装配信息的数据构成奠定了基础。

为了防止装配序列出现“组合爆炸”，减小装配序列规划难度，或剔除没有实际操作意义的装配序列，本文对产品的模型树进行了简化。例如，装配中会遇到轴承、油标和单向阀等标准化组件，由于它们在实际装配中按零件的性质一次装配到位，因此在规划装配序列时把它们的属性定义为零件，以简化模型的装配关系。

2.2 零件间装配关系量化

2.2.1 基础件因子的确定

基础件因子主要用来确定在一个子装配体内，首先要装哪个零件的问题，基础件因子大的先装配。结合专业装配知识及文献[8-9]进行模糊量化后得到下式：

Part[i]=(w1mi/mmax+w2vi/vmax+w3xi/xmax)λi

式中，Part[i]为装配体中第i个零件的基础件因子；mi、vi、xi分别为零件的质量、体积、与之发生装配关系零件个数；mmax、vmax、xmax分别为构成产品零件中质量、体积、装配关系数的最大值；w1、w2、w3分别为质量、体积、装配关系数的影响权值，可人工输入，本文针对柱塞泵选w1=w2=0.35，w3=0.3；λi为工程语义决定的零件基础件系数，通常箱体类在某个子装配体内处于优先装配位置，λi可取大一点，轴类和盖帽等依次降低。

2.2.2 零件间装配因子的模糊评价

装配因子(即装配关联强度)主要用来确定在一个子装配体内基础件后，其他零件间的先后装配顺序问题，装配因子大的先装配。结合装配知识及文献[10]，本文最终按下式进行衡量,零件M、N之间装配因子relp-ship[m,n]为：relp-ship[m,n]=λmin[n/6 (0.6k1+0.4k2)+0.5w]式中，λmin为零件m、n中基础件系数的最小值；n为零件被限制的自由度数；n/6为装配稳定性系数；k1、k2分别为同轴与共面的个数；w为装配逻辑特征值，旨在反映装配操作中零件间应满足的一定逻辑顺序。

零件间的装配关系进行量化定义后，输入零件的基础件因子和装配因子信息，就产生了1个带权装配的产品模型。

2.2.3 零件类和装配关系类数据构成

装配模型数据结构主要包括子装配的信息表和零件信息表，用来描述装配体的拓扑关系信息。

子装配体信息表数据构成主要有子装配体序列号、子装配体记录ID号、子装配体的名称、子装配体所在产品装配树的层次、子装配体所包含零件和子装配体、上层装配体的序列号等。零件信息表数据的构成主要有零件序列号、零件记录ID号、零件名称、所在产品装配树的层次、零件质量、零件体积、该零件与其他零件的装配关系、上层子装配体的序列号等。

根据装配数据库中的各个数据表，对应建立一个扩展类，如零件类(part)，将零件中的信息都从数据库中读取到计算机内存模型中，装配关系类(relp-ship)用来表示零件相互之间的装配关系。在建立了零件类和装配关系类等的基础上，对装配体中的装配关系进行识别判断。

3 装配序列的生成

图2所示为某产品装配层次图，装配体Z0分解为子装配体与零件，子装配体再进一步分解下去，直至分解为不可再分的零件为止，产品总体装配层次为N层，依次往上为N-1层，N-2层，…，最后产品所在为0层。

图2 某产品的装配层次图

装配体进行装配顺序规划时以子装配体为研究对象，依据层次树结构，采用自下而上的顺序对各层子装配体内部的零件进行分层规划，产品总装配体也被视为子装配体，具体过程如下。

1)对次下层级(见图2中N-1层)的每一个子装配体中的零件进行装配顺序规划，即对子装配体Z3、Z4、Z5内的零件先排序。对Z3内零件排序时，先根据基础件因子大小确定该子装配体序列的第1个装配零件，基础件因子大的先装配；再根据该零件的装配链往下搜索，当有多个零件与之装配时，排除在该子装配体内已经被装配过的零件链和超出该子装配体范围的零件链后，对未装配零件链比较装配因子大小，装配因子大的就是下一个装配零件，依次类推；当由某一零件往下搜索时排除掉已装配的零件后，在该子装配体范围内再也找不到装配链，则从基础件(该子装配体的)后的第1个零件到该零件之间的零件序列为1条装配线，进行记录；再回到该子装配体内的基础件零件，按照装配链及装配因子强弱搜索其他的装配线，直至该子装配体内所有零件被搜索过为止；然后对该子装配体内的所有装配线进行组合，得到Z3装配序列解。同理可得到Z4和Z5装配序列解。

2)对其上一层级(见图2的N-2层)的每一个子装配体中的零部件按照上述的方法进行排序，即对子装配体Z1和Z2进行装配顺序规划。依次类推到顶层的子装配体Z0，即产品。对产品按装配层次、分子装配体进行装配顺序规划的总体算法如图3所示，子装配体内部零部件排序算法框图如图4所示，即图3中虚线框部分算法。

图3 生成装配序列的流程

图4 子装配体内零部件排序算法框图

上述装配序列搜索过程要遵守如下原则。

1)装配体进行装配顺序规划时以每层装配体为研究对象，在对子装配体内零部件排序时，搜索装配链都不能超出该子装配体的范围。

3)部件的装配关系由其内零件装配关系确定，从图4算法框图中可体现；被添加到装配序列中的零件应被标识过，不再被排序。

在上述算法和原则的基础上，以Jave为开发工具，针对典型机械类产品开发了装配序列规划软件，其具体应用详见下述实例。

4 应用实例

1)进行产品STEP文件装配层次信息提取。图5a所示为在Pro/E5.0下产品柱塞泵的装配模型，包含阵列由36个零部件组成，把文件存为*stp格式后，利用STEP后处理程序提取其装配层次信息(相同轴承取不同名称)，其结果如图5b所示，可见柱塞泵由6个子装配体和5个不同类的零件组成，点击FATI.id:30子装配体的下一层还可以看到组成它的下层子装配体和零件。

图5 柱塞泵模型及其装配层次提取

2)对柱塞泵的模型进行简化。因为轴承是标准件，单向阀是标准产品，这里修改轴承和阀体的属性为零件，系统自动删除其下属零件，过程如图6a所示，简化后模型框架如图6b所示，此时还剩22个零件。

图6 模型简化

3)通过人机交互添加零件间的装配关系。首先添加基础件信息，对简化模型的每一个零件(包括属性为零件的部件)进行添加，这些零部件的质量和体积都可以在三维建模软件中获得，与之直接发生装配零部件的个数通过产品装配图获得，当输完被选中零件的基础件信息后，“添加装配关系”按钮变为黑色，点击它就可以添加与其发生直接装配关系的零件的装配信息值，输完所有与之有装配关系的零件信息后，再回到上面“添加基础件信息”选择另一零件，重复操作，添加其基础件信息和装配关系信息，以下类同。添加基础件信息的界面如图7a所示，添加装配关系的界面如图7b所示。也可以把组成产品零部件的基础件信息和装配信息量化后，按一定文件格式直接导入，减少输入工作量，见图7所示的“导入装配关系”按钮。

图7 基础件系数和装配关系添加

4)生成可行的装配序列。当模型所有零部件的装配关系添加完后就可以生成可行的装配序列了，点击图7对话框中“生成理论可行序列”会生成柱塞泵的理论可行序列24个，如图8a所示。

5)去除一些理论上可行但不符合实际操作性的装配序列，本文通过输入优先装配关系进行淘汰。油标和单向阀的装配线必然在主轴系和柱塞部件装配的后面，输入优先装配关系，最后得到柱塞泵产品的装配序列如图8b所示。

图8 装配序列生成

装配序列结果为：1)1(泵体)→2(轴套)→5(轴)→26(轴承)→6(平键)→7(凸轮)→8(套筒)→25(轴承)→12(前端盖)→13(前端盖垫片)→23(联接螺钉)→9(岗套)→10(柱塞)→11(弹簧)→16(螺钉)→14(左端盖)→15(左端盖垫片)→24(联接螺钉)→3(油杯)→4(油杯盖)→17(阀体垫片)→30(单向阀)。

其他3种装配序列结果可简化如下。

1)1→2→5→26→6→7→8→25→12→13→23→9→10→11→16→14→15→24→17→30→3→4。

2)1→9→10→11→16→14→15→24→2→5→26→6→7→8→25→12→13→23→3→4→17→30。

3)1→9→10→11→16→14→15→24→2→5→26→6→7→8→25→12→13→23→17→30→3→4。

上述4种装配顺序与柱塞泵产品的实际装配过程是基本相符的。

5 结语

把装配知识与计算机智能相结合，在产品层次模型的基础上采用人机交互规划装配序列，大大地提高了装配序列规划的效率和质量；但在装配关系量化输入的过程中，工作较为繁琐，对操作人员的要求也很高。

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责任编辑郑练

MethodforAssemblySequencePlanningbasedonHierarchicalModelandHuman-mputerCollaborative

MU Xiaoyun

(Institute of Machinery Engineering, Shanxi University of Technology, Hanzhong 723003, China)

Aimed at the problems of combination explosion and inefficient in assembly sequence planning, on the basis of hierarchical model, relationship of parts was quantified by human-computer collaborative. Assembly sequence was formed through searching hierarchical model in every sub-assembly range. At last, the assembly sequence planning of piston pump was finished.The results showed that the way is effective.

human-computer collaborative, assembly level, sub-assembly, assembling sequence

TP 391

：A

牟小云(1972-)，女，硕士，副教授，主要从事图学教育和先进制造技术等方面的研究。

2014-05-30