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基于自动拆卸过程的装配序列生成方法研究


2008 年 第4期

工 程 图 学 学 报
JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS

2008 No.4

基于自动拆卸过程的装配序列生成方法研究
朱海平, 邵新宇, 张国军
(华中科技大学机械科学与工程学院,湖北 武汉 430074)

要:装配序列生成是装配工艺规划的基本任务,设计了一个基于自动拆卸过 程的装配序列生成算法。首先,进行自动拆卸仿真,通过过程中的干涉检查生成可行的装 配序列集。然后,定义了三类装配序列优先约束规则,对可行序列集进行过滤选择,得到 可用于最终评价的少量装配序列。该算法在 SolidWorks 平台上得到了实现,给出了实例验 证。 关 键 词:计算机应用;装配序列生成;自动拆卸;装配工艺规划 中图分类号:TP 391 文献标识码:A 文 章 编 号:1003-0158(2008)04-0027-06

Study on Assembly Sequence Generation Based on Automatic Disassembly Process
ZHU Hai-ping, SHAO Xin-yu, ZHANG Guo-jun
( School of Mechanical Science & Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan Hubei 430074, China )

Abstract: Assembly sequence generation is the basic task of assembly process planning. An algorithm of assembly sequence generation based on disassembly process is constructed. The feasible set of assembly sequence is obtained through interference checking during the simulation of disassembly. Three types of assembly sequence preferential restriction rules are defined. When the feasible set is filtered and selected by these rules, the final few assembly sequences are obtained which can then be used to the final evaluation. This algorithm is implemented in the platform of SolidWorks and a case study illustrates its applicability. Key words: computer application; assembly sequence generation; automatic disassembly; assembly process planning

在产品的装配工艺规划过程中,确定出装配 序列是最基本的工作任务。装配序列不但要求在 几何上可行,即不会发生干涉现象,而且最好在 若干目标上是比较优的,比如操作方便、装配时

间短、成本低等。目前,装配序列求解方法主要 有: ① 基于装配优先约束关系的装配序列生成方 [1] 法 。这种方法的关键是装配优先约束关系的获 取。如果采用人机交互的途径,工作量大且易出

收稿日期:2006-12-18 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575084) 作者简介:朱海平(1975-) ,男,湖北襄樊人,讲师,博士,主要研究方向为 CAPP 和制造系统建模。

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错;自动获取优先约束则有一定的难度,然而一 旦得到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 [2] 解方法 。通过 3 个条件来判别组件:(a) 组件中 任一个零件必须与该组件中另一个零件接触;(b) 组件必须具有稳定性; (c) 组件装配后不能干涉其 它零件的装配。该方法可以有效地减小装配序列 生成的复杂性,删除那些装配操作工艺性差但理 论上可行的装配序列; ③ 拆卸法求解装配顺序的 [3] 方法 。通过几何计算和推理从零部件的装配状 态演绎出零部件拆卸的初始方向,只要满足装配 和拆卸互为可逆过程这一前提条件, 就可以从拆卸 序列反推出装配序列;④ 基于知识的求解方法[4]。 采用一阶谓词逻辑来表达产品结构、序列优先约 束和装配资源约束等知识,通过人机交互获取装 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。这种方法对于特 定产品的装配序列求解比较有效, 但其适用面窄。 可以看出,以上几种方法各有特点,因此可 以将这些方法结合起来使用:首先通过拆卸法生 成可行的装配序列集,然后利用装配知识 (装配 优先约束规则和组件聚合规则等)进行后处理,对 可行序列集进行过滤和选择。

YCorner2, ZCorner2] 其中,|XCorner2-XCorner1|为装配模型 X 轴方向 的最大距离;|YCorner2-YCorner1|为装配模型 Y 轴方向的最大距离;|ZCorner2-ZCorner1|为装配 模型 Z 轴方向的最大距离。
开始 打开装配体模型 生成零件干涉表 优先拆卸方向集不为空 确定优先拆卸 方向集 选择优先方向集中 自由零件个数最多 的方向进行拆卸, 将该方向上的零件 全部拆卸 选择方向集{X,-X, Y,-Y,Z,-Z }中自由零 件个数最多的方向 拆卸,将该方向上 的零件全部拆卸 (具体过程见图2) 优先拆卸方向集为空

判断零件拆卸 是否完成

否 更新干 否 更新干 涉表 涉表

判断零件拆卸 是否完成


生成装配序列 结束



图 1 自动生成装配序列的流程图

1 基于拆卸的装配序列生成过程
图 1 是所设计的一种基于拆卸的装配序列规 划算法,通过分析装配零件的配合约束关系及装 配空间位置关系,确定优先拆卸方向,然后通过 仿真和干涉检查得到零件的拆卸顺序,再求逆序 获得可行的装配序列。这一过程在 SolidWorks 平 台上得到了实现。 自动生成装配序列的流程如下: (1) 首先根据装配体各零件之间的几何关 系得到零件干涉表。通过拆卸仿真的途径依次搜 索装配体中的每一个零件在{X, -X, Y, -Y, Z, -Z}6 个方向上与其所干涉的零件,建立干涉表。干涉 表建立的算法流程图 2 所示。 1) 获取三维装配模型的最大长、宽、高。 采用 SolidWorks 中的接口函数 AssemblyDoc->IGetBox (options, retval) 其中,retval 为一输出参数,指向一个长度为 6 的 一维数组: [XCorner1, YCorner1, ZCorner1, XCorner2,

2) 从装配体中选择一个零件。选择零件用 接口函数 ModelDocExtension->SelectByID(Name, Type, X, Y, Z, Append, Mark, Callout, &retval)。 3) 将被选择的零件沿方向集{X, -X, Y, -Y, Z, -Z}中的一个方向进行移动, 根据零件要移动的 方向,决定距离参数 L 的取值:若要零件移动方 向为 X 或者-X 方向, 则取 L=|XCorner2-XCorner1|; 若要零件移动方向为 Y 或者-Y 方向,则取 L= |YCorner2-YCorner1|;若要零件移动方向为 Z 或 者-Z 方向, 则取 L= |ZCorner2-ZCorner1|;移动步 长为 L/500。 4) 每移动一个步长,都进行干涉检验,检 验该零件与其他所有零件是否发生干涉,如果干 涉,就检查将与该移动的零件发生干涉的零件是 否已经记录到该移动零件在此移动方向的干涉 表中,若没有则记录这个零件,否则,就不再记 录 。 干 涉 检 验 利 用 SolidWorks 的 接 口 函 数 AssemblyDoc->IToolsCheckInterference3(numCo

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mponents, lpComponents, coincidentInterference, &pComp, &pFace)。 5) 检查移动的总长度是否已经达到 L,若 达到,则进行下一步,否则继续执行第 4)步。 6) 检查该零件是否已沿着方向集中的所有 6 个方向移动过,若是则进行下一步,否则,转 到步骤 3)中继续执行方向集中的下一个方向。 7 ) 检查装配体中所有零件是否均完成移 动,若是,转入下一步骤,否则,转入步骤 2) 继续执行下一个零件。 8) 最后,装配干涉表建立完成。
开始 获取该装配体模型3个 方向最大长度:Lx, Ly,Lz 设装配体模型零件总 数为n,选择第i个零件 进行移动,i的初值为0 移动方向集为 {X, -X, Y, -Y, Z, -Z} 移动总长:{X, -X}为 Lx,{Y, -Y}为Ly,{Z, -Z}为Lz移动步长为: 总长度/100 干涉检查 没有 干涉 移动距离是否 达到总长度? 6个方向是否 移动完成? 是 i是否等于n-1? 是 干涉表建立完成 结束
图2 建立干涉表的流程图

i=i+1

选择下一个方向

下一步

干涉 将干涉的零件存储 到移动零件在此移 动方向的干涉表中 否

向定义为优先拆卸方向集;面面配合的零件进行 拆卸时沿着与零件法线垂直的方向进行,将这个 方向定义为优先拆卸方向集。简单起见,假设拆 卸方向沿着直线进行,螺纹连接可简化为平动, 即不考虑旋转。 (3) 确定拆卸方向。优先拆卸方向集里面 可能有多个方向, 需要确定哪个方向为最优方向。 实际装配过程,最优的方案就是在一个方向上装 入尽可能多的零件,这样可简化夹具,减小装配 费用。拆卸的时候也是这样,要在一个方向上拆 卸尽可能多的零件,降低费用。所以,在优先方 向集中应选择自由零件个数最多的方向作为优先 拆卸方向。规则如下:设有 N 个优先方向,若每 个优先方向能够拆卸的零件数分别为 Mi (i=1,2,…, N),则: 1) 每次选取能够拆卸的零件数最多的方向; 2) 拆卸该优先方向上所能拆卸的零件; 3) 重复 1),2)步骤直到 N=0。 (4) 根据拆卸方向找出可拆卸的零件集; 确定优先拆卸方向后,则该方向的所有自由零件 就构成了一个拆卸零件集。 (5) 更新干涉表,并进入第(3)步,直到 所有的零件拆卸完,进入下一步。 (6) 生成可行的拆卸序列。 (7) 生成装配序列。拆卸序列的逆序即是 装配顺序,所以最后拆卸的零件就是首先装配的 零件,根据工程实际,该零件一般为基础件,如 箱体、机架之类的零件,它具有最多的配合约束 零件。



2 装配序列选择
当装配模型所包含的零件个数较多时,通过 前面的算法得到的可行装配序列的数量通常很巨 大,对这些装配序列进行综合评价十分困难,因 此,有必要对可行装配序列集进行过滤和选择, 下面采用一种基于优先约束关系的装配序列选择 方法来对生成的装配序列进行优化。 优先约束关系指零件之间的装配顺序约束, 用谓词 MP(Must Precede)和 MC(Must Cluster)表 示。MP(L1, L2)指条件 L1 必须在条件 L2 之前装 配完成,其中,条件 L 可以是零件、连接或装配 状态。有两种特殊情况:一是 MP(L1, []),指条件



(2) 根据零件之间的配合关系求出优先拆 卸方向集。零件之间的配合关系主要可以分为轴 孔配合和面面之间的配合。轴孔配合的零件在拆 卸的时候沿着轴线方向进行,将其所有的轴线方

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L1 必须最先装配完成,二是 MP([],L2),表示条 件 L2 必须在所有条件装配完后才能装配。 MC(L1, L2)表示进行装配时 L1 和 L2 要在一起装,L1 和 L2 无先后顺序。 假设 L1, L2, L3 为装配过程中的 3 个零件, 装 配优先关系具有以下性质: 1) 优先关系的传递性 MP(L1, L2)∧MP (L2, L3)->MP (L2, L3) 2) 优先关系的交换律 MC(L1, L2)=MC(L2, L1) 3) 优先关系的分配律 MP(L1∧L2,L3)=MP(L1,L2)∧MP(L2,L3) MP(L1,L2∧L3)=MP(L1,L2)∧MP(L1,L3) MP(L1∨L2,L3)=MP(L1,L2)∨MP(L2,L3) MP(L1,L2∨L3)=MP(L1,L2)∨MP(L1,L3) 装配序列的选择过程如图 3 所示,需要进行 3 次优先约束关系的判断。
输入装配序列集 手工输入优先装配 约束规则
未通过

约束检查
通过

获得基础零件决定的 优先装配约束规则 约束检查
通过 未通过

外购获得,这样,L1、L2 不相邻的装配序列就不 合要求。上述优先装配约束通过手动输入并由系 统自动判断。 (2) 所选择基础零件决定的优先装配约束 规则 基础零件是装配过程中要第一个安装的零 件,一般选择体积最大、配合关系数最多的零件 作为基础零件。由系统自动找出体积最大和配合 关系数最多的零件,如果这两个零件是同一个零 件,那么这个零件就会被系统认定为基础零件, 如果不是同一个零件,可以把配合关系数最多的 零件当作是为基础零件。找到基础零件 L0 后,确 定出优先约束规则 MP(L0, []),即 L0 先于所有零 件安装。然后对经过(1)过滤后的装配序列再进 行一次过滤。 (3)“装配方向更改次数最少”隐含的优先 装配约束规则 装配方向的更改次数是装配过程中需要调整 装配方向的次数。装配方向的更改次数越少,则 换向操作就越少,装配时间越短,装配效率越高。 装配方向的更改次数可以在拆卸生成装配序列阶 段自动获得,将它视为一个约束规则,根据此规 则可以从经过规则(1)和规则(2)选择后的装 配序列中提取装配方向更改次数最少的装配序 列。

3 实例研究
下面的实例展示了通过自动拆卸方法生成 可行装配序列集并进行选择的过程。 如图 4,千斤顶装配体模型由 7 个零件组成, 分别用数字 1~7 表示。 这个装配体在 SolidWorks 软件中建模生成。对该装配体进行自动的拆卸过 程仿真,在仿真过程中收集零件之间的干涉情况 (整个过程如图 2 所示),最后得到零件的干涉 表, 见表 1。 干涉表表示某零件沿某一方向移动到 无穷远处,与其干涉的零件,“#”表示该零件在 某方向与其它任何零件不产生干涉。 确定优先拆卸方向。本例中取孔轴配合的方 向集{Y,-Y,Z,-Z}为优先拆卸方向集 D。从优 先拆卸方向集中选取自由零件数最多的方向作为 优先拆卸方向,沿此方向对装配体进行拆卸。由 干涉表 1 可知-Z 方向的自由零件个数最多(零件

搜索“装配方向的更 改次数最少”的装配 序列 输出最优 装配序列
图3 装配序列选择过程图

(1) 手工输入的优先装配约束规则 首先从装配序列集中排除一些可行但不合理 的装配序列。例如,装配模型中有零件 L1 和 L2, 虽然“L2 先于 L1 装配”不会发生干涉,但现实 操作时要求 L1 一定要先于 L2 安装,这时所有 L2 在 L1 之前的装配序列就是不可行的了, 基于优先 约束关系的装配序列评价算法可以排除这些序 列。另外,如果实际装配过程中要求 L1 和 L2 在 一起安装,或者 L1 和 L2 构成的一个子部件通过

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2 和 4),故-Z 方向为优先拆卸方向。

此时 Y 方向的自由零件个数最多(零件 1 和 6)。所以,优先拆卸方向为 Y 方向,沿此方向拆 卸出第 2 个拆卸零件集{1,6},干涉表如表 3 所 示。
表 3 干涉表 3 零件 1 2 3 4 5 6 7 X $ $ 5,7 $ 3,7 $ 3,5 Y $ $ # $ 3 $ 5 Z $ $ 5,7 $ 3,7 $ 3,5 -X $ $ 5,7 $ 3,7 $ 3,5 -Y $ $ 5,7 $ 7 $ # -Z $ $ 5,7 $ 3,7 $ 3,5

图4

千斤顶装配体模型 表 1 干涉表 1

此时 Y 方向存在一个自由零件 3,故第 3 个 拆卸零件集为{3}, 拆完后, 零件的干涉表如表 4。
表 4 干涉表 4

零件 1 2 3 4 5 6 7

X 2,3 1 3 3,6,7 7 3,5,6

Y 2 1 1,2,3 1,2,3,4 # 4,5,6

Z 3 1 1,5,7 # 3,6,7 5,7 3,5,6

-X 2,3 1 1,4,5,7 3 3,7 3,5,7 3,5,6

-Y 2,3,4,5,7 1,3,4,5 4,5,7 3,5,7 7 5,7 #

-Z 2,3 # 1,5,7 # 3,6,7 5,7 3,5,6

零件 1 2 3 4 5 6 7

X $ $ $ $ 7 $ 5

Y $ $ $ $ # $ 5

Z $ $ $ $ 7 $ 5

-X $ $ $ $ 7 $ 5

-Y $ $ $ $ 7 $ #

-Z $ $ $ $ 7 $ 5

1,4,5,6,7 1,2,4

沿-Z 方向拆卸出第 1 个零件集为{2,4}。拆 卸完某零件后,其各方向的值赋为“$”,表示该 零件已拆卸完,与其它零件不再发生干涉。拆完 零件{2,4}后,干涉表发生了变化,如表 2 所示。
表 2 干涉表 2 零件 1 2 3 4 5 6 7 X 3 $ 1,5,6,7 $ 3,6,7 7 3,5,6 Y # $ 1 $ 1,3 # 5,6 Z 3 $ 1,5,7 $ 3,6,7 5,7 3,5,6 -X 3 $ 1,5,7 $ 3,7 3,5,7 3,5,6 -Y 3,5,7 $ 5,7 $ 7 5,7 # -Z 3 $ 1,5,7 $ 3,6,7 5,7 3,5,6

继续可拆卸出第 4 个零件集{5}, 第 5 个零件 集{7}。 每一个零件集中的对象不区分拆卸先后顺 序, 所以拆卸序列为{2, 4} → {1, 6} → 3 → 5 → 7, 拆卸序列个数为 2!× 2!× 1× 1× 1 = 4 种,分别为: (1) 2 → 4 → 1 → 6 → 3 → 5 → 7 (2) 2 → 4 → 6 → 1 → 3 → 5 → 7 (3) 4 → 2 → 1 → 6 → 3 → 5 → 7 (4) 4 → 2 → 6 → 1 → 3 → 5 → 7 拆卸序列反向 7 → 5 → 3 → {1, 6} → {2, 4} 即为装配序列, 该例中共有 4 个可行的装配序列。 如果定义优先约束关系:MP(1, 6)和 MP(2, 4), 则可以确定出唯一的装配序列: 7→5→3→1 → 6 → 2 → 4。

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4 系统实现
作为对上述 理论 、方法和技术的验证,在 SolidWorks 三维平台上开发出了虚拟装配工艺规 划系统。该系统包括装配信息提取、手动生成装 配序列、自动生成装配序列、装配序列评价、装 配过程仿真模块、装配工艺文件编辑等基本的功 能模块。图 5 展示了一个自动进行的拆卸仿真和 干涉检查的过程。

5 结 论
构建 了通过自动拆卸和干涉检查来生成一 系列可行装配序列的算法,并通过分析优先装配 关系来对装配序列进行评价和筛选,从中选出的 较优装配序列可以通过仿真的手段来比较验证 或者通过采用多目标综合评价方法来进行进一 步的寻优。 参 考 文 献
[1] 卢小平. 面向虚拟装配的装配顺序规划研究[J]. 系统 仿真学报, 2003, 15(1): 201-205. [2] Dini G. Automated sequencing and subassembly in assembly planning [J]. CIRP Annals Manufacturing Technology, 1992, 41(1): 301-312. [3] Homemde Mello L S. A correct and complete algorithm for the generation of mechanical assembly sequences [J]. IEEE Transaction on Robotics and Automation, 2001, 7(2): 228-240. [4] Huang Ko, Lee K W. Automatic assembling procedure generation from mating conditions [J]. Computer Aided Design, 1997, 19(1): 3-8.

图 5 虚拟装配工艺规划系统


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