基于裝配任務(wù)集的裝配過程建模研究

楊云斌 韋力凡 何良莉 張懷宇

中國工程物理研究院，綿陽，621900

0 引言

為了在產(chǎn)品設(shè)計階段就對產(chǎn)品裝配性能進行評估與驗證，近年來提出了用基于數(shù)字樣機的虛擬裝配技術(shù)解決裝配性評估、優(yōu)化和驗證的方法［1］。裝配過程模型描述產(chǎn)品裝配仿真的全過程，記錄裝配仿真過程的所有信息，完整的裝配過程模型是裝配分析與驗證的基礎(chǔ)，也是保證虛擬裝配模型信息有效、完整表達的重要環(huán)節(jié)。目前研究裝配過程建模的學(xué)者不少，但全盤考慮實際裝配過程中裝配資源、裝配人員和裝配環(huán)境等因素的研究不多，現(xiàn)有的裝配模型不能很好地描述裝配任務(wù)的層次性和并行性，導(dǎo)致建立的裝配過程模型與實際裝配過程差異較大，限制了虛擬裝配技術(shù)的工程應(yīng)用。文獻［2］提出的用單向順序裝配任務(wù)鏈來描述產(chǎn)品的裝配過程，實現(xiàn)了裝配任務(wù)與裝配約束的時序關(guān)系表達，能夠很好地描述順序裝配過程，該模型的不足是不能描述裝配任務(wù)間的層次關(guān)系，不能表示可并行開展的裝配任務(wù)。文獻［3］提出了基于層次鏈的產(chǎn)品裝配過程建模方法，該模型考慮了裝配任務(wù)間的層次關(guān)系，但層次鏈上的節(jié)點是一個裝配任務(wù)，不能反映裝配任務(wù)的并行特性。本文在分析目前裝配過程建模研究的基礎(chǔ)上，考慮產(chǎn)品的物理屬性，建立了產(chǎn)品層次信息模型及其實現(xiàn)方法；考慮實際裝配過程中的產(chǎn)品和裝配資源等因素，對裝配過程模型的基本單元裝配任務(wù)進行了詳細描述；針對目前的裝配過程模型不能同時描述產(chǎn)品的層次性和并行性的情況，提出了基于層次結(jié)構(gòu)的裝配任務(wù)集鏈來描述裝配過程的方法，該方法能描述復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真過程中不同層次的裝配任務(wù)和可并行開展的裝配任務(wù)。基于上述三方面研究工作建立的裝配過程模型，不僅考慮了實際裝配過程中裝配資源和產(chǎn)品物理屬性等因素的影響，而且能很好地描述裝配任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)和并行特性，即能更加完整地描述實際的裝配過程。

1 產(chǎn)品層次信息模型的建立

產(chǎn)品層次信息模型是裝配過程模型的基礎(chǔ)，描述產(chǎn)品裝配過程的基本單元裝配任務(wù)中的許多信息來源于產(chǎn)品層次信息模型［4］。筆者根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計中裝配過程的具體特征，分析了裝配仿真過程中對于產(chǎn)品數(shù)字模型的信息需求，建立了產(chǎn)品層次信息模型，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品層次信息模型

產(chǎn)品層次信息模型是在設(shè)計模型庫的基礎(chǔ)上，采用二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)從CAD模型中提取零件的幾何信息和拓撲信息，如對基于UG的CAD模型，采用其二次開發(fā)接口UG/OPEN開發(fā)零件信息轉(zhuǎn)換模塊，該模塊打開一個UG模型文件，先判斷模型是單個零件還是裝配體，如果是單個零件就遍歷該零件的B－rep，獲取幾何參數(shù)，然后離散成多邊形輸出所需要的格式，如果模型是裝配體，則遞歸遍歷子裝配直到單個零件為止。在虛擬裝配環(huán)境中，基于從CAD模型中獲取的幾何模型，基于二次開發(fā)技術(shù)，采用交互式定義實現(xiàn)零部件的物理屬性及裝配特征，產(chǎn)品層次信息模型實現(xiàn)如圖2a所示。圖2b是一個鏡箱門的物理屬性定義示例，在虛擬裝配環(huán)境中選中要定義的鏡箱門，系統(tǒng)彈出數(shù)據(jù)輸入窗口，直接輸入相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)物理屬性定義。

2 裝配任務(wù)描述

圖2 產(chǎn)品層次信息模型實現(xiàn)及示例

裝配過程是一系列裝配任務(wù)的有序組合，裝配任務(wù)作為裝配過程的信息表達單元，是指在虛擬環(huán)境中，為完成某個裝配單元的裝配所實施的一系列操作過程，一個典型裝配任務(wù)的操作過程包括指定裝配基準、抓取零部件、移動零部件和釋放零部件等一系列操作。一個典型裝配任務(wù)應(yīng)包括裝配任務(wù)標識、裝配序列、任務(wù)對象、裝配路徑和裝配時間等，其詳細描述如圖3所示。

圖3 裝配任務(wù)描述

圖3中的裝配任務(wù)標識是明確裝配任務(wù)名稱，對裝配任務(wù)進行說明，通過裝配任務(wù)ID保證裝配任務(wù)的唯一性。裝配序列是一系列操作的有序集，通過裝配序列ID來標識，裝配序列采用鏈表的形式記錄零部件在虛擬環(huán)境中的裝配順序，鏈表上的每個節(jié)點可采用如下數(shù)據(jù)來描述：

圖3中的任務(wù)類型包括指定裝配基體和零部件裝配，指定為裝配基體的不需要定義裝配約束關(guān)系。任務(wù)對象是裝配任務(wù)中所涉及的裝配單元、裝配工具及輔助工裝等，其相關(guān)信息可從產(chǎn)品層次信息模型中獲取。裝配路徑是零部件或裝配工具的移動路徑，反映零部件或裝配工具在虛擬裝配空間中的運動軌跡，通過裝配路徑ID來標識。在虛擬裝配過程中，將零部件或裝配工具的位置和方向以離散節(jié)點的形式進行記錄，這些節(jié)點通過鏈表的形式組織起來，即可得到該零部件或裝配工具的裝配路徑。鏈表上的每個節(jié)點可用如下數(shù)據(jù)來描述：

圖3中的裝配時間包括開始時間與結(jié)束時間，如果只通過裝配動作所需時間來描述，不能反映出裝配動作的起止時間。

3 基于裝配任務(wù)集的裝配過程模型

3.1 基于層次結(jié)構(gòu)的裝配任務(wù)集鏈

在虛擬裝配仿真中，一個產(chǎn)品的裝配過程是由一系列裝配任務(wù)組成的。復(fù)雜產(chǎn)品的裝配任務(wù)可分為系統(tǒng)層、組件層、零件層等多層結(jié)構(gòu)，上層裝配任務(wù)依賴于下層裝配任務(wù)的完成。考慮復(fù)雜產(chǎn)品的分層結(jié)構(gòu)和裝配任務(wù)的并行性，本文提出基于層次結(jié)構(gòu)的裝配任務(wù)集鏈來描述復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過程?；趯哟谓Y(jié)構(gòu)的裝配任務(wù)集鏈ATCLHS如圖4所示。圖4中Sk、Co、Ps分別表示系統(tǒng)層第k個任務(wù)集、組件層第o個任務(wù)集和零件層第s個任務(wù)集，Ti表示某任務(wù)集中的第i個任務(wù)，如SkTi表示系統(tǒng)層任務(wù)集k的第i個任務(wù)，PsTr表示零件層任務(wù)集s的第r個任務(wù)。

圖4 基于層次結(jié)構(gòu)的裝配任務(wù)集鏈ATCLHS

基于ATCLHS的裝配過程模型首先根據(jù)裝配仿真的特點，確定裝配任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)，確定具體的分層數(shù)，對于每一層裝配任務(wù)集鏈，每個節(jié)點不再是一個單獨的裝配任務(wù)，而是一個裝配任務(wù)集，該裝配任務(wù)集就是一系列可并行開展裝配任務(wù)的集合，通過該裝配任務(wù)集來反映實際裝配過程中裝配任務(wù)的并行特性，如組件層任務(wù)集C1表示T1，T2，…，Tm任務(wù)沒有順序性，可并行開展，也可無序串行開展。對于系統(tǒng)層裝配任務(wù)集鏈的任務(wù)S2T2，由于其子節(jié)點不為空，說明其有下層裝配任務(wù)集鏈，即組件層任務(wù)集鏈C1，C2，…，Co。

任務(wù)集鏈的任務(wù)集節(jié)點，可用如下數(shù)據(jù)描述：

其中，tasks任務(wù)集合是由一系列裝配任務(wù)ID組成，表示該任務(wù)集由那些任務(wù)組成。如果next＿node后續(xù)節(jié)點為空集，表示該任務(wù)集節(jié)點是該層的最后一個任務(wù)集。

任務(wù)集中的任務(wù)，可用如下數(shù)據(jù)進行描述：

如果任務(wù)的子節(jié)點為空集，表示該任務(wù)沒有下層裝配任務(wù)集鏈。

采用ATCLHS描述產(chǎn)品裝配過程，具有以下主要優(yōu)點：

（1）層次結(jié)構(gòu)與并行性。ATCLHS支持虛擬裝配過程中的并行操作。裝配任務(wù)集鏈上的每個節(jié)點是一個裝配任務(wù)集，能夠支持同層任務(wù)的并行操作。采用分層的描述結(jié)構(gòu)，可以并行地開展下一層的裝配任務(wù)，然后再在上一層中進行產(chǎn)品的裝配，能夠體現(xiàn)裝配過程的層次結(jié)構(gòu)。

（2）動態(tài)性。ATCLHS能夠表達虛擬裝配仿真過程中的動態(tài)過程信息。動態(tài)過程信息的記錄不僅使設(shè)計者能夠在虛擬環(huán)境中反復(fù)分析產(chǎn)品的動態(tài)行為，而且為虛擬裝配后續(xù)環(huán)節(jié)提供了信息源。特別是對于可并行裝配的任務(wù)，在仿真中操作者可根據(jù)自己的判斷，決定裝配的順序，并能動態(tài)記錄這個裝配過程，以便于后期對不同的裝配流程進行評價。

（3）回溯性。由于在裝配任務(wù)描述中考慮了裝配時間，并且ATCLHS是基于裝配任務(wù)集建立的，因此，可同時支持基于裝配時間的回溯和基于裝配任務(wù)的回溯［2］，可根據(jù)需求選用不同的回溯方法，保證虛擬裝配回溯的靈活性，提高裝配仿真的效率。

（4）調(diào)整性。由于采用分層結(jié)構(gòu)，ATCLHS支持裝配任務(wù)順序局部調(diào)整。在ATCLHS中，裝配過程由一系列不同層次的裝配任務(wù)集鏈組成，因此同一層的裝配任務(wù)集鏈的裝配順序調(diào)整，其影響范圍也被局限于該層，而不會對該層的上層和下層的裝配任務(wù)集鏈造成影響。

3.2 ATCLHS的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲與訪問，采用數(shù)據(jù)庫中的嵌套表技術(shù)來實現(xiàn)，嵌套表是表中表，一個嵌套表是某些行的集合，它在主表中表示為一列，對主表中的每一條記錄，嵌套表可以包含多個行。嵌套表允許在附表中存放關(guān)于子表的信息，勿需執(zhí)行聯(lián)合操作，就可以通過父表直接訪問子表中的記錄，這種不經(jīng)聯(lián)合而直接選擇數(shù)據(jù)的能力使訪問數(shù)據(jù)效率更高［5］。如針對圖4中的系統(tǒng)層裝配任務(wù)集鏈表，可通過圖5所示的嵌套表形式實現(xiàn)存儲與訪問，如對裝配任務(wù)集S2，其“任務(wù)集合”字段的內(nèi)容就是一個嵌套表，它是由S2T1任務(wù)ID、S2T2任務(wù)ID、…、S2Ti任務(wù)ID等多個行組成，通過該嵌套表就能訪問裝配任務(wù)集S2的所有任務(wù)ID，并可通過任務(wù)ID，從裝配任務(wù)數(shù)據(jù)表獲得該裝配任務(wù)的詳細信息。對于組件層和零件層的任務(wù)鏈表，可采用同樣的方式實現(xiàn)。

圖5 系統(tǒng)層裝配任務(wù)集鏈的存儲與訪問

3.3 應(yīng)用示例

虛擬現(xiàn)實環(huán)境采用BARCO Galaxy DLP投影儀和PowerWall顯示屏幕，支持三通道立體顯示，圖形發(fā)生器是DELL T7500工作站＋Quadro Plex可視化圖形服務(wù)器，VR外設(shè)包括Crystal－Eyes液晶眼鏡、六自由度FOB跟蹤器和NeoWand六自由度三維交互設(shè)備等［6］。利用FOB跟蹤Neowand的位姿數(shù)據(jù)，Neowand作為輸入控制設(shè)備實現(xiàn)直接操作和系統(tǒng)控制，實現(xiàn)虛擬裝配仿真。以一具有兩個層次結(jié)構(gòu)的裝配過程來說明基于層次結(jié)構(gòu)的裝配任務(wù)集鏈的裝配過程模型應(yīng)用，裝配任務(wù)集鏈如圖6所示，裝配任務(wù)集及裝配任務(wù)描述如表1～表4所示。

表1 組件層裝配任務(wù)集表

圖6 裝配任務(wù)集鏈

表2 組件層裝配任務(wù)表

表3 零件層裝配任務(wù)集表

表4 零件層裝配任務(wù)表

表2中的C1T1表示組件Ⅱ安裝到安裝板；C1T2表示組件Ⅰ安裝到安裝板。表4中的P1T1表示零件Ⅱ安裝到組件Ⅱ；P1T2表示零件Ⅲ安裝到組件Ⅱ。

當使用NeoWand設(shè)備選中安裝板，并指定為裝配基體時，根據(jù)基于裝配任務(wù)集的裝配過程模型，系統(tǒng)提示需先完成組件Ⅱ的組裝，即需先完成零件層裝配任務(wù)，如圖7a所示。當使用NeoWand設(shè)備選中組件Ⅱ，并指定為裝配基體時，系統(tǒng)根據(jù)零件層裝配任務(wù)集鏈，系統(tǒng)提示安裝零件Ⅱ （P1T1）和零件 Ⅲ（P1T2）可并行進行安裝，也可無序串行進行安裝，此時操作者可選擇先裝配那個零件，圖7b顯示操作者已完成零件Ⅲ安裝，正在安裝零件Ⅱ的裝配過程，圖7c是組件Ⅱ已安裝到安裝板的仿真結(jié)果。

圖7 采用ATCLHS的裝配示例

采用基于層次結(jié)構(gòu)的裝配任務(wù)集鏈的裝配仿真具有以下特點：

（1）當操作者采用不正確的安裝流程時，系統(tǒng)可根據(jù)裝配任務(wù)集鏈給出智能提示。

（2）基于裝配任務(wù)集鏈描述裝配任務(wù)的層次關(guān)系，系統(tǒng)可提示操著者正在進行的裝配任務(wù)所處的層次結(jié)構(gòu)，并引導(dǎo)操作者選擇下一個裝配任務(wù)。

（3）基于裝配任務(wù)集，系統(tǒng)能給出可并行或無序串行開展的裝配任務(wù)，記錄操作者的不同選擇，并記錄不同的裝配流程，支持后續(xù)環(huán)節(jié)對不同裝配流程進行評估，從而選擇更優(yōu)的裝配流程。

4 結(jié)束語

針對目前裝配過程模型不能描述裝配任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)和并行特性的問題，提出了基于裝配任務(wù)集的裝配過程建模方法，并通過嵌套表技術(shù)實現(xiàn)裝配過程模型的存儲和訪問，該方法不僅能體現(xiàn)產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)，反映裝配任務(wù)的并行特性，而且還能描述裝配仿真過程中的動態(tài)信息，支持基于裝配時間回溯和基于裝配任務(wù)的回溯?；谘b配任務(wù)集的裝配過程建模方法也為今后協(xié)同裝配仿真研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］譚建榮，劉振宇.數(shù)字樣機：關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［2］劉振宇，譚建榮，張樹有.虛擬環(huán)境中產(chǎn)品裝配過程回溯方法研究［J］.計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2003，15（11）：1432－1436.

［3］侯偉偉，劉檢華，寧汝新，等.基于層次鏈的產(chǎn)品裝配過程建模方法［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2009，15（8）：1523－1527，1544.

［4］劉振宇，譚建榮，張樹有.面向虛擬裝配的產(chǎn)品層次信息表達研究［J］.計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2001，13（3）：223－228.

［5］楊云斌.空域管理與評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.成都：四川大學(xué)，2003.

［6］何良莉，魏發(fā)遠，王峰軍.虛擬布局/裝配環(huán)境下的人機交互技術(shù)研究［J］.機械設(shè)計，2010，27（5）：86－89.