基于消耗式物料清單轉(zhuǎn)換的復(fù)雜產(chǎn)品圖示化裝配工藝規(guī)劃技術(shù)*

□ 王 成 □ 許建新

1.西安航空學(xué)院 機械工程學(xué)院 西安 7100772.西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院 西安 710072

1 研究背景

裝配是產(chǎn)品生命周期中的重要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代機械制造業(yè)中,產(chǎn)品裝配占用了40%以上的生產(chǎn)費用,裝配所需工時占產(chǎn)品生產(chǎn)制造總工時的40%～60%。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品而言,這個比例會更高,而裝配工藝規(guī)劃則是影響復(fù)雜產(chǎn)品裝配質(zhì)量和成本的重要因素[1]。傳統(tǒng)的裝配規(guī)劃采用人工方式,工藝人員根據(jù)設(shè)計圖紙和技術(shù)文檔,分析產(chǎn)品裝配圖中零件的幾何形狀和位置關(guān)系,必要時和設(shè)計人員進行討論,進一步明確設(shè)計者的真正意圖,利用經(jīng)驗和知識，規(guī)劃出產(chǎn)品的裝配方案。這種方法工作量大、效率低,且難以保證裝配方案的經(jīng)濟性。

近年來,許多學(xué)者對裝配工藝規(guī)劃技術(shù)進行了深入研究。Zhou Wei等[2]提出了基于遺傳-細(xì)菌趨藥性算法的裝配序列優(yōu)化,給出了裝配序列優(yōu)化模型與遺傳-細(xì)菌趨藥性算法模型之間的映射關(guān)系。Zhou Wei等[3]還提出了將嵌套分割算法用于完成裝配序列的合并,實現(xiàn)了計算機輔助推理的裝配序列合并方法。李博、賈曉亮等[4]提出了一種面向產(chǎn)品全生命周期的航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃設(shè)計技術(shù)。石炳坤、賈曉亮等[5]研究了復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃與仿真優(yōu)化技術(shù),建立了三維數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃設(shè)計與仿真優(yōu)化應(yīng)用模式。張磊等[6]針對航空航天產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃技術(shù)進行研究,提出了基于模型定義的航天產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃技術(shù),構(gòu)建了以工藝-工廠-產(chǎn)品-資源模型為核心的裝配工藝信息模型。俞琳[7]以典型裝配工藝的發(fā)掘與重用為基礎(chǔ),實現(xiàn)了一種由典型工藝驅(qū)動的飛機三維裝配工藝快速設(shè)計方法。孟倩[8]針對復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝的需求及重復(fù)性大的特點，提出了基于流程和模板的裝配工藝設(shè)計。常建娥等[9]提出了索引層和答案層的層次結(jié)構(gòu)實例表示法,建立了符合汽車總裝特點的案例推理模型,實現(xiàn)了基于案例推理的汽車總裝工藝設(shè)計。呂國艷等[10]綜合運用拆卸反演、裝配線平衡優(yōu)化等方法，對裝配過程進行規(guī)劃,確定了裝配線上每個裝配工作站的具體作業(yè)內(nèi)容,提升了裝配線的平衡率與裝配效率。費天鳴[11]針對柴油機等復(fù)雜產(chǎn)品,提出了以裝配物料清單轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計及工藝仿真驗證為主體的關(guān)鍵技術(shù)，并展開深入研究,構(gòu)建了船用柴油機結(jié)構(gòu)化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)平臺。劉檢華等[12]對裝配工藝規(guī)劃技術(shù)的現(xiàn)有成果進行了綜述性研究。郭飛燕、劉檢華等[13]基于制造過程中的全數(shù)字量協(xié)調(diào)傳遞方式,通過虛實融合、以虛控實的手段,對由數(shù)字孿生模型驅(qū)動的航空產(chǎn)品裝配工藝優(yōu)化-反饋-改進環(huán)機制進行了研究,實現(xiàn)了產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的閉環(huán)優(yōu)化決策及產(chǎn)品研制模式的改變,提高了裝配準(zhǔn)確性、一致性及裝配效率。從現(xiàn)有文獻可以看出,目前對于虛擬裝配規(guī)劃技術(shù)和裝配規(guī)劃序列的研究頗多,而在裝配物料清單與圖示化裝配工藝規(guī)劃相結(jié)合的方面研究還較少。筆者在現(xiàn)有文獻的基礎(chǔ)上,研究復(fù)雜產(chǎn)品圖示化裝配工藝規(guī)劃技術(shù),提出基于消耗式物料清單轉(zhuǎn)換的復(fù)雜產(chǎn)品圖示化裝配工藝規(guī)劃技術(shù),以實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的可視化快速裝配工藝規(guī)劃。

2 復(fù)雜產(chǎn)品裝配信息建模

產(chǎn)品裝配信息模型是裝配工藝規(guī)劃的基礎(chǔ),它的優(yōu)劣直接決定了裝配工藝規(guī)劃的效率。為此，裝配信息模型應(yīng)具備四方面要求。

(1) 完整性要求。產(chǎn)品裝配信息模型不僅描述零部件本身的信息,而且還描述零部件之間的裝配關(guān)系、資源和操作等信息。

(3) 獨立性要求。產(chǎn)品裝配信息模型應(yīng)該充分利用現(xiàn)有三維計算機輔助設(shè)計軟件強大的建模功能,同時又獨立于三維計算機輔助設(shè)計軟件。

(4) 開放性要求。在產(chǎn)品需求發(fā)生變化時,通過裝配信息模型可以方便地修改產(chǎn)品設(shè)計，以適應(yīng)新的產(chǎn)品需求。

筆者采用結(jié)構(gòu)化思想，進行產(chǎn)品裝配信息建模,如圖1所示。

▲圖1 產(chǎn)品裝配信息模型

產(chǎn)品裝配信息模型主要由產(chǎn)品、部裝和裝配單元三部分組成。其中，裝配單元除了自身的基本信息外,還包含本單元的參裝件、工位、工裝及裝配工藝信息。裝配工藝信息模型同樣以結(jié)構(gòu)化的方式進行數(shù)據(jù)組織,一份裝配工藝主要包含工序、工步、參裝件、工裝、設(shè)備等對象。為了清晰完整地表達對象之間的關(guān)系,采用獨立的關(guān)系存儲模式,通過起始端到終止端的關(guān)聯(lián)方式進行關(guān)系存儲。

總而言之,產(chǎn)品裝配信息模型采用面向?qū)ο蟮乃枷脒M行建模,以裝配單元為核心構(gòu)建數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。通過這一模型可以保證數(shù)據(jù)的完整性和有效存儲,為后續(xù)物料清單轉(zhuǎn)換的一致性提供基礎(chǔ)保障,同時提高裝配工藝規(guī)劃的效率和質(zhì)量。

3 消耗式物料清單轉(zhuǎn)換技術(shù)

假設(shè)某個產(chǎn)品由n個零件組成,在一定的裝配約束下，可劃分為若干個裝配單元,裝配單元集合用U表示,每個裝配單元由若干個相應(yīng)的零部件組成。在裝配單元內(nèi)，零部件之間具有一定的連接關(guān)系和裝配工藝相關(guān)性,裝配單元的結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定。裝配單元可以進行獨立的裝配工藝規(guī)劃,不受其它單元影響。

心律失常性心肌病是指因心動過速、心動過緩、節(jié)律不規(guī)整及心臟收縮不同步等心律失常引起的左室結(jié)構(gòu)或功能受損，經(jīng)控制心室率或轉(zhuǎn)復(fù)心律后，心臟功能大多可以逆轉(zhuǎn)的一組心肌病。心律失常性心肌病又分為快速性和緩慢性兩種，前者由房顫、房撲、陣發(fā)性室上速、室速等快速性心律失常引起。由于該類心肌病與擴張型心肌病的臨床表現(xiàn)極為相似，因此臨床上極易混淆?，F(xiàn)就該病的發(fā)病機制進行闡述，以提高臨床醫(yī)師對該類疾病的認(rèn)識。

對于裝配規(guī)劃而言,劃分裝配單元的目的是將復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐步分解,將復(fù)雜的裝配規(guī)劃問題分解成若干個相對簡單的問題,并在一定的企業(yè)資源條件下，以最高的效率進行生產(chǎn)。可見,裝配單元的劃分要遵循一定的規(guī)范,依據(jù)實際情況,根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)、企業(yè)裝配資源等條件進行。影響裝配單元劃分的因素是多方面的,如成本、機械化、自動化等定量因素,以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用、維修、運輸、材料、勞動條件、全局工藝生產(chǎn)等定性因素。

因此,在考慮裝配單元的結(jié)構(gòu)、功能和裝配工藝的相關(guān)性時,應(yīng)從生產(chǎn)實際出發(fā),優(yōu)先考慮裝配工藝的約束,然后進行裝配單元的劃分，如圖2所示。裝配工藝約束的主要因素包括工藝因素、制造資源因素和管理因素，工藝因素指裝配重定向次數(shù)、裝配工具改變次數(shù)、裝配干涉等,制造資源因素指裝配工位布局條件、工裝資源等，管理因素指裝配線利用率及均衡率、裝配成本、裝配作業(yè)協(xié)調(diào)難易程度等。在實際裝配單元劃分時，應(yīng)以這三類因素作為依據(jù)進行考慮。

物料清單是組成部件的所有零部件、原材料的列表,是企業(yè)不同部門、不同流程間傳遞的基本數(shù)據(jù)。在企業(yè)實際物料清單管理中,大多數(shù)物料清單視圖都采用費時費力的手工方式建立,在建立過程中往往沒有統(tǒng)一的設(shè)計和管理規(guī)范,各個物料清單視圖之間的數(shù)據(jù)正確性、完整性和一致性很難保證,嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)向下游傳遞的正確性,最終影響整個產(chǎn)品的研制周期。

▲圖2 工藝約束下裝配單元劃分

物料清單不一致的情況主要有循環(huán)引用、變化、部件沖突等。為了消除物料清單不一致性因素,減少人為因素造成的差錯,筆者提出了基于消耗式的物料清單轉(zhuǎn)換技術(shù)。

消耗式物料清單轉(zhuǎn)換的基本思想是以消耗工程物料清單產(chǎn)品零部件的方式重構(gòu)出裝配物料清單,在構(gòu)建裝配物料清單的過程中，保證零部件能夠完整、正確地獲取,保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性。重構(gòu)出的裝配物料清單能正確反映產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)，以及合理的裝配單元層級結(jié)構(gòu)。消耗式工程物料清單轉(zhuǎn)換可以視為一個從拆解到裝配的過程,隨著工程物料清單零部件的逐步提取、消耗,裝配物料清單上逐步形成完整的裝配單元結(jié)構(gòu)。在整個消耗過程中，零件會從一種狀態(tài)變成另外一種狀態(tài)。在整個變化過程中，零件的數(shù)量保持不變,具體的消耗過程如圖3所示。

以下對消耗式轉(zhuǎn)化過程的算法進行描述。設(shè)工程物料清單集合為So,工程物料清單消耗區(qū)集合為Sc,裝配物料清單生成區(qū)集合為Sg。

(1) 將So中的所有元素復(fù)制到Sc,復(fù)制過程中要求Sc與So的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)保持一致。

(2) 根據(jù)裝配單元劃分要求,在Sg中建立部裝節(jié)點和U。

(3) 將Sc中的元素以拖拽的方式分配到U中,在分配過程中,保證Sc中的元素和Sg中的元素在編號和數(shù)量總和上保持不變。直到Sc中元素數(shù)量減少為零,消耗過程終止。

(4) 在Sg中對分配到U內(nèi)的元素進行調(diào)整和修改,對增加、變化和修改的零件進行記錄,并注明消耗方來源。

(5) 轉(zhuǎn)化完成,程序退出。

▲圖3 工程物料清單消耗過程

4 圖示化裝配工藝規(guī)劃技術(shù)

產(chǎn)品裝配過程分為裝配單元階段、部裝階段和總裝階段,部裝由裝配單元組成,總裝由部裝組成,裝配單元由零件組裝而成。以下對圖示化裝配工藝規(guī)劃技術(shù)進行深入研究。

4.1 圖元模型定義

為了對裝配工藝規(guī)劃整個操作過程進行可視化展示,對圖元模型進行了定義,如圖4所示。圖元模型由面板、形狀和連接線三部分組成。

(1) 面板。面板承載所有的圖元元素,如形狀和連接線圖元元素。面板用P表示,它所包含的屬性集合記為P，P={標(biāo)志,元素標(biāo)志},通過元素標(biāo)志與圖示模型中的流程元素進行關(guān)聯(lián)。

(2) 形狀。形狀元素負(fù)責(zé)在面板中繪制模型所定義的各種形狀,如開始、結(jié)束、網(wǎng)關(guān)、模塊和單元。形狀用E表示,它所包含的屬性集合記為E，E={標(biāo)志,元素標(biāo)志,形狀類別,高度,寬度,X軸坐標(biāo),Y軸坐標(biāo)},通過元素標(biāo)志與圖示模型中的開始、結(jié)束、網(wǎng)關(guān)、模塊、單元等元素進行關(guān)聯(lián)。

(3) 連接線。連接線元素負(fù)責(zé)將形狀進行兩兩連接。連接線用L表示,它所包含的屬性集合記為L，L={標(biāo)志,元素標(biāo)志,路徑點集合},元素標(biāo)志與圖示模型中的連接線元素進行關(guān)聯(lián)。這里需要特別說明的是,由于繪制一條連接線可能存在多個折點,因此連接線元素中用路徑點集合進行表示。

▲圖4 圖元模型定義

4.2 圖示模型定義

圖示模型主要描述了流程、開始、結(jié)束、網(wǎng)關(guān)、模塊、單元及連接線等模型元素的存儲和結(jié)構(gòu),如圖5所示。由圖5可知,在圖示化裝配工藝規(guī)劃過程中,圖示模型清晰地表征了數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及裝配元素之間的序列。

▲圖5 圖示模型定義

4.3 映射關(guān)系

為了使數(shù)據(jù)之間的關(guān)系進一步明確,筆者研究了裝配規(guī)劃模型、圖示模型及圖元模型之間的映射關(guān)系,如圖6所示。圖6中共描述了三組關(guān)系,第一組是面板-流程-總裝之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,第二組是形狀-開始、結(jié)束、網(wǎng)關(guān)、模塊、單元-部裝、裝配單元之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,第三組是連接線-連接線-裝配序列之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。其中最核心的部分是圖示模型中單元與裝配規(guī)劃模型中裝配單元的對應(yīng)關(guān)系。

4.4 圖示化裝配規(guī)劃

為了進一步明確結(jié)構(gòu)化視圖與圖示化視圖的對應(yīng)關(guān)系,假設(shè)裝配物料清單的最終轉(zhuǎn)化結(jié)果如圖7所示。在圖元模型和圖示模型的支撐下,按照實際的裝配規(guī)劃需求,可以通過圖示化的方式進行裝配工藝規(guī)劃,如圖8所示。圖8中包含了串行、并行、模塊嵌套、獨立單元等所有圖示化裝配規(guī)劃組合,其中需要特別說明的是，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點時,都要設(shè)置相應(yīng)的優(yōu)先級,優(yōu)先級用P來表示,編號越小,級別越高。通過圖示化裝配工藝規(guī)劃，不僅可以清楚地描述裝配單元之間的關(guān)系和序列,而且可以查看裝配單元的內(nèi)部信息,如工位、工裝和參裝件等。

▲圖6 映射關(guān)系▲圖7 裝配物料清單最終轉(zhuǎn)化結(jié)果

5 實例驗證

筆者根據(jù)復(fù)雜產(chǎn)品圖示化裝配工藝規(guī)劃技術(shù),研發(fā)了圖示化裝配工藝規(guī)劃設(shè)計工具,已成功應(yīng)用于某企業(yè)裝配車間,如圖9所示。這一工具以圖示化設(shè)計為主體,以消耗式物料清單轉(zhuǎn)換技術(shù)為底層數(shù)據(jù)支撐,以知識庫為設(shè)計輔助,實現(xiàn)了復(fù)雜部件裝配工藝的可視化快速準(zhǔn)確設(shè)計。實踐證明,這一工具在一定程度上有效提高了裝配工藝規(guī)劃設(shè)計的效率和質(zhì)量。

▲圖8 圖示化裝配工藝規(guī)劃

▲圖9 圖示化裝配工藝規(guī)劃設(shè)計工具

6 結(jié)束語

筆者提出基于消耗式物料清單轉(zhuǎn)換的復(fù)雜產(chǎn)品圖示化裝配工藝規(guī)劃技術(shù),解決了裝配工藝規(guī)劃時各對象及關(guān)系的存儲問題，以及物料清單數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換過程中存在的不一致和不完整問題,簡化了復(fù)雜產(chǎn)品的裝配層次結(jié)構(gòu)和裝配順序,提高了裝配工藝規(guī)劃的效率和質(zhì)量。