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第1篇

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)應(yīng)用;裝配規(guī)劃;綜述;虛擬現(xiàn)實(shí);軟計(jì)算;協(xié)同裝配

裝配是產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的主要過(guò)程。寫作畢業(yè)論文裝配成本占產(chǎn)品制造成本40%～50%，裝配自動(dòng)化一直是制造自動(dòng)化中的瓶頸問(wèn)題。裝配規(guī)劃是在給定產(chǎn)品與相關(guān)制造資源的完整描述前提下，得到產(chǎn)品詳細(xì)的裝配方案的過(guò)程，對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品可裝配性設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量和降低裝配成本具有重要意義。產(chǎn)品的裝配規(guī)劃通常需要得到零部件的裝配序列、裝配路徑、使用的工裝夾具和裝配時(shí)間等內(nèi)容[1]~[3]。

較早的傳統(tǒng)裝配規(guī)劃采用人工方式，工藝人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)文檔，通過(guò)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(shí)再和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行討論，進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)者的真正意圖，利用自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)規(guī)劃出產(chǎn)品的裝配方案。這種方法工作量大、效率低，且難于保證裝配方案的經(jīng)濟(jì)性。

隨著計(jì)算機(jī)集成制造CIMS和并行工程CE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，一方面對(duì)裝配相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)提出了計(jì)算機(jī)化的要求，以提高和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中其他環(huán)節(jié)的集成化程度。另一方面要求裝配方案的優(yōu)化以降低成本和縮短規(guī)劃時(shí)間以加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程。受“需求牽引”和“技術(shù)推動(dòng)”兩方面的影響，80年代初，出現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃(ComputerAidedAssemblyPlanning，CAAP)技術(shù)的研究。到目前為止，CAAP經(jīng)歷了幾個(gè)不同的發(fā)展階段，出現(xiàn)了4種代表性的方法，按照出現(xiàn)的時(shí)間順序及方法的特點(diǎn)，筆者將其歸結(jié)為經(jīng)典裝配規(guī)劃方法、虛擬裝配規(guī)劃方法、裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法和協(xié)同裝配規(guī)劃方法。

1經(jīng)典裝配規(guī)劃方法

早期CAAP的研究側(cè)重于裝配序列的規(guī)劃，以產(chǎn)品CAD裝配模型為基礎(chǔ)，寫作碩士論文一般采用幾何推理的方法，通過(guò)產(chǎn)品裝配建模、裝配序列推理和表達(dá)以及裝配序列評(píng)價(jià)和選擇為產(chǎn)品面向裝配的設(shè)計(jì)和裝配工藝規(guī)劃提供指導(dǎo)和支持，其過(guò)程通常如圖1所示。

1.1產(chǎn)品裝配建模

產(chǎn)品裝配模型是裝配規(guī)劃的基礎(chǔ)，為裝配規(guī)劃提供裝配體和零部件的相關(guān)信息。常用的裝配信息表達(dá)模型可分為圖模型和矩陣模型。法國(guó)學(xué)者Bourjauct提出了聯(lián)系圖模型[4]，將零件之間的物理接觸關(guān)系定義為聯(lián)系即裝配關(guān)系，圖中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)零件，邊表示所連接的零件間至少有一種裝配關(guān)系。關(guān)系模型[5]進(jìn)一步區(qū)分了零件之間的接觸關(guān)系和聯(lián)接關(guān)系，圖中包含3種實(shí)體類型：零件、接觸和聯(lián)接，邊表達(dá)了實(shí)體間的關(guān)系。產(chǎn)品等級(jí)裝配模型[6]將裝配體看成具有層次結(jié)構(gòu)性，即裝配體可以分解為子裝配體，子裝配體又可分解為下級(jí)子裝配體和零件的集合，以此表達(dá)產(chǎn)品的裝配組成。

矩陣比圖易于計(jì)算機(jī)表達(dá)和實(shí)現(xiàn)。Dini和Santochi[7]利用干涉矩陣、接觸矩陣和連接矩陣表達(dá)產(chǎn)品，干涉矩陣描述了零部件間沿坐標(biāo)軸方向裝配時(shí)相互間的干涉情況，接觸矩陣描述了零部件間的物理接觸狀態(tài)，連接矩陣描述了零部件間的連接類型。為減少矩陣的數(shù)量，Huang[8]等把6個(gè)干涉矩陣合并為一個(gè)拆卸矩陣，集成的表達(dá)零部件間沿坐標(biāo)軸方向的干涉情況。

1.2裝配序列推理和表達(dá)

基于聯(lián)系圖模型，Bourjauct采用人機(jī)交互“問(wèn)答式”方法獲取裝配優(yōu)先約束關(guān)系[4]，寫作醫(yī)學(xué)論文隨后DeFazio和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作進(jìn)一步較少了需要由用戶回答問(wèn)題的數(shù)量，然后通過(guò)對(duì)裝配優(yōu)約束關(guān)系進(jìn)行推理得到聯(lián)絡(luò)建立優(yōu)先關(guān)系的層次模型表達(dá)產(chǎn)品的裝配序列。

“割集”法是基于拆卸策略的裝配規(guī)劃中通常采用的圖論算法。HomemdeMell和Sanderson[5]通過(guò)對(duì)產(chǎn)品聯(lián)接圖進(jìn)行縮并，利用“割集”算法對(duì)聯(lián)接圖進(jìn)行循環(huán)分解，生成所有可能的子裝配體，直到不可再分。并提出了裝配序列的AND/OR圖表達(dá)方法，圖中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)裝配過(guò)程中的子裝配體或零件，超弧表達(dá)將子裝配體或零件聯(lián)接在一起形成更大子裝配體的裝配操作。因?yàn)椤案罴彼惴ǖ挠?jì)算復(fù)雜性為O(3N)(N為零件個(gè)數(shù))，因此，對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的裝配順序規(guī)劃存在指數(shù)爆炸問(wèn)題，這是難以讓人接受的。

1.3裝配序列評(píng)價(jià)和選擇

裝配序列的選擇對(duì)裝配線設(shè)計(jì)、裝配成本、裝配設(shè)備選擇有很大影響，寫作職稱論文而評(píng)價(jià)是選擇的基礎(chǔ)。裝配序列的評(píng)價(jià)可分為定性和定量?jī)煞矫嬉蛩豙11]~[13]，定性因素主要考慮的有裝配方向換向的頻度、子裝配體的穩(wěn)定性和安全性、裝配操作任務(wù)間的并行性、子裝配體的結(jié)合性和模塊性、緊固件的裝配、零件的聚合等。定量因素主要考慮的有整個(gè)裝配時(shí)間(包括子裝配體的操作時(shí)間、運(yùn)輸時(shí)間等)、整個(gè)裝配成本(包括勞動(dòng)成本、夾緊和加工成本)、產(chǎn)品在裝配中再定位的次數(shù)、夾具的數(shù)目、操作者的數(shù)目、機(jī)器人手爪的數(shù)目、工作臺(tái)的數(shù)目等。

更多的經(jīng)典裝配規(guī)劃方法研究文獻(xiàn)可以參見(jiàn)TexasA&M大學(xué)Wolter教授的“AssemblyPlanningBibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15年經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的相關(guān)研究。經(jīng)典方法一般表達(dá)出全部的序列解空間，這使它可能從中找出最優(yōu)的裝配序列，但隨著產(chǎn)品中零件數(shù)量的增加，解空間的組合爆炸給序列的存儲(chǔ)、選優(yōu)帶來(lái)極大困難；且序列的幾何推理方法不易融入人類的裝配知識(shí)，難免產(chǎn)生眾多幾何可行但工藝不可行的序列結(jié)果。

2虛擬裝配規(guī)劃方法

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為裝配規(guī)劃的“人－機(jī)”協(xié)同工作提供了契機(jī)。虛擬裝配是指由操作者通過(guò)數(shù)據(jù)手套和三維立體顯示設(shè)備直接三維操作虛擬零部件來(lái)模擬裝配/拆卸過(guò)程，無(wú)需產(chǎn)品或支撐過(guò)程的物理實(shí)現(xiàn)，通過(guò)分析、先驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒖梢暬蛿?shù)據(jù)表達(dá)等手段，利用計(jì)算機(jī)工具來(lái)安排或輔助與裝配有關(guān)的工程決策[15]。虛擬裝配過(guò)程中，人機(jī)可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，即人通過(guò)直覺(jué)/裝配經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)決定產(chǎn)品的裝配過(guò)程，但不能精確地判斷當(dāng)前所有可能裝配的零件，也不太可能準(zhǔn)確判定裝配某一零件后裝配體的穩(wěn)定性等因素，而通過(guò)一定算法和規(guī)則實(shí)現(xiàn)的機(jī)器智能剛好彌補(bǔ)人的不足。虛擬裝配方法得到的不僅僅是零件的順序，還可以包括零件路徑、裝配工具、夾具和工作臺(tái)等信息。圖2為虛擬裝配規(guī)劃的工作步驟。

國(guó)外虛擬裝配規(guī)劃的研究以沉浸式虛擬裝配環(huán)境VADE[16],[17](VirtualAssemblyDesignEnvironment)為代表，寫作英語(yǔ)論文通過(guò)建立一個(gè)裝配規(guī)劃和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境來(lái)探索運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造的潛在技術(shù)可能性，為機(jī)械系統(tǒng)裝配體的規(guī)劃、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證提供支持。在虛擬環(huán)境中，利用提取并導(dǎo)入的CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的裝配約束信息引導(dǎo)裝配過(guò)程；通過(guò)引入了質(zhì)量、慣性和加速度等物理屬性，基于物理特性進(jìn)行裝配建模，逼真地模擬真實(shí)裝配環(huán)境；支持雙手的靈活裝配和操作；記錄虛擬裝配過(guò)程中產(chǎn)生的掃體積和路徑信息并可進(jìn)行編輯；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持裝配工具在虛擬裝配環(huán)境中的運(yùn)用。

國(guó)內(nèi)管強(qiáng)等[18]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與面向裝配設(shè)計(jì)的理論相結(jié)合，建立了一個(gè)虛擬環(huán)境下的面

向裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)（VirDFA）。萬(wàn)華根等[19]建立了一個(gè)具有多通道界面的虛擬設(shè)計(jì)與虛擬裝配系統(tǒng)（VDVAS），通過(guò)直接三維操作和語(yǔ)音命令方便地對(duì)零件進(jìn)行交互拆裝以建立零件的裝配順序和裝配路徑等裝配信息。在面向過(guò)程與歷史的虛擬設(shè)計(jì)與裝配環(huán)境（VIRDAS）中，張樹(shù)有等[20]通過(guò)識(shí)別裝配關(guān)系進(jìn)行裝配運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)虛擬拆卸/裝配順序規(guī)劃、虛擬裝配分析。從集成的觀點(diǎn)出發(fā)，姚珺等[21]提出面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程的虛擬裝配體系結(jié)構(gòu)，從方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配工藝設(shè)計(jì)3個(gè)層次上分階段地對(duì)產(chǎn)品可裝配性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。田豐等[22]提出一個(gè)面向虛擬裝配的三維交互平臺(tái)（VAT），簡(jiǎn)化了虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造，便于應(yīng)用的快速生成。

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境開(kāi)展裝配規(guī)劃，提供了一種新的思路和工具。但是，虛擬環(huán)境的構(gòu)建需要較大資金的軟硬件投入，另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身（如圖形的高速刷新）及其相關(guān)硬件技術(shù)（如力觸覺(jué)設(shè)備）的不成熟使得虛擬裝配的研究仍處于探索階段。

3裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法

1994年，Zadeh教授將模糊邏輯與智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，提出了軟計(jì)算方法（softcomputing）[23]。軟計(jì)算以模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和概率推理為基礎(chǔ)，不追求問(wèn)題的精確解，以近似性和不確定性為主要特征，所得到的是精確或不精確問(wèn)題的近似解。為避免組合爆炸同時(shí)又能得到較優(yōu)的裝配規(guī)劃方案，近來(lái)，基于建模、表達(dá)和尋優(yōu)一體化的裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法得到廣泛關(guān)注。

3.1裝配規(guī)劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人類形象思維的一種人工智能方法，它是由大量神經(jīng)元廣泛互連而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，寫作留學(xué)生論文單一神經(jīng)元可以有許多輸入、輸出，神經(jīng)元之間的相互作用通過(guò)連接的權(quán)值體現(xiàn)，神經(jīng)元的輸出是其輸入的函數(shù)。若將優(yōu)化計(jì)算問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)某種狀態(tài)函數(shù)(通常稱網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù))對(duì)應(yīng)起來(lái)，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)向能量函數(shù)極小值方向移動(dòng)的過(guò)程就可視作優(yōu)化問(wèn)題的求解過(guò)程，穩(wěn)態(tài)點(diǎn)則是優(yōu)化問(wèn)題的局部或全局最優(yōu)解。

Hong和Cho[24]用于機(jī)器人裝配順序優(yōu)化的Hopfiled神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，考慮裝配約束、子裝配體穩(wěn)定性和裝配方向改變等因素建立網(wǎng)絡(luò)的能量方程，基于優(yōu)先約束推理和專家系統(tǒng)提供的裝配成本驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化方程得到優(yōu)化的序列。但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)缺乏全局搜索能力，計(jì)算結(jié)果顯示，該方法容易產(chǎn)生不優(yōu)化的裝配順序，且常常只能得到一個(gè)局部最優(yōu)的裝配序列。另外，參數(shù)選擇和初始條件對(duì)網(wǎng)絡(luò)的靈敏度影響大；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用前須進(jìn)行訓(xùn)練，而訓(xùn)練時(shí)要由專家提供較多可行的順序作為樣本。而樣本可能是針對(duì)某種類型的產(chǎn)品，對(duì)其它類型的產(chǎn)品則不一定適用，該方法的應(yīng)用范圍窄。

3.2裝配規(guī)劃模擬退火算法

模擬退火算法源于固體退火思想，將一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題比擬成一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，將目標(biāo)函數(shù)比擬為系統(tǒng)的能量，將優(yōu)化求解過(guò)程比擬成系統(tǒng)逐步降溫以達(dá)到最低能量狀態(tài)的退火過(guò)程，通過(guò)模擬固體的退火過(guò)程獲得優(yōu)化問(wèn)題的全局最優(yōu)解。

Saeid等[25]利用模擬退火算法進(jìn)行裝配序列規(guī)劃時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品裝配模型獲得裝配優(yōu)先關(guān)系，將裝配過(guò)程總裝配時(shí)間和重定向次數(shù)運(yùn)用多屬性應(yīng)用理論組合成單一目標(biāo)函數(shù)，作為裝配序列優(yōu)化的評(píng)價(jià)函數(shù)。Hong和Cho[26]將裝配約束和裝配過(guò)程的成本映射為裝配序列能量函數(shù)，利用模擬退火算法使裝配序列能量函數(shù)擾動(dòng)地逐步減小，經(jīng)過(guò)多次迭代，直到能量函數(shù)不再變化為止，最后得到具有最小裝配成本的裝配序列。作者將該方法應(yīng)用到一個(gè)電子繼電器裝配體上，并將其性能與利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[24]的裝配規(guī)劃方法進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示基于模擬退火的裝配序列優(yōu)化方法可以產(chǎn)生較好的裝配序列并且在運(yùn)算時(shí)間上優(yōu)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

模擬退火算法具有較強(qiáng)的局部搜索能力，并能使搜索過(guò)程避免陷入局部最優(yōu)，但模擬退火算法對(duì)整個(gè)搜索空間的狀況了解不多，不能使搜索過(guò)程進(jìn)入最有希望的搜索區(qū)域，從而使得算法的運(yùn)算效率不高。

3.3裝配規(guī)劃遺傳算法

在眾多軟計(jì)算方法中，遺傳算法得到了眾多研究者的重視。寫作工作總結(jié)遺傳算法是模仿生物自然選擇和遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法，它將問(wèn)題的可能解組成種群，將每一個(gè)可能的解看作種群的個(gè)體，從一組隨機(jī)給定的初始種群開(kāi)始，持續(xù)在整個(gè)種群空間內(nèi)隨機(jī)搜索，按照一定的評(píng)估策略即適應(yīng)度函數(shù)對(duì)每一個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)，不斷通過(guò)復(fù)制、交叉、變異等遺傳算子的作用，使種群在適應(yīng)度函數(shù)的約束下不斷進(jìn)化，算法終止時(shí)得到最優(yōu)/次最優(yōu)的問(wèn)題解。圖3為裝配規(guī)劃遺傳算法的一般流程。

裝配規(guī)劃遺傳算法的研究重點(diǎn)集中于設(shè)計(jì)裝配序列的基因編碼方式以包含更多的裝配過(guò)程信息、設(shè)計(jì)基因操作的形式和改進(jìn)遺傳算法的局部搜索能力上。Lazzerini等[27]的分段編碼遺傳算法中，將染色體分為3段編碼，第1段表示參與裝配的零件編號(hào)，第2段表示零件的可行裝配方向，第3段表示裝配工具，從而使染色體包含了部分工藝信息。為了提高算法的性能，文中將裝配體分解為子裝配體進(jìn)行裝配，減少了參加裝配序列規(guī)劃的零件數(shù)目；Guan等[28]采用基因團(tuán)編碼方式，一個(gè)基因團(tuán)表達(dá)一個(gè)零件的裝配操作，由被裝配零件號(hào)裝配元、裝配工具裝配元、裝配方向裝配元和裝配類型裝配元組成。在擴(kuò)大采樣空間選擇下一代種群的基礎(chǔ)上，通過(guò)交叉和多層次變異實(shí)現(xiàn)裝配序列并行優(yōu)化。廖小云和陳湘鳳[29]在裝配序列規(guī)劃遺傳算法中設(shè)計(jì)了復(fù)制、交叉、變異、剪貼和斷連5種遺傳算子尋找裝配序列優(yōu)化解。在Smith等[30]的增強(qiáng)型遺傳算法中，選擇下一代個(gè)體并不完全依靠適應(yīng)度，而是先把一定數(shù)量較優(yōu)的個(gè)體復(fù)制到下一代，將適應(yīng)度低但幾何可行的序列用于繼續(xù)產(chǎn)生序列，直到滿足下一代種群中序列個(gè)數(shù)的需求，從而使算法能跳出局部最優(yōu)點(diǎn)，在全局范圍內(nèi)搜索最優(yōu)解。

理論上，找到全局最優(yōu)裝配序列要求參加演化計(jì)算的種群規(guī)模要足夠大，迭代次數(shù)要無(wú)限

多，但在計(jì)算資源和時(shí)間限制下是達(dá)不到要求的。因此，遺傳算法求解裝配規(guī)劃問(wèn)題的效率和結(jié)果依賴于初始種群規(guī)模及其質(zhì)量、遺傳算子及其操作概率等因素。

4協(xié)同裝配規(guī)劃方法

裝配體作為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的載體，零部件可能由不同的企業(yè)設(shè)計(jì)，零部件和產(chǎn)品可能在不同的裝配工廠完成裝配過(guò)程，因此需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的協(xié)同工作和決策以保證裝配質(zhì)量和降低裝配成本。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展縮短了異地人員在時(shí)間和空間上的距離，為實(shí)時(shí)的“人－機(jī)－人”協(xié)同裝配工作提供了可能。

Wisconsin-Madison大學(xué)[31]提出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的電子化裝配（e-Assembly），探討在Internet/Intranet上利用3D模型進(jìn)行協(xié)同虛擬裝配和拆卸的方法論和工具，擬實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括3D交互可視化、協(xié)同裝配/拆卸/維護(hù)/回收等。目前已開(kāi)發(fā)了Motive3D系統(tǒng)，利用Synthesizer模塊可以交互/自動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)品的裝配建模和規(guī)劃，Visualizer模塊為用戶在Web平臺(tái)上提供裝配序列規(guī)劃結(jié)果的可視化仿真，但缺少交互修改、調(diào)整功能。在ATS項(xiàng)目[32]實(shí)施中，為了向異地的開(kāi)發(fā)人員展示裝配設(shè)計(jì)和裝配規(guī)劃結(jié)果，嘗試?yán)肰RML作為可視化工具，一方面供設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)瀏覽零部件設(shè)計(jì)，另外將裝配模型用文本編輯軟件進(jìn)行編輯，生成裝配序列的VRML仿真文件，供異地的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)和提出修改意見(jiàn)。但手工編輯文件不但花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一周，而且每次設(shè)計(jì)修改后都必須重新編輯；同時(shí)，仿真文件僅具有瀏覽功能，不能進(jìn)行交互修改。

Web環(huán)境下的協(xié)同裝配規(guī)劃方法[33]采用協(xié)同工作環(huán)境下的裝配建模、裝配規(guī)劃任務(wù)分配和裝配序列合成等技術(shù)，通過(guò)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配規(guī)劃問(wèn)題的分解，即降低了單機(jī)規(guī)劃工作模式的復(fù)雜度，又便于集中不同地域多專家的裝配知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行裝配規(guī)劃方案的協(xié)同決策。面向協(xié)同廣義裝配[34]通過(guò)確定裝配子任務(wù)編碼方法、裝配人員評(píng)價(jià)指數(shù)和制定協(xié)同裝配協(xié)議，以VRML為產(chǎn)品模型載體實(shí)現(xiàn)協(xié)同裝配系統(tǒng)。在裝配知識(shí)和規(guī)則的支撐下，支持局域網(wǎng)內(nèi)多用戶實(shí)施產(chǎn)品預(yù)裝配、驗(yàn)證零部件可裝配性，相關(guān)的裝配人員能夠協(xié)同討論裝配方案。Web環(huán)境下3D交互裝配可視化仿真結(jié)構(gòu)是一個(gè)符合開(kāi)放技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可視化裝配系統(tǒng)[35]，它基于VRML-Java實(shí)現(xiàn)裝配場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)生成、裝配控制、碰撞檢測(cè)以及裝配過(guò)程的動(dòng)畫回放等功能，目前完成了基于“堆疊”思路的裝配驗(yàn)證方式。但該系統(tǒng)屬于單用戶系統(tǒng)，不能支持多用戶的實(shí)時(shí)協(xié)同裝配工作。

5結(jié)論與展望

CAAP的研究在理論上取得了一定的成果，在工業(yè)界也得到了一定的應(yīng)用，但相對(duì)而言還很少，這說(shuō)明該技術(shù)距離工業(yè)實(shí)用還存在較大差距。裝配規(guī)劃是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)密集型的工作，同時(shí)又與具體行業(yè)和產(chǎn)品有緊密的關(guān)系。經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的精確推理在保證序列的幾何可行性方面具有優(yōu)勢(shì)，而軟計(jì)算技術(shù)能夠?qū)⑷说哪：R(shí)融入規(guī)劃過(guò)程中，使得結(jié)果具有更好的工藝可行性，兩者的適當(dāng)結(jié)合將有利于模仿人類裝配專家的實(shí)際裝配規(guī)劃過(guò)程，從而得到合理的裝配方案。

跨地域、跨國(guó)家的網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造新模式的形成使產(chǎn)品裝配成為一個(gè)需要協(xié)同工作和決策的問(wèn)題。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，建立基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同裝配決策平臺(tái)和虛擬環(huán)境，支持異地多人員協(xié)同裝配方案決策將是新形勢(shì)下裝配規(guī)劃研究的新趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇強(qiáng),林志航.計(jì)算機(jī)輔助裝配順序規(guī)劃研究綜述[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1999,18(6):1006~1012.

[2]石淼,唐朔飛,李明樹(shù).裝配序列規(guī)劃研究綜述[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,1994,31(6):30~34.

[3]牛新文,丁漢,熊有倫.計(jì)算機(jī)輔助裝配順序規(guī)劃研究綜述[J].中國(guó)機(jī)械工程,2001,12(12):1440~1443.

第2篇

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)應(yīng)用; 裝配規(guī)劃; 綜述; 虛擬現(xiàn)實(shí); 軟計(jì)算; 協(xié)同裝配

裝配是產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的主要過(guò)程。畢業(yè)論文 裝配成本占產(chǎn)品制造成本40%～50%，裝配自動(dòng)化一直是制造自動(dòng)化中的瓶頸問(wèn)題。裝配規(guī)劃是在給定產(chǎn)品與相關(guān)制造資源的完整描述前提下，得到產(chǎn)品詳細(xì)的裝配方案的過(guò)程，對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品可裝配性設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量和降低裝配成本具有重要意義。產(chǎn)品的裝配規(guī)劃通常需要得到零部件的裝配序列、裝配路徑、使用的工裝夾具和裝配時(shí)間等內(nèi)容[1]~[3]。

較早的傳統(tǒng)裝配規(guī)劃采用人工方式，工藝人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)文檔，通過(guò)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(shí)再和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行討論，進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)者的真正意圖，利用自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)規(guī)劃出產(chǎn)品的裝配方案。這種方法工作量大、效率低，且難于保證裝配方案的經(jīng)濟(jì)性。

隨著計(jì)算機(jī)集成制造CIMS 和并行工程CE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，一方面對(duì)裝配相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)提出了計(jì)算機(jī)化的要求，以提高和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中其他環(huán)節(jié)的集成化程度。另一方面要求裝配方案的優(yōu)化以降低成本和縮短規(guī)劃時(shí)間以加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程。受“需求牽引”和“技術(shù)推動(dòng)”兩方面的影響，80 年代初，出現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃(Computer Aided Assembly Planning，CAAP)技術(shù)的研究。到目前為止，CAAP 經(jīng)歷了幾個(gè)不同的發(fā)展階段，出現(xiàn)了4 種代表性的方法，按照出現(xiàn)的時(shí)間順序及方法的特點(diǎn)，筆者將其歸結(jié)為經(jīng)典裝配規(guī)劃方法、虛擬裝配規(guī)劃方法、裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法和協(xié)同裝配規(guī)劃方法。

1 經(jīng)典裝配規(guī)劃方法

早期CAAP 的研究側(cè)重于裝配序列的規(guī)劃，以產(chǎn)品CAD 裝配模型為基礎(chǔ)，碩士論文 一般采用幾何推理的方法，通過(guò)產(chǎn)品裝配建模、裝配序列推理和表達(dá)以及裝配序列評(píng)價(jià)和選擇為產(chǎn)品面向裝配的設(shè)計(jì)和裝配工藝規(guī)劃提供指導(dǎo)和支持，其過(guò)程通常如圖1 所示。

1.1產(chǎn)品裝配建模

產(chǎn)品裝配模型是裝配規(guī)劃的基礎(chǔ)，為裝配規(guī)劃提供裝配體和零部件的相關(guān)信息。常用的裝配信息表達(dá)模型可分為圖模型和矩陣模型。法國(guó)學(xué)者Bourjauct 提出了聯(lián)系圖模型[4]，將零件之間的物理接觸關(guān)系定義為聯(lián)系即裝配關(guān)系，圖中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)零件，邊表示所連接的零件間至少有一種裝配關(guān)系。關(guān)系模型[5]進(jìn)一步區(qū)分了零件之間的接觸關(guān)系和聯(lián)接關(guān)系，圖中包含3 種實(shí)體類型：零件、接觸和聯(lián)接，邊表達(dá)了實(shí)體間的關(guān)系。產(chǎn)品等級(jí)裝配模型[6]將裝配體看成具有層次結(jié)構(gòu)性，即裝配體可以分解為子裝配體，子裝配體又可分解為下級(jí)子裝配體和零件的集合，以此表達(dá)產(chǎn)品的裝配組成。

矩陣比圖易于計(jì)算機(jī)表達(dá)和實(shí)現(xiàn)。Dini 和Santochi[7]利用干涉矩陣、接觸矩陣和連接矩陣表達(dá)產(chǎn)品，干涉矩陣描述了零部件間沿坐標(biāo)軸方向裝配時(shí)相互間的干涉情況，接觸矩陣描述了零部件間的物理接觸狀態(tài)，連接矩陣描述了零部件間的連接類型。為減少矩陣的數(shù)量，Huang[8]等把6個(gè)干涉矩陣合并為一個(gè)拆卸矩陣，集成的表達(dá)零部件間沿坐標(biāo)軸方向的干涉情況。

1.2裝配序列推理和表達(dá)

基于聯(lián)系圖模型，Bourjauct 采用人機(jī)交互“問(wèn)答式”方法獲取裝配優(yōu)先約束關(guān)系[4]，醫(yī)學(xué)論文 隨后De Fazio 和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作進(jìn)一步較少了需要由用戶回答問(wèn)題的數(shù)量，然后通過(guò)對(duì)裝配優(yōu)約束關(guān)系進(jìn)行推理得到聯(lián)絡(luò)建立優(yōu)先關(guān)系的層次模型表達(dá)產(chǎn)品的裝配序列。

“割集”法是基于拆卸策略的裝配規(guī)劃中通常采用的圖論算法。Homem de Mell 和Sanderson[5]通過(guò)對(duì)產(chǎn)品聯(lián)接圖進(jìn)行縮并，利用“割集”算法對(duì)聯(lián)接圖進(jìn)行循環(huán)分解，生成所有可能的子裝配體，直到不可再分。并提出了裝配序列的AND/OR 圖表達(dá)方法，圖中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)裝配過(guò)程中的子裝配體或零件，超弧表達(dá)將子裝配體或零件聯(lián)接在一起形成更大子裝配體的裝配操作。因?yàn)椤案罴彼惴ǖ挠?jì)算復(fù)雜性為O(3N) (N為零件個(gè)數(shù))，因此，對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的裝配順序規(guī)劃存在指數(shù)爆炸問(wèn)題，這是難以讓人接受的。

1.3裝配序列評(píng)價(jià)和選擇

裝配序列的選擇對(duì)裝配線設(shè)計(jì)、裝配成本、裝配設(shè)備選擇有很大影響，職稱論文 而評(píng)價(jià)是選擇的基礎(chǔ)。裝配序列的評(píng)價(jià)可分為定性和定量?jī)煞矫嬉蛩豙11]~[13]，定性因素主要考慮的有裝配方向換向的頻度、子裝配體的穩(wěn)定性和安全性、裝配操作任務(wù)間的并行性、子裝配體的結(jié)合性和模塊性、緊固件的裝配、零件的聚合等。定量因素主要考慮的有整個(gè)裝配時(shí)間 (包括子裝配體的操作時(shí)間、運(yùn)輸時(shí)間等 )、整個(gè)裝配成本 (包括勞動(dòng)成本、夾緊和加工成本 )、產(chǎn)品在裝配中再定位的次數(shù)、夾具的數(shù)目、操作者的數(shù)目、機(jī)器人手爪的數(shù)目、工作臺(tái)的數(shù)目等。

更多的經(jīng)典裝配規(guī)劃方法研究文獻(xiàn)可以參見(jiàn)Texas A&M 大學(xué)Wolter 教授的“Assembly Planning Bibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15 年經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的相關(guān)研究。經(jīng)典方法一般表達(dá)出全部的序列解空間，這使它可能從中找出最優(yōu)的裝配序列，但隨著產(chǎn)品中零件數(shù)量的增加，解空間的組合爆炸給序列的存儲(chǔ)、選優(yōu)帶來(lái)極大困難；且序列的幾何推理方法不易融入人類的裝配知識(shí)，難免產(chǎn)生眾多幾何可行但工藝不可行的序列結(jié)果。

2虛擬裝配規(guī)劃方法

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為裝配規(guī)劃的“人－機(jī)”協(xié)同工作提供了契機(jī)。虛擬裝配是指由操作者通過(guò)數(shù)據(jù)手套和三維立體顯示設(shè)備直接三維操作虛擬零部件來(lái)模擬裝配/拆卸過(guò)程，無(wú)需產(chǎn)品或支撐過(guò)程的物理實(shí)現(xiàn)，通過(guò)分析、先驗(yàn)?zāi)Ｐ?、可視化和?shù)據(jù)表達(dá)等手段，利用計(jì)算機(jī)工具來(lái)安排或輔助與裝配有關(guān)的工程決策[15]。虛擬裝配過(guò)程中，人機(jī)可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，即人通過(guò)直覺(jué)/裝配經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)決定產(chǎn)品的裝配過(guò)程，但不能精確地判斷當(dāng)前所有可能裝配的零件，也不太可能準(zhǔn)確判定裝配某一零件后裝配體的穩(wěn)定性等因素，而通過(guò)一定算法和規(guī)則實(shí)現(xiàn)的機(jī)器智能剛好彌補(bǔ)人的不足。虛擬裝配方法得到的不僅僅是零件的順序，還可以包括零件路徑、裝配工具、夾具和工作臺(tái)等信息。圖2 為虛擬裝配規(guī)劃的工作步驟。

國(guó)外虛擬裝配規(guī)劃的研究以沉浸式虛擬裝配環(huán)境VADE[16]， [17](Virtual Assembly DesignEnvironment)為代表，英語(yǔ)論文 通過(guò)建立一個(gè)裝配規(guī)劃和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境來(lái)探索運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造的潛在技術(shù)可能性，為機(jī)械系統(tǒng)裝配體的規(guī)劃、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證提供支持。在虛擬環(huán)境中，利用提取并導(dǎo)入的CAD 系統(tǒng)產(chǎn)生的裝配約束信息引導(dǎo)裝配過(guò)程；通過(guò)引入了質(zhì)量、慣性和加速度等物理屬性，基于物理特性進(jìn)行裝配建模，逼真地模擬真實(shí)裝配環(huán)境；支持雙手的靈活裝配和操作；記錄虛擬裝配過(guò)程中產(chǎn)生的掃體積和路徑信息并可進(jìn)行編輯；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持裝配工具在虛擬裝配環(huán)境中的運(yùn)用。

國(guó)內(nèi)管強(qiáng)等[18]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與面向裝配設(shè)計(jì)的理論相結(jié)合，建立了一個(gè)虛擬環(huán)境下的面

向裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)（VirDFA）。萬(wàn)華根等[19]建立了一個(gè)具有多通道界面的虛擬設(shè)計(jì)與虛擬裝配系統(tǒng)（VDVAS），通過(guò)直接三維操作和語(yǔ)音命令方便地對(duì)零件進(jìn)行交互拆裝以建立零件的裝配順序和裝配路徑等裝配信息。在面向過(guò)程與歷史的虛擬設(shè)計(jì)與裝配環(huán)境（VIRDAS）中，張樹(shù)有等[20]通過(guò)識(shí)別裝配關(guān)系進(jìn)行裝配運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)虛擬拆卸/裝配順序規(guī)劃、虛擬裝配分析。從集成的觀點(diǎn)出發(fā)，姚珺等[21]提出面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程的虛擬裝配體系結(jié)構(gòu)，從方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配工藝設(shè)計(jì)3 個(gè)層次上分階段地對(duì)產(chǎn)品可裝配性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。田豐等[22]提出一個(gè)面向虛擬裝配的三維交互平臺(tái)（VAT），簡(jiǎn)化了虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造，便于應(yīng)用的快速生成。

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境開(kāi)展裝配規(guī)劃，提供了一種新的思路和工具。但是，虛擬環(huán)境的構(gòu)建需要較大資金的軟硬件投入，另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身（如圖形的高速刷新）及其相關(guān)硬件技術(shù)（如力觸覺(jué)設(shè)備）的不成熟使得虛擬裝配的研究仍處于探索階段。

3 裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法

1994 年，Zadeh 教授將模糊邏輯與智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，提出了軟計(jì)算方法（soft computing）[23]。軟計(jì)算以模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和概率推理為基礎(chǔ)，不追求問(wèn)題的精確解，以近似性和不確定性為主要特征，所得到的是精確或不精確問(wèn)題的近似解。為避免組合爆炸同時(shí)又能得到較優(yōu)的裝配規(guī)劃方案，近來(lái)，基于建模、表達(dá)和尋優(yōu)一體化的裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法得到廣泛關(guān)注。

3.1 裝配規(guī)劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人類形象思維的一種人工智能方法，它是由大量神經(jīng)元廣泛互連而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，留學(xué)生論文 單一神經(jīng)元可以有許多輸入、輸出，神經(jīng)元之間的相互作用通過(guò)連接的權(quán)值體現(xiàn)，神經(jīng)元的輸出是其輸入的函數(shù)。若將優(yōu)化計(jì)算問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)某種狀態(tài)函數(shù)(通常稱網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù))對(duì)應(yīng)起來(lái)，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)向能量函數(shù)極小值方向移動(dòng)的過(guò)程就可視作優(yōu)化問(wèn)題的求解過(guò)程，穩(wěn)態(tài)點(diǎn)則是優(yōu)化問(wèn)題的局部或全局最優(yōu)解。

轉(zhuǎn)貼于 Hong 和Cho[24]用于機(jī)器人裝配順序優(yōu)化的Hopfiled 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，考慮裝配約束、子裝配體穩(wěn)定性和裝配方向改變等因素建立網(wǎng)絡(luò)的能量方程，基于優(yōu)先約束推理和專家系統(tǒng)提供的裝配成本驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化方程得到優(yōu)化的序列。但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)缺乏全局搜索能力，計(jì)算結(jié)果顯示，該方法容易產(chǎn)生不優(yōu)化的裝配順序，且常常只能得到一個(gè)局部最優(yōu)的裝配序列。另外，參數(shù)選擇和初始條件對(duì)網(wǎng)絡(luò)的靈敏度影響大；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用前須進(jìn)行訓(xùn)練，而訓(xùn)練時(shí)要由專家提供較多可行的順序作為樣本。而樣本可能是針對(duì)某種類型的產(chǎn)品，對(duì)其它類型的產(chǎn)品則不一定適用，該方法的應(yīng)用范圍窄。

3.2 裝配規(guī)劃模擬退火算法

模擬退火算法源于固體退火思想，將一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題比擬成一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，將目標(biāo)函數(shù)比擬為系統(tǒng)的能量，將優(yōu)化求解過(guò)程比擬成系統(tǒng)逐步降溫以達(dá)到最低能量狀態(tài)的退火過(guò)程，通過(guò)模擬固體的退火過(guò)程獲得優(yōu)化問(wèn)題的全局最優(yōu)解。

Saeid 等[25]利用模擬退火算法進(jìn)行裝配序列規(guī)劃時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品裝配模型獲得裝配優(yōu)先關(guān)系，將裝配過(guò)程總裝配時(shí)間和重定向次數(shù)運(yùn)用多屬性應(yīng)用理論組合成單一目標(biāo)函數(shù)，作為裝配序列優(yōu)化的評(píng)價(jià)函數(shù)。Hong 和Cho[26]將裝配約束和裝配過(guò)程的成本映射為裝配序列能量函數(shù)，利用模擬退火算法使裝配序列能量函數(shù)擾動(dòng)地逐步減小，經(jīng)過(guò)多次迭代，直到能量函數(shù)不再變化為止，最后得到具有最小裝配成本的裝配序列。作者將該方法應(yīng)用到一個(gè)電子繼電器裝配體上，并將其性能與利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[24]的裝配規(guī)劃方法進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示基于模擬退火的裝配序列優(yōu)化方法可以產(chǎn)生較好的裝配序列并且在運(yùn)算時(shí)間上優(yōu)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

模擬退火算法具有較強(qiáng)的局部搜索能力，并能使搜索過(guò)程避免陷入局部最優(yōu)，但模擬退火算法對(duì)整個(gè)搜索空間的狀況了解不多，不能使搜索過(guò)程進(jìn)入最有希望的搜索區(qū)域，從而使得算法的運(yùn)算效率不高。

3.3 裝配規(guī)劃遺傳算法

在眾多軟計(jì)算方法中，遺傳算法得到了眾多研究者的重視。工作總結(jié) 遺傳算法是模仿生物自然選擇和遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法，它將問(wèn)題的可能解組成種群，將每一個(gè)可能的解看作種群的個(gè)體，從一組隨機(jī)給定的初始種群開(kāi)始，持續(xù)在整個(gè)種群空間內(nèi)隨機(jī)搜索，按照一定的評(píng)估策略即適應(yīng)度函數(shù)對(duì)每一個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)，不斷通過(guò)復(fù)制、交叉、變異等遺傳算子的作用，使種群在適應(yīng)度函數(shù)的約束下不斷進(jìn)化，算法終止時(shí)得到最優(yōu)/次最優(yōu)的問(wèn)題解。圖3 為裝配規(guī)劃遺傳算法的一般流程。

裝配規(guī)劃遺傳算法的研究重點(diǎn)集中于設(shè)計(jì)裝配序列的基因編碼方式以包含更多的裝配過(guò)程信息、設(shè)計(jì)基因操作的形式和改進(jìn)遺傳算法的局部搜索能力上。Lazzerini 等[27]的分段編碼遺傳算法中，將染色體分為3 段編碼，第1 段表示參與裝配的零件編號(hào)，第2 段表示零件的可行裝配方向，第3 段表示裝配工具，從而使染色體包含了部分工藝信息。為了提高算法的性能，文中將裝配體分解為子裝配體進(jìn)行裝配，減少了參加裝配序列規(guī)劃的零件數(shù)目；Guan 等[28]采用基因團(tuán)編碼方式，一個(gè)基因團(tuán)表達(dá)一個(gè)零件的裝配操作，由被裝配零件號(hào)裝配元、裝配工具裝配元、裝配方向裝配元和裝配類型裝配元組成。在擴(kuò)大采樣空間選擇下一代種群的基礎(chǔ)上，通過(guò)交叉和多層次變異實(shí)現(xiàn)裝配序列并行優(yōu)化。廖小云和陳湘鳳[29]在裝配序列規(guī)劃遺傳算法中設(shè)計(jì)了復(fù)制、交叉、變異、剪貼和斷連5 種遺傳算子尋找裝配序列優(yōu)化解。在Smith 等[30]的增強(qiáng)型遺傳算法中，選擇下一代個(gè)體并不完全依靠適應(yīng)度，而是先把一定數(shù)量較優(yōu)的個(gè)體復(fù)制到下一代，將適應(yīng)度低但幾何可行的序列用于繼續(xù)產(chǎn)生序列，直到滿足下一代種群中序列個(gè)數(shù)的需求，從而使算法能跳出局部最優(yōu)點(diǎn)，在全局范圍內(nèi)搜索最優(yōu)解。

理論上，找到全局最優(yōu)裝配序列要求參加演化計(jì)算的種群規(guī)模要足夠大，迭代次數(shù)要無(wú)限

多，但在計(jì)算資源和時(shí)間限制下是達(dá)不到要求的。因此，遺傳算法求解裝配規(guī)劃問(wèn)題的效率和結(jié)果依賴于初始種群規(guī)模及其質(zhì)量、遺傳算子及其操作概率等因素。

4 協(xié)同裝配規(guī)劃方法

裝配體作為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的載體，零部件可能由不同的企業(yè)設(shè)計(jì)，零部件和產(chǎn)品可能在不同的裝配工廠完成裝配過(guò)程，因此需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的協(xié)同工作和決策以保證裝配質(zhì)量和降低裝配成本。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展縮短了異地人員在時(shí)間和空間上的距離，為實(shí)時(shí)的“人－機(jī)－人”協(xié)同裝配工作提供了可能。

Wisconsin-Madison 大學(xué)[31]提出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的電子化裝配（ e-Assembly ），探討在Internet/Intranet 上利用3D 模型進(jìn)行協(xié)同虛擬裝配和拆卸的方法論和工具，擬實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括3D 交互可視化、協(xié)同裝配/拆卸/維護(hù)/回收等。目前已開(kāi)發(fā)了Motive3D 系統(tǒng)，利用Synthesizer模塊可以交互/自動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)品的裝配建模和規(guī)劃，Visualizer 模塊為用戶在Web 平臺(tái)上提供裝配序列規(guī)劃結(jié)果的可視化仿真，但缺少交互修改、調(diào)整功能。在ATS 項(xiàng)目[32]實(shí)施中，為了向異地的開(kāi)發(fā)人員展示裝配設(shè)計(jì)和裝配規(guī)劃結(jié)果，嘗試?yán)肰RML 作為可視化工具，一方面供設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)瀏覽零部件設(shè)計(jì)，另外將裝配模型用文本編輯軟件進(jìn)行編輯，生成裝配序列的VRML 仿真文件，供異地的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)和提出修改意見(jiàn)。但手工編輯文件不但花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一周，而且每次設(shè)計(jì)修改后都必須重新編輯；同時(shí)，仿真文件僅具有瀏覽功能，不能進(jìn)行交互修改。

Web 環(huán)境下的協(xié)同裝配規(guī)劃方法[33]采用協(xié)同工作環(huán)境下的裝配建模、裝配規(guī)劃任務(wù)分配和裝配序列合成等技術(shù)，通過(guò)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配規(guī)劃問(wèn)題的分解，即降低了單機(jī)規(guī)劃工作模式的復(fù)雜度，又便于集中不同地域多專家的裝配知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行裝配規(guī)劃方案的協(xié)同決策。面向協(xié)同廣義裝配[34]通過(guò)確定裝配子任務(wù)編碼方法、裝配人員評(píng)價(jià)指數(shù)和制定協(xié)同裝配協(xié)議，以VRML 為產(chǎn)品模型載體實(shí)現(xiàn)協(xié)同裝配系統(tǒng)。在裝配知識(shí)和規(guī)則的支撐下，支持局域網(wǎng)內(nèi)多用戶實(shí)施產(chǎn)品預(yù)裝配、驗(yàn)證零部件可裝配性，相關(guān)的裝配人員能夠協(xié)同討論裝配方案。Web 環(huán)境下3D 交互裝配可視化仿真結(jié)構(gòu)是一個(gè)符合開(kāi)放技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可視化裝配系統(tǒng)[35]，它基于VRML-Java 實(shí)現(xiàn)裝配場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)生成、裝配控制、碰撞檢測(cè)以及裝配過(guò)程的動(dòng)畫回放等功能，目前完成了基于“堆疊”思路的裝配驗(yàn)證方式。但該系統(tǒng)屬于單用戶系統(tǒng)，不能支持多用戶的實(shí)時(shí)協(xié)同裝配工作。

5 結(jié)論與展望

CAAP 的研究在理論上取得了一定的成果，在工業(yè)界也得到了一定的應(yīng)用，但相對(duì)而言還很少，這說(shuō)明該技術(shù)距離工業(yè)實(shí)用還存在較大差距。裝配規(guī)劃是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)密集型的工作，同時(shí)又與具體行業(yè)和產(chǎn)品有緊密的關(guān)系。經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的精確推理在保證序列的幾何可行性方面具有優(yōu)勢(shì)，而軟計(jì)算技術(shù)能夠?qū)⑷说哪：R(shí)融入規(guī)劃過(guò)程中，使得結(jié)果具有更好的工藝可行性，兩者的適當(dāng)結(jié)合將有利于模仿人類裝配專家的實(shí)際裝配規(guī)劃過(guò)程，從而得到合理的裝配方案。

跨地域、跨國(guó)家的網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造新模式的形成使產(chǎn)品裝配成為一個(gè)需要協(xié)同工作和決策的問(wèn)題。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，建立基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同裝配決策平臺(tái)和虛擬環(huán)境，支持異地多人員協(xié)同裝配方案決策將是新形勢(shì)下裝配規(guī)劃研究的新趨勢(shì)。 參考文獻(xiàn)

[1] 蘇強(qiáng)， 林志航. 計(jì)算機(jī)輔助裝配順序規(guī)劃研究綜述[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 1999， 18(6): 1006~1012.

[2] 石淼， 唐朔飛， 李明樹(shù). 裝配序列規(guī)劃研究綜述[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展， 1994， 31(6): 30~34.

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第3篇

【關(guān)鍵詞】虛擬裝配技術(shù),汽車變速箱設(shè)計(jì),應(yīng)用技術(shù)

中圖分類號(hào)： S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

一、前言

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激化，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展必要的手段。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，我們要完善設(shè)計(jì)技術(shù)，降低產(chǎn)品的成本和生產(chǎn)周期。虛擬裝配技術(shù)就很好的滿足了這個(gè)要求。

二、虛擬裝配技術(shù)研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)虛擬裝配技術(shù)的研究起步較早，在理論上的研究涉及面廣，且已經(jīng)有較為廣泛的應(yīng)用。美國(guó)華盛頓州立大學(xué)的Jyaaram等開(kāi)發(fā)研制了一個(gè)稱為“虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境”(VADE)的虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)。利用這個(gè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)工作的初期便可考慮有關(guān)裝配和拆卸的問(wèn)題，從而避免了裝配設(shè)計(jì)方面的缺陷。在這個(gè)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員首先將在CAD系統(tǒng)建立的零件模型導(dǎo)入虛擬裝配系統(tǒng)，然后在虛擬裝配系統(tǒng)中直接操作虛擬零件進(jìn)行裝配，有關(guān)產(chǎn)品的可裝配性得到檢驗(yàn)，同時(shí)也獲得了許多有關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造工藝信息。Dewar等提出了虛擬環(huán)境中輔助進(jìn)行手工裝配的方法，該方法能夠自動(dòng)記錄操作人員在虛擬環(huán)境中對(duì)虛擬部件的裝配動(dòng)作，還能輔助操作人員自動(dòng)進(jìn)行裝配，并且詢問(wèn)操作人員裝配時(shí)的裝配方法，同時(shí)生成裝配規(guī)劃。

三、相關(guān)技術(shù)分析

虛擬裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：面向裝配的產(chǎn)品建模，裝配序列規(guī)劃策略，虛擬裝配仿真技術(shù)，可裝配性評(píng)價(jià)技術(shù)。

1.面向裝配的產(chǎn)品建模技術(shù)

產(chǎn)品裝配建模是虛擬裝配設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其實(shí)質(zhì)在于如何在計(jì)算機(jī)內(nèi)有效地表達(dá)裝配體內(nèi)在和外在的關(guān)系。模型的優(yōu)劣直接影響到設(shè)計(jì)系統(tǒng)后續(xù)工作的效率，故而建立一個(gè)集成度高、信息完善的裝配模型具有重要的意義。

2.裝配序列規(guī)劃策略

在機(jī)械產(chǎn)品裝配中，一組零件或子裝配體的裝配順序起著關(guān)鍵的作用。裝配同一產(chǎn)品可以用不同的裝配順序，這些不同的裝配順序形成了不同的裝配序列。按照某些裝配序列，可以較順利地組織裝配，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求；而有些裝配序列的采用，由于各種原因，卻不能達(dá)到指定的裝配目標(biāo)。裝配序列規(guī)劃就是在給定產(chǎn)品設(shè)計(jì)的條件下，找出合理、可行的裝配序列，按照這樣的序列，可以達(dá)到指定的裝配目標(biāo)。

3.虛擬裝配仿真技術(shù)

采用虛擬裝配技術(shù)是為了在設(shè)計(jì)階段就驗(yàn)證零件之間的配合性和基于二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)的裝配模型可裝配性，保證設(shè)計(jì)的正確性。通過(guò)預(yù)覽數(shù)字化產(chǎn)品，對(duì)規(guī)劃的裝配過(guò)程(裝配順序和裝配路徑)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品可裝配性做出評(píng)測(cè)，從裝配角度獲得反饋信息，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)，進(jìn)而達(dá)到提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。因此，裝配仿真可以視為面向裝配設(shè)計(jì)的重要手段，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)裝配設(shè)計(jì)分析方法的不足。

四、虛擬裝配工作內(nèi)容

1.虛擬裝配前期準(zhǔn)備

虛擬裝配工作涉及內(nèi)容較多, 范圍較廣, 因此前期準(zhǔn)備工作十分重要。首先要制定虛擬裝配的總體時(shí)間計(jì)劃, 時(shí)間計(jì)劃中要包含制造工程師對(duì)工序進(jìn)行調(diào)整和的時(shí)間、虛擬裝配工程師在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中建立工序結(jié)構(gòu)樹(shù)的時(shí)間、工程支持部門數(shù)據(jù)健康性檢查報(bào)告以及數(shù)據(jù)凍結(jié)及下載的時(shí)間、進(jìn)行虛擬裝配及生成報(bào)告的時(shí)間。

虛擬裝配對(duì)數(shù)據(jù)具有較高的要求: 數(shù)據(jù)要在正確的結(jié)構(gòu)樹(shù)中; 要生成正確完整的輕量化文件; 數(shù)據(jù)版本要進(jìn)行; 車輛要正確配置; 整車位置正確; 數(shù)據(jù)層次正確, 父級(jí)子級(jí)無(wú)重復(fù)零件, 左右件無(wú)重復(fù)特征。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)模型的準(zhǔn)備工作, 對(duì)于新的項(xiàng)目要確定項(xiàng)目的車型組成, 按不同車型進(jìn)行分類整理并保存數(shù)模, 而對(duì)于改型車型, 就要重點(diǎn)確定項(xiàng)目的更改內(nèi)容, 然后保存更改之后的車型數(shù)模, 這樣就為虛擬裝配做好了數(shù)模的準(zhǔn)備。還要確定項(xiàng)目的組織結(jié)構(gòu), 確認(rèn)相關(guān)設(shè)計(jì)人員和專業(yè)虛擬裝配人員所應(yīng)承擔(dān)的職責(zé)和權(quán)限, 為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。最后, 在進(jìn)行整車的虛擬裝配工作之前要明確數(shù)據(jù)管理的重點(diǎn), 要以檢查前最新版本的零件清單為依據(jù), 明確當(dāng)前缺少數(shù)據(jù)模型的零件, 并保證所有零件都有相應(yīng)的工位信息,然后明確記錄數(shù)據(jù)版本, 利用實(shí)時(shí)數(shù)字樣機(jī)仿真與分析系統(tǒng)Vismockup的快照功能對(duì)數(shù)模信息進(jìn)行完整記錄。

五、虛擬裝配技術(shù)在汽車變速箱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.研究目標(biāo)

為了適應(yīng)現(xiàn)代化制造及并行設(shè)計(jì)的思想，我們嘗試把虛擬制造裝配應(yīng)用到汽車變速箱的設(shè)計(jì)中，通過(guò)研究，希望達(dá)到以下目標(biāo)：

（一）汽車變速箱實(shí)現(xiàn)面向裝配的設(shè)計(jì)，為下一步的開(kāi)發(fā)研制提供實(shí)施方法及理論支持，實(shí)現(xiàn)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提高質(zhì)量。

（二）變速箱零件全部實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型。

（三）建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享。

（四）實(shí)現(xiàn)自上而下的設(shè)計(jì)。

2.虛擬裝配技術(shù)在變速箱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

汽車變速箱作為汽車的重要傳動(dòng)部件之一，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)汽車的性能。具體到變速箱的設(shè)計(jì)過(guò)程中，虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用思想、方法、具體的實(shí)現(xiàn)途徑如下：

（一）在總體設(shè)計(jì)階段，根據(jù)變速箱的設(shè)計(jì)要求以及總體設(shè)計(jì)參數(shù)建立變速箱的主模型空間。首先根據(jù)汽車整個(gè)設(shè)計(jì)的需要，確定變速箱箱體尺寸和大致外形；根據(jù)變速要求，我們的設(shè)計(jì)采用的是三軸式變速器，包括主軸、移動(dòng)軸和中間軸；檔位為六檔，五個(gè)前進(jìn)檔，一個(gè)倒檔。

（二）在裝配設(shè)計(jì)階段，完成變速箱結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)零件形狀的基本設(shè)計(jì)，是變速箱設(shè)計(jì)的重要階段。首先我們要完成的是如何實(shí)現(xiàn)變速器的功能要求，也就是如何實(shí)現(xiàn)其變速，接下來(lái)要進(jìn)行的是確定裝配基準(zhǔn)、裝配層次、裝配約束。以變速器的后箱體的內(nèi)表面為裝配基準(zhǔn)，分為以下幾個(gè)裝配區(qū)域：前蓋子裝配體，后蓋子裝配體，操縱蓋子裝配體。每一個(gè)子裝配體又由下一級(jí)的子裝配體和零件組成，主要是按照零部件間的設(shè)計(jì)邏輯依附關(guān)系來(lái)確定模型的父子關(guān)系，這樣一步一步設(shè)計(jì)出變速器所有零部件模型的設(shè)計(jì)。

（三）詳細(xì)設(shè)計(jì)階段中，在保證所有零件的干涉自由和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)，完善變速箱所有零件的設(shè)計(jì)工作。

六、虛擬裝配技術(shù)存在的不足及發(fā)展趨勢(shì)

1.擬實(shí)化程度將越來(lái)越高

從其自身來(lái)講，虛擬裝配有著不可逾越的優(yōu)越性，然而，它在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的成功程度卻要取決于它對(duì)真實(shí)世界模擬的逼真程度。擬實(shí)化涉及虛擬裝配最根本的兩個(gè)方面，也就是虛擬產(chǎn)品模型和虛擬裝配仿真過(guò)程。目前數(shù)字化模型的虛擬裝配過(guò)程尚不能完全取代物理模型的裝配過(guò)程，這就限制了其應(yīng)用范圍。隨著工業(yè)界應(yīng)用要求的提高以及基于物理屬性建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多模式人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，虛擬裝配擬實(shí)化程度必將越來(lái)越高，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)完全有可能取代物理實(shí)物的試裝配過(guò)程，從而大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期并節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

2.實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化

縱觀工業(yè)領(lǐng)域各種技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，大都有一個(gè)從非標(biāo)準(zhǔn)化到標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展過(guò)程，這一過(guò)程同樣適用于虛擬裝配技術(shù)。當(dāng)前虛擬裝配涉及的技術(shù)和表達(dá)方式都沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這是其發(fā)展?fàn)顩r所決定的一個(gè)必經(jīng)階段。隨著在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的逐步展開(kāi)，如果沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，必將影響虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用范圍，從而阻礙其發(fā)展，因此，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化是虛擬裝配技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

七、結(jié)語(yǔ)

面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，虛擬裝配在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)揮了重要的作用。在虛擬裝配的應(yīng)用中，我們要改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行合理的裝配。只有這樣，在以后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中虛擬裝配技術(shù)才會(huì)有更好的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

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