基于装配（精选十篇）
基于装配 篇1
一个复杂的装配体可以划分为若干分属不同
层次的子装配体,其装配过程是一个多层次非线性过程。在非线性装配中,通过判断子装配体的稳定性以及工具的可操作性,可以减小难度大的装配操作对后续装配质量的影响。因此子装配体(子系统)的识别是简化装配序列规划、保证装配质量、有效提高装配效率所必须解决的问题[1,2]。Dini等[3]通过对产品各种可能的零件组合进行分析计算而获得子装配体;张勐等[4]将带权无向连接图与装配体的干涉矩阵和支撑矩阵相结合,设计并实现了子装配体的识别算法。谭光宇等[5]从零件的类型以及配合关联图中的最小回路、树枝出发搜索和识别子装配体。张景霞等[6]通过绘制装配网络关系图来确定图中存在的子装配体。
上述方法大多是利用装配体的关系图通过复杂的矩阵运算得到的[7,8]。表面上看,子装配体的自动生成简化了装配序列组合爆炸的问题,实际上在生成子装配体时需要处理大量的数据,总体上并没有减小装配序列规划的计算量。针对这个问题,本文提出了一种工艺子装配体的识别算法。在产品设计初期的功能结构树中,已经存在一些子装配体,但是这些子装配体只是从功能的角度来划分的,如果它们同时满足了装配工艺约束条件,那么它们就可以作为装配过程中的一个子装配体。因此本文利用功能结构树的功能子装配体信息和零件信息,通过分析功能子装配体间的装配约束关系识别满足装配工艺约束条件的子装配体,并以此生成产品的装配工艺结构树。
1 基本定义和规则
定义1 功能结构树。按功能之间的层次关系描述产品及其零部件之间层次关系的树状模型称为功能结构树,如图1所示。在传统的功能结构树中,存在一类特殊的结构,即支撑部件,其功能是支撑和保护其他功能结构。没有支撑件的存在,被支撑件就无法在产品中实现其功能,因此从某种意义上说,只有在支撑件参与的前提下,被支撑件才能完成所应该完成的功能,因此支撑件也可以看作是实现被支撑件功能的结构之一。
定义2 复合功能结构树。将支撑部件与被支撑部件合并为同一父节点下的子节点的功能结构树称复合功能结构树。
定义3 功能子装配体。设装配体S={Pi|i=1,2,…,N},N为装配体的零件总数,如果在复合功能结构树中存在S的子集SA={Pj|j=1,2,…,m},SA⊂S,1≤j≤m,2≤m≤N-1,SA能够从功能上作为一个独立模块实现产品的某种子功能,则称SA为S的功能子装配体。
定义4 工艺子装配体。即满足装配工艺约束条件的子装配体。工艺子装配体可以与其他子装配体或者自身构成功能子装配体。
工艺子装配体具有如下三个性质:①除基础件以外,零件间的装配关系能确定该零件在工艺子装配体中的正确位置;②工艺子装配体中的任一零件一定能够被无干涉地安装在子装配体中;③单独一个工艺子装配体在装配后不会干涉其他工艺子装配体安装。
定义5 干涉件。阻碍子装配体或零件安装的零(部)件称为该子装配体的干涉件。
定义6 装配工艺结构树。由工艺子装配体构成的树状层次关系模型称为装配工艺结构树,该模型蕴含了一定的装配先后关系。
2 工艺子装配体识别
功能结构树中的功能子装配体隐含了工艺子装配体,但是功能结构树仅表达了产品面向功能的结构层次,不能满足装配工艺约束条件,因此从装配工艺的角度对每一个功能子装配体进行分析,可以获得面向装配工艺约束的子装配,从而将功能结构树变换为装配工艺结构树。
2.1 功能子装配体干涉关系的判断
将复合功能结构树重构为装配工艺结构树的关键问题是工艺子装配体的识别。由工艺子装配体的性质③可知,任何一个工艺子装配体都不会干涉其他子装配体的安装,因此功能子装配体间干涉关系的判断是建立装配工艺结构树和识别工艺子装配体的关键问题。
设功能子装配体Sf1={pi|i=1,2,…,l},Sf2={pj|j=1,2,…,m},pi为构成Sf1的零件,pj为构成Sf2的零件(2≤m、l≤N-1);PW(pk)={pγ|γ=1,2,…,h}(1≤h≤N)为构成干涉关系方程W(pk)(pk∈Sf2)[9]的零件集合。
在文献[9]中,采用零件间位置判断与动态干涉分析相结合的方法生成零件间的干涉关系,并建立了干涉关系方程组。在零件干涉关系方程组的基础上,分析Sf1与Sf2之间的干涉关系,具体步骤如下:
(1)提取功能子装配体Sf2中零件pk的干涉关系方程W(pk),pk∈Sf2。
(2)计算零件pk的干涉关系方程W(pk)。对于零件pi,若pi∈PW(pk),且pi∈Sf1,则令W(pi)=1;若pi∈PW(pk),且pi∉Sf1,则令W(pi)=0。
(3)判断W(pk)是否为1,如果是,转步骤(4),否则转步骤(5)。
(4) Sf1干涉Sf2的安装,转步骤(7)。
(5)是否完成Sf2中所有零件的判断,如果是,转步骤(7);否则读取下一个零件,转步骤(1)。
(6) Sf1不干涉Sf2的安装。
(7)输出结果。
2.2 工艺子装配体的识别算法
搜索复合功能结构树的每一层功能子装配体,通过分析功能子装配体间的干涉关系和判断子装配体的稳定性,进行子装配体层次关系的调整,从而构建装配工艺结构树。该方法简化了子装配体的识别,为大规模装配体装配序列的快速生成提供了条件。具体步骤如下:
(1)建立复合功能结构树。分解支撑组件,将其与被支撑件合并。
(2)读取功能结构树第i层的功能子装配体j(初始i=n-1,j=1,n为功能结构树的总层次数)。
(3)判断功能子装配体间的干涉关系。功能子装配体j是否使得其他功能子装配体无法安装,如果是,则j不是工艺子装配体并转步骤(4);否则,划分j为本层工艺子装配体,并转步骤(7)。
(4)提取j中的干涉件k,划分k为本层的工艺子装配体。
(5)判断功能子装配体j中剩余零件组l是否满足定位约束,如果是,则将l作为该层的工艺子装配体并转步骤(7),否则转步骤(6)。
(6)提取l中不能满足定位约束的零件m,并将零件m作为本层的工艺子装配体,转步骤(5)。
(7)该层功能子装配体是否全部判断完成,如果是则转步骤(8),否则转步骤(3)。
(8)输出第i层功能子装配体的工艺子装配体信息。
(9)i←i-1,重复步骤(1)～步骤(8),直至功能结构树中各层的功能子装配体处理完。
(10)输出装配工艺结构树。
在装配工艺结构树中,叶子节点为零件,中间节点为工艺子装配体,根节点为产品。
3 工艺子装配体装配约束关系的形式化分析
任何一个装配结构必须满足一定的装配约束关系才能实现装配操作,因此在对子装配体进行安装时,必须满足其自身的装配约束关系。文献[9]给出了单个零件的装配约束关系方程组的计算方法。由于工艺子装配体是由若干零件构成的集合,通过对零件的装配约束关系方程组进行变换可以得到工艺子装配体的装配约束关系方程组。
3.1 定位关系方程
当一个工艺子装配体中的零件在产品中具有确定位置时,该工艺子装配体在产品中的位置也随之确定。因此,通过变换零件的定位关系方程可以得到其所属工艺子装配体的定位关系方程。具体步骤如下:
(1)读取构成工艺子装配体SAi的零部件pi的定位关系方程B(pi)。
(2)对B(pi)进行变换。设方程B(pi)中包含零部件pm,如果pm∈SAi,则删除B(pi)中pm及相关运算,在装配工艺结构树中;如果pm与SAi同层或者高于SAi所在的层,则保留B(pi)中pm及相关运算;如果pm∈SAm,且SAm和SAi同层,用SAm替换方程中的pm,则可得到逻辑关系式:
B′(pi)=b(SAm)∨(∧)…∨(∧)b(SAj) (1)
pi∉SAm且pi∉SAj
式中,b(SAm)为工艺子装配体SAm在零部件pi定位过程中的逻辑值。
如果方程B(pi)仅包含构成SAi的零部件,则令B′(pi)=0。
(3)是否完成SAi中所有零件的定位关系方程的变换,如果是,转步骤(4),否则转步骤(1)。
(4)对变换后的所有零件的B′(pi)进行“∨”运算。
(5)输出该工艺子装配体的定位关系方程,即
B(SAi)=B′(pj)∨…∨B′(pk) (2)
j≠k pj,pk∈SAi
例如装配体S={p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7,p8}包括3个工艺子装配体:SA1={p1,p6},SA2={p3,p4,p7,p8},SA3={p2,p5}。其装配工艺结构树如图2所示。
SA2中各零件的定位关系方程为
B(p3)=(b(p4)∧b(p7))∨(b(p1)∧b(p2))
B(p4)=b(p3)∧b(p7)
B(p7)=b(p3)∧b(p8)
B(p8)=b(p3)
变换后的逻辑关系式为
B′(p3)=b(p1)∧b(p2)=b(SA1)∧b(SA3)
B′(p4)=0
B′(p7)=0
B′(p8)=0
工艺子装配体SA2的定位关系方程为
B(SA2)=B′(p3)=b(SA1)∧b(SA3)
3.2 干涉关系方程
由工艺子装配体的性质③可知,在装配过程中,如果有k(k≤2)个工艺子装配体进入装配环境中,则可能导致其他工艺子装配体无法安装,而单独的工艺子装配体一定不会干涉其他工艺子装配体的安装。一个工艺子装配体是由若干个零件组成的集合,只有每一个零件都能实现无干涉地安装,那么该子装配体才能被装配。因此,工艺子装配体的干涉关系方程是由其内部零件的干涉关系方程变换得到的。具体步骤如下:
(1)读取构成工艺子装配体SAi的零部件pi的干涉关系方程W(pi)。
(2)对零件的干涉关系方程进行变换。设方程W(pi)中包含零部件pm。如果pm∈SAi,则删除W(pi)中pm及相关运算。在装配工艺结构树中,如果pm与SAi同层或者高于SAi所在的层,则保留W(pi)中pm及相关运算;如果工艺子装配体SAm和SAi同层,且pm∈SAm,用SAm替换方程中的pm,则可得到逻辑关系式W′(pi)。如果方程W(pi)仅包含构成SAi的零部件,则令W′(pi)=0,且
W′(pi)=w(SAm)∨(∧)…∨(∧)w(SAj) (3)
pi∉SAm且pi∉SAj
式中,w(SAm)为工艺子装配体SAm在零部件pi装配过程中的逻辑值。
(3)是否完成SAi中所有零件干涉关系方程的变换,如果是,转步骤(4),否则转步骤(1)。
(4)对SAi所有零件的W′(pi)进行“∨”运算。
(5)输出该工艺子装配体的干涉关系方程,即
W(SAi)=W′(pj)∨…∨W′(pk) (4)
j≠kpj,pk∈SAi
以图2所示的装配体S={p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7,p8}为例,SA2中各零件的干涉关系方程为
W(p3)=(w(p1)∧w(p2))∨(w(p7)∧w(p2))
W(p4)=w(p5)∧w(p6)
W(p7)=w(p3)∧w(p4)
W(p8)=w(p3)∧w(p2)
变换后的逻辑关系式为
W′(p3)=w(p1)∧w(p2)=w(SA1)∧w(SA3)
W′(p4)=w(p1)∧w(p6)=w(SA1)∧w(SA3)
W′(p7)=0
W′(p8)=0
工艺子装配体SA2的干涉关系方程为
W(SA2)=W′(p3)∨W′(p4)∨W′(p7)∨W′(p8)=
w(SA1)∧w(SA3)
4 应用实例
图3所示为某天线支撑部件,由天线支撑、上底座和底座盖三部分组成,总共包括了99个零件和若干连接件。其中,天线支撑包括了16个零件:a1顶板,a2圆筒1,a3法兰套圈,a4外密封圈,a5内密封圈,a6连接法兰,a7内圈,a8圆筒2,a9筋1,a10筋2,a11筋3,a12筋4,a13筋5,a14筋6,a15垫片,a16螺钉,其中,a9和a10完全相同,a12和a13完全相同;上底座包括了46个零件:a17定位板,a18～a21板件,a22管接头,a23V形槽,a24油管,a25内薄筒,a26外薄筒,a27～a39小T形凸台,a40侧板,a41～a43大T形凸台,a44连接板,a45四角板,a46中心体,a47纵板,a48～a62立板;底座盖包括了37个零件:a63底板,a64～a69板件,a70侧板,a71管接头,a72管接头,a73圆板,a74筒,a75槽体,a76～a83立板,a84～a99凸台。
(1)以功能结构树中子装配体——天线支撑为例,建立零件的干涉关系方程组:
W(a1)=0
W(a2)=w(a1)∧w(a9)∧w(a10)∧w(a11)∧
w(a12)∧w(a13)∧w(a14)∧w(a6)
W(a3)=w(a1)∧w(a6) W(a4)=0
W(a5)=w(a3)
W(a6)=(w(a1)∨w(a2))∧w(a3)∧w(a7)
W(a7)=0 W(a8)=0 W(a9)=0
W(a10)=0 W(a11)=0 W(a12)=0
W(a13)=0 W(a14)=0
(2)以a2为例,判断功能子装配体间的干涉关系:
W(a2)=w(a1)∧w(a9)∧w(a10)∧w(a11)∧
w(a12)∧w(a13)∧w(a14)∧w(a6)
由2.1节中功能子装配体干涉关系算法可知:W(a2)=0。同理可知W(ai)=0(1≤i≤16)。由2.1节的算法知天线支撑与其他两个功能子装配体不发生干涉关系。由2.2节的算法知天线支撑为工艺结构树的一个工艺子装配体。同理,通过分析计算可知,功能结构树中的上底座和底座盖都可作为产品的工艺子装配体。因此天线支撑部件的功能结构树也可作为装配工艺结构树。在设计阶段生成的功能子装配体可以直接作为装配过程中的工艺子装配体。这样通过对设计阶段知识的重复利用,减小了装配序列求解过程的计算复杂性。
(3)构成天线支撑部件的工艺子装配体分别为:
天线支撑S1={ai|i=1,2,…,16}、上底座S2={ai|i=17,18,…,62}和底座盖S3={ai|i=63,64,…,99}。它们的装配约束关系方程组分别为
B(S1)=b(S2) B(S2)=b(a0)
B(S3)=b(S2) W(S1)=0
W(S2)=w(S1)∧(w(S3)∨w(S5))
W(S3)=(w(S2)∨w(S1))∧w(S5)
按照本文方法所获得的天线支撑结构的子装配体与实际情况相符,表明本文提出的方法是正确可行的。同时,可以先分别计算各工艺子装配体的可行装配序列,然后再计算由工艺子装配体构成的产品可行装配序列,这样,既符合实际装配过程,同时也简化了计算过程,为提高装配质量提供了基础。
5 结语
本文基于产品的功能结构树,给出了一种工艺子装配体的识别方法。首先给出了工艺子装配体和功能子装配的定义及性质,并对功能子装配体间的干涉关系以及子装配体的稳定性进行了分析,提出了工艺子装配体的识别算法,建立了装配工艺结构树,给出了工艺子装配体装配约束关系方程组的算法。
与现有子装配体识别方法相比,本文将产品设计初期的功能子装配体转换为装配工艺子装配体,通过知识的重复利用,简化了子装配体的识别过程,在子装配体的识别问题方面前进了一步,为保证大规模装配体的装配质量、提高装配效率提供了条件。
摘要：针对复杂产品工艺子装配体识别的问题,提出了一种基于功能结构树的工艺子装配体识别方法。首先给出了产品的功能子装配体和工艺子装配体的定义和性质,给出了判断功能子装配体间干涉关系的算法;然后通过分析功能子装配体间的干涉关系和稳定性,提出了识别工艺子装配体和生成装配工艺结构树的算法,并给出了工艺子装配体装配约束关系方程组的计算步骤,最后通过实例验证了所提出方法的正确性和可行性。该方法简化了子装配体的识别过程,为提高大规模装配体的装配效率提供了条件。
关键词：功能子装配体,工艺子装配体,装配工艺结构树,装配约束关系
参考文献
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基于装配 篇2
基于Pro/E的装配工装设计与管理系统
应用基于实例推理、参数化设计思想,将三维计算机辅助设计技术和数据库管理技术应用于装配工装的设计中,在Pro/E平台上实现了装配工装设计与管理系统,并介绍了该系统的结构和功能实现方法.
作 者：王磊 段晓峰 吴宗莲 Wang Lei Duan Xiaofeng Wu Zonglian 作者单位：北京理工大学机械制造自动化学院刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：“”(1)分类号：V2关键词：基于实例设计 参数化设计 装配工装
基于装配 篇3
关键词 能力本位 设备机械装配与调试 教学设计 任务驱动
中图分类号：G712 文献标识码：A
机电一体化技术专业在示范院校重点专业建设过程中确定了专业培养目标是培养能够从事机电设备操作、装配、维修和管理等岗位，具有良好职业道德、较强专业技能和可持续发展能力的高素质技能型人才。同时与行业企业合作进行了工作过程系统化的课程体系开发，确定设备机械装配与调试为专业核心课程之一，该课程主要培养学生设备的使用维护、机械装调、机电设备管理等专业职业能力。按照高等职业教育教学的要求，培养学生的职业能力是职业教育的根本。为此，课程组根据课程的培养目标，从“能力本位”出发，对课程的教学内容进行了重构和设计，探索了适合课程特色的教学模式，通过完成源于职业岗位典型的工作任务，培养学生设备机械装调专业能力的同时，获得工作过程知识，促进学生关键能力和职业素质的提高，从而发展学生的综合职业能力。
本课程的开发和设计依据机电行业职业任职要求，参照装配钳工和机床装调工的职业资格标准，在设计中充分体现课程的职业性、实践性和开放性。
1 明确课程的能力目标
根据高职院校的人才培养要求，高等职业院校要培养具备综合职业能力的，能直接在生产、服务、技术和管理第一线工作的应用型人才。因此，对于以应用技能为主的设备机械装配与调试课程，在设计中要注重培养和提升学生的综合素质，增强学生的综合职业能力。而职业能力的高低又主要取决于专业能力、方法能力和社会能力等，因此，本课程设计时把培养学生的职业能力作为课程的教学目标，如表1所示。
2 设计课程教学内容
根据机电行业企业发展需要，以及完成机电设备机械装调职业岗位实际工作所需要的知识、能力和职业素质要求选取课程内容。同时融合职业资格标准，在培养学生职业能力的同时提高学生的可持续发展能力。
根据课程的职业能力目标和特点，以“任务驱动，能力递进”的专业人才培养模式为指导，遵循“工学结合、必需够用、任务导向和情境化设计”的设计理念，对教学内容进行重构设计，在设计中注重联系实际应用，强调“实用、够用”的原则。通过与企业专家和工程技术人员共同进行工作任务分析，提炼典型工作任务，分析归纳行动领域，对典型工作任务再进行教学论加工确定课程内容。我们最终选择了以典型的机床设备为载体构建学习情境，再以机床的主要部件为载体构建子学习情境（工作任务）。并充分考虑高职学生的实际情况，设计任务内容时由浅入深，由易到难，能力递进，符合学生的认知规律。表2为工作过程系统化的课程结构设计。通过完成实际工作任务来组织引领课程内容，通过工作任务的完成，培养学生的职业能力，实现“教、学、做”一体化，通过任务的完成过程培养学生的方法能力与社会能力。
3 教学过程设计
根据学生的职业能力培养要求，在教学过程设计中突出“以能力为本位，以学生为主体，以教师为主导”的设计思想，以工作任务驱动教学内容，使学生在真实的任务中探索学习。按照“任务分析→相关知识储备→结构认知→任务实施→检查评估→任务总结”的逻辑顺序，设计和组织教学过程。每个任务的完成都遵循资讯、决策、计划、实施、检查、评估“六步骤”过程工作法。如“车床主轴部件装调”教学过程设计如下：
（1）资讯：采集车床主轴部件拆装信息，包括传动原理、结构功用、零部件的联接关系、装配技术要求、装调方法、所需装调工、量具和辅具等。
（2）决策：确定主轴部件拆装流程的优化方案，零配件的选用，工量具、辅具的选用。
（3）计划：制定主轴部件拆装工艺流程，编制装配工艺文件，填写相关卡片、表格等。
（4）实施：主轴部件拆装前的准备及检查，工具的使用与维护，按拆装流程实施拆装、检查和调整，拆装过程中出现问题的分析和处理。
（5）检查：装配质量检查（包括外观要求、旋转精度及使用性能等），精度调整。
（6）评估：装配质量分析评估，找出精度超差原因及预防措施，总结优化方案，自评，小组互评，老师点评。
在教学过程中，始终将教学内容与具体任务相融合，学生在完成具体任务的过程中既学习了相关知识，又应用知识解决了实际问题。所以在不断地完成任务的过程中，学生习得了知识，提高了学习兴趣，增强了自信心，培养了综合职业能力。
每个任务从下达到最终完成，要融入个人自学、小组讨论、教师讲授等，最终每个小组要将本组的成果在课堂上进行展示汇报，接受老师与学生的提问和点评。通过具体任务的实施，体现课程内容的实际价值。在知识和技能掌握的同时，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的综合能力。
4 教学方法和手段
本课程是基于工作过程的典型的工学结合的课程，为了培养学生的职业能力，强化职业素质，必须采用适合的教学方法和手段。經过尝试多种教学方法，探索出较好的教学方法是任务驱动法、项目教学法、引导文教学法、现场教学法、组织讨论法等多元化的教学方法。多种教学方法的应用将理论和实践、课堂和实训室、学校和企业紧密地结合在一起，强化了学生综合技能培养，取得了显著的效果。
本课程的教学手段多样化，主要是进行了区级精品课程建设，开发了配套的教学资源和网络资源，编写了工学结合的教材，建立了设备机械装配与调试实训室，完善了机加工实训车间和相应的设备及工量具，开发了切实可行的实训项目等。丰富的教学资源和完善的实训条件有力地保证了学生课内学习和实训，促进学生职业能力的培养，同时也满足了学生能力拓展的要求，有利于学生可持续发展能力的培养。
5 课程考核方案设计
基于工作过程的课程必须注重形成性考核，才能客观反映学生的职业能力。本课程建立以能力和过程考核为重点的考核方式；以教师评价为主，个人、小组、教师三方共同参与其中，形成多元化的评价体系。考核共分三个模块，按百分制方式计算，其中考核学生职业素养养成的比重占30%，操作技能的比重占40%，期末考试成绩占30%；在每个模块内又进行了细化考评。如在完成每个任务的评价中从计划决策、实施、创新和合作意识等方面制定了详细的评价细则。这种考核方式的科学性在于能够全面客观地评价学生的综合职业能力，能够调动学生学习的积极性和创造性，有利于学生的全面发展。
基于能力本位课程的设计，必须从高职院校专业人才培养目标出发，通过调研分析制定课程的能力目标，并与行业企业专家共同设计教学内容，设计源于企业实际工作的典型的工作任务，通过工作任务的完成过程，培养学生的职业关键能力和综合素质。在教学过程中，要灵活应用适合的教学方法，提高教学效果。
参考文献
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基于CATIA虚拟装配的研究 篇4
1 虚拟装配的现实地位
虚拟装配是近年来兴起的重要研究方向之一, 它从产品装配设计的角度出发, 利用虚拟现实技术和计算机仿真技术, 建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境, 借助于虚拟现实的输入输出设备, 设计者可在虚拟环境中人机交互式地进行装配操作和规划, 检验和评价产品的装配性能, 生成经济、合理、实用的装配方案。虚拟装配技术已成为虚拟现实技术在工业界的典型应用, 利用它可优化产品设计、避免或减少物理模型制作、缩短开发周期、减少开发风险、降低成本, 提高装配操作人员的培洲速度、提高装配质量和效率, 解决难以用物理模型解决的技术问题。
2 虚拟装配的概念和内涵
从本质上讲, 虚拟装配以零部件的三维实体模型为基础, 通过虚拟的实体模型在计算机上仿真装配操作的全过程, 进行装配操作及其相关特性的分析, 实现产品的装配规划和评价, 生成指导实际装配现场的工艺文件。虚拟装配主要实现两个层次的映射, 即底层用产品数字化模型映射了产品物理模型, 顶层用虚拟的装配仿真过程映射了真实的装配过程。第一层次的映射避免了产品模型的物理实现, 同时使得工程分析、装配仿真成为可能;第二层次的映射使得产品装配规划、验证及评价成为可能。[1]
3 物理性虚拟装配过程
如图1所示为完整的基于物理属性虚拟装配过程, 可以分为三个阶段, 即装配准备、装配实施与装配定位。在装配实施阶段, 系统根据对装配对象的约束情况进行运动副映射, 如果映射运动副成功, 系统通过多体系统动力学方法对装配对象进行运动学与动力学分析;如果不能生成有效运动副, 则仍然沿用基于物理属性的虚拟装配过程研究的第一部分中使用的传统动力学及运动学分析方法。[2]
4 CATIA中的虚拟装配
数控实验平台的硬件设计中采用了一些标准件, 如轴承、螺栓、螺母等。但是很多零部件都需要自己去设计, 诸如丝杠及丝母、电机座、底板、支撑架等, 所以在零件外形和尺寸设计做了反复的实验, 就是依靠了CATIA中虚拟装配中的碰撞实验功能, 一旦在虚拟装配下出现干涉碰撞, 就正对性的对零件的外形或尺寸进行修改, 直到符合装配的要求为止。CATIA提供的干涉分析主要有3种, 分别是碰撞干涉 (dash) 、接触配合 (contact) 和间隙配合 (clearance) 。通过设置干涉量, 对该装配模型进行分析 (图2) 。
5 设计中存在的一些问题
(1) 在设计中还是偏重于装配过程的三维图形仿真, 检验产品设计中的碰撞干涉情况, 对装配过程中的各种工艺因素考虑不足, 如装配力引起的零部件变形、工装夹具的设计、装配质量测试的方便性、装配人员的安全性和舒适性等, 所以在生成满足实际需要的生产方案时遇到很多意向不到的问题。
(2) 装配的对象都是公称尺寸和理想化的零件, 没有考虑公差的影响, 没有采取有效的公差分析手段, 所以无法预见实际装配产生的结果, 以致最终实际的装配的精度不高。
(3) 此次设计时, 人为理念起到主导地位, 虽说通过虚拟装配能获得可行的装配方案, 但不一定是最好的。
6 结语
通过此次课题的研发, 进一步对CATIA软件的掌握和深入认识。虚拟装配在产品设计中的地位举足轻重的, 充分利用CATIA中虚拟装配的功能能大大提高设计的效率。但是我们今后还应该注重虚拟装配和产品设计系统 (CAD) 、工装夹具设计系统 (CAFD) 以及车间现场生产管理系统的集成, 以及与产品开发其它阶段的有机结合。
参考文献
[1]王峻峰, 李世其, 刘继红, 等.计算机辅助装配规划研究综述[J].工程图学学报, 2005 (2) :2～7.
装配分厂装配钳工培训复习题 篇5
一、1、2、3、工艺常识 凡待装配的零部件，必须是经本厂检验合格的零部件。凡已涂器漆的零部件，在油漆未干透之前，不得进行装配。零部件在装配前必须将铁屑、毛刺、泥沙等清理干净。
配合面及磨擦表面，不允许有锈蚀、划伤和碰伤。零件的油孔、油槽应清洁畅通。
4、零部件装配后，各润滑处必须注入适量的润滑油（脂）。
5、螺钉螺母头部与螺母的端面，应与被紧固的零部件平面均匀接触，不应倾斜，也
不允许用锤敲击使两平面接触。
6、螺钉、螺母紧固时严禁使用不合适的扳手，必须对称交叉轮番逐次拧紧，未注明
拧紧力矩要求时，拧紧力矩参照附表。
7、开口销装配应双片插入，尾部向两边分开，分开角应大于90º。
8、装配轴承时，应用压力机压入，如必须用手锤敲打，应用铜棒打击力均匀分布在带过盈的座圈上。应将带标记端朝外。
9、O型圈装配后应有压合量。
10、液压系统零部件装配前，必须将各种管道和容器内壁清理干净（硬管喷沙后，装
配前用高压气清理）
11、装配软管不得有扭曲现象。
12、试用螺纹紧固胶前，螺栓、螺母上如有油迹、污物，必须用洗油清理干净并吹干
后再使用。涂胶宽度为螺纹直径的1/4-3/4，胶液应填满螺纹沟槽。
13、用生料带密封时，生料带的缠绕方向与旋紧方向相反。
14、尼龙扎带束紧后，剪去多余部分。
15、装配与液压元件连接处的封口必须随装随拆。
16、什么是“三按”：按图纸、按标准、按工艺。
二、产品知识
1、简述轮式装载机的组成？
轮式装载机主要由动力系统、传动系统、车架、转向系统、制动系统、行走装置、工作装置、工作液压系统、电气系统和操作系统等组成。
2、（１）、ZL50E的含义是什么？
组代号：Z----装载机型代号：L---轮胎式 E----第五次变型轮式液力机械式装载机．（２）、LW320F表示额定载重量为3t、普通型、F系列轮胎式液力机械装载机。（３）、LW440G表示额定载重量为4t、中档次、G系列轮胎式液力机械装载机。
３、轮式装载机的特点
（１）、铰接式车架、转弯半径小、机动灵活，便于在狭窄场地作业。
（２）、液力变矩器传动动力，四轮驱动，充分利用发动机功率，增大转矩，整机有较大的牵引力。
（３）、动力换档，液压助力，全液压或流量放大转向，操纵轻便、灵活。
（４）、气顶油、钳盘式（或免维护湿式），四轮制动的制动系统，制动可靠、有效。（５）、低压宽基越野轮胎，加上后桥可绕中心上下摆动，具有良好的越野和通过性能。
４、轮式装载机柴油机系统一般由：柴油机、空滤器、散热器、油门操纵杆系、熄火装置、燃油箱、燃油滤清器、输油管路等组成。
５、装载机工作液压系统一般由：工作泵、多路阀、双作用安全阀、动臂和翻斗油缸等组成。
６、装载机转向液压系统一般由：转向泵、转向机、转向阀、转向油缸等组成。７、装配工艺内容有那些：装前确认、装配过程、装配技术要求、自检记录。
三、简答题
１、你在装配工作中怎样保证装配清洁度？
２、简述本岗位工作内容？
３、你怎样在工作中保证装配工作质量？
４、公司质量方针的内容是什么？
安全可靠的设计，一丝不苟的制造，及时有效的服务，力争第一的追求，为用户提供可以信赖的多样化的徐工产品。
５、什么叫装配？
按照规定的技术要求，将若干个零件结合成部件或将若干个零件和部件结合成机器的过程，称为装配。
６、简述装配工作的重要性？
装配工作的好坏对整个产品的质量起着决定作用。（1）、零件间的配合不符合规定的技术要求，机器不可能正常工作。（2）、零部件之间、机构之间的相互位置不正确，有的影响机器的工作性能，有的甚至无法工作。（3）、在装配过程中，不重视清洁工作，粗枝大叶，乱敲乱打，不按工艺要求装配，也不可能装出合格的产品。（4）、装配质量差的机器，精度底，性能差，消耗大，寿命短，将造成很大的浪费。
７、简述装配前的准备工作？
（1）、研究和熟悉产品装配图极其技术要求，了解产品的结构。零部件的作用以及相互连接关系。
（2）、确定装配的方法，顺序和准备所需要的工具。
基于装配 篇6
关键词： 拓扑理论 数据采集 自动装配
复杂周转轮系是指轮系结构复杂，装配、生产、调试复杂的产品，如飞机、航天器、船舶、卫星等[1]。此类周转轮系不同于简单周转轮系，产品装配的周期长、装配过程难度大、装配的成本很高[2]。仿真虚拟装配是近年来比较前沿的研究课题，此技术主要依赖数字化建模的方法在三维仿真软件环境下，借助仿真人机交互的软硬件设备在微型机上实现复杂产品的装配操作并可实现产品性能仿真分析、装配过程演示，从而完成对装配工人的工况条件下的装配工艺指导、探索新型产品、仿真分析产品特性、减低生产开发成本，尤其对飞机、卫星等大型产品，因所需资源类型较多、装配难度大、装配精度高等特点，开展基于拓扑理论的复杂周转轮系的虚拟仿真装配技术的研究有重要的理论、实践意义和应用价值。
1.虚拟装配关键技术
不同的虚拟仿真装配过程，因需求不同对装配模型包含的信息要求也是不同的，但通常包含以下两类信息是虚拟仿真装配过程必需的。
（1）拓扑模型信息：拓扑模型是将轮系的太阳轮、行星轮、啮合关系等抽象成为实心点、空心圈、粗/细实现、虚线等，具体说明见参考文献[3]。此拓扑模型是对装配实体信息的抽象，是点、线、约束面、实体之间关系，以便拓扑演化和反演，对新型轮系机构进行组合、拆分探索。
（2）轮系虚拟装配信息：应包含预装配的仿真轮系的元器件、层次结构、和装配约束关系等信息，以便在Pro/E仿真环境下调用相关零件进行产品组装以满足产品的要求。
为了实现复杂轮系的计算机系统的虚拟仿真装配，本文采用拓扑拆分信息提取的方法，即用Visual Basic面向对象软件、Pro/E三维仿真装软件和两个软件的接口软件Automation Gateway 4.0实现软件开发，利用开发的软件界面可以轻松实现绘制需要装配的复杂轮系对应的拓扑模型，软件后台会根据用户绘制过程提取Pro/E三维仿真装配所需要的拓扑信息及装配信息，而后通过提取的信息将其转换成虚拟现实环境所需要的信息，实现人机装配信息的数据交流和采集。图1给出了信息提取转换的流程。
图1 信息转换流程
2.拓扑绘制及信息提取界面的开发
复杂周转轮系的自动装配之所以能够实现，是依据用户所绘制的拓扑图形信息及提取的装配约束关系。因此，如何能在拓扑图与计算机自动装配之间构建起沟通的桥梁十分关键。为此，开发了简单的、易于操作的拓扑图绘制及信息提取平台。在此平台上，用户只需要点击相应按钮就可以完成拓扑映射图的绘制，同时后台可以根据用户绘制的不同的拓扑图，仿真装配出Pro/E下不同的周转轮系。
根据软件的要求及软件要完成的功能，开发出的平台应包含如下模块：
（1）绘制图形模块，应同时包括对图形的修改部分。
（2）图形信息自动提取模块。
本模块可以根据用户绘制的不同的拓扑图，提取出不同的图形信息，这些信息作为形成三维轮系仿真图的重要依据，进而完成一个拓扑图对应一个真实轮系图的一对一映射。
（3）自动装配模块。
本模块要完成两部分功能：①可以将已经绘制完成的拓扑图装配成三维仿真图。②当用户绘制的拓扑图不正确的时候，应该给出相应的提示。开发的初始界面如图2所示：
图2 初始绘图界面
a.图形绘制模块
图形绘制模块由命令控件（Command）和图形框控件（PictureBox）两部分组成。在图形框控件中，首先给出了已经画好的行星轮（4个）、太阳轮（4个）和系杆（3个）的图形符号，这些符号是通过形状控件（Shape）形成的，通过设置形状控件的Shape属性完成不同形状的设置。在行星轮符号的上边、太阳轮及系杆的下边显示字符”T”的位置，放置的是文本框，用来对各符号起标注作用，所有这些控件在程序进入运行状态时，是不显示的。只有用户绘制了相应的图形符号，其对应的文本框才呈现可见状态。
b.信息提取模块
信息提取模块可以根据用户绘制的不同拓扑映图，提取出相应的重要参数，为其后计算机自动完成轮系的装配工作打下基础。此模块中，提取出了用户绘制的拓扑的行星轮、太阳轮的个数及直线的条数。另外直线的宽度及类型等信息的提取已在图形的修改部分给出。
c.自动装配模块
自动装配模块有两个命令按钮组成，分别是“打开模型”命令按钮和“装配元件”命令按钮。其中“打开模型”命令按钮用来打开当前拓扑图所对应的装配文件，不同的拓扑图对应不同的装配文件，将其作为装配周转轮系的装配载体；命令按钮“装配元件”用来完成周转轮系的自动装配工作，装配流程如图3所示：
图3 装配流程图
3.应用实例
进行了Pro/E二次开发，并实现了基于拓扑理论的面向大型复杂周转轮系虚拟仿真装配过程，并在某教学用轮系演示装配过程中得到了应用。图4给出了绘图平台的初始运行界面，图5（a～b）给出了画图过程及信息提取情况，图6（a）给出了自动装配了一部分的装配场景，图6（b）给出了装配完成后的界面情况。
图4 初始运行界面
图5（a） 行星轮绘图及信息提取1
图5（b） 行星轮绘图及信息提取2
图6（a） 装配过程1
图6（b） 装配过程2
4.结论
（1）考虑拓扑模型的工况装配环境，目前的虚拟装配过程并没有考虑真正工况条件，均以零件模型为主，没有考虑工厂的实际加工和装配过程中的零件形状、尺寸的精确要求，这需要后续继续研发，实现产品零件的优化设计，可以在线根据实际要求对零件进行设计和再生。
（2）模型库的建立，目前开发的软件系统仅能实现6中简单和复杂周转轮系的自动装配工作，这对有拓扑模型反演化出的大量的轮系显然是不够的，究其原因在于元器件库中的元器件类型、种类等不够多样，目前暂不能实现多样化设计。
参考文献：
[1]Sankar Jayaram，Hugn IConnacher，et al.Virtual assembly using virtual reality techniques[J].Computer A ided Design，1997，29（8）：575-584.
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[3]史晓影，孟祥丰，王慧武.基于拓扑演化理论的周转轮系综合构型与自动装配[J].机械传动，2014，38（11）：45-48.
基于知识的装配顺序规划优化方法 篇7
装配顺序是装配工艺规划的重要内容之一, 是指导产品装配的重要依据。在装配过程中, 经常由于装配顺序选取的不恰当, 致使装配操作的不断重复, 造成装配一次成功率降低, 极大地浪费了资源, 延长了产品的开发周期, 直接导致成本的增加。因此, 研究装配协调顺序对实际装配有重要意义, 能提高装配效率, 正确指导实际装配。
迄今为止, 国内外学者对装配工艺规划做了大量的研究, 典型的方法有:①基于割集的装配序列规划, 如付宜利等[1]提出了基于有向割集分解的装配序列生成方法; ②基于拆卸的装配顺序规划, 如Torres等[2]提出了基于优先关系的拆卸序列规划; ③基于遗传算法的装配序列规划, 如Marian等[3]提出了用遗传算法选择最优化装配序列; ④基于知识的装配顺序规划, 如Zha等[4,5]提出和开发了基于知识的方法和系统来规划面向装配的设计; ⑤虚拟装配规划, 如刘检华等[6]研究了面向产品全生命周期的虚拟装配技术。但是, 由于长期以来对知识、经验与案例的获取和通识化表达上存在困难, 以上研究多侧重于理论方法的研究。
本文在综合以往装配顺序规划经验的基础上, 研究了产品本身信息以及装配资源表示方法, 建立了信息比较全面的装配知识模型。在装配知识模型的支持下, 运用相关求解算法, 提出了基于知识的装配顺序规划优化方法, 获取最佳的装配顺序。
1 装配知识模型
1.1 装配知识的获取
装配过程中涉及的知识很多, 本文提到的装配知识指在产品装配过程中所需要的产品本身以及装配资源等。
产品信息包括产品的组成、组成单元之间的几何关系以及辅助信息等。产品信息可通过产品的CAD模型并结合专家的领域知识和经验以人工方式获取;产品的形成过程是一个逐级装配的过程, 零部件之间通过装配关系组合在一起形成产品, 主要存在以下装配关系:连接关系、配合关系、位置关系以及运动关系等。
装配资源主要包括装配工具和装配工装, 可从装配资源库中获取, 该装配资源库具有可扩充性、动态性、可重用性等特点。为了方便装配操作, 设置用户与装配资源库之间的触发机制, 用户可通过输入名称或代号来获取。
另外, 为了方便后续的使用, 可以将一些典型的装配实例存储在知识库中, 也可将生成的新的装配顺序作为新的实例存储在知识库中。
1.2 装配知识的表示
在装配知识的表示方面, 本文在产品本身组成信息表示的基础上, 通过增加对装配资源的表示, 提出了扩展的装配知识表示模型。
1.2.1 产品本身信息表示
产品本身信息涉及组成产品的零部件以及零部件之间的相互关系, 用一个三元组表示如下:
〈P, R, U〉
(1) P={P1, P2, …, Pn}是一组符号集合, 每一个符号表示装配体中的一个零件, n为零件数目。
(2) R为联系矩阵, R=[rij]n×n, i≠j且i, j=1, 2, …, n。元素rij代表零件Pi和Pj之间的接触关系, 当ij=1时, 零件Pi和Pj之间存在接触关系;当rij=0时, 零件Pi和Pj之间不存在接触关系。
(3) U={U1, U2, …, Um}表示装配体中的零部件之间的关系, m为关系对的个数, 且m=n (n-1) 。定义Ux (x=1, 2, …, m) 为Ux={Pa, Pb, Cab, Tab}, Pa, Pb∈P, 其中, Cab= (C1, C2, C3, C4, C5, C6) 表示零件a和b之间的关联关系, Tab= (T1, T2, T3, T4, T5, T6) 表示零件a和b之间的运动关系。装配方向如图1所示。
Cab和Tab的描述如下:①Cab:Ck→{0, 1}, k=1, 2, …, 6。当Ck=1时, 表示零件b在方向k上与零件a相连;当Ck=0时, 表示零件b在方向k上没有与零件a相连。②Tab:Tk→{0, 1}。当Tk=1时, 表示零件b在方向k上相对于零件a可移动;当Tk=0时, 表示零件b在方向k上相对于零件a不可移动。
1.2.2 装配资源表示
装配资源包括装配零件时用到的装配工具以及装配工装等, 通过三元组表示如下:
〈Pi, Tli, Fi〉
(1) Tl:Tli →{0, 1}。
当Tli=1时, 零件Pi的装配需要装配工具的辅助, 并且工具直接作用于零件Pi上;当Tli=0时, 工具不需要直接作用在零件Pi上。
(2) F:Fi→{0, 1}。
当Fi=1时, 零件Pi的装配需要用到装配工装, 装配工装用来夹紧定位零件Pi;当Fi=0时, 零件Pi的装配不需要用到装配工装。
1.3 装配知识模型
在上述装配知识表示的基础上, 构建了如下所示的装配知识模型。
产品本身信息+装配资源=装配知识模型, 用数学形式表示为
其中,
2 基于知识的装配顺序规划
一条合理的装配顺序应该满足关联和优先约束, 关联约束用来检验相互关联的零件, 优先约束表示在装配操作时零件之间的优先性, 由此确定相互关联零部件之间的装配顺序, 两者缺一不可。
(1) 子装配体Sz的识别。
在产品零部件众多时, 为了降低装配复杂性, 可进行子装配体的拾取, 子装配体一般通过连接件或基础件相连成一个稳定的整体, 表示为
Sz={P1, P2, …, PN}
也就是说, 在子装配体固定的情况下, 子装配体中的任何一个零件的自由度均为0。表示为
D·zPy=0 y=1, 2, …, N
对于子装配体总体而言, 具有相同的自由度, 即子装配体内零件的自由度与子装配体的自由度相同, 可以表示成
D·zPy=DSz
其中, N表示该子装配体中零件的数目;Sz表示第z个子装配体;zPy表示第z个子装配体中的第y个零件。
当把组合体中的任意一个零件拆卸后, 剩下的组合如果不满足上述两个条件, 就视该组合体为子装配体 (特殊情况除外) 。
(2) 基础件Bz的选择。
每一个子装配体都有一个基础件作为其他零件装配的基准, 基础件应首先装配。
基础件的选取应遵循重量大、形状大的原则, 在此基础上, 需要装配工装的基础件应优先选取。
(3) 关联约束计算[7]。
将组合件 (a, b) 作为一个集合{a, b}, 添加另一个集合{c}, 形成笛卡尔乘积 ({a, b}×{c}) , 产生了两个关系对{ (a, c) , (b, c) }。对两个关系对进行“∨”操作, 用E表示, 如果E=1, 则零件c与组合件 (a, b) 相互关联。用数学形式表示为
Ek=Ck (a, c) ∨Ck (b, c)
依次求出六个方向的Ek值, 再进行“∨”操作, 记作:
E′=E1∨E2∨E3∨E4∨E5∨E6
如果最终求得的E′=1, 则零部件之间相互关联。
关联约束保证了零件之间的关联性, 为了产生装配顺序, 还需要进行优先约束的计算。
(4) 优先约束计算[7]。
优先约束的计算是根据关系对得到的, 分别计算两个关系对的Tk值, 进行“∧”操作, 用Mk表示, 如下所示:
Mk=Tk (a, c) ∧Tk (b, c)
依次求出六个方向的Mk值, 再进行“∨”操作, 记作:
M′=M1∨M2∨M3∨M4∨M5∨M6
如果M′=1, 则至少应有一个Mk=1, 表明零件c可以装配。也就是说, {a, b, c}是可行的, 零件c可以从第k个方向进行装配。
3 优化模型
为了得到最佳的装配顺序, 综合影响装配顺序的优化因素, 建立如下优化模型:
f (α) =w1λ1+w2λ2+w3λ3
其中, f (α) 表示第α条装配顺序的综合优化函数, 该函数值越大, 所对应的装配顺序越好;λi (i=1, 2, 3) 表示装配顺序的优化因素, 包括装配方向的变更λ1 (λ1=n-nd-1且nd表示装配方向的变更次数) 、装配工具的变更λ2 (λ2=n-nt-1且nt表示装配工具的变更次数) 以及装配操作的聚合性λ3等;wi表示权重, 体现了评价因素在评判时的重要程度, 重要程度越高, 相应的权重越大。纵观各种权重的确定方法, 层次分析法[8]是一种行之有效的方法, 在确定权重时能最大程度体现优化因素的相对重要性。
4 最佳装配顺序的生成
根据装配顺序的计算以及优化方法, 最佳装配顺序的生成分为以下步骤:
(1) 对于复杂产品, 将其分解成若干子装配体Sz和零部件Pj。
(2) 根据基础件的评判标准, 确定子装配体Sz的基础件Bz。
(3) 计算子装配体Sz的关联约束和优先约束, 形成子装配体可行的装配顺序。
(4) 将Sz看作一个整体, 依次从步骤 (2) ～步骤 (4) 形成整个产品可行的装配顺序。
(5) 按照装配顺序的优化计算方法, 求解出最佳的装配顺序, 即max f (α) 。
5 应用实例
该方法以托板的装配为例进行验证, 该装配模型图如图2所示。图2中序号1, 2, …, 8即表1中零件1, 2, …, 8。
根据装配模型图以及零件信息, 得出托板的初始数据, 如表1所示。
采用上述算法生成最佳的装配顺序。算法描述如下:
(1) 根据子装配体的判别法则, 由装配经验和知识选出可能的子装配体:
S1={1, 2, 3, 4}
可知DS1=D·1Py, 其中, 1Py表示S1中的零件, 当其中任意一个零件拆除后均不满足自由度要求, 因此, S1为托架的子装配体, 则可将托架分为子装配体S1以及零件5、6、7、8。
(2) 以S1为处理对象, 按照基础件的选取原则, 将零件1作为S1的基础件。
(3) 图2所示托架的关系对以及相应的C、T值如表2、表3所示。例如对零件2、3、4进行约束计算, 结合装配模型图可知C4 (2, 4) =1, C4 (3, 4) =1, 则E4=1, 最终的关联函数值E′=1, 说明2、3、4相互关联;由T4 (2, 4) =1, T4 (3, 4) =1得到M4=1, 最终的优先函数值M′=1, 表示零件4可从方向4进行装配, 因此, S1的装配顺序为1→2→3→4。
(4) 将S1作为一个整体, 重复步骤 (2) ～步骤 (4) 得到托架装配体可行的装配顺序为
①1→2→3→4→5→6→7→8
②1→2→3→4→6→5→7→8
③1→2→3→4→6→7→8→5
④1→2→3→4→7→8→6→5
(5) 按照层次分析法得出三个优化因素的权重因子分别为w1=0.17, w2=0.56, w3=0.27, 再根据优化因素的计算方法, 得到f (1) =2.27, f (2) =2.44, f (3) =1.61, f (4) =1.61, 因此, 优化后得到的最佳装配顺序为②。
6 结束语
本文提出了基于知识的装配顺序规划优化方法, 采用矩阵形式分别表示产品信息以及装配资源, 并通过一个扩展矩阵描述集成产品和装配资源的装配知识模型, 最后运用约束计算方法生成可行的装配顺序, 并通过优化计算得到最佳的装配顺序。该方法不仅生成了产品的装配顺序, 还将装配资源加入到优化装配顺序的行列, 有效地求解出最佳的装配顺序。
参考文献
[1]付宜利, 田立中, 谢龙, 等.基于有向割集分解的装配序列生成算法[J].机械工程学报, 2003, 39 (6) :60-62.
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基于混合遗传算法的装配线平衡 篇8
关键词：生产系统,装配线平衡,遗传算法,爬山算法
0 前 言
装配线是大规模标准化生产系统的重要组成部分。自从世界上第一条现代装配线(福特公司T型车自动流水装配线)诞生以来,装配线技术得到迅猛的发展和广泛的应用。同时,装配线平衡问题也吸引了越来越多的学者对此进行研究。装配线平衡问题是将产品的一系列生产作业(任务)分配到一定数量的由机械传动装置连接的工作站上,以使每个工作站的工作时间尽量平均、空闲时间尽量少。
从本质上看,装配线平衡问题是组合优化问题,其生产作业间的装配顺序关系导致该问题极其复杂。目前的研究主要是采用各种启发式算法来解决,但是由于该问题是NP-hard问题[1],容易产生组合爆炸(combinatorial explosion),如果产品作业数量巨大,一般的启发式算法的求解效果不理想。近年来,遗传算法作为模拟生物进化过程的智能算法,其强大的全域搜索能力能有效地克服组合爆炸,在作业车间调度、机器调度排序与平衡、制造元设计、车辆路径、设备布局、网络设计等许多组合优化问题中得到了成功应用。
针对该问题,本研究提出一种基于作业编码的遗传算法,并按照Lamarckian进化原理,结合局部爬山算法,以提高遗传算法的局部搜索能力[2]。
1 问题描述
假设被组装产品的装配过程细分为n个作业,每个作业j的组装时间分别为tj时间单位,作业之间的装配先后顺序由作业顺序图确定。当一个分配方案符合作业顺序图时,称该分配方案是合法的。一个包含11个作业的顺序图,如图1所示[3]。假设工作站的数量是4,则一个合法的分配方案为:S1={1,2,3}, S2={4,5,7}, S3={6,8,10}, S4={9,11}。其相应的每个工作站的工作时间分别为:t(S1)= 13, t(S2)=11, t(S3)=13, t(S4)=9。该装配线的节拍为:CT=max{t(Si)}=13。该节拍决定了整条装配线的效率及产品的产出速度。
根据目标函数的不同,装配线平衡问题主要可以分为两类[4]:类型Ⅰ。给定了装配线节拍,目标是最小化所需的工作站数量;类型Ⅱ。给定了工作站数量、最小化节拍,图标是使得生产率最大化。在设计新的装配线和装配线扩建需追加新的工作站时,面临类型Ⅰ问题;如生产厂家希望在固定的时间段内,用给定的设备和人员产出最多的产品,则出现了类型Ⅱ装配线平衡问题。
本研究主要考虑的是类型Ⅰ问题,由于遗传算法的灵活性,类型Ⅱ问题也可按照本研究提出的方法加以解决。
2 算法设计
2.1 编码
编码方式是遗传算法能否成功应用的关键,它直接决定了遗传算法的效率和效能。好的编码方式能针对具体的问题,结合问题本身的特征,构造独特的编码方式。本研究采用作业序列编码方式,按作业元素分派至工作站的先后顺序,将作业元素排成一列,每个作业元素对应一个基因位。
经过编码的染色体例子,如图2所示。这个染色体说明了各个作业元素被分配的先后顺序。其中,第一次分配作业元素1,第二次分配作业元素2,第三次分配作业元素5……第十次分配作业元素9,最后一次分配作业元素11。
2.2 译码
根据染色体表示的装配顺序,将作业元素依次分配到每个工作站,满足一个工作站的所有作业元素时间之和不超过节拍时间。若给定的节拍时间为12,则译码后问题的解为:{1,2,5,6},{8,10},{4,3},{7,9,11}。各个工作站的工作时间分别为:11,11,12,12。
2.3 交叉算子
根据染色体的表示原理,为了更好地保留父辈信息,本研究应用次序交叉(order crossover)方法。该方法是单点交叉的扩展,可分成4步进行。
2.4 变异算子
变异操作可以增加种群的多样性,为了保证个体变异后不产生非法解,本研究采用移位插入变异法。首先任意选中染色体上的一个基因(作业元素)进行变异,然后将进行变异的基因插入该轮体上不违反先后关系的任意一个位置。
2.5 评价函数
为了使得遗传算法的进化过程朝着最小化工作站的使用数目方向发展,本研究采用以下评价函数:
式中 m—工作站的使用数目,t(Si)—工作站i的装配时间,CT—系统节拍。该函数可以保证越繁忙的工作站越受到重视。
2.6 选择操作
本研究采用轮盘赌选择和最优保存策略。轮盘赌选择是一种回放式随机采样方法,其基本原理是根据每个染色体适应度的大小来确定个体的选择概率。设种群大小为M,个体i的适应度大小为fi,则个体i被选中的概率pi为:
最优保存策略可以保证迄今为止得到的最优个体不会被交叉、变异等遗传操作破坏,有利于算法收敛。
2.7 局部爬山算法
为了提高遗传算法的局部搜索能力,提高运行效率和求解质量,本研究在算法中嵌入了局部爬山程序。这样,每一个新产生的子代个体在进入种群之前先进行局部爬山搜索使其移动到局部最优点上。遗传算法保证全局广域搜索并行推进;爬山算法可以加强局部搜索能力,加快进化过程收敛。混合遗传算法使全局搜索和局部搜索达到有效平衡,大大提高了算法的求解效率。
假设某个体的最后工作站为m,则Left(m)表示可以从最后工作站m移至其他工作站的作业集合;Right(m)表示可以从其他工作站移至最后工作站的作业集合。
该局部爬山过程可分为4步进行:
第1步:解码染色体,确定作业序列。
第2步:按作业装配时间从大到小的顺序,尽可能多地把Left(m)中的作业从最后工作站移至其他工作站。
第3步:更新集合Left(m)。
第4步:从Left(m),Right(m)选取所有可互换作业对(i,j),其中i∈Left(m),j∈Right(m),若t=tj-ti>0,则按t从大到小的顺序,互换作业i,j。
该算法的目的是尽可能清空最后工作站,使进化过程朝着最优解的区域逼近。
2.8 总体程序结构
设P(t)和C(t)分别表示当前遗传代数t的父代和子代。则该混合遗传算法的程序结构可以表示如下:
3 仿真实验
为了测试所提出算法的有效性和求解效率,测试了一个非常著名的Benchmark:Buxey问题[5]。该问题由29个作业构成,作业组装时间和顺序图,如图3所示。给定节拍为33个时间单位,要求取所需最小工作站数目。
遗传算法的参数设定为:种群规模:popSize=100;最大终止代数:maxGen=200;交叉率:pc=0.7;变异率:pm=0.3。程序由C/C++开发,运行在Pentium 4 (2.6-GHz clock)处理器上。本研究分别用简单遗传算法、混合遗传算法和FFD(First Fit Decreasing)近似算法[6]求解,运行结果如表1所示。
该算例的最优解是:S1={1,2},S2={3,6,7}, S3={25,9,10,12},S4={14,15,19,21},S5={4,5,8}, S6={11,13},S7={16,18,22},S8={17,20}, S9={23}, S10={24,26,27,28}, S11={29}。
从求解结果可以看出,装配线平衡问题比较适合于用遗传算法求解,用基本遗传算法和混合遗传算法都能获得比一些近似算法好很多的结果。另外,混合遗传算法的结果较基本遗传算法的结果更加稳定,并且能更快地找到近似最优解。
4 结束语
装配线平衡问题对企业的生产效率有重大影响本研究根据该问题的特点和难点,提出了一种基于作业编码的遗传算法,并且混合了局部爬山算法以加强搜索能力。实验证明,该混合遗传算法稳定、运行速度快,为装配线平衡问题的解决提供了一种新的思路。
参考文献
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基于装配 篇9
关键词：虚拟装配,模型表达,重构,OpenFlight
0 引 言
虚拟装配环境中的零件信息模型是指在计算机内部对虚拟装配环境中零件描述、存储的数字化表达[1]。虚拟装配系统对模型有两方面的的要求:一是模型包含的信息必须丰富,如属性、几何、拓扑、装配关系、装配约束等信息,这样才能对产品进行零件级和装配级的装配工艺性分析和评价;二是模型要满足实时性的要求,在基于VR技术的虚拟装配系统中,零件模型通常采用三角面片模型描述。简化的面片模型丢失了如上所述虚拟装配所需的信息,因而如何构建同时满足以上两方面要求(信息完整性要求和实时性要求)的零件模型成为虚拟装配的首要任务。
近年来,CAD系统到虚拟装配系统的数据转换问题得到了广泛的研究,具有代表性的工作主要有:北京理工大学刘检华等[1]提出将零件层、装配特征层和几何面层信息,以中性文件的形式导出,面片描述层由零件的面片模型文件产生,映射机制则将零件所有离散化的三角形面片与相应的几何面关联起来。上海交通大学朱文华等[2]提出了信息提取模型转换法,面片信息储存于STL模型中,装配信息储存在TXT文件中。苏州工业职业技术学院李长春等[3],通过VRML格式表达零件几何信息,用.geo文件储存特征参数信息,通过一定的特征匹配算法将两部分关联在一起。山东大学陈成军[4]等提出使用OpenFlight格式来表达零件的层次化模型,装配树信息和装配约束信息保存在文本格式的中间文件中。哈尔滨工业大学刘江省等[5]提出信息分解转换法,将几何三角面片信息储存于NFF中性文档之中,将拓扑信息和装配信息储存在数据库之中。哈尔滨工业大学夏平均等[6],提出了一种基于层次约束结构的虚拟装配模型。中国工程物理研究院吴昌盛等[7],基于框架理论提出一种框架数据模型,三角面片信息储存于虚拟现实NFF文件中,框架定义信息储存于XML文件中。兰州理工大学杨萍等[8],提出了将虚拟环境下的零件信息进行分类转换的方法。
总结以上研究成果,模型的层次化表达与层间映射、装配信息的提取并存入中间文件、装配信息向几何信息的映射等是解决CAD系统和虚拟装配系统之间数据转换的主要途径。但目前仍存在着诸多的问题,如文献[1,3,6]中映射机制和匹配算法的复杂性、文献[2,3,7]中储存装配信息的中性文件的多样性、以及文献[4,5]中面片信息、装配信息保存格式的不一致性等。鉴于以上问题,本文提出基于OpenFlight的装配信息表达方法,利用层次化的OpenFlight格式表达层次化的零件和装配信息,使拓扑关系方便地得到重构, 自动实现面片模型层间映射;将几何信息与装配信息集成到OpenFlight模型节点之中,避免了信息向中间文件的写入,也就避免了装配信息向三角面片模型的映射。
1 基于OpenFlight的装配信息表达方法
1.1 OpenFlight格式及OpenFlight API
OpenFlight格式的模型数据库是专门为完整地描述可视化仿真模型数据库的要求而诞生的。从储存结构上看,OpenFlight格式是一种树状的层次化结构;从整体上看,OpenFlight模型数据库主要包含了模型的几何特征、数据库的层次结构和各种节点属性等三类信息。节点是建构层次化模型数据库最基本的元素或模块,常用的节点类型是根节点、组节点、体节点、面节点和点节点。图1所示为一个典型OpenFlight模型数据库结构。
OpenFlight API[10]是一个包含头文件和链接库的C语言库,它提供了访问OpenFlight数据库和扩展Creator建模系统的接口。OpenFilght API函数库由四种不同功能的函数组构成,读取函数:遍历OpenFlight数据库并查询其中的信息;写入函数:创建和编辑OpenFlight数据库中的节点;扩展函数:创建OpenFlight数据库中新类型节点或节点的新属性;工具函数:创建Creator的件的插件以适应用户特定需求。这种层次化的结构可以方便地重构零件的拓扑信息,基于它的可扩展性又可向节点中添加新属性或建立新节点,用于储存如特征参数信息、装配关系信息、约束信息等信息。本文正是基于OpenFligh这两个特点来实现零件信息重构的。
1.2 零件信息的表达方法
虚拟装配所需的零件信息包含属性信息(零件名称、代号、技术要求、设计者、供应商、材料等)、几何信息(特征参数、面参数、参数方程等)。文献[4]提出使用OpenFlight格式表达零件的层次化模型,将与装配有关的零件信息写入到OpenFlight数据库节点名称中。这种方法的不足之处在于:零件信息的层次性造就了零件信息的多样性,如零件层信息、特征层信息、特征面层信息等等,如果不加区分地把信息全部整合到各节点名称中,这样势必限制了写入信息量的复杂程度和数量,同时,也造成了信息提取时的无目的性。因此本文提出扩展现有节点的属性以储存虚拟装配所需的各类零件信息,这样将不同的信息储存在不同的节点属性之中,使信息的写入和提取更具目的性;基于OpenFlight的可扩展性,我们可以为各节点添加任意复杂的属性,此方法更具适应性。使用扩展的OpenFlight表达零件信息的方法如图2所示。
经扩展的层次化OpenFlight模型数据库可以方便地重构三维CAD 零件模型,其优势在于:第一,利用CAD软件和Creator的导入、导出功能可将零件模型方便的转换为OpenFlight格式,经验证,此方法获得的零件面片模型保持了良好的拓扑关系,省去了众多而繁琐的拓扑关系重构工作;第二,基于OpenFlight固有的层间联系可避免模型层间的映射工作,如基于面节点和体节点的父子关系,可以省去文献[1]中建立零件各组成几何面要素与三角形面片之间的映射工作;第三,储存零件信息的节点属性与面片模型的层次节点具有一一对应的关系,实现了信息和面片模型的统一,如须知某个零件、特征或面的参数只需查询其节点属性;使用中性文件表达模型信息的方法则需通过中间文件向三角面片模型映射的方法才能得到相应信息,如文献[3];第四,扩展后的Openflight格式各节点属性信息可在Creator建模环境中直接查看、编辑,具有良好的交互界面,使零件信息的写入具有更大的灵活性。在面向小批量的模型信息写入时可手工输入;在面向大批量的工作时,可结合CAD二次开发和OpenFlight API开发自动化程序,减轻工作强度提高工作效率;第五,模型表达方案具有良好的灵活性和扩展性,基于用户的特定需求可开发面向特定应用的表达方案,如对图2中模型层次和节点属性的添加与修改。
1.3 装配信息的表达方法
装配信息包含装配结构树、配合零件间的配合信息等。文献[2,4]采用中间文件保存装配信息,在虚拟装配环境中加载该文件,实现装配信息的重构。中间文件表达的装配信息独立于零件信息,且不同的重构技术采取了不同的中间文件格式。鉴于以上问题,本文开发了新类型的OpenFlight节点,新建节点的属性能表达虚拟装配所需的各类装配信息。这样就解决了零件信息和装配信息的储存格式不一致的问题,具有高度的集成性。图3为本文开发的表达装配信息的新类型节点属性结构图。
利用新建节点表达装配模型信息的优势在于:第一,具有与零件模型信息同样的存储格式,两者之间的关联和映射可以通过简单的节点名称来实现,如装配信息中出现名称为a的部件,则在模型库中查找名称为a的零件,即可得到相应的零件信息模型;第二,基于OpenFlight节点间的父子、兄弟关系,利用新建部件节点可在OpenFlight模型数据库中方便地重构装配结构树信息,且在Creator软件Hierarchy视图下具有可视性和可编辑性;第三,对工作量不同的模型重构,用户可选择手工编辑和编程自动输入或两者结合的重构方式;第四,装配模型信息的表达具有良好的可扩展性。
2 基于OpenFlight的模型信息表达的实现
2.1 OpenFlight格式的扩展
运用OpenFlight API扩充节点属性和建立新类型节点的步骤如下[9]:(1)定义识别数据扩展的标识符;(2)编写数据字典;(3)运行ddbuild解析器,将编写好的数据字典解析为定义数据扩展的C语言头文件;(4)建立VC++6.0动态链接库工程,编写C语言代码;(5)编译连接程序;(6)将生成的动态链接库放入插件运行目录下。扩展的关键步骤为数据字典的编写。数据字典是一种记录数据库和应用程序源数据的目录,是对数据中包含的所有元素定义的集合。OpenFlight数据字典中有两种基本的元素类型:字段—代表单个的数值或字符串;记录—字段的集合。OpenFlight API提供了7个关键字用于数据字典的定义,本文用到的主要有dataDef(定义新的字段),recordDef(定义新的记录),struct(联系记录与字段集)和parent、child(定义节点间的连接规则)。
2.2 零件信息和装配信息的提取与写入
如前所述,基于扩展的OpenFlight的信息写入过程具有更大的灵活性,利用如图4所示的Creator属性信息面板,可以直接输入相关的属性信息,对于零件数目较少的装配具有非常高的效率。而对大批量的模型转换与重构,应开发相应的自动化程序,以提高工作效率,减少重复劳动。遍历CAD模型(零件模型和装配模型)及OpenFlight模型是实现信息自动提取和写入的关键问题,本文结合UG＼Open API和OpenFlight API,采用递归调用的方式实现对CAD模型和OpenFlight模型的深度遍历算法,同时进行信息的提取和写入。以下为实现装配信息提取与写入的编程实现方法和核心编程:
3 实例验证
在UG NX 6.0中建立活塞连杆机构的零件模型和装配模型,利用UG的export功能将零件模型转换为VRML格式(.wrl),在3dsmax中导入该文件,输出为.3ds文件,在Creator中导入该文件并保存为Openflight格式即可实现零件模型到三角面片模型的转换。经过多次试验发现,此方法转换的零件保持了良好的拓扑和层次关系。利用UG＼Open API、OpenFlight API在VC++6.0环境下开发模型转换接口,该插件程序实现了零件信息和装配信息的自动提取和写入,如图4为重构后的活塞销特征信息在Creator中的显示。为验证模型转换的有效性,基于Multigen Vega、VC++6.0设计了一个虚拟装配系统,在虚拟装配系统中读取转换后的文件,可以看到具有零件信息和装配体结构、配合信息的模型可在虚拟环境下正常地显示,如图5所示。基于OpenFlight的虚拟装配信息表达方法可根据不同应用开发集成不同信息的模型,因此可广泛应用于虚拟设计、虚拟装配及虚拟维修训练等领域。
4 结 语
本文提出了基于OpenFlight的虚拟装配信息表达技术,该方法利用经扩展的OpenFlight层次化模型数据库存储层次化的零件三角面片模型和装配模型。基于层次化的OpenFlight格式可以使拓扑关系方便地得到重构,自动实现层次之间的映射关系。得益于OpenFlight格式的扩展性,将虚拟装配信息集成到节点属性或建立面向虚拟装配的新节点,实现了零件三角面片模型和工程语义信息的统一,避免了工程语义信息向中间文件的写入,也就解决了工程语义信息向三角面片模型复杂繁琐的映射工作。此方法具有可扩展性和更大的灵活性,用户可以根据独特的信息需求开发面向特定应用的模型转换接口。
参考文献
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[8]杨萍,李磊磊.虚拟装配系统中模型数据转换的研究[J].科学技术与工程,2011,11(18):4240-4243.
基于PLC的装配流水线控制 篇10
装配流水线是现代企业进行产品装配的重要设备。一些生产厂家的装配流水线仍然在使用传统的继电接触器对电动机传送带进行控制, 导致了大量电能的耗费, 使企业成本增加, 维护不便。目前在工业控制中占有重要比例的装配流水线控制已部分使用进行PLC控制。其优点是响应时间快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺参数改变、易与计算机接口等。文章选择西门子S7-200 PLC控制装配流水线。
1 控制系统的功能要求
总体控制要求如图1的面板图所示。系统中的操作工位A、B、C, 运料工位D、E、F、G及仓库操作工位H能对工件进行循环处理。
(1) 闭合“启动”开关, 工件经过传送工位D送至操作工位A, 在此工位完成加工后再由传送工位E送至操作工位B……, 依次传送及加工, 直至工件被送至仓库操作工位H, 由该工位完成对工件的入库操作, 循环处理。
(2) 断开“启动”开关, 系统加工完最后一个工件入库后, 自动停止工作。
(3) 按“复位”键, 无论此时工件位于任何工位, 系统均能复位至起始状态, 即工件又重新开始从传送工位D处开始运送并加工。
(4) 按“移位”键, 无论此时工件位于任何工位, 系统均能进入单步移位状态, 即每按一次“移位”键, 工件前进一个工位。
2 控制系统的硬件设计
2.1 PLC选型
S7-200系列PLC是德国西门子公司生产的小型PLC。以其高可靠性、指令丰富、内置功能丰富、强劲的通讯能力、较高的性价比等特点, 在工业控制领域中被广泛应用。其外部结构如图2所示。文章选择此系列的PLC进行控制系统的设计。
2.2 系统I/O端口分配及功能表
根据上述装配流水线的控制要求, 选择西门子S7-200 CPU224PLC, 确定系统的输入设备和输出设备, 并进行I/O端口分配, 如表1所示。
2.3 PLC外部接线图
根据上述功配置, 基于S7-200 PLC装配流水线PLC控制系统的外部接线图如图3所示。
3 控制系统的程序流程图
按照控制要求设计装配流水线控制程序流程图如图4所示。
4 结束语
PLC的特点是具有强大的控制能力、高精度、高可靠性, 具有复杂的逻辑能力和运算能力, 因此可充分满足对装配流水线的控制。文章针对现代加工企业车间装配流水线的典型工作环节, 采用西门子公司的S7-200型PLC作为控制器, 给出了程序流程图及I/O地址分配表。实现了基于PLC的装配流水线控制系统的设计。
参考文献
[1]史萍, 黄交宏.基于PLC的装配流水线计数控制器设计[J].轻工科技, 2012 (10) .
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