复杂机电产品装配工艺规划与仿真

【前言】复杂机电产品装配工艺规划与仿真由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。配模型应具备下列条件： 1.1、装配体零部件要完整，即装配体模型除包含刚体零部件，还应包括传输电流和控制信号的柔性电缆； 1.2、要表达清楚零部件之间的装配约束关系，装配约束关系对于装配规划与仿真过程中零件的运动方向及运动路径有影响，所以清楚的表达约束关系...

【摘要】：装配环节对于复杂机电产品设计与制造十分重要，装配质量对于产品的性能有很大的影响，装配成本在制造成本中所占比重较大。所以，产品在设计和装配规划阶段对产品的预装配和装配工艺进行分析，对提高产品的质量，降低生产成本意义重大。

【关键词】：复杂机；装配；规划；仿真

中图分类号： TU98文献标识码： A

1 、装配体模型的信息描述

根据机电产品的特点，结合装配规划与仿真过程的基本要求，其数字化装

配模型应具备下列条件：

1.1、装配体零部件要完整，即装配体模型除包含刚体零部件，还应包括传输电流和控制信号的柔性电缆；

1.2、要表达清楚零部件之间的装配约束关系，装配约束关系对于装配规划与仿真过程中零件的运动方向及运动路径有影响，所以清楚的表达约束关系能确保装配规划与仿真结果正确性；

1.3、尽量简化装配体模型的表达和存储，以符合装配仿真的实时实性要求，减少零部仿真过程中位置、状态、形体发生变化后所产生的计算量；

1.4、要便于实现仿真系统数据来源与CAD系统的无缝连接，在CAD系统中所做的零件模型信息的修改应能实时的反映在仿真系统中。

2、线缆的模型信息描述

在复杂机电产品中，不但包含刚体零部件而且还包含很多线缆，作为传递信号或能量的主要方式，其装配质量的优劣直接影响着机电产品的性能。线缆的装配与刚体零件不同，具有如下特点：

2.1、线缆在装配过程中不仅会发生位姿变换，柔性部分还会形变，如弯曲、扭曲等，且因为这种形变的影响因素多，如重力、拉力、线缆的材料等，造成形变结果难以计算；

2.2、大多时候线缆以线缆束的情况存在，通常包含多个接头，其安装配过程中不但要插接接头，而且要固定线缆，一边两者是交互进行，一次性完成很难。

这些特点使得线缆的建模与刚体零件也有较大差别。当前，线缆的装配模型以其几何形状模型为基础，只反映了其几何形状，并无法表达其柔性形变特征。CATIA系统的布线设计模块能表达线缆的几何形状，并显示线缆的最终布线设计结果，却无法表达线缆的形变特征和装配过程中的形变特点，不可依为装配过程仿真提供很好的支持。

3、装配序列规划

3.1装配体约束矩阵的生成

装配约束指的是装配体各零部件之间的相互制约关系及关联关系，通常分为几何特征约束和装配过程的工艺约束。几何特征约束决定了产品装配序列的合理性，而装配过程的工艺约束则对产品装配过程中零部件的稳定性、仪器仪表的安全性、装配工具和人员的变动情况等工艺性要求进行了考虑，反映了零部件装配次序对工艺条件的满足程度。

产品各零部件的装配顺序首先应满足几何约束关系，才是可行的。几何约束关系由装配体的结构特征和零件间的配合关系确定。然而零部件的装配过程是否满足几何约束关系是很难判断的。比较常见的方法是把与坐标轴平行方向作为装配方向，即（X, -X，y, -y，z, -z）6个方向，并通过建立干涉矩阵来判断每个方向的装配是否发生干涉，并以此作为装配顺序的几何可行性判定。然而在复杂机电产品中，并不是所有零件的装配方向都与坐标轴方向平行，所以该方法无法满足复杂产品的装配规划要求。但是采用全人工方式，尽管能在一定程度上提高判定结果的准确性，但当零件数量较多时，人员工作量太大，极易出错。下文将自动推理方式与虚拟环境下人机交互方式相结合，来实现装配约束矩阵的生成，这种方式能充分利用装配工艺人员的知识和经验，大幅提高装配顺序几何可行性判定的准确率，其基本步骤如下：

Step1：在CATIA环境中生成装配体模型的装配接触关系图，并用邻接矩阵ML表示，其中ML=[bij] ]nxn（1≤i，j≤n），元素bij满足下列要求：

（1）bij = 0；

（2）如果零件pi和pj之间存在接触关系，则bij = 1；否则，bij = 0。

Step2：由工艺人员根据装配经验确定基准件，设基准件为px，则矩阵ML中的元素bxx = -1。

Step3：如果零件pi需要先于pj装配，则在拆卸过程中，Pj应在Pi前拆卸，否则，因为存在Pj，必然使Pi的拆卸存在干涉。通过判定所有零件的优先关系，可得到零件的优先装配关系矩阵Mc。其中Mc=[cij] ]nxn（1≤i，j≤n），元素cij满足下列要求：

（1）cij = 0；

（2）零件Pi和pj之间如果存在优先装配关系，则Cij= 1 ；否则，Cij= 0。

Step4：使MAR=ML+Mc，则可得到初始的装配约束矩阵，然后工艺人员可根据经验增加线缆与线缆之间以及线缆与刚性零件的装配约束关系，生成最终的装配约束矩阵MAR 。

3.2 基于改进遗传算法的装配序列规划

对于由n个零件组成的装配体而言，其可行的装配数在最坏的情况下为：

，在装配规划的时候，尽管能用一些约束条件人为的去除一部分几何和工艺不可行的装配顺序，但可依生成的可行装配顺序仍然比较多，在n较大的情况下，以人工方式去掉不可行装配序列的工作量将会成几何指数增加。所以，如果只靠传统的人工方式对产品的装配方案做出选择，难度依然很大。此外，分析发现，最优装配序列的选择过程其实也就是对装配序列解空间中的序列进行综合业生条件和产品特点的情况下，从众多的可行装配中选择效率高、成本低的装配序列。

为了能快速、高效的从大量的可行装配序列中选出最优序列，一些研究人员将智能启发算法应用在装配规划过程中，效果良好。在解决组合优化问题的过程中，不同的智能算法具有各自的适应性，对于大多数启发式智能算法来言，都面临一个共同的难题，那就是容易收敛于局部最优解。

在这些智能算法中，遗传算法被最早应用于解决装配序列优化问题，因为遗传算法的鲁棒性很好，在装配规划过程中应用广泛。装配顺序的生成是需要考虑多种因素的影响，作为组合优化过程，装配顺序不同，会对产品的装配效率和质量产生很大的影响，但也难以实现以穷举的方式对所有因素和所有装配顺序进行考察。作为一种参考了生物界遗传和进化模式的智能算法，遗传算法将“优胜劣汰”的竞争思想应用于求解过程中，能实现多个体、多参数的同时优化。这些特点使得遗传算法在解决装配序列优化问题时，表现出良好的求解能力。

4、装配过程仿真方法

4.1 装配过程仿真基本原理

4.1.1、装配空间中零部件的位姿描述

通常要在虚拟空间中表示三维实体的位置和姿态，可以通过对一个4X4阶相对于统一世界坐标系的齐次空间变换矩阵来描述。在虚拟空间中，三维实体的移动和旋转可通过修改位姿矩阵的值来实现。位姿矩阵〔P〕可以表示为：

（1）

式中，XV， Fv， Zv分别表示装配元件控制坐标系(也就是其生成坐标系）3个坐标轴的方向矢量，（XS，YS，VS）则表示坐标原点。它们均是相对于虚拟空间的装配坐标系OXYZ 的。

当零部件从当前状态点KP变动到另一状态点KP'，相当于原位姿矩阵[P]发生了一个矩阵变换[T]move，到达新的位姿[P]'，变换过程可表示为：

[P]' =[P]·[T] move（2）

其中，[T]move也是一个4X4的矩阵。

（3）

上式中，（Ur，Vr，Wr）分别表示零部件位姿发生变化时沿3个坐标轴平移分量；矢量X，r, Z反映转动分量的影响。由此可见，要实现零部件从一种位姿变换到另一种位姿，变换矩阵[T]move的计算是非常重要的。

4.1.2、零部件的运动表示与运动变换

在产品的装配时，装拆动作的完成一般表现为零部件从一个位置移动到另一个位置或沿某一轴线发生旋转后到达新的状态，也可以是移动与旋转同时发生而变换到新的状态。例如，轴的安装表现为轴沿轴线移动，螺母的安装表现为螺母沿某一轴线旋转并移动。总之任何复杂的装配/拆卸操作都可以分解为零部件的移动、旋转或移动旋转同时发生。在虚拟装配空间中，对零部件的装拆运动仿真，也是基于这样的思想。因此，可以考虑用一个11元组M来描述零部件的运动：

（4）

上式中，（Xdt，Ydt，Zdt)：表不平移运动的方向矢量；

Mt：表不平移运动的位移量；

（Xpr，Fpr, Zpr）：表示旋转轴上一点；

（Xdr，Ydr， Zdr)：表示按右定则的方向矢量；

Mr：表示旋转位移量；

与其它方式相比，用所述的11元组来表示虚拟空间中的零部件装/拆过程运动的优势主要表现在两个方面：一方面，它能准确的描述虚拟空间中零件的所有运动形式，如移动、转动以及既有移动又有转动的运动；另一方面，是具有一致性，即对于零件的装配过程与拆卸过程而言，11元组所描述的运动形式完全一致，只是方向矢量相反，这样一来，就可以方便的实现装配与拆卸运动之间的相互转换。另外，这种描述方式还可以反映零件的运动过程，通过对运动过程进行插值运算（如对移动位移量和旋转位移量进行等分）的方式，可以求出中间位姿。

4.2 装配路径的仿真生成

目前对于装配路径的规划方法主要有位姿空间法、方向多面锥代数法等，但这些方法都处于理论研究阶段，实用性不强，对于面向虚拟装配的路径规划而言，不需要考虑零部件装配运动中的移动速度和加速度，只需满足优化的装配顺序的要求即可，也就是说，对于优化后的装配序列，只需提供可行的装配路径，使得优化后的装配序列可以实现。对于复杂产品而言，如釆用体积推理方法则容易出错，导致路径规划结果不准确，比较可行的方法仍然是在虚拟环境中，以人机交互的方式来实现。人机交互的方法实现路径规划流程如图1所示。

（图1 人机交互方法实现路径规划流程）

在人机交互实现路径规划过程中，拆卸路径的记录不但反映了零件的运动过程，同时通过对视点的保存还可以反映与其他零件的位置关系，这对拆卸过程视频的生成提供了很大的方便。

总之，装配工艺规划与仿真技术对于缩短复杂产品的研发周期、提高装配效率具有重要意义。

参考文献：

[1]林美安.飞机机身装配工艺及仿真技术研究[D].南京：南京航空航天大学,2010.

[2]周炜.单元化装配规划关键技术研究[D].上海:华东理工大学,2012.