复杂产品装配的分层有向图建模方法

复杂产品装配的分层有向图建模方法 复杂产品装配的分层有向图建模方法 2012-07-19##############2012-07-19#######2#012-07-19######## 刘平 ,李原 ,张开富 ( )西北工业大学 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 , 陕西 西安 710072 摘要 :由于复杂产品零部件数量大 ,后续装配顺序难度较大 。用传统的方法建模 ,容易造成割集数量随着零件 数量的增长而呈爆炸式地增长 。针对这种问 ,提出利用装配单元划分的方法进行分层 ;在每层中 ,用嵌套式的有向图 示装配定位关系信息的分层有向图模型 。研究了分层有向图模型的建立和表示方法 ,并以某型机翼翼盒为实例予以 应用验证 。 关键词 :装配模型 ;分层有向图 ;装配单元划分 () 文章编号 :1001 - 2354 200704 - 0030 - 03 中图分类号 : T P391 文献标识码 : A 在飞机生产过程中 , 装配是主要的生产活 动 , 其费用占 整 的装配 。 个生产费 用 的 40 % 以 上 , 装 配 周 期 占 生 产 总 周 期 的 50 % , S 称为一个装配单元 , 也称作子装配体 。只 满足上述条件的 ( ) 70 % 。因而 ,装配 生 产 在 飞 机 制 造 过 程 中 占 有 非 常 重 要 的 地 满足条件 1的 S 称为可能的装配单元或子装配体 。产品装配 位 。 单元或子装配体的形成过程即为产品的装配单元划分 。 在装配过程中 ,装配模型建立的适当与否决定了后续的装 1 . 2 飞机产品的分层有向图的层次关系建立 对于如飞机类种配顺序生成等一系列操作的产生效率 。与一般的机械产品 不 类多 、数量大的复杂航空产品 , 首先将飞机机 一样 ,飞机的零部件是数以百万计的 , 需建立的零部件模型数 体划分为若干个独立的装配单元 , 以提高装配并行度和机械化程 量庞大 ,这就使得飞机装配模型的建立比一般的机械产品要困 度 。对装配对象进行单元划分 ,要充分考虑飞机设计结构及其 难得多 。现有的装配模型主要是层次模型和装配关系模型 ,层 构成的多样性 ,考虑装配方法随装配对象结构构成及其准确度而 次模型主要表达零部件之间的层次关系 ,对同一层次零部件间 异的客观适用范围 。因此 ,对装配对象进行单元划分 ,细分至可操作 的关系未能做出充分表达 ;而关系模型只是对装配体本身做出 级 ,以便使可操作对象能与具体装配方法相适应 。 [ 1 ] 描述 ,未能表达层次信息 。如果采用传统方 式进行建模 , 则 飞机一般是分解成单元进行组装 、部装和总装 , 飞机的结 n [ 5 ] 后续割集数量随着零件数量的增加 ,呈 2 爆炸式地增长 。大量 构分解 如图 1 所示 。从其中可以得出从属关系为 : A Β { S , P , A C} , P Β { S , PC , CP} , 的割集数量将产生大量可行与不可行的装配序列 ,给后续的工 CP Β { S , CPC} , CPC Β S 作加大了复杂度 。 其中 : A 表示飞机 ; P 表示部件 ; CP 表示分部件 ; CPC 表示分部件组合 针对这种情况 ,提 出分层有向图模型 , 结合层次模型和 关 件 ; PC 表示部件用组合件 ; A C 表示飞机用组合件 ; S 表示零件 。 系模型的特点 ,利用装配单元划分的方法对装配体进行分层处 理后 ,对每层有限的零部件建立有向图描述装配定位关系 。每 1 分层原则 个层次由多个独立的装配单元构成 ,互不干涉 ,支持并行装配 。 在分层有向图模型中 , 首先利用装配单元 划分的思想 , 把 复杂装配体分解成多个子装配单元 ,然后再利用飞机本身固有 的结构特点 ,进一步对飞机进行分解 。 1 . 1 装配单元划分的定义 一个由 N 个零件组成的产品 P = { p, p, ?, p } , 一般都 1 2 N 图 1 飞机结构分解图 ) ( 存在若干个由 m 1 ? m ? N - 1个零件形成的装配单元 S = 这些部件 、子部件和组合件之间一般都采用可拆卸的连接 。 { p, p, ?, p} , 定义如下 :i1 i2 im 它们之间所形成的可拆卸的分离面称为设计分离 面 。如机身 、 ( 定义 1 在装配体 P = { p, p, ?, p } 中 , 若 m 1 ? m ?1 2 N 机翼 、垂直尾翼 、水平尾翼 、襟翼 、副翼 、升降舵 、发动机舱 、各种 ) N - 1个零件形成的集合 S = { p, p, ?, p} 满足下列条件 : i1 i2 im 舱门 、口盖等 。每一子部件都是独立的装配单元 。 ( ) 1m 个零件之间的联接关系使 S 成为一个不可自发分离 划分层次时 , 以飞机主体结构 设计分离面为基本原则 , 首 的子结构 , 即 S 为稳定结构 ; 先分解到部件级一级 , 然后随着设计的进行 , 由各 个部件再逐 ( ) 2S 中零件装配完毕后 , 不影响原装配体 P 中其余零件 2012-07-19##############2012-07-19#######2#012-07-19######## 级分解 。在设计分离面不能满足需要时 , 可以依据工艺分离 面 ; 在同一层次中 , 用多个有向图表示装 配单元之间 的形式表示 [2 ] 的装配定位关系 。从图 3 中可以看出 , 同层的多个虚线围成的装 进行进一步细化 , 以此来建立分层有向图的层次关系 。 配单元之间是独立 、不会互相干涉的 。 2 装配定位关系的表示 4 应用实例 对于已经划分好层次的复杂装配体 , 现对每一层的装配单元 加载装配定位关系信息 ,建立表达装配定位关系的有向图 。装配定 4 . 1 分层有向图模型的建立 位关系可以从以往的经验里获取 ,也可以从知识库里读取 。 以某型号飞机的中央翼翼盒为例 。 当一个零部件 P通过坐标变换放置到与不动零件 P成一 1 2 依据上述的分层原则 , 依据分 离面对翼盒进行分解 。主要 定几何关系的位置上时 , 在两个零部件之间就形成了一个固定 的部件有前上壁板 、后上壁板 、下壁板 、可卸壁板 、前梁 、整体后 ( 的几何关系 , 即形成一条有向边 L , 如图 2 所示 。记 L = P,12 12 1 梁 、A 肋 、B 肋 、C 肋 、D 肋 、E 肋 。其中前梁 、前上壁板 、可卸壁板 、 [ 3 ] ) P, 表示边的方向是从 P到 P。以此方式逐步建立有向图 。2 1 2 后上壁板 、下壁板为零件 , 整体后梁 、A 肋 、B 肋 、C 肋 、D 肋 、E 肋 为装配件 , 可对其进一步划分 。 A 肋 、B 肋 、C 肋 、D 肋结构是基本一样的 , 差别只在于大小 2 有向边的建立 图 而已 。以 A 肋为例 , 主要由腹板 、上缘条 、下缘条组成 。E 肋主要 由于有向图是由装配单元的 装配定位关系得到的 , 反之 , 从有向图里 , 可以读取装配单元的定位关系形 成知识库 , 以 备 由 E 肋前段本体 、E 肋后段本体和对接角盒组成 。整体后梁分为 后续使用 。 后梁和堵孔板 。 所有零部件用符号表示如表 1 所示 。 名称符号名称符号名称符号3 分层有向图模型的表达 表 1 中央翼翼盒零部件符号表 P前梁PE 肋后段P装配体 1917 PPP 上壁板整体后梁对接角盒21018对于如图 3 所 示 的 分 层 有 向 图 , 定 义 一 个 四 元 素 的 集 合 下壁板P前上壁板P腹板P 31119{ P , H , L , F} 进行描述 : PPP 梁后上壁板上缘条41220 ?P 记录分层有向图中的所有装配单元 。在图中认为由虚 可卸壁板PB 肋P下缘条P 51321 E 肋C 肋堵孔板PPP 61422线包围的区域或是零件都可以作为一个装配单元 。 B - D 肋PD 肋P后梁P 71523?H 记录层次信息 , H = { H, H, ?, H } , n 为自然数 , H 1 2 n i PP A 肋E 肋前段816表示第 i 层 , 其中记录了每层所包含的装配单元 , i = 1 , 2 , ?, n 。 用有向边记录装配定位关系如下所示 : L ? Α P ?P ,是模型中有向边的集合 。用一系列的矩阵来记录 装P? P, P? P, P? P, P? P, P? P, P? P, P? P, 2 6 2 7 2 8 3 6 3 8 4 6 5 2 配单元之间及其内部的约束 ,这些矩阵均为上三角阵 ,元素 : P? P, P? P, P? P, P? P, P? P, P? P, P? P, 5 7 5 8 7 3 7 4 8 4 16 18 17 18 1 有向边从 P到 P i jP?P, P? P, P? P22 23 20 19 21 19 - 1 l =有向边从 P 到 P 1 ? i , j ? n ij j i 中央翼翼盒的分层有向图模型如图 4 所示 。 0 P和 P 之间没有边连接i j ?F 是记录装配单元父子关系的集合 。 图 3 分层有向图模型示例图 由于航空产品的零部件众多 , 如果在模型中如实地反映出 每一个零件 , 则模型的规模是极其庞大的 ; 而且装配体中某 些 零件的局部装配顺序是固定的 , 如螺钉联接的装配顺序是垫圈 ( ) 或弹簧垫圈、螺钉 ; 螺栓联接的装配顺序为垫圈 、螺栓 、螺母 。 图 4 某型号飞机中央翼翼盒的分层有向图模型 因此 , 在建立装配模型时 , 不需要完全如实地规划每个零件 的 4 . 2 分层有向图模型的表示 [ 4 ] 装配 , 只要对主要的零部件描述出它们的装配关系即可 。 用前文所阐述的四元组表示图 4 所示的分层有向图模型 : 分层有向图模型实现了把复杂装配体分解成零部件 , 部件 ( ) 1零部件的集合 : , P, P, P, P, P, P, P, P, P, P, P, P, P,{ PP = 1 2 3 4 5 6 7 8 8 10 11 12 13 14 () 3分层的原则采用设计和制造阶段使用的分离面信息 , P, P, P, P, P, P, P, P, P}15 16 17 18 19 20 21 22 23 从而使得分层有向图模型体现了航空产品的结构 特点和功能 ( ) 2层次的集合 H = { H, H, H, H} : 1 2 3 4 特点 ,也使得推理产生的装配顺序规划具有较强的工程性 ; H= P,1 1 () 4在同层次中 ,各个装配单元之间操作互不干涉 ,支持并 H= { P, P, P, P, P, P, P}2 2 3 4 5 6 7 8 行装配 。 H= { P, P, P, P, P, P, P, P, P, P, P, 3 3 5 9 10 11 12 13 14 15 16 17 P, P, P, P}18 19 20 21 参考文献 H= { P, P, P, P, P, P, P, P, P, P, P, 4 3 5 10 11 12 16 17 18 19 20 21 P, P}22 23 [ 1 ] 朱大群 ,赵良才 ,张俊. 基于层次等级关联关系模型的装配序列规 ( ) 3记录独立的装配单元内部和装配单元之间的有向图的 ( ) 划[J ] . 华东船舶工业学院学报 ,2000 ,14 1:71 - 75 . 矩阵 : [ 2 ] 范玉青. 现代飞机制造技术[ M ] . 北京 :北京航空航天大学出版社 , L = { L , L , L , L }1 2 3 4 2001 . - 1 0 0 1 1 1 1 [ 3 ] 付宜利 ,田立中 ,董正卫 ,等. 装配关系的有向图表达方法研究 [ J ] . 0 - 1 1 1 0 1 ( ) 计算机集成制造系统 ,2003 ,9 2:149 - 153 . - 1 1 - 1 - 1 0 [ 4 ] 于建明 ,蔡建国. 装配建模及装配顺序分层规划方法研究[J ] . 机械 T 0 1 1 1 H H=L=2 2 1 ( ) 科学与技术. 2000 ,19 4: 671 - 673 . 0 - 1 0 ( )[ 5 ] 《航空制造工程手 册》总编 委会. 航空 制造 工程手 册 飞机 装配 0 1 [ M ] . 北京 :航空工业出版社 ,1993 . 0 P0 16 0 1 Layered orientation gra ph model ing method f or the assembly P1 )( 17 0 L=PPP= 2 16 17 18 of complex products P0 18 L IU Ping , L I Yuan , ZHANG Ka i2f u P0 19 - 1 - 1 ( Mo der n de sign a nd Integrated Ma nuf act uring Technolo gi2 P( )0 L=20 PPP0 = 3 19 20 21 cal Key L a bo rato ry of Educatio n Mini st r y , No rt hwe st Polytech2 P0 21 )P0 nic U niver sit y , Xi’an 710072 , China 22 1 )( PPL=22 23 = 4 0 P23 Abstract : O n acco unt of t he lar ge number of co mpo nent ( ) 4装配单元之间的父子关系 : p a rt s in co mplex p ro duct s , t here will be rat her big difficult y in PΒ { P, P, P, P, P, P, P}t he sequence pla nning of follo wing2up a ssembli ng. U sing t he 1 2 3 4 5 6 7 8 PΒ { P, P} , P2 11 12 4 Β { P, P}t raditio nal met ho d to build up mo del s will ca use explo sive i n2 9 10 PΒ { P, P, P} Pcrea se of a mo unt of cut2set alo ng wit h t he gro wt h of number of 6 16 17 18 7 Β { P, P, P} , PPΒ { P, P, P}13 14 15 9 8 19 20 21 t he co mpo nent pa rt s. Aiming at t hi s kind of p ro blem a met ho d Β { P, P} , PΒ { P, P, P}utilizing t he divi sio n of a ssembly unit wa s p ut fo rwa r d to ca r r y2 22 23 13 19 20 21 PΒ { P, P, P}14 19 20 21 i ng o ut divi sio n of layer s ; t he layered o rientatio n grap h mo del of PΒ { P, P, P}t he info r matio n of a ssembling po sitio ning relatio nship wa s ex2 15 19 20 21 p re ssed in ever y layer by t he use of embedded o rient atio n grap h. The esta bli shment of layered o rient atio n grap h mo del a nd it s ex2 5 结束语 p re ssi ng met ho d were st udied in t hi s p ap er and applicatio n veri2 针对复杂产品建立的分层有向图模型有如下特点 : ficatio n wa s made by taking certain t yped airpla ne wi ng bo x a s a n exa mple. () 1在模型中充分表达了复杂装配体的层次信息和装配定 Key words : a ssembl y mo del ; layered o rientatio n grap h ; di2 位关系信息 ; vi sio n of a ssembling unit s () 2由于对装配体进行了层次的划分 ,使得每次装配顺序 Fig 4 Ta b 1 Ref 5 “J ixie Sheji”6411 规划只对少量的零部件进行 ,避免了因零部件过多而造成的割 集数量呈爆炸 式 增 长 , 给 后 续 的 装 配 顺 序 规 划 降 低 了 工 作 难 度 ; Your requestcould not be processed becauseof a configurationerror: "Could not connect to LDAPserver." For assistance,contact your network support team. file:///C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt 涵盖各行业最丰富完备的资料文献,最前瞻权威的行业动态,是专业人士的不二选择。 file:///C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt2012/8/26 12:19:58