基于裝配任務集的裝配過程建模研究

楊云斌 韋力凡 何良莉 張懷宇

中國工程物理研究院，綿陽，621900

0 引言

為了在產品設計階段就對產品裝配性能進行評估與驗證，近年來提出了用基于數字樣機的虛擬裝配技術解決裝配性評估、優化和驗證的方法［1］。裝配過程模型描述產品裝配仿真的全過程，記錄裝配仿真過程的所有信息，完整的裝配過程模型是裝配分析與驗證的基礎，也是保證虛擬裝配模型信息有效、完整表達的重要環節。目前研究裝配過程建模的學者不少，但全盤考慮實際裝配過程中裝配資源、裝配人員和裝配環境等因素的研究不多，現有的裝配模型不能很好地描述裝配任務的層次性和并行性，導致建立的裝配過程模型與實際裝配過程差異較大，限制了虛擬裝配技術的工程應用。文獻［2］提出的用單向順序裝配任務鏈來描述產品的裝配過程，實現了裝配任務與裝配約束的時序關系表達，能夠很好地描述順序裝配過程，該模型的不足是不能描述裝配任務間的層次關系，不能表示可并行開展的裝配任務。文獻［3］提出了基于層次鏈的產品裝配過程建模方法，該模型考慮了裝配任務間的層次關系，但層次鏈上的節點是一個裝配任務，不能反映裝配任務的并行特性。本文在分析目前裝配過程建模研究的基礎上，考慮產品的物理屬性，建立了產品層次信息模型及其實現方法；考慮實際裝配過程中的產品和裝配資源等因素，對裝配過程模型的基本單元裝配任務進行了詳細描述；針對目前的裝配過程模型不能同時描述產品的層次性和并行性的情況，提出了基于層次結構的裝配任務集鏈來描述裝配過程的方法，該方法能描述復雜產品裝配仿真過程中不同層次的裝配任務和可并行開展的裝配任務?；谏鲜鋈矫嫜芯抗ぷ鹘⒌难b配過程模型，不僅考慮了實際裝配過程中裝配資源和產品物理屬性等因素的影響，而且能很好地描述裝配任務的層次結構和并行特性，即能更加完整地描述實際的裝配過程。

1 產品層次信息模型的建立

產品層次信息模型是裝配過程模型的基礎，描述產品裝配過程的基本單元裝配任務中的許多信息來源于產品層次信息模型［4］。筆者根據產品設計中裝配過程的具體特征，分析了裝配仿真過程中對于產品數字模型的信息需求，建立了產品層次信息模型，如圖1所示。

圖1 產品層次信息模型

產品層次信息模型是在設計模型庫的基礎上，采用二次開發技術，實現從CAD模型中提取零件的幾何信息和拓撲信息，如對基于UG的CAD模型，采用其二次開發接口UG/OPEN開發零件信息轉換模塊，該模塊打開一個UG模型文件，先判斷模型是單個零件還是裝配體，如果是單個零件就遍歷該零件的B－rep，獲取幾何參數，然后離散成多邊形輸出所需要的格式，如果模型是裝配體，則遞歸遍歷子裝配直到單個零件為止。在虛擬裝配環境中，基于從CAD模型中獲取的幾何模型，基于二次開發技術，采用交互式定義實現零部件的物理屬性及裝配特征，產品層次信息模型實現如圖2a所示。圖2b是一個鏡箱門的物理屬性定義示例，在虛擬裝配環境中選中要定義的鏡箱門，系統彈出數據輸入窗口，直接輸入相關參數實現物理屬性定義。

2 裝配任務描述

圖2 產品層次信息模型實現及示例

裝配過程是一系列裝配任務的有序組合，裝配任務作為裝配過程的信息表達單元，是指在虛擬環境中，為完成某個裝配單元的裝配所實施的一系列操作過程，一個典型裝配任務的操作過程包括指定裝配基準、抓取零部件、移動零部件和釋放零部件等一系列操作。一個典型裝配任務應包括裝配任務標識、裝配序列、任務對象、裝配路徑和裝配時間等，其詳細描述如圖3所示。

圖3 裝配任務描述

圖3中的裝配任務標識是明確裝配任務名稱，對裝配任務進行說明，通過裝配任務ID保證裝配任務的唯一性。裝配序列是一系列操作的有序集，通過裝配序列ID來標識，裝配序列采用鏈表的形式記錄零部件在虛擬環境中的裝配順序，鏈表上的每個節點可采用如下數據來描述：

圖3中的任務類型包括指定裝配基體和零部件裝配，指定為裝配基體的不需要定義裝配約束關系。任務對象是裝配任務中所涉及的裝配單元、裝配工具及輔助工裝等，其相關信息可從產品層次信息模型中獲取。裝配路徑是零部件或裝配工具的移動路徑，反映零部件或裝配工具在虛擬裝配空間中的運動軌跡，通過裝配路徑ID來標識。在虛擬裝配過程中，將零部件或裝配工具的位置和方向以離散節點的形式進行記錄，這些節點通過鏈表的形式組織起來，即可得到該零部件或裝配工具的裝配路徑。鏈表上的每個節點可用如下數據來描述：

圖3中的裝配時間包括開始時間與結束時間，如果只通過裝配動作所需時間來描述，不能反映出裝配動作的起止時間。

3 基于裝配任務集的裝配過程模型

3.1 基于層次結構的裝配任務集鏈

在虛擬裝配仿真中，一個產品的裝配過程是由一系列裝配任務組成的。復雜產品的裝配任務可分為系統層、組件層、零件層等多層結構，上層裝配任務依賴于下層裝配任務的完成?？紤]復雜產品的分層結構和裝配任務的并行性，本文提出基于層次結構的裝配任務集鏈來描述復雜產品的裝配過程。基于層次結構的裝配任務集鏈ATCLHS如圖4所示。圖4中Sk、Co、Ps分別表示系統層第k個任務集、組件層第o個任務集和零件層第s個任務集，Ti表示某任務集中的第i個任務，如SkTi表示系統層任務集k的第i個任務，PsTr表示零件層任務集s的第r個任務。

圖4 基于層次結構的裝配任務集鏈ATCLHS

基于ATCLHS的裝配過程模型首先根據裝配仿真的特點，確定裝配任務的層次結構，確定具體的分層數，對于每一層裝配任務集鏈，每個節點不再是一個單獨的裝配任務，而是一個裝配任務集，該裝配任務集就是一系列可并行開展裝配任務的集合，通過該裝配任務集來反映實際裝配過程中裝配任務的并行特性，如組件層任務集C1表示T1，T2，…，Tm任務沒有順序性，可并行開展，也可無序串行開展。對于系統層裝配任務集鏈的任務S2T2，由于其子節點不為空，說明其有下層裝配任務集鏈，即組件層任務集鏈C1，C2，…，Co。

任務集鏈的任務集節點，可用如下數據描述：

其中，tasks任務集合是由一系列裝配任務ID組成，表示該任務集由那些任務組成。如果next＿node后續節點為空集，表示該任務集節點是該層的最后一個任務集。

任務集中的任務，可用如下數據進行描述：

如果任務的子節點為空集，表示該任務沒有下層裝配任務集鏈。

采用ATCLHS描述產品裝配過程，具有以下主要優點：

（1）層次結構與并行性。ATCLHS支持虛擬裝配過程中的并行操作。裝配任務集鏈上的每個節點是一個裝配任務集，能夠支持同層任務的并行操作。采用分層的描述結構，可以并行地開展下一層的裝配任務，然后再在上一層中進行產品的裝配，能夠體現裝配過程的層次結構。

（2）動態性。ATCLHS能夠表達虛擬裝配仿真過程中的動態過程信息。動態過程信息的記錄不僅使設計者能夠在虛擬環境中反復分析產品的動態行為，而且為虛擬裝配后續環節提供了信息源。特別是對于可并行裝配的任務，在仿真中操作者可根據自己的判斷，決定裝配的順序，并能動態記錄這個裝配過程，以便于后期對不同的裝配流程進行評價。

（3）回溯性。由于在裝配任務描述中考慮了裝配時間，并且ATCLHS是基于裝配任務集建立的，因此，可同時支持基于裝配時間的回溯和基于裝配任務的回溯［2］，可根據需求選用不同的回溯方法，保證虛擬裝配回溯的靈活性，提高裝配仿真的效率。

（4）調整性。由于采用分層結構，ATCLHS支持裝配任務順序局部調整。在ATCLHS中，裝配過程由一系列不同層次的裝配任務集鏈組成，因此同一層的裝配任務集鏈的裝配順序調整，其影響范圍也被局限于該層，而不會對該層的上層和下層的裝配任務集鏈造成影響。

3.2 ATCLHS的實現

為了實現上述數據結構的存儲與訪問，采用數據庫中的嵌套表技術來實現，嵌套表是表中表，一個嵌套表是某些行的集合，它在主表中表示為一列，對主表中的每一條記錄，嵌套表可以包含多個行。嵌套表允許在附表中存放關于子表的信息，勿需執行聯合操作，就可以通過父表直接訪問子表中的記錄，這種不經聯合而直接選擇數據的能力使訪問數據效率更高［5］。如針對圖4中的系統層裝配任務集鏈表，可通過圖5所示的嵌套表形式實現存儲與訪問，如對裝配任務集S2，其“任務集合”字段的內容就是一個嵌套表，它是由S2T1任務ID、S2T2任務ID、…、S2Ti任務ID等多個行組成，通過該嵌套表就能訪問裝配任務集S2的所有任務ID，并可通過任務ID，從裝配任務數據表獲得該裝配任務的詳細信息。對于組件層和零件層的任務鏈表，可采用同樣的方式實現。

圖5 系統層裝配任務集鏈的存儲與訪問

3.3 應用示例

虛擬現實環境采用BARCO Galaxy DLP投影儀和PowerWall顯示屏幕，支持三通道立體顯示，圖形發生器是DELL T7500工作站＋Quadro Plex可視化圖形服務器，VR外設包括Crystal－Eyes液晶眼鏡、六自由度FOB跟蹤器和NeoWand六自由度三維交互設備等［6］。利用FOB跟蹤Neowand的位姿數據，Neowand作為輸入控制設備實現直接操作和系統控制，實現虛擬裝配仿真。以一具有兩個層次結構的裝配過程來說明基于層次結構的裝配任務集鏈的裝配過程模型應用，裝配任務集鏈如圖6所示，裝配任務集及裝配任務描述如表1～表4所示。

表1 組件層裝配任務集表

圖6 裝配任務集鏈

表2 組件層裝配任務表

表3 零件層裝配任務集表

表4 零件層裝配任務表

表2中的C1T1表示組件Ⅱ安裝到安裝板；C1T2表示組件Ⅰ安裝到安裝板。表4中的P1T1表示零件Ⅱ安裝到組件Ⅱ；P1T2表示零件Ⅲ安裝到組件Ⅱ。

當使用NeoWand設備選中安裝板，并指定為裝配基體時，根據基于裝配任務集的裝配過程模型，系統提示需先完成組件Ⅱ的組裝，即需先完成零件層裝配任務，如圖7a所示。當使用NeoWand設備選中組件Ⅱ，并指定為裝配基體時，系統根據零件層裝配任務集鏈，系統提示安裝零件Ⅱ （P1T1）和零件 Ⅲ（P1T2）可并行進行安裝，也可無序串行進行安裝，此時操作者可選擇先裝配那個零件，圖7b顯示操作者已完成零件Ⅲ安裝，正在安裝零件Ⅱ的裝配過程，圖7c是組件Ⅱ已安裝到安裝板的仿真結果。

圖7 采用ATCLHS的裝配示例

采用基于層次結構的裝配任務集鏈的裝配仿真具有以下特點：

（1）當操作者采用不正確的安裝流程時，系統可根據裝配任務集鏈給出智能提示。

（2）基于裝配任務集鏈描述裝配任務的層次關系，系統可提示操著者正在進行的裝配任務所處的層次結構，并引導操作者選擇下一個裝配任務。

（3）基于裝配任務集，系統能給出可并行或無序串行開展的裝配任務，記錄操作者的不同選擇，并記錄不同的裝配流程，支持后續環節對不同裝配流程進行評估，從而選擇更優的裝配流程。

4 結束語

針對目前裝配過程模型不能描述裝配任務的層次結構和并行特性的問題，提出了基于裝配任務集的裝配過程建模方法，并通過嵌套表技術實現裝配過程模型的存儲和訪問，該方法不僅能體現產品的層次結構，反映裝配任務的并行特性，而且還能描述裝配仿真過程中的動態信息，支持基于裝配時間回溯和基于裝配任務的回溯?；谘b配任務集的裝配過程建模方法也為今后協同裝配仿真研究奠定了基礎。

［1］譚建榮，劉振宇.數字樣機：關鍵技術與產品應用［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［2］劉振宇，譚建榮，張樹有.虛擬環境中產品裝配過程回溯方法研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2003，15（11）：1432－1436.

［3］侯偉偉，劉檢華，寧汝新，等.基于層次鏈的產品裝配過程建模方法［J］.計算機集成制造系統，2009，15（8）：1523－1527，1544.

［4］劉振宇，譚建榮，張樹有.面向虛擬裝配的產品層次信息表達研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2001，13（3）：223－228.

［5］楊云斌.空域管理與評估系統的設計與實現［D］.成都：四川大學，2003.

［6］何良莉，魏發遠，王峰軍.虛擬布局/裝配環境下的人機交互技術研究［J］.機械設計，2010，27（5）：86－89.