面向裝配規劃的機械產品裝配工藝知識管理系統

王峻峰,李健,李世其

(華中科技大學機械科學與工程學院湖北武漢430074)

0 前言

機械產品的裝配規劃是機械產品生產的重要組成部分。據有關統計,在產品的生產過程中,大約1/3左右的人力及產品生產制造總工時的40%－60%被用于產品的裝配過程,裝配成本占總生產成本的50%左右,因此提高裝配規劃的效率和品質成為了裝配規劃的研究重點[1]。

傳統的裝配規劃忽視了對以往成熟產品裝配規劃經驗的借鑒,同時,裝配規劃過程中需要確定緊固連接件的工具、檢測裝配精度的量具以及一些標準的裝配操作規范,這些工作需要查閱機械設計手冊或是行業規范,但查閱過程繁瑣、時間耗費大,而且易出現人為錯誤。近年來,由于人工智能的發展,人們越來越重視對經驗知識的應用,知識這一概念也被引入到了裝配規劃的研究中,H.K.Tonshoff[2]等提出了一種基于知識的自動裝配序列規劃方法、X.F.Zha[3]等建立了一個集成的基于知識的裝配序列規劃和評價系統。KAPSS、Jiannan Zhou[4]等開發了裝配規劃的原型系統,其基于知識的裝配規劃系統主要以基于產品裝配特征[4]的規則類知識為依據并結合算法進行裝配規劃,體現了規劃的智能性和高效性,但由于規則類知識少且不易表達,導致規劃方案往往不能滿足現實要求,缺少實際的裝配生產指導意義。本文將提出面向裝配規劃的機械產品裝配工藝知識管理系統,該系統主要對面向裝配規劃的裝配工藝知識進行收集、表達和存儲,形成了裝配實例知識庫、裝配資源使用知識庫和基本裝配工藝知識庫。通過知識庫的積累并結合人的邏輯推理能力,可以為裝配規劃提供更全面、更有效的指導。

1 面向裝配規劃的裝配工藝知識

裝配規劃的主要工作包括產品裝配單元劃分、產品裝配工序確定和產品裝配資源選擇三部分內容,完成這三方面裝配規劃工作所需的知識構成了面向裝配規劃的裝配工藝知識的組成部分。裝配單元確定知識是對產品進行套件、組件和部件等裝配單元確定,選擇裝配單元基準件,從而進行分層分級裝配的知識;裝配工序確定知識是確定零部件裝配順序、確定工序內容、制定裝配操作規范的知識;裝配資源分配知識是確定各工序所需的工具和量具的知識。由于裝配工序中很多裝配操作是標準的,普遍適用的,因此將標準的裝配操作知識單獨提出,構成基本工藝知識,為裝配操作規范的制定提供輔助。

1.1 裝配單元確定知識

裝配單元[6]是由多個零件或部件通過配合、連接等關系組成的一個不可自發分離的子結構,而且這個子結構不影響原裝配體中其余零件的裝配。配合關系是裝配特征之間的配合方式,如平面配合、柱面配合和錐面配合等,而裝配特征[5]是零件表面上參與裝配活動的區域,主要由形狀特征、材料特征、運動關系和位置關系組成。連接關系是用于定位和傳遞零件之間的幾何約束的結構。若干相同類型的連接件同其所連接的普通零件以及相應的附件所組成的集合稱為一個連接組件。

通過以上分析得出裝配單元主要取決于裝配基準、配合關系和連接方法三方面。

1.2 裝配工序確定知識

裝配工藝過程[7]是裝配人員按照產品的裝配順序,通過一定的裝配操作,按照指定的裝配路徑并在保證裝配精度要求的情況下高效率、高品質的完成產品裝配的過程。裝配順序是裝配工序中各零部件進行裝配的次序,是產品裝配的重要依據。如果裝配順序選取不恰當,將致使裝配操作不斷重復,造成裝配一次成功率降低并極大的浪費裝配資源,延長產品的開發周期,直接導致成本的增加。裝配操作是指將零部件組合在一起而進行的清洗、定位、連接、調整、修配、檢驗等操作。

裝配工序劃分是將裝配工藝過程劃分為若干個階段,以保證裝配生產的平衡,提高生產效率。

由上可見,裝配工序確定主要取決于裝配順序、裝配操作、裝配夾具、裝配路徑四個方面。

1.3 裝配資源使用知識

機械產品裝配規劃中使用的裝配資源主要由工具、夾具和量具組成。工具的選擇主要根據螺紋緊固件的類型及其公稱直徑和裝配現場擁有的工具資源確定。量具的選擇主要根據裝配精度要求及裝配現場擁有的量具資源確定。由于機械產品的裝配過程中使用的夾具基本上因產品不同而不同,很少能重用,因此本文中將夾具認定為與具體產品零部件相關的屬性,而不將其包括在裝配資源中。

1.4 基本裝配工藝知識

基本裝配工藝知識是指一些標準操作規范,這些操作規范不會因為產品的不同而發生變化,而只與具體的裝配操作相關。這些裝配操作規范包括清洗、防松和膠接。

清洗是為保證裝配品質及裝配工作的順利進行,對待裝配的零部件進行的操作。對于不同的零部件材料采取不同的清洗方法即選擇不同的清洗參數。

螺紋連接在沖擊、振動和變載荷作用下可能自松,因此要根據具體的產品使用環境及現場條件選擇合適的防松方式。

膠接是工藝簡便,不需要復雜的工藝設備的連接操作,但是合適的膠接劑組分、固化壓力、固化時間、固化溫度的選擇對膠接品質至關重要。

2 基于本體的裝配工藝知識表達

知識表達的方法多種多樣,使用較多的知識表示方法[8]主要有:謂詞邏輯表示法,產生式表示法、框架表示法、語義網絡表示法、面向對象表示法、基于本體的知識表示法等。本體作為構建描述領域知識模型的方法論[9],它對領域內的概念模型進行了明確說明,而且可以支持粒度小、語義復雜的概念模型創建,這些特點正適合表達有不同細節需求的裝配工藝知識。基于本體的表示方法對知識表示語言中的建構和約束作普遍的、無歧義的語義解釋,可以保證支持本體的不同使用者之間進行語義層面的信息共享和互操作,同時,作為本體描述語言的OWL[10]可以方便的映射到數據庫,為本體的存儲提供了方便。因此本文將采用基于本體的知識表達方法來構建裝配工藝知識。

基于本體概念的裝配工藝知識構成圖如圖1所示,由裝配單元、裝配工序、裝配資源和基本裝配工藝四個本體組成,每個本體又劃分為若干粒度不同的下級本體。

圖1 裝配工藝知識本體

a)裝配單元知識本體

使用零件和連接組件這兩種最基本組成單元來描述其構成,任何裝配單元都是通過連接組件將零件連接起來形成不可自發分離的裝配結構,裝配單元的特征由零件的特征形成,零件的形狀特征和材料特征是零件獨立的特征,它只與零件本身有關,而零件的運動關系、位置關系和裝配精度是零件之間的特征,它由多個零件共同決定。零件特征構成了裝配單元的結構特點,也是裝配工序規劃的出發點。

b)裝配工序知識本體

由裝配順序、裝配操作、裝配路徑描述,裝配順序確定裝配單元中零件或連接組件的裝配秩序,裝配操作決定將兩個零件裝配在一起進行的各種操作如先定位再連接,裝配路徑確定裝配操作的方向。對于裝配工序中所需使用的裝配資源將單獨在裝配工裝中進行描述。

c)裝配資源知識本體

裝配資源知識本體由裝配工具和裝配量具組成,裝配工具是緊固連接件時需要使用的資源,裝配量具是保證零件裝配精度時使用的資源。

d)基本裝配工藝知識本體

基本裝配工藝知識本體是標準操作規范的描述,對于某類型機械產品的裝配,主要考慮防松、清洗、膠接三類常用基本工藝。防松工藝主要用于螺紋連接件,即在有螺紋連接件而且有防松要求時就需要相應的防松操作規范。清洗工藝主要用于零件或連接組件裝配前操作,具體清洗工藝的選擇要取決于零件類型和污染物的種類及污染程度。膠接基本工藝的選擇要根據被連接件材料、連接要求及環境決定。

3 裝配工藝知識管理系統實現

3.1 系統架構

本文建立的裝配工藝知識管理系統體系架構如圖2所示。裝配工藝知識管理系統主要對裝配實例知識、裝配資源使用知識和基本裝配工藝知識進行管理,建立了面向裝配規劃的裝配工藝知識庫,以提供給用戶進行知識重用,其中裝配實例知識由裝配單元確定知識和裝配工序確定知識描述。以面向裝配規劃的裝配工藝知識庫為基礎,該系統提供了裝配實例檢索、裝配資源檢索、基本裝配工藝檢索和裝配工藝知識錄入界面,實現了用戶對相應知識的管理。裝配實例知識的管理將產品的裝配過程進行管理,以供工藝規劃人員規劃相似產品時進行查詢、學習和借鑒,提高裝配規劃效率;裝配資源使用知識的管理將螺紋連接件或裝配精度對應的裝配資源進行管理,便于工藝規劃人員快速查詢,得到符合實際的需要使用的裝配資源。基本裝配工藝知識管理對防松、清洗、膠接工藝知識進行管理,為工藝規劃人員提供標準的裝配操作規范。

圖2 面向裝配規劃的裝配工藝知識管理系統架構圖

3.2 面向裝配規劃的裝配工藝知識應用

以臺鉆Z4006－A主軸箱部件裝配工藝規劃為例說明裝配工藝知識管理系統的應用。對于主軸箱部件,裝配工藝知識管理系統的輔助規劃主要分為三個層次,一是輔助裝配工序確定;二是確定需要使用何種裝配資源;三是確定標準操作規范。

在規劃臺鉆Z4006－A主軸箱部件裝配過程前先學習以往相似產品裝配過程,可以通過裝配實例知識檢索得到如下相似裝配實例,通過學習借鑒來輔助Z4006－A裝配工序確定,如圖3(a)。臺鉆Z4006－A主軸箱部件中采用了M5×25的開槽沉頭螺釘連接刻度板和主軸箱,因此需要確定緊固該螺栓的工具,可以通過裝配工具檢索輔助確定裝配工具資源使用,如圖3(b)。主軸箱部件中墊塊的裝配有平行度為0.1 mm的精度要求,因此要確定測量其裝配精度要求的量具,可以通過裝配檢索輔助確定裝配量具資源使用,如圖3(c)。由于主要軸箱部件使用過程中存在振動,因此需要對起連接作用的開槽沉頭螺釘進行防松,通過防松工藝檢索確定合適的防松標準操作規范,如圖3(d)。

通過利用系統提供的裝配工藝知識,并結合三維裝配過程規劃軟件,最終實現臺鉆Z4006A從裝配工序規劃到裝配資源使用再到基本裝配工藝應用的輔助規劃,形成裝配技術要求等文字信息和三維裝配過程動畫為一體的裝配工藝文件,圖4所示為主軸箱部件的裝配工藝指導界面。

圖3 裝配規劃中裝配工藝知識的使用

4 結論

圖4 主軸箱部件裝配工藝過程

裝配工藝知識在裝配規劃過程中具有重要的作用,需要進行規范的管理以使這些知識得到重用。基于本體概念構建了裝配工藝知識體系,形成了包含裝配單元、裝配工序、裝配資源和基本裝配工藝等知識為主體的裝配工藝知識庫,開發了面向裝配規劃需求的裝配工藝知識管理系統。結合臺鉆Z4006A的裝配規劃為例,說明了裝配工藝知識管理系統中各主要知識模塊的使用,為快速形成裝配工藝指導文件提供有力支撐。將來的工作需要對裝配工藝知識庫進行擴充,形成更多的知識容量;另外,如何在三維裝配規劃中實現知識的主動推動,更好的為三維裝配提供知識服務也是一個研究方向。

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