基于裝配可供性模型的多階段裝配資源匹配研究*

劉 波，姜少飛，彭 翔，李吉泉

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝配制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

0 引 言

零件裝配是按照規(guī)定的技術(shù)要求，將若干個(gè)零件接合成部件或?qū)⑷舾蓚€(gè)零件和部件接合成產(chǎn)品的過(guò)程。在產(chǎn)品裝配過(guò)程中，零部件通常需要工裝、夾具等裝配資源的配合[1]，如果裝配資源不到位或者裝配資源使用不對(duì)，將會(huì)直接影響產(chǎn)品裝配質(zhì)量，甚至?xí)黾友b配成本和裝配周期。因此，裝配資源是裝配的重要影響因素之一。

目前，裝配資源影響裝配的研究主要有：CHEN R S等[2]以裝配周期最小化、裝配工作量平均化、裝配資源更替次數(shù)最小化、機(jī)床使用數(shù)量最小化等為優(yōu)化目標(biāo)，建立了基于裝配資源的分層遺傳算法，實(shí)現(xiàn)裝配順序的智能規(guī)劃；孫元亮等[3]提出裝配資源影響因子的概念，分析了裝配資源對(duì)裝配序列動(dòng)態(tài)規(guī)劃的影響；程暉等[4-5]提出考慮裝配資源約束的復(fù)雜產(chǎn)品裝配順序規(guī)劃方法；余劍峰等[6]提出了一種復(fù)雜產(chǎn)品裝配順序評(píng)價(jià)的路徑反饋方法，基于集成裝配資源的裝配順序建立了面向路徑規(guī)劃的裝配過(guò)程鏈模型。以上方法都只是將裝配資源作為一種約束進(jìn)行裝配序列規(guī)劃，而沒(méi)有具體分析裝配資源與裝配零部件之間的相互關(guān)系，使得裝配資源選擇具有不確定性，從而影響選擇合理的裝配資源。

針對(duì)上述問(wèn)題，基于可供性理論，本研究提出借助裝配可供性模型的裝配資源多階段匹配設(shè)計(jì)方法[7-11]。

1 裝配可供性模型

可供性是實(shí)體交互作用的產(chǎn)物，在裝配系統(tǒng)中實(shí)體包括零部件和裝配資源，所以裝配可供性指某產(chǎn)品在裝配工藝操作中，通過(guò)零部件與裝配資源交互作用產(chǎn)生可供性。

裝配可供性分為裝配需求可供性和裝配附加可供性。裝配需求可供性是指零部件實(shí)體與裝配資源交互作用產(chǎn)生的滿足裝配需求的可供性；裝配附加可供性是指零部件實(shí)體與裝配資源交互作用產(chǎn)生的除了裝配需求可供性外的其他可供性。

裝配可供性模型由發(fā)生交互作用的零部件、裝配資源、交互作用生成的可供性3部分組成。

4種類型的裝配可供性模型如圖1所示。

圖1 裝配可供性模型

(1)裝配需求可供性模型。在確定的裝配需求的指導(dǎo)下，零部件實(shí)例與裝配資源交互作用產(chǎn)生的滿足裝配需求的交互作用。例如齒輪對(duì)外界提出需要移動(dòng)的需求，而機(jī)械手與齒輪交互作用可以滿足移動(dòng)的需求；

(2)裝配附加可供性模型。零部件實(shí)體與裝配資源交互作用產(chǎn)生多種類型的裝配可供性，除了滿足裝配需求的可供性交互作用外，還會(huì)產(chǎn)生噪聲、環(huán)保等其他的裝配附加可供性交互作用；

(3)積極交互作用模型。零部件實(shí)體與裝配資源交互作用對(duì)裝配操作有促進(jìn)作用，例如裝配資源(夾具)對(duì)軸的固定交互作用對(duì)裝配的穩(wěn)定性有促進(jìn)作用；

(4)消極交互作用模型。零部件實(shí)體與裝配資源交互作用對(duì)裝配操作有不利的影響，例如裝配資源(操作人員)對(duì)齒輪移動(dòng)的交互作用因?yàn)槭褂貌僮魅藛T可能會(huì)產(chǎn)生額外的費(fèi)用增加了裝配成本，所以對(duì)裝配有不利的影響。

2 多階段裝配資源自適應(yīng)匹配

2.1 確定裝配需求

先確定需要分析的產(chǎn)品對(duì)象，再對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行分析，獲取組成產(chǎn)品零部件之間的位置關(guān)系，確定裝配零件信息，包括零件的特征屬性及零件之間的配合關(guān)系。

一個(gè)典型的產(chǎn)品裝配工序包括以下關(guān)鍵操作：識(shí)別零件、抓起零件、把零件移動(dòng)到工作臺(tái)，調(diào)整零件并把零件放置到正確的裝配位置、零件固定、檢測(cè)等。不同零部件為了完成上述工序需要對(duì)外界提出裝配需求。根據(jù)裝配系統(tǒng)中零部件所處狀態(tài)將裝配需求分為提供零部件移動(dòng)的裝配需求和提供零部件靜止的裝配需求。

裝配需求包含兩個(gè)方面的信息，分別是裝配工序操作和目標(biāo)零部件的特征(重量、形狀、尺寸和厚度等信息)。將上述工序操作分為裝配前、裝配中和裝配后3個(gè)階段，并與上述工序相對(duì)應(yīng)。

裝配需求多階段特點(diǎn)如圖2所示。

圖2 裝配需求多階段特點(diǎn)

2.2 確定滿足裝配需求的裝配資源

在裝配過(guò)程中，零件為了完成裝配目的而對(duì)外界提出一種需求，借助裝配需求可供性模型分析零部件與裝配資源之間的交互作用，進(jìn)一步得到滿足裝配需求的裝配資源。

滿足裝配需求的裝配資源分析流程如圖3所示。

(1)通過(guò)零部件特征和狀態(tài)改變得到裝配需求，然后對(duì)裝配資源庫(kù)在裝配需求約束條件下選擇與裝配需求相匹配的裝配資源；

(2)在不同的裝配階段，借助裝配需求可供性模型分析零部件與(1)中選出的裝配資源之間的可供性交互作用；

(3)分析(2)中產(chǎn)生的可供性交互作用是否滿足裝配需求，如果裝配資源能夠滿足零部件裝配狀態(tài)改變的裝配需求則進(jìn)入下一步，如果不滿足則進(jìn)入(2)；

(4)輸出多個(gè)滿足裝配需求的裝配資源。

圖3 滿足裝配需求的裝配資源分析流程圖

2.3 確定最優(yōu)裝配資源

本研究對(duì)滿足裝配需求的裝配資源進(jìn)一步分析得到裝配附加可供性，在面向裝配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則約束條件下選擇最優(yōu)的裝配資源。

面向裝配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如圖4所示。

圖4 面向裝配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

最優(yōu)裝配資源分析流程圖如圖5所示。

圖5 最優(yōu)裝配資源確定流程

具體為：

(1)對(duì)多個(gè)滿足裝配需求的裝配資源進(jìn)行可供性交互作用分析；

(2)將可供性交互作用進(jìn)行分類，一類是裝配需求可供性，另一類是裝配附加可供性；

(3)在面向裝配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則約束下對(duì)裝配附加可供性進(jìn)行分析并判斷其類別；

(4)如果裝配附加可供性交互作用滿足面向裝配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則約束則裝配附加可供性是積極可供性，否則產(chǎn)生消極可供性。剔除產(chǎn)生消極裝配附加可供性的裝配資源，選擇產(chǎn)生積極裝配附加可供性的裝配資源。

3 工程實(shí)例

本文以齒輪和軸為例進(jìn)行基于裝配可供性的裝配資源自適應(yīng)匹配設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。

其零件相互關(guān)系如圖6所示。

圖6 軸和齒輪裝配爆炸圖

步驟一：獲取齒輪和軸的裝配需求，裝配需求包含兩個(gè)方面的信息：零部件特征和裝配工藝操作。

齒輪和軸的特征信息如表1所示。

表1 軸和齒輪的特征信息

齒輪和軸裝配中通常是將軸預(yù)先固定在裝配位置，而齒輪向軸移動(dòng)而相互配合。

本文具體分析齒輪向軸移動(dòng)的裝配過(guò)程，所以軸對(duì)外界的裝配需求是：固定；齒輪對(duì)外界的裝配需求是：抓取、移動(dòng)和固定。

裝配具體信息如表2所示。

表2 軸和齒輪的裝配需求

步驟二：裝配資源需要提供軸固定的可供性交互作用，同時(shí)裝配資源需要提供齒輪抓取、移動(dòng)和固定的可供性交互作用。

通過(guò)對(duì)不同階段的裝配需求，進(jìn)行圖3所示的分析流程可知，滿足軸的固定和齒輪的抓取、移動(dòng)和固定可供性交互作用的裝配資源如表3所示。

表3 滿足裝配需求可供性的裝配資源

步驟三：對(duì)上述多個(gè)滿足裝配需求的裝配資源做進(jìn)一步分析，從而確定最合適的裝配資源。

在齒輪和軸裝配過(guò)程中的裝配資源(操作人員)，雖然能夠滿足裝配需求，但是不滿足手工操作最少原則，所以不考慮。

其他裝配資源產(chǎn)生的裝配附加可供性、是否滿足約束以及裝配需求最優(yōu)裝配資源的信息如表4所示。

表4 基于裝配附加可供性選擇最優(yōu)裝配資源

筆者以表4中滿足齒輪移動(dòng)需求的裝配資源機(jī)械手和傳送帶為例進(jìn)行詳細(xì)分析：

傳送帶。齒輪放置在傳送帶上，并與傳送帶進(jìn)行交互作用產(chǎn)生滿足提供移動(dòng)的裝配需求可供性。但是傳送帶將齒輪移動(dòng)到指定位置時(shí)，還需要另一種裝配資源將齒輪抓起并與軸配合裝配。這個(gè)違反了面向裝配設(shè)計(jì)中裝配資源使用最少原則，同時(shí)也給裝配帶來(lái)了不必要的麻煩增加了裝配時(shí)間和成本。所以它們之間產(chǎn)生的裝配附加可供性是消極的，故不考慮傳送帶。

機(jī)械手。機(jī)械手抓起齒輪，并將齒輪移動(dòng)到指定的裝配位置滿足提供移動(dòng)的裝配需求。齒輪與機(jī)械手交互作用產(chǎn)生裝配附加可供性調(diào)整零件的方向，所以機(jī)械手同時(shí)可用于裝配操作有抓取、移動(dòng)和固定動(dòng)作，減少了不同裝配工藝更換裝配資源的時(shí)間，也提高了裝配資源的利用率。所以它們之間產(chǎn)生的裝配附加可供性是積極的，故選擇機(jī)械手。

步驟四：通過(guò)對(duì)最優(yōu)裝配資源分析和評(píng)價(jià)，可以看出最優(yōu)裝配資源的特點(diǎn)。

具體信息如表5所示。

表5 最優(yōu)裝配資源分析和評(píng)價(jià)

4 結(jié)束語(yǔ)

基于裝配可供性模型，為了給裝配零部件在不同裝配階段選擇不同的裝配資源，本研究首先分析了零部件的特征屬性，然后從裝配需求出發(fā)，借助裝配需求可供性模型，初步選擇滿足裝配需求的裝配資源，最后分析滿足裝配需求的裝配資源與零部件的交互作用，并借助裝配附加可供性模型在面向裝配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則約束條件下從滿足裝配需求的裝配資源中選擇最合適的裝配資源。

本文通過(guò)工程實(shí)例齒輪與軸的裝配過(guò)程，驗(yàn)證了基于裝配可供性模型為零部件在不同階段選擇裝配資源的合理性和有效性。

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