汽車車門裝配序列規(guī)劃算法的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

郁敏 林瑾 信軻

摘要：汽車車門是車身設(shè)計過程中比較復(fù)雜且關(guān)鍵的部分，其工藝技術(shù)要求較為嚴(yán)格，為了解決車門裝配序列生成與優(yōu)化問題，本文研究并建立結(jié)合車門特點(diǎn)的多層次關(guān)聯(lián)樹模型和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有向圖模型，開發(fā)了多層次關(guān)聯(lián)樹遍歷搜索分層算法。此算法被應(yīng)用于虛擬裝配中，它采用遍歷加循環(huán)的方式獲取裝配體的全部零件信息，對裝配體信息進(jìn)行分級規(guī)劃;接著依據(jù)自頂向下的原則進(jìn)行虛擬拆卸分層控制，使用人機(jī)交互式拆卸法求解出車門拆卸序列，再對拆卸序列進(jìn)行求逆運(yùn)算獲得裝配序列。

關(guān)鍵詞：裝配序列規(guī)劃;多層次關(guān)聯(lián)樹;有向圖;人機(jī)交互拆卸法;汽車車門

1? 汽車車門裝配信息建模

裝配模型是可提供產(chǎn)品從生產(chǎn)、組裝、維修等過程信息的模型，裝配信息建模是實(shí)現(xiàn)裝配序列規(guī)劃的基礎(chǔ)。裝配模型建成后，裝配時能快速從模型中提取所需裝配信息，提高裝配效率。

1.1 汽車車門多層次關(guān)聯(lián)樹模型建立

多層次關(guān)聯(lián)樹模型是用來詳細(xì)描述裝配體的裝配層級關(guān)系，表達(dá)裝配體、子裝配體和零件之間的從屬關(guān)系信息。圖1為車門零件編號ID圖。圖2為汽車車門多層次關(guān)聯(lián)樹模型，圖中實(shí)心圓表示裝配分部件，空心圓表示組成零件。Level1表示的是裝配級，Level2表示的是子裝配級，Level3表示的是零件級。

1.2 汽車車門結(jié)構(gòu)有向圖模型建立

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有向圖為裝配序列規(guī)劃提供把握全局的信息。裝配模型有向圖用于明確表達(dá)裝配體的裝配約束關(guān)系。

裝配時零件及零件間的關(guān)系可用有向圖D=（V（D）|A（D）|φD）進(jìn)行描述。參數(shù)V（D）指頂點(diǎn)，用頂點(diǎn)表示零件;A（D）為有向邊，表示部件之間的裝配關(guān)系;φD為約束關(guān)系。圖3為構(gòu)建的汽車車門結(jié)構(gòu)有向圖。

1.3 裝配模型的代數(shù)表達(dá)

關(guān)聯(lián)樹模型和有向圖分別建立了車門的層次關(guān)系模型和裝配關(guān)系模型。它們共同組成車門裝配模型。一般需要采用代數(shù)方法對裝配模型進(jìn)行描述和運(yùn)算，本文使用鏈表對裝配模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。鏈表可以在多種編程語言中實(shí)現(xiàn)，本文使用VC++依靠易變工具來生成鏈表。

2? 多層關(guān)聯(lián)樹遍歷搜索分層算法

2.1 分層原則

上文研究并建立結(jié)合車門特點(diǎn)的多層次關(guān)聯(lián)樹模型和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有向圖模型，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了多層次關(guān)聯(lián)樹遍歷搜索分層算法。進(jìn)行裝配序列規(guī)劃時，多層次關(guān)聯(lián)樹遍歷搜索分層算法將重新整合產(chǎn)品的裝配層次關(guān)系，接著根據(jù)重新劃分的級別關(guān)系，逐步規(guī)劃每一個父節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的下一層子節(jié)點(diǎn)。此算法可以把將原產(chǎn)品的序列規(guī)劃組合拆分成多種組合方式進(jìn)行計算求和，可避免因零件總數(shù)變多引起裝配序列解空間組合爆炸不足的情況。

2.2 多層次關(guān)聯(lián)樹遍歷搜索分層算法設(shè)計流程

多層次關(guān)聯(lián)樹遍歷搜索分層算法中裝配序列獲取的思路為：采用遍歷加循環(huán)的方式獲取每一個零件信息，對車門模型信息進(jìn)行分級規(guī)劃;接著使用人機(jī)交互式拆卸法求解出車門裝配序列。此算法具備兩部分功能。第一部分功能：遍歷所有零件信息，按照分層規(guī)則對產(chǎn)品進(jìn)行分級規(guī)劃;第二部分功能：是實(shí)現(xiàn)拆卸分層控制，拆卸分層控制思路依據(jù)自頂向下的原則進(jìn)行，選取的節(jié)點(diǎn)只有其上層節(jié)點(diǎn)拆卸完畢情況下才能被拆卸，此種控制可避免任意拆卸零件帶來的邏輯混亂。

參照圖4算法具體實(shí)現(xiàn)流程如下：

①使用遞歸加循環(huán)的方式遍歷搜索裝配體的每一個零件信息，生成元件的信息樹，在全局坐標(biāo)系下構(gòu)造出裝配體包圍盒。

②選中一節(jié)點(diǎn)PN，若其包含有子節(jié)點(diǎn)，則將PN以及它所包含的全部子節(jié)點(diǎn)，均規(guī)劃成一個子節(jié)點(diǎn)PN，并對PN建立包圍盒;若其不包含有子節(jié)點(diǎn)，也將PN視為一子節(jié)點(diǎn)，對其建立包圍盒。

③遍歷選中節(jié)點(diǎn)信息，通過位姿矩陣函數(shù)得到此節(jié)點(diǎn)的位姿信息。

④重復(fù)進(jìn)行步驟②和步驟③，實(shí)時存儲更新數(shù)據(jù)庫中PN的節(jié)點(diǎn)位姿信息，直至獲取所有節(jié)點(diǎn)信息，完成產(chǎn)品的多層次分級規(guī)劃。

⑤拆卸分層控制主要變現(xiàn)為：任選一節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)的信息將被從數(shù)據(jù)庫中獲得，如果此節(jié)點(diǎn)存在上一層父節(jié)點(diǎn)，則說明它的上層父節(jié)點(diǎn)尚未完成拆卸，此時通過定義函數(shù)的方式阻止其移動;如果此節(jié)點(diǎn)不存在上一層父節(jié)點(diǎn)，它便可以移動。此種拆卸分層控制算法采用的是自下而上拆卸原則，可避免任意拆卸產(chǎn)生的混亂，符合一般的拆卸邏輯。

3? 虛擬拆卸序列規(guī)劃實(shí)現(xiàn)流程

3.1 拆卸序列規(guī)劃實(shí)現(xiàn)流程

在虛擬拆卸過程中，通過多層次關(guān)聯(lián)樹遍歷搜索分層算法來交互式控制車門的拆卸，獲取可行性拆卸序列。仿真拆卸時，系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時碰撞檢測。參照圖5裝配序列規(guī)劃實(shí)現(xiàn)流程圖，虛擬拆卸序列規(guī)劃實(shí)現(xiàn)步驟如下：

①通過多層次結(jié)構(gòu)樹分層算法遍歷每一個零件信息，（零件信息實(shí)時保存并更新到零件模型庫）按照分層法則完成產(chǎn)品層級規(guī)劃。

②拾取任一待拆組件，從模型信息庫獲取該組件層級和位姿信息，如果該組件上一層的拆卸體已被拆卸，進(jìn)入下一步約束信息識別環(huán)節(jié);如果該組件的上層拆卸體尚未拆卸完畢，通過定義函數(shù)的方式來阻止帶拆件運(yùn)動。

③約束信息識別環(huán)節(jié)中，通過約束信息數(shù)據(jù)庫獲取組件約束信息，若存在約束關(guān)系，則解除約束;如果不存在約束關(guān)系，則組件位姿可自由變換。

④根據(jù)拆卸方向和給定步長等一系列條件，組件做出相應(yīng)的運(yùn)動，系統(tǒng)實(shí)時進(jìn)行碰撞檢測，若出現(xiàn)碰撞，部件將被返回到上一幀位置。組件的拆卸序列和拆卸路徑信息被實(shí)時錄入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中。

⑤重復(fù)步驟②到步驟④，進(jìn)行下一部件的拆卸序列和拆卸路徑的規(guī)劃。直至拆卸完所有組件。

⑥從數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出拆卸序列和路徑信息文件。

裝配體的拆卸序列就是部件的選擇順序，拆卸路徑就是裝配體的仿真運(yùn)動路徑。裝配序列是通過對零部件的拆卸序列求逆運(yùn)算獲得的。裝配方向等參數(shù)也可對拆卸路徑求逆得到。

3.2 算法功能實(shí)例驗證

圖6中畫圈部位，在拆卸仿真過程中，對玻璃升降器大臂進(jìn)行拆卸，由于沒有事先拆卸完升降器托架裝配體，所以無法先拆卸玻璃升降器大臂。拖動玻璃升降器大臂時，出現(xiàn)無法移動的現(xiàn)象，系統(tǒng)即刻彈出“請完成上一層裝配體的拆卸！”消息提示框。裝配序列規(guī)劃算法在虛擬裝配時能實(shí)時有效進(jìn)行分層規(guī)劃控制。確保裝配序列的合理有效性。

4? 總結(jié)

本文首先建立了結(jié)合車門特點(diǎn)的多層次關(guān)聯(lián)樹模型和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有向圖模型;接著用VC++依靠易變工具來生成鏈表的方式，使用鏈表對如上模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述;接著基于以上模型開發(fā)了多層次關(guān)聯(lián)樹遍歷搜索分層算法，建立了車門裝配序列規(guī)劃方法。最后對算法的可行性進(jìn)行了驗證，裝配序列規(guī)劃算法在虛擬裝配時能實(shí)時有效進(jìn)行分層規(guī)劃控制。確保裝配序列的合理有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘艷如，姜超豪，覃裕初，楊國宇，黃美發(fā).基于本體的裝配序列自動生成[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2018（06）.

[2]馬紅占，褚學(xué)寧，劉振華，李玉鵬.基于人因仿真分析的裝配序列評價模型及應(yīng)用[J].中國機(jī)械工程，2015（05）.

[3]張志超，劉興明，顧永斌，李永飛.機(jī)械裝調(diào)工藝中虛擬裝配技術(shù)的研究和應(yīng)用[J].智能制造，2015（10）.

[4]劉社明.面向虛擬裝配作業(yè)仿真的實(shí)時人機(jī)工效分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（14）：5-6.