专利名称：复杂产品的协同装配设计、工艺规划与仿真验证集成方法
技术领域：
本发明涉及一种复杂产品协同装配设计、评价分析、规划优化与仿真验证集成方
法，属于先进制造技术领域现代制造集成技术的研究内容。
背景技术：
复杂产品的研制开发是一项非常复杂的系统工程，需要多学科、多领域、多部门甚 至多企业之间的协同，其研制开发往往是多阶段、反复评价验证的工作，而面向复杂产品装 配的协同设计、评价分析、规划优化与仿真验证等各阶段的协同与集成问题一直是复杂产 品开发的瓶颈。如何综合利用产品数字化设计与制造技术、网络技术、人工智能技术等实 现复杂产品异地装配设计优化与装配过程优化，一直是众多学者和工业界研究的热点和难 点。 目前，在卫星、航空器及其它复杂机电产品装配设计方面，基本上都实现了数字化 设计，但基于网络的协同设计还处于初级阶段，不能有效地支持面向装配的复杂产品协同 开发。虽然各国政府和企业及相关科研院所开展了 "并行工程"、"精益制造"和"协同设计 与制造"等项目的研究与实践，但取得的成果还不能满足复杂产品协同装配设计的需求。网 络技术、人工智能技术和虚拟装配技术的发展为异地产品开发人员从几何、物理、过程等多 方面研究复杂产品装配相关问题和改变目前相对落后的复杂产品开发模式提供了新的途 径，网络化协同装配设计必将成为未来的主要发展趋势。目前，部分学者将面向复杂产品装 配的协同设计、评价分析、规划与优化和仿真验证的某两部分结合起来进行研究，但全部将 协同装配设计、评价分析、规划与优化和仿真验证完全集成的研究还尚未发现。
发明内容
为解决复杂产品面向装配的协同设计难、装配工艺规划难、装配质量难以保证和
装配效率低等问题，提出了一种基于网络的复杂产品协同装配设计、评价分析、规划优化与
仿真验证集成方法，该方法由协同装配设计、装配评价分析、协同装配规划与优化和协同装
配过程仿真四部分组成。在该方法的支持下，异地产品开发人员根据已有知识和经验在共
享工作空间里协同完成复杂产品的装配设计、评价分析、规划优化与装配仿真任务。 该方法将技术与管理有效集成，支持设计者在网络环境和虚拟环境下直观地进行
协同装配设计、装配评价分析、装配规划优化以及装配过程仿真。协同装配设计具体包括添
加零部件，定义工程语义和几何尺寸；协同装配评价分析支持包括零件设计、子装配体和产
品三层结构的装配评价；协同装配规划与优化采用多种智能优化算法支持装配单元分解与
合并，集成了四种优化算法的智能算法库为装配序列的优化提供了有效的支持；协同装配
过程仿真支持异地人员在虚拟环境下进行装配过程可行性验证和生成符合实际装配要求
的装配序列。 本发明为装配设计人员、装配工艺规划人员和装配仿真人员等提供了一种新型的 面向复杂产品装配的集协同设计、评价分析、规划优化与仿真验证于一体的产品开发方法，
4充分发挥"群智群力"在共享工作空间中解决复杂产品开发难题的积极作用，为实现复杂产 品协同装配设计、工艺规划与仿真验证提供了一条有效的途径。
图1为本发明的复杂产品协同装配设计、工艺规划与仿真验证集成方法的工作流 程 图2为本发明的协同装配设计界面 图3为本发明的协同装配评价分析界面 图4为本发明的协同装配规划与优化协商界面 图5为本发明的装配单元规划与装配序列合并算法运行界面 图6为本发明的智能装配序列优化算法库运行界面 图7为本发明的协同装配过程仿真界面 图8为本发明的已装配好的电磁悬浮转子仿真界面
具体实施例方式
—、复杂产品协同装配设计、工艺规划与仿真验证集成方法的工作流程 复杂产品协同装配设计、工艺规划与仿真验证集成方法的工作流程如图1所示。
主要分为四个阶段，即协同装配设计阶段、可装配性评价阶段、装配规划与优化阶段和装配
过程仿真阶段。( — )协同装配设计阶段 基于网络的协同装配设计为设计人员提供了一个共享的工作空间，项目负责人 负责建立产品结构树和分配设计任务，设计人员根据设计任务建立装配约束关系、添加工 程语义信息和产品几何信息，然后将具有复合信息的装配模型上传至服务器供其他人员使 用，协同装配设计界面如图2所示。具体内容包括
(1)产品结构树的建立与维护 项目负责人根据产品功能模块构建产品结构树，完善产品模型信息。这部分工作
包括零件查询、添加零件、修改零件和删除零件四种功能。
(2)装配设计任务分配 项目负责人根据产品结构树，将设计任务分配给协同装配设计人员。
(3)工程语义定义 协同装配设计人员查看设计任务，定义零件之间的装配语义和早期的设计约束。
(4)几何建模 参考已定义的装配语义，设计人员在本机上利用三维CAD系统(如Pro/E， UG， CATIA等)进行零件设计，然后将零件模型转化为VRML模型并上传到服务器。
( 二 )装配评价分析阶段 基于网络的协同装配评价建立零件级、子装配体级和产品级三层评价体系，通过 产品可装配性评价为协同设计人员提供合理的装配设计修改建议，支持产品结构再设计和 确定最优的装配结构，协同装配评价界面如图3所示。具体内容包括
(1)可装配性评价
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支持零件设计的可装配性评价、子装配体设计的可装配性评价和产品设计的可装 配性评价。首先选择评价对象，然后分别选择装配的抓取难度(评价指标为搬运条件、零件 厚度、零件对称度、零件长度等)、安装难度(评价指标为插入条件、对齐难度、视角限制、手 扶情况等)和最少零件判定准则等选项，通过评价算法把装配评价结果(装配时间和装配 成本)反馈给用户。最后将评价结果提交数据库，供其他装配评价人员查阅参考。
(2)装配修改建议 除了向设计人员提供装配时间和装配成本等评价信息外，该方法还可根据计算结 果反馈给用户再设计修改建议，包括是否应该使用工具，装配是否存在阻力，是否有安装支 撑等等。设计人员根据改进建议进行产品再设计以达到装配设计要求。
(三)装配规划与优化阶段 协同装配规划与优化支持多人在线协同完成复杂产品装配单元规划、装配序列优 化与装配序列合并任务。基于装配约束关系图模型，采用模糊层次分析法可以实现装配单 元规划。基于开发的智能优化算法库，可以实现复杂产品的装配序列优化，目前该智能优化 算法库集成了遗传算法、粒子群算法、蚁群算法和模拟退火算法四种智能优化算法。基于规 划结构树模型实现装配序列合并，通过评价得到产品的最优装配序列。装配单元规划算法、 装配序列智能优化算法和装配序列合并算法为复杂产品协同装配规划与优化提供技术支 持，其协同装配规划与优化协商界面如图4所示。具体内容包括
(1)装配规划与优化数据准备 通过二次开发和协同人员人工输入两种方式获取装配拓扑关系信息、零件间的功
能关联信息、联结稳定性信息以及装配干涉信息和部分装配工艺信息。
(2)装配单元规划 装配单元规划与装配序列合并算法运行界面如图5所示。装配单元规划共分两个 阶段。第一阶段基于模糊层次分析法生成满足产品设计、装配结构和装配工艺约束的候选 装配单元；第二阶段基于广义装配干涉检验生成满足协同装配规划要求的装配单元。候选 装配单元的生成步骤如下 步骤1 :设计者定义附加于装配关系上的装配约束指标和装配约束重要性权值；
步骤2 :根据约束指标和权值，采用模糊层次分析法(FAHP)计算装配关系决策值 并得到装配单元决策图； 步骤3 :基于装配单元决策图，由算法或设计者确定出基础件，装配单元数目、装 配单元内零部件数目上限、装配关系决策值的最小合并阈值； 步骤4 :采用最小生成树算法搜索装配单元决策图，以基础件为起点，逐步合并决 策值超过设定阈值的零件，直到全部零部件搜索完毕为止。
候选装配单元生成过程中，一个零件可能与多个基础件(组)存在相同的装配关
系决策值，此时需要根据装配规划任务平衡性进行调整，以确定该零件的最终归属。 装配单元规划的第二个阶段是装配单元干涉检验，装配单元干涉检验的步骤如
下 步骤1 :根据装配模型提取装配关系干涉信息； 步骤2 :生成每个装配单元与其余装配单元之间的干涉信息并进行装配干涉判 断；
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步骤3 :对存在装配干涉的装配单元重新划分，最终确定协同规划过程中互不干 涉的装配单元。
装配单元规划除了生成装配单元外，还生成基于共享装配关系的规划结构树。
(3)装配序列优化 智能装配序列优化算法库运行界面如图6所示。工艺人员和装配工人在对自己承 担装配规划任务分析的基础上，根据算法库提供的优化算法、算法适用性帮助文档完成产 品装配过程优化任务并获得装配规划、优化方案。智能装配序列优化的具体步骤如下
步骤1 :建立优化模型，包括是否满足几何约束、局部优先顺序和稳定装配的零件 推理，判断装配方向、装配工具和装配类型的变化次数和基础件的选择； 步骤2 :选择智能优化算法，集成了蚁群算法、遗传算法、粒子群算法和模拟退火 算法等四种智能算法，用户可以根据具体的实例进行自由选择； 步骤3 :设置装配优化模型的参数，如装配体零件数，基础件序号，装配工具权重
系数，联结类型权重系数，装配方向权重系数，和违反几何约束惩罚系数等参数的选择； 步骤4 :输入干涉矩阵信息； 步骤5 :输入工具和联结矩阵信息； 步骤6 :智能算法参数设置； 步骤7 :计算并输出最优装配序列。
(4)装配序列合并 装配序列合并建立在装配单元规划与装配序列优化的基础上，采用人人协同序列 合并和基于计算机辅助推理的人机协同序列合并两种方法。利用网络环境，人人协同序列 合并充分利用了专家的装配经验和知识，通过协商讨论生成满足具体装配要求的整体装配 序列；计算机辅助推理的装配序列合并则借助计算机强大的推理计算能力，通过装配序列 推理和评价生成最优的整体装配序列。装配序列评价建立在装配单元规划与装配序列规划 考虑的装配约束的基础上，从而保证了装配单元、子装配序列与整体装配序列的一致性。 [OOSO](四)装配过程仿真阶段 基于网络的协同装配仿真支持面向装配方案可视化验证的多人协同装配，也支持 异地装配人员在共享虚拟环境下对复杂产品进行"探索"性装配，利用装配知识和经验以协 同工作方式得到更为符合实际装配要求的装配序列。协同装配过程仿真界面如图7所示， 图8为已装配好的电磁悬浮转子仿真界面。具体内容包括
(1)有装配序列的装配仿真 基于协同装配设计、装配评价分析和装配规划与优化，在获得优化装配序列的前
提下，异地多领域人员利用虚拟装配环境进行协同装配，验证装配序列的可行性，并对不满
足装配要求的装配序列和产品结构提出改进建议。协同装配的具体步骤如下 步骤1 :启动虚拟协同装配仿真环境； 步骤2 :申请装配操作权； 步骤3 :获取装配指导序列； 步骤4 :拾取待装配零件，获取其初始坐标、当前坐标和最终装配坐标； 步骤5 :输入移动距离，触发平移按钮；当前坐标与最终装配坐标相等时，即装配
到位；
步骤6 :如此循环直到所有零件装配完毕。
(2)无装配序列的装配仿真 在虚拟装配环境下，通过异地多学科装配人员充分利用各自的装配知识和经验对 复杂产品进行"探索"性装配，借助在线谈论和协商得到符合实际装配要求的装配序列，反 馈给装配规划人员，协助他们进行装配规划与优化。协同装配的具体步骤如下
步骤1 :启动虚拟协同装配仿真环境； 步骤2 :在协商环境里，根据知识和经验协商装配先后顺序；
步骤3 :申请装配操作权； 步骤4:根据讨论结果拾取待装配零件，获取其初始坐标、当前坐标和最终装配坐 标； 步骤5 :输入移动距离，触发平移按钮；当前坐标与最终装配坐标相等时，即装配 到位； 步骤6 :返回步骤2如此循环直到所有零件装配完毕；得到"探索"性的装配序列；
步骤7 :反馈给装配规划与优化人员作为初始装配序列，然后通过算法进行装配 单元规划与装配序列优化，得到优化的装配序列。
权利要求
一种针对复杂产品的协同装配设计、工艺规划与仿真验证集成方法，所述集成方法包括协同装配设计、协同装配评价、协同装配规划与优化和协同装配仿真四个步骤，其特征在于1)所述协同装配设计基于网络实现，根据功能要求和装配要求，多人异地借助网络技术协同建立、修改和完善产品装配模型的工作，所述协同装配设计在包括产品设计人员、零部件供应商、工艺设计人员乃至装配工人在内的多企业多部门人员之间建立在设计资源共享基础上的复杂产品协同装配设计决策，所述协同装配设计决策进一步包括①面向协同装配设计与工艺规划，聚合功能信息、装配结构信息和装配工艺信息进行复合装配建模，为后续装配工艺规划与仿真优化提供信息内容；利用网络本体语言(OWL)的装配语义表示、简化装配模型，实现关键数据和信息有效地在异地异构CAD系统之间传递；②实现包括装配自由度察看与批注、装配容差浏览与标注、装配优先关系分析与浏览在内的复杂装配模型协同浏览与批注；2)所述协同装配评价基于网络实现，在产品设计阶段，从装配的角度对产品设计方案进行协同装配评价，针对存在的装配性问题提出有利于装配的修改建议，在装配工艺规划阶段，对各种可行的装配序列进行协同装配评价选择较优的装配方案，所述协同装配评价具体包括①从装配方式与零件、装配过程和产品结构三个层次建立面向装配结构和装配过程的装配复杂性综合评价体系；②建立装配成本与装配时间估算公式；③建立包括产品装配结构简化、装配模块化和并行化以及装配安全准则的装配准则；3)所述协同装配规划与优化包括首先采用协同模式的任务分治策略与序列合并技术进行复杂产品装配规划，然后构建具有复合信息的装配优化模型，采用智能优化算法和协同决策共同完成复杂产品装配序列的优化，所述协同装配规划与优化具体包括①装配规划任务分解技术包括装配规划任务建模、基于产品结构和装配资源的装配规划任务分解方法以及装配规划任务评估方法；②智能装配规划与优化技术包括装配序列(过程)建模技术、基于装配优先关系的装配规划技术、基于智能算法的装配序列(过程)优化技术；③基于局部优先关系和协同决策的装配序列合成技术；4)所述协同装配仿真基于网络实现，具体功能包括①基于虚拟现实建模语言(VRML)和Java的异地协同装配仿真技术，实现异地设计人员的协同装配过程仿真验证；②实现异地多领域装配设计人员、装配评价人员和装配规划人员根据自身知识和经验协同地对装配过程进行规划，获得更为符合实际的装配序列。
2. 根据权利要求1所述的复杂产品的协同装配设计、工艺规划与仿真验证集成方法， 其特征在于具体包括如下步骤步骤1 :启动协同装配设计环境并根据产品结构树分配装配设计任务； 步骤2 :启动协同装配设计环境，查看具体装配设计任务，定义缺少装配关系的零件之 间的装配语义；步骤3 :查看设计任务中的零件设计信息，并启动商用CAD软件进行零件设计和修改； 步骤4:登录协同装配评价系统，完成零件设计可装配性评价，对存在问题的零件，给 出修改建议，然后重新设计零件，如此循环直至符合要求为止；步骤5 :将设计好的零件模型转换为VRML格式文件，上传至服务器； 步骤6 :零件设计完毕后，装配成装配体；步骤7 :启动协同装配规划与优化环境，对产品复杂性进行判定，如果为简单装配体， 直接跳至步骤9 ;否则，进入步骤8 ;步骤8 :根据协同装配规划系统提供的算法对复杂装配体进行装配单元规划，生成包 含零件数目较少的装配单元；步骤9 :对简单装配体或由步骤8生成的装配单元进行装配序列优化，生成产品或装配 单元的装配序列或子装配序列；步骤10 :在子装配序列生成的基础上，进行装配序列合并，根据协同装配规划优化系 统提供人人交互和人机交互两种装配序列合并方法，生成产品的整体装配序列；步骤11 :将生成的装配单元、子装配序列和合成装配序列发布到网络上，经讨论、协商 后使装配规划结果得到认可并生成产品的参考装配序列；步骤12 :在得到参考装配序列的基础上，启动协同装配仿真环境，通过人机交互和人 人协同交互方式进行装配过程仿真，修改存在问题的装配序列，生成满足装配工艺要求的 装配序列。
全文摘要
一种复杂产品的协同装配设计、工艺规划与仿真验证集成方法，属于先进制造技术领域现代制造集成技术的研究内容。本方法为复杂产品异地协同装配设计、分析评价、规划与优化和装配过程仿真提供技术手段和决策支持，同时促进装配设计与装配工艺的有机集成。综合运用数字化设计与制造技术、网络技术和人工智能技术，提出一种融合人机协同、人人协同工作方式的复杂产品协同装配设计、分析评价、规划优化与装配仿真方法，最终实现产品开发过程的多学科协同优化设计。本发明在一定程度上解决了复杂产品装配设计、工艺规划与仿真验证协同与集成困难的问题，并为装配设计与装配工艺紧密集成提供了一条有效的途径。
文档编号G06F17/50GK101714182SQ200910224149
公开日2010年5月26日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年11月26日
发明者刘继红, 徐飞, 曾森, 李连升, 王永, 谷志才 申请人:北京航空航天大学