专利名称：基于工程联接关系的产品装配表示方法
技术领域：
本发明涉及一种产品装配关系的计算机表示方法，尤其是能将产品的工程联接关 系转化成一种图，用以记录产品的组成结构、联接关系以及其他信息，便于使用计算机系统 进行产品的设计，与目前常用的基于零件联接关系、基于联接知识等产品装配关系表示方 法不同。
背景技术：
随着经济全球化和全球信息化的加速发展，产品的生产模式正在发生巨大的变 化，由少品种、大批量逐步转变为多品种、小批量生产模式，出现了产品开发时间不能适应 产品生命周期不断缩短要求的问题。在产品的开发过程中，产品装配是产品制造全生命周 期中最重要的、耗费大量精力和时间的步骤之一，是实现产品功能的主要过程。因此，产品 装配设计对整个产品质量起着决定性的作用。产品装配设计的研究主要包括产品的装配结构的评估与优化、装配序列规划和装 配系统的设计和优化。提高产品装配水平的有效方法是采用计算机技术改变传统的设计方 式，而采用计算机技术首先必须将产品的装配用合适的方式加以表示，即进行产品装配的 计算机建模，得到产品的装配模型。因此，无论是产品的装配结构的评估与优化，还是产品 的装配序列规划和装配系统的设计与优化，其核心是装配模型的建立与求解。下面分析国 内外产品装配建模的研究现状。1)基于零件联接关系的产品装配模型产品装配模型是装配设计的核心与基础，决定了装配序列求解算法的能力与效 率。传统的产品装配模型主要表示产品几何结构及元件间的空间关系。Bourjault最早提 出了一种用图表达的关联模型，将零件之间的物理接触关系定义为联系即装配关系[1]。该 方法描述简单但信息不完备，需要通过问答式交互输入来建立模型。Bourjault提出的关联 模型也称为装配联接图，是以零件的几何关系为核心，因此本质上是对几何信息的表示。它 既是最早的表示方法，也是后来许多研究工作的基础。Bourjault最早提出的关联模型在使用时需要用户回答很多问题，为了克服该缺 点，DeFazic^Whitney和Baldwin等人对其进行了改进，减少了需要由用户回答问题的数量 [2]。其方法是以割集法代替Bourjault的交互问答获取零件联接的优先关系集，并利用 Bourjault提出的子集超集规则提高割集效率。Homem de Mello和Sanderson提出了将装 配转化为拆卸问题，再以割集法求解的典型方法[3]。该方法先从装配体的关系模型产生装 配联接图，求出联接图的所有割集，再通过几何可行性和机械稳定性的检验去掉不合理的 子装配，进而生成用与或图表示的各种可行的拆卸顺序，然后求其逆序即可得到所有可行 的装配顺序。其中，Homem de Mello和Sanderson提出的与或图表示方法可以用来表示全 部的符合工程约束的装配顺序。采用割集方法虽然提高了效率，但仍然无法避免组合爆炸问题，所以SiAhan Lee 提出了基于子装配体提取的装配规划方法，即递归地将装配体分解为子装配体和零件的集合，这样可以大大减少组合数[4]。与子装配体划分相似的减少组合数的方法还有层次化和 单元化等方法，例如，Qiang Su将装配设计分为装配模型和层次化ASP两个层次[5]，而王 永等则将复杂产品的装配规划结构按照装配要求分解为简单的子装配规划结构[6]。采用图的方法描述虽然比较方便，但转化成计算机表示时不如矩阵方便，所以用 矩阵表示也是常用的方法。例如Dini和Santochi利用干涉矩阵、接触矩阵和连接矩阵表 达产品，其中干涉矩阵描述了零部件间沿坐标轴方向装配时相互间的干涉情况，接触矩阵 描述了零部件间的物理接触状态，连接矩阵描述了零部件间的连接类型[7]。Huang等则将 6个干涉矩阵合并为一个拆卸矩阵，集成地表达零部件间沿坐标轴方向的干涉情况[8]。由于这些方法一般局限于几何信息的利用，没有工程信息或者比较少，所以容易 出现工艺不合理的情况，也容易产生组合爆炸。为此，Huang和Lee在Bourjault的装配联 接图中引入MP (即必须领先于)和NL(即不落后于)两类优先关系，根据有关工艺知识和 算法生成零件间联系的优先关系，降低了产品装配顺序生成难度[9]。另外一方面，装配知识也可以特征的形式加以描述，所以有些学者提出基于特征 的装配建模和序列规划方法。例如Tiam Hock Eng等[10]和张刚等[11]通过抽取CAD系 统中的配合信息形成装配特征。基于特征的方法与CAD系统联系比较密切，可以充分地保 留CAD模型信息。除了图和矩阵的方法，Petri网也是一种非常有效的装配知识表示方法。Petri网 擅长处理过程，特别是并行的过程，对于分解装配序列规划中的关系表达与推理具有一定 的优势，所以Petri网也成为装配序列规划研究中的一个热点。Thomas J P在1992年就提 出了一个关于机械装配序列表示的等级Petri网框架[12]，而Tatsuy等人则提出了基于代 数和图论结构特性的装配Petri网及监督控制算法[13]，ZHAXF等提出了基于知识Petri 网的智能柔性装配规划方法[14]。此外，还有采用二进制表示方法进行装配建模与求解，其特点主要表现在算法上 的改进。2)基于联接知识的产品装配模型基于零件联接关系的产品装配模型主要记录的是几何关系，这样在求解时很难解 决组合爆炸问题。人们注意到，产品的装配是由联接件完成的，如果按照联接件或联接知识 来对产品的装配进行描述，显然更加符合工程要求，也会大大减少装配次序的搜索。早在1994年，Gui等就提出了应用联接件的思想，即将组成产品的所有零件分为 普通零件和联接件再进行产品的装配建模[15]。Yin等则从复用的思想出发，提出了基于 联接件结构的层次化模型CBS和联接关系模型CBRM，通过CBRM生成CBS，然后利用CBS再 进行装配序列规划[16]。由于CBS是一种树状结构，包含了符合工程要求的各种可行的装 配次序，所以降低了装配序列规划算法出现组合爆炸的可能。CBS模型的优势在于该模型不 仅包含了几何信息，而且还包含了非几何信息即一部分工程信息，但该模型仍然存在一定 的局限性，其联接件的定义比较狭窄，局限于螺栓螺母联接和螺钉联接，通用性较弱。由于装配知识非常复杂，仅仅依靠模型是不够的，需要将装配知识用某种知识表 示方法进行表示，并为装配知识的应用提供有效的检索、匹配、增加、修改和推理等功能。常 用的方法是，将装配知识进行分析，抽象出某些重要的特征或指标，然后用知识表示，最后 使用知识推理方法依据这些特征或指标进行检索、匹配。例如，张刚等对CAD模型进行分析，获得与装配规划有关的特征并用知识表示，然后建立产品的装配特征矩阵，对其进行求 解[17]。在装配知识表示时，可以采用人工智能中的各种方法，但最常用的是采用专家系 统方法，即通过对装配知识建立规则库，在应用时利用规则的匹配进行推理。由于这种方法 效率比较低，如果对装配知识进行进一步的抽象，归纳出特征参数，则可以提高求解速度， 例如张刚等将装配知识转化成装配特征矩阵[11]。因为装配知识的核心是联接知识，以联接件知识为核心进行装配知识的应用成为 一个重要的研究方向。董天阳等建立了基于联接件知识的零件表达式，并运用有向联接件 知识求解装配序列规划[18]。李荣等则通过分析组成装配体的零件特征，提出了连接结构 (没有使用公认的联接一词)的概念，并采用面向对象技术进行信息存储，构成基本装配单 元，然后形成Petri网[19]。李荣等引入连接知识使装配建模上升到了联接的层次，这样大 大地降低了装配序列规划的复杂性，但其对连接知识的应用没有上升到抽象模型的层次， 仍然属于知识检索和管理应用。3)现状分析通过对产品装配建模方面的研究可以得出以下两个结论(1)只在几何信息层次上构建装配模型不能避免装配序列规划中的组合爆炸问 题。数十年的研究告诉我们，仅仅依靠几何信息进行装配序列规划必然会出现组合爆炸，这 是因为产品的装配和零件的配合关系并不存在一一对应关系，只有完整地记录从工程到几 何信息各层次的信息才能最大限度的减少装配组合数，甚至避免组合爆炸的发生。(2)对工程联接知识的应用停留在知识系统和面向对象技术的简单应用不能满足 产品装配设计的要求。知识系统的简单应用例如装配专家系数本身就存在知识爆炸问题， 而离开有效的装配模型的面向对象技术应用对产品装配设计能力的提升也是有限的，因为 最根本的问题是产品装配本身的表示和处理。虽然产品装配建模取得了很大的成绩，但由于这些装配模型没有充分记录从工程 联接层次到几何信息层次上的全部信息，所以在进行产品装配设计时仍然不能满足设计人 员要求。例如，常用商用CAD系统对装配序列规划等的处理比较有限。因为产品设计的核 心是产品的结构设计，离开产品的结构，装配模型将成为无本之源，所以现有的CAD系统均 是以产品结构的设计作为装配设计的核心任务。当我们需要对产品装配的其他设计任务进 行处理时，例如进行装配序列规划时，现有CAD系统虽然记录了丰富的几何信息和一些结 构信息等非几何信息，但没有记录比较高级的工程联接信息，需要进行信息补充，而这些信 息有很多应该在进行CAD设计已经出现在设计者的思维过程中，从而造成不必要的重复工 作。通过在国家知识产权局专利检索网页上使用关键词“装配”、“联接”、“模型”、“表 示方法”等进行检索，没有发现本发明所提出的基于工程联接知识的产品装配表示方法。主要参考文献[l]Bourjault A. 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发明内容
为了克服现有的产品装配计算机表示方法中没有同时表达较高层次的工程联接 关系和较低层次的几何信息的不足，本发明提出一种新的产品装配表示方法。该方法以工 程联接关系作为装配知识和装配模型表示的主线，将产品及其组成零部件按照工程联接关 系用广义环方法表示，形成工程联接图即产品装配模型，这样既可以在工程联接的层次上 表示产品的联接组成关系，同时由于在相关结点上附加了信息，也可在较低层次上表示几 何信息或其他非几何信息，从而比较完整地表达产品装配信息，既便于产品的装配结构设 计，也便于装配序列规划等装配设计。本发明所采用的技术方案如图1所示。在本发明中，对于产品的装配定义两类基本对象。(1)元件。零件、子装配体和装配体的统称。工程上又称子装配体为部件，装配体
为广品。在产品装配层次上，零件是不可再分的，而子装配体和装配体是可分的。直接构成 可分元件的元件称为该可分元件的子元件。(2)联接操作对象。将联接操作或装配操作定义为联接操作对象。其中，联接操作对象是一种抽象对象，表示一个或一组装配操作。它可以包含联接 件，也可以不包含联接件。图1所示的产品装配表示方法是一种根据发明人提出的广义环和广义环图树设 计的，是一种广义的图。该图有以下特点(1)图的顶点分为两类一类为零件、子装配体和装配体，即元件，用空心圆点表 示，如图1中空心点A，E，F，G，H，I，J，K，M, N为元件；一类为联接操作对象，用实心圆点表 示，如图1中实心点B、C和D表示装配体A是由3个联接操作装配而成。(2)边也分两类一类为元件装配操作组成关系，表示一个元件是由哪些装配操 作形成的，如图1中AB、AC和AD边表示装配体A是由3个装配操作形成的；另一类为装配 或联接操作对象组成关系，表示一个装配操作对象的具体组成，如BE、BF和BG表示B联接 操作对象的装配操作的元件对象是E、F和G。(3)同一个联接操作对象可以有不同的操作处理元件对象，即可以有不同的操作 方式。例如，联接操作对象即装配操作B可以有两种操作方式，一种是对元件E、F和G进行 装配操作，一种是对元件H、I和J进行装配操作。这些不同的操作之间是或的关系，元件E、F和G与H、I和J不一定相同，但它们的并集相同。(4)装配不仅可以加元件，也可以减去元件。例如图1中边DN表示该装配操作的 任务是从M中减去N。(5)从形式上看，该图类似一棵倒树，即最上层的空心圆点为根节点，表示整个装 配体，其他所有的点都是该点的分支和叶节点。(6)表示了产品的结构关系。如果将实心圆点收缩消失，则下层空心圆点是所属上 层空心圆点的子节点，表示上层元件由下层元件组成。例如，图1中元件E，F，G，H，I，J，K， M，N的并集是元件A的组成元件。(7)隐含表示了工程联接顺序关系。假定每个装配操作的元件对象必须预先完成 装配，同一元件的各个装配操作顺序关系随意，则该图可以表示所有的符合工程要求的联 接顺序关系。图1既表示了元件的组成关系，也表示了元件之间工程意义上的联接关系，所以 称为工程联接图。因为该图本质上表示了一种层次关系，所以又称为工程联接树。本发明所带来的有益效果是，所提出的产品装配表示方法即产品装配模型可以适 合产品装配结构设计、装配序列规划和装配系统设计等装配设计的需要，装配信息更加完 整，而且在进行装配设计求解时更加有效，特别在进行装配序列规划时可以有效避免组合 爆炸情况的出现，从而绕过了装配序列规划求解中的一个最棘手、最困难的问题。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明的产品装配的计算机表示即产品装配模型图。图1中，空心圆点A， E，F，G，H，I，J，K，M，N为元件，实心圆点B、C和D为联接操作对象，DN边上的-表示该装配 操作是减去元件操作。图2是手电筒结构简图。图2中，零件用数字表示，S卩1.头部，2.筒身，3.电池，
4.后盖。图3是手电筒各元件之间的装配关联图。图3中，数字所表示的对象与图2相同， 即1.头部，2.筒身，3.电池，4.后盖。空心圆点之间的连线表示对应零件之间有联接关系。图4是按照本发明所绘制的手电筒产品装配模型。图4中，1.头部，2.筒身，3.电 池，4.后盖，12.头部和筒身联接元件，24.筒身和后盖联接元件，1234.装配完成后的手电 筒，A.手电筒总体联接操作对象，B.头部和筒身联接操作对象，C.筒身和后盖联接操作对 象。图4中，数字表示元件对象，而字母表示联接操作对象，边或连线用它两端的字母和数 字表示，例如A12表示联接操作对象A和元件对象12之间的连线。
具体实施例方式以图2所示的手电筒装配设计作为说明对象，根据本发明所揭示的基于工程联接 关系的计算机表示方法的流程图和实现方案说明如下，即对于每个可分的元件重复下面2 个操作步骤，直到所有的元件都分解为不可分元件步骤1 按照工程联接关系对所选取的元件的装配操作进行分解。为说明简单， 这里仅以选取手电筒整体即装配体进行装配操作的分解过程进行说明，其他元件的分解相似。从图2可知，手电筒由头部⑴元件、筒身(2)元件、电池(3)元件、底部⑷元件4部 分元件组成，它们都是零件元件，不可再分。图3表示了这些元件之间的联接关系。如果仅 根据图3表示的联接关系来进行装配序列规划，则必须对这些元件的装配顺序进行组合。 显然，元件数越多，组合数就越大，就越容易出现组合爆炸。但是，对于实际问题，我们常常 是按工程的方法来进行装配设计的。例如可以将手电筒装配体的最后装配定义为总体装配 操作，用图4所示的节点A表示。这里需要说明的是，元件的装配操作可以有多个，对于多 个装配操作则需要定义这些装配操作的先后次序。步骤2 对所选取元件的每一种装配操作设计其具体的实现操作方式。例如，手电 筒的总体装配操作操作A常常采用以下两种方式一种是由头部(1)元件+筒身( 元件、 电池C3)元件、底部(4)元件三部分装配而成，另一种是由头部(1)元件、电池C3)元件、筒 身(2)元件+底部(4)元件三部分装配而成。当然还可以进一步将上面三部分的装配改成 两部分的装配，即将电池与筒身( 元件所在的元件先进行装配，这样使任何装配都只是 两个元件的装配。为说明简便，这里允许多个元件同时装配。在图4中连线A12、A3、A4表 示第一种装配操作方式，而连线Al、A3、AM表示第二种装配操作方式。这两种装配方式是 或的关系，而A12、A3、A4之间和Al、A3、A24之间是与的关系，因此装配操作的具体实现和 与或图是一致的，也具有与或图对于装配关系表达的能力。这里需要说明的是，每种装配操 作方式中元件的先后次序也是可以指定的，一般情况下约定从左至右。重复步骤1和步骤2对所有非零件的元件进行操作即可形成一个完整的产品装配 模型。图4是手电筒经过工程联接关系分析以后得到的工程联接图即产品装配模型。显然，对于一个元件来说，如果只有一个装配操作或虽有多个装配操作但次序确 定，而且每种装配操作的具体方式的次序也确定，则该元件的装配序列是惟一的。如果装配 操作数少，或者装配元件少即组成该元件的子元件少，则该元件的装配序列数量就比较小。 由于在实际工程设计中，产品总是分解成不同层次的零部件，即子元件总是比较少的，所以 组合数相对比较小。例如，按照图4的装配模型，手电筒的装配序列只有两种，一种是头部 (1)元件和筒身( 元件先组装，然后再和电池C3)元件、底部(4)元件一起组装；另一种 是筒身( 元件和底部(4)元件先组装，然后再和头部(1)元件、电池C3)元件一起组装。 显然，这对于装配序列规划的求解是非常有益的。对于上述两个步骤的计算机实现，可采用常用的树结构类似的实现方式，但需要 注意在本发明中图的节点有两类，不能直接采用父子、兄弟指针表示。一种具体实现方式如 下步骤A 建立元件对象的数据结构。元件对象数据结构主要包含元件本身的信息 数据和装配操作对象链指针。前者包括元件的基本数据(如几何数据)、附加的数据(如配 合数据)等，与目前常用的CAD系统中装配数据相同；后者指向装配操作对象链。步骤B 建立装配操作对象链。装配操作对象链记录某一个元件所有的装配操作。 它是一个链，每个链节主要包含装配操作对象指针和附加数据。前者指向具体的装配操作 对象；后者可指明该链节的装配操作先后次序等。步骤C 建立装配操作对象的数据结构。装配操作对象用于记录本装配操作的作 用对象表，其主要内容包含基本数据和元件对象链指针。前者主要记录装配操作的基本数 据(如类型)等；后者用于记录该装配操作的全部具体对象。
步骤D 建立元件对象链。元件对象链主要用来记录某一个装配操作的全部元件 对象。它是一个链，每个链节主要包含元件对象指针和附加数据。前者指向具体的元件对 象；后者可指明该链节的装配操作先后次序、是否增加元件或去除元件等。本具体实施步骤特别适合机械产品的装配设计，因为机械产品的设计与制造必须 遵守工程规范，其设计结果是设计者设计意图的体现，并且以容易理解的零部件形式表现 出来，由于本发明所提出的装配模型非常直观，可以更好地记录设计者的工程设计意图，因 而可以更加有力地支持装配设计。对于其他产品的装配设计虽然可能不太直观，但如果这 些产品也包含工程联接或去除关系则也可用本发明提出的装配模型加以表达。对本领域的普通技术人员而言，本发明所涉及的数据结构和算法可以在一般的计 算机系统中实现，举例而言，可以使用高级程序设计语言VC++加以实现。以上所述，仅为本发明其中的较佳实施例而已，并非用来限制本发明的实施范围； 即凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。
权利要求
1.一种产品装配关系的计算机表示方法，应用于基于计算机的产品装配设计特别是机 械产品的装配设计，其特征是将产品及其组成部分的零件、子装配体和装配体定义成与之 有关的元件，产品中全部可分的元件均用对各自子元件的若干个有序的装配操作表示。
2.根据权利要求1所述的产品装配关系的计算机表示方法，其特征是在产品装配层 次上，零件元件是不可再分的，而子装配体和装配体元件是可分的。
3.根据权利要求1所述的产品装配关系的计算机表示方法，其特征是直接构成可分 元件的元件称为该可分元件的子元件。
4.根据权利要求1所述的产品装配关系的计算机表示方法，其特征是可分元件的装 配操作用若干个装配操作对象表示，它们之间的关系是与的关系，并且存在一定的先后顺 序关系。
5.根据权利要求4所述的产品装配关系的计算机表示方法，其特征是装配操作对象 包含若干个装配操作方式，这些装配操作方式之间的关系是或的关系。
6.根据权利要求5所述的产品装配关系的计算机表示方法，其特征是装配操作方式 记录被装配的全部子元件及各子元件的装配次序、增加元件或去除元件标志等信息。
全文摘要
一种产品装配关系的计算机表示方法即产品装配建模方法，应用于计算机辅助装配设计系统特别是CAD系统的开发。该方法以工程联接关系作为装配知识和装配模型表示的主线，将产品及其组成零部件按照工程联接关系用广义环方法表示，形成工程联接图即产品装配模型，这样既可以在工程联接的层次上表示产品的联接组成关系，同时由于在相关结点上附加信息，也可在较低层次上表示几何信息或其他非几何信息，从而比较完整地表达产品装配信息，可以适合产品装配结构设计、装配序列规划和装配系统设计等装配设计的需要，使装配设计求解时更加有效，特别在进行装配序列规划时可以有效避免组合爆炸情况的出现。
文档编号G06F17/50GK102129494SQ20111005162
公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月4日 优先权日2011年3月4日
发明者尹文生 申请人:华中科技大学