計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃的發(fā)展方向的研究

1、計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃的發(fā)展方向的研究【內(nèi)容提要】 裝配規(guī)劃是影響產(chǎn)品裝配質(zhì)量和成本的重要因素，代寫(xiě)論文 作為并行工 程和計(jì)算機(jī)集成制造的關(guān)鍵支撐技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃涉及計(jì)算機(jī)、人工 智能、自動(dòng)化和機(jī)器人等領(lǐng)域。對(duì)目前該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述， 總結(jié)和剖析了經(jīng)典方法、虛擬現(xiàn)實(shí)方法、軟計(jì)算方法和協(xié)同方法等 4 種具有代 表性的裝配規(guī)劃技術(shù)，并對(duì)今后計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃的發(fā)展方向和研究趨勢(shì)進(jìn) 行了分析。裝配是產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的主要過(guò)程。裝配 成本占產(chǎn)品制造成本 40% 50%，裝配自動(dòng)化一直是制造自動(dòng)化中的瓶頸問(wèn)題。 裝配規(guī)劃是在給定產(chǎn)品與相關(guān)制造資源的完整描述前提下，

2、得到產(chǎn)品詳細(xì)的裝 配方案的過(guò)程，對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品可裝配性設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量和降低裝配成本 具有重要意義。產(chǎn)品的裝配規(guī)劃通常需要得到零部件的裝配序列、裝配路徑、 使用的工裝夾具和裝配時(shí)間等內(nèi)容 13 。 較早的傳統(tǒng)裝配規(guī)劃采用人工方式，工藝人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)文檔，通過(guò) 分析產(chǎn)品裝配圖中零件的幾何形狀和位置關(guān)系，必要時(shí)再和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行討 論，進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)者的真正意圖，利用自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)規(guī)劃出產(chǎn)品的裝配 方案。這種方法工作量大、效率低，且難于保證裝配方案的經(jīng)濟(jì)性。 隨著計(jì)算機(jī)集成制造 CIMS 和并行工程 CE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，一方面對(duì)裝配相 關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)提出了計(jì)算機(jī)化的要求，以提高和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

3、過(guò)程中其他環(huán)節(jié)的集 成化程度。另一方面要求裝配方案的優(yōu)化以降低成本和縮短規(guī)劃時(shí)間以加快產(chǎn) 品開(kāi)發(fā)進(jìn)程。受“需求牽引”和“技術(shù)推動(dòng)”兩方面的影響， 80 年代初，出現(xiàn) 了對(duì)計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃 (Computer Aided Assembly Planning ， CAAP技) 術(shù)的 研究。到目前為止， CAAP經(jīng) 歷了幾個(gè)不同的發(fā)展階段，出現(xiàn)了 4 種代表性的 方法，按照出現(xiàn)的時(shí)間順序及方法的特點(diǎn)，筆者將其歸結(jié)為經(jīng)典裝配規(guī)劃方 法、虛擬裝配規(guī)劃方法、裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法和協(xié)同裝配規(guī)劃方法。1 經(jīng)典裝配規(guī)劃方法早期 CAAP的 研究側(cè)重于裝配序列的規(guī)劃，以產(chǎn)品 CAD 裝配模型為基 礎(chǔ)，一般采用幾何

4、推理的方法，通過(guò)產(chǎn)品裝配建模、裝配序列推理和表達(dá)以及 裝配序列評(píng)價(jià)和選擇為產(chǎn)品面向裝配的設(shè)計(jì)和裝配工藝規(guī)劃提供指導(dǎo)和支持， 其過(guò)程通常如圖 1 所示。1.1 產(chǎn)品裝配建模 產(chǎn)品裝配模型是裝配規(guī)劃的基礎(chǔ)，為裝配規(guī)劃提供裝配體和零部件的相 關(guān)信息。常用的裝配信息表達(dá)模型可分為圖模型和矩陣模型。法國(guó)學(xué)者 Bourjauct 提出了聯(lián)系圖模型 4 ，將零件之間的物理接觸關(guān)系定義為聯(lián)系即裝 配關(guān)系，圖中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)零件，邊表示所連接的零件間至少有一種裝配關(guān)系。 關(guān)系模型 5 進(jìn)一步區(qū)分了零件之間的接觸關(guān)系和聯(lián)接關(guān)系，圖中包含 3 種實(shí) 體類(lèi)型：零件、接觸和聯(lián)接，邊表達(dá)了實(shí)體間的關(guān)系。產(chǎn)品等級(jí)裝配模型 6

5、將 裝配體看成具有層次結(jié)構(gòu)性，即裝配體可以分解為子裝配體，子裝配體又可分 解為下級(jí)子裝配體和零件的集合，以此表達(dá)產(chǎn)品的裝配組成。 矩陣比圖易于計(jì)算機(jī)表達(dá)和實(shí)現(xiàn)。 Dini 和 Santochi7 利用干涉矩陣、接觸矩 陣和連接矩陣表達(dá)產(chǎn)品，干涉矩陣描述了零部件間沿坐標(biāo)軸方向裝配時(shí)相互間 的干涉情況，接觸矩陣描述了零部件間的物理接觸狀態(tài)，連接矩陣描述了零部 件間的連接類(lèi)型。為減少矩陣的數(shù)量， Huang8 等把 6 個(gè)干涉矩陣合并為一個(gè) 拆卸矩陣，集成的表達(dá)零部件間沿坐標(biāo)軸方向的干涉情況。1.2 裝配序列推理和表達(dá)基于聯(lián)系圖模型， Bourjauct 采用人機(jī)交互“問(wèn)答式”方法獲取裝配優(yōu) 先約束

6、關(guān)系 4 ，隨后 De Fazio 和 Whitney9 ， Baldwin10 等人的工作進(jìn)一 步較少了需要由用戶(hù)回答問(wèn)題的數(shù)量，然后通過(guò)對(duì)裝配優(yōu)約束關(guān)系進(jìn)行推理得 到聯(lián)絡(luò)建立優(yōu)先關(guān)系的層次模型表達(dá)產(chǎn)品的裝配序列。“割集”法是基于拆卸策略的裝配規(guī)劃中通常采用的圖論算法。 Homem de Mell 和 Sanderson5 通過(guò)對(duì)產(chǎn)品聯(lián)接圖進(jìn)行縮并，利用“割集”算法對(duì)聯(lián) 接圖進(jìn)行循環(huán)分解，生成所有可能的子裝配體，直到不可再分。并提出了裝配 序列的 AND/OR圖 表達(dá)方法，圖中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)裝配過(guò)程中的子裝配體或零件， 超弧表達(dá)將子裝配體或零件聯(lián)接在一起形成更大子裝配體的裝配操作。因?yàn)?“割集”

7、算法的計(jì)算復(fù)雜性為 O（3N） （N 為零件個(gè)數(shù) ） ，因此，對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的 裝配順序規(guī)劃存在指數(shù)爆炸問(wèn)題，這是難以讓人接受的。1.3 裝配序列評(píng)價(jià)和選擇 裝配序列的選擇對(duì)裝配線(xiàn)設(shè)計(jì)、裝配成本、裝配設(shè)備選擇有很大影響，而 評(píng)價(jià)是選擇的基礎(chǔ)。裝配序列的評(píng)價(jià)可分為定性和定量?jī)煞矫嬉蛩?1113 ， 定性因素主要考慮的有裝配方向換向的頻度、子裝配體的穩(wěn)定性和安全性、裝 配操作任務(wù)間的并行性、子裝配體的結(jié)合性和模塊性、緊固件的裝配、零件的 聚合等。定量因素主要考慮的有整個(gè)裝配時(shí)間 （ 包括子裝配體的操作時(shí)間、運(yùn) 輸時(shí)間等 ） 、整個(gè)裝配成本 （ 包括勞動(dòng)成本、夾緊和加工成本 ） 、產(chǎn)品在裝配 中再定位

8、的次數(shù)、夾具的數(shù)目、操作者的數(shù)目、機(jī)器人手爪的數(shù)目、工作臺(tái)的 數(shù)目等。更多的經(jīng)典裝配規(guī)劃方法研究文獻(xiàn)可以參見(jiàn) Texas A&M 大學(xué) Wolter 教授的“ Assembly Planning Bibliography ”14 ，其中收集了自 1980 年起近 15 年經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的相關(guān)研究。經(jīng)典方法一般表達(dá)出全部的序列解空間， 這使它可能從中找出最優(yōu)的裝配序列，但隨著產(chǎn)品中零件數(shù)量的增加，解空間 的組合爆炸給序列的存儲(chǔ)、選優(yōu)帶來(lái)極大困難；且序列的幾何推理方法不易融 入人類(lèi)的裝配知識(shí)，難免產(chǎn)生眾多幾何可行但工藝不可行的序列結(jié)果。 2虛擬裝配規(guī)劃方法虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為裝配規(guī)劃的“人機(jī)”協(xié)同工作

9、提供了契機(jī)。虛擬裝 配是指由操作者通過(guò)數(shù)據(jù)手套和三維立體顯示設(shè)備直接三維操作虛擬零部件來(lái) 模擬裝配 / 拆卸過(guò)程，無(wú)需產(chǎn)品或支撐過(guò)程的物理實(shí)現(xiàn)，通過(guò)分析、先驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?可視化和數(shù)據(jù)表達(dá)等手段，利用計(jì)算機(jī)工具來(lái)安排或輔助與裝配有關(guān)的工程決 策15 。虛擬裝配過(guò)程中，人機(jī)可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，即人通過(guò)直覺(jué)/ 裝配經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)決定產(chǎn)品的裝配過(guò)程，但不能精確地判斷當(dāng)前所有可能裝配的零 件，也不太可能準(zhǔn)確判定裝配某一零件后裝配體的穩(wěn)定性等因素，而通過(guò)一定 算法和規(guī)則實(shí)現(xiàn)的機(jī)器智能剛好彌補(bǔ)人的不足。虛擬裝配方法得到的不僅僅是 零件的順序，還可以包括零件路徑、裝配工具、夾具和工作臺(tái)等信息。圖 2 為 虛擬裝配

10、規(guī)劃的工作步驟。國(guó)外虛擬裝配規(guī)劃的研究以沉浸式虛擬裝配環(huán)境 VADE16, 17（Virtual Assembly DesignEnvironment） 為代表，通過(guò)建立一個(gè)裝配規(guī)劃和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境來(lái)探索運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技 術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造的潛在技術(shù)可能性，為機(jī)械系統(tǒng)裝配體的規(guī)劃、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證 提供支持。在虛擬環(huán)境中，利用提取并導(dǎo)入的 CAD 系統(tǒng)產(chǎn)生的裝配約束信息引 導(dǎo)裝配過(guò)程；通過(guò)引入了質(zhì)量、慣性和加速度等物理屬性，基于物理特性進(jìn)行 裝配建模，逼真地模擬真實(shí)裝配環(huán)境；支持雙手的靈活裝配和操作；記錄虛擬 裝配過(guò)程中產(chǎn)生的掃體積和路徑信息并可進(jìn)行編輯；建立了工具 / 零件/ 人相互 作用模型，支持裝

11、配工具在虛擬裝配環(huán)境中的運(yùn)用。國(guó)內(nèi)管強(qiáng)等 18 將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與面向裝配設(shè)計(jì)的理論相結(jié)合，建立了一個(gè)虛 擬環(huán)境下的面 向裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)（ VirDFA）。萬(wàn)華根等 19 建立了一個(gè)具有多通道界面的虛擬 設(shè)計(jì)與虛擬裝配系統(tǒng)（ VDVAS），通過(guò)直接三維操作和語(yǔ)音命令方便地對(duì)零件進(jìn) 行交互拆裝以建立零件的裝配順序和裝配路徑等裝配信息。在面向過(guò)程與歷史 的虛擬設(shè)計(jì)與裝配環(huán)境（ VIRDAS）中，張樹(shù)有等 20 通過(guò)識(shí)別裝配關(guān)系進(jìn)行裝 配運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)虛擬拆卸 / 裝配順序規(guī)劃、虛擬裝配分析。從集成的觀點(diǎn)出 發(fā)，姚珺等 21 提出面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程的虛擬裝配體系結(jié)構(gòu)，從方案設(shè)計(jì)、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配工藝設(shè)

12、計(jì) 3 個(gè)層次上分階段地對(duì)產(chǎn)品可裝配性進(jìn)行分析與評(píng) 價(jià)。田豐等 22 提出一個(gè)面向虛擬裝配的三維交互平臺(tái)（ VAT），簡(jiǎn)化了虛擬裝 配應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造，便于應(yīng)用的快速生成。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境開(kāi)展裝配規(guī)劃，提供了一種新的思路和工具。但 是，虛擬環(huán)境的構(gòu)建需要較大資金的軟硬件投入，另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身 （如圖形的高速刷新）及其相關(guān)硬件技術(shù)（如力觸覺(jué)設(shè)備）的不成熟使得虛擬 裝配的研究仍處于探索階段。3 裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法1994 年， Zadeh 教授將模糊邏輯與智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，提出了軟計(jì)算 方法（ soft computing ） 23 。軟計(jì)算以模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和概率推理為基 礎(chǔ)，不追求問(wèn)題的

13、精確解，以近似性和不確定性為主要特征，所得到的是精確 或不精確問(wèn)題的近似解。為避免組合爆炸同時(shí)又能得到較優(yōu)的裝配規(guī)劃方案， 近來(lái)，基于建模、表達(dá)和尋優(yōu)一體化的裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法得到廣泛關(guān)注。 3.1 裝配規(guī)劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人類(lèi)形象思維的一種人工智能方法，它是由大量神經(jīng) 元廣泛互連而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，單一神經(jīng)元可以有許多輸入、輸出，神經(jīng)元 之間的相互作用通過(guò)連接的權(quán)值體現(xiàn)，神經(jīng)元的輸出是其輸入的函數(shù)。若將優(yōu) 化計(jì)算問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)某種狀態(tài)函數(shù) （ 通常稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù) ）對(duì)應(yīng)起來(lái)， 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)向能量函數(shù)極小值方向移動(dòng)的過(guò)程就可視作優(yōu)化問(wèn)題的求解過(guò)程，穩(wěn) 態(tài)點(diǎn)則是優(yōu)化問(wèn)題的局部或全局

14、最優(yōu)解。Hong 和 Cho24 用于機(jī)器人裝配順序優(yōu)化的 Hopfiled 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，考慮裝配 約束、子裝配體穩(wěn)定性和裝配方向改變等因素建立網(wǎng)絡(luò)的能量方程，基于優(yōu)先 約束推理和專(zhuān)家系統(tǒng)提供的裝配成本驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化方程得到優(yōu)化的序列。但 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)缺乏全局搜索能力，計(jì)算結(jié)果顯示，該方法容易產(chǎn)生不優(yōu)化的裝 配順序，且常常只能得到一個(gè)局部最優(yōu)的裝配序列。另外，參數(shù)選擇和初始條 件對(duì)網(wǎng)絡(luò)的靈敏度影響大；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用前須進(jìn)行訓(xùn)練，而訓(xùn)練時(shí)要由專(zhuān)家 提供較多可行的順序作為樣本。而樣本可能是針對(duì)某種類(lèi)型的產(chǎn)品，對(duì)其它類(lèi) 型的產(chǎn)品則不一定適用，該方法的應(yīng)用范圍窄。3.2 裝配規(guī)劃模擬退火算法模擬退火算

15、法源于固體退火思想，將一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題比擬成一個(gè)熱力學(xué)系 統(tǒng)，將目標(biāo)函數(shù)比擬為系統(tǒng)的能量，將優(yōu)化求解過(guò)程比擬成系統(tǒng)逐步降溫以達(dá) 到最低能量狀態(tài)的退火過(guò)程，通過(guò)模擬固體的退火過(guò)程獲得優(yōu)化問(wèn)題的全局最 優(yōu)解。Saeid 等 25 利用模擬退火算法進(jìn)行裝配序列規(guī)劃時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品裝配模 型獲得裝配優(yōu)先關(guān)系，將裝配過(guò)程總裝配時(shí)間和重定向次數(shù)運(yùn)用多屬性應(yīng)用理 論組合成單一目標(biāo)函數(shù)，作為裝配序列優(yōu)化的評(píng)價(jià)函數(shù)。 Hong 和 Cho26將裝 配約束和裝配過(guò)程的成本映射為裝配序列能量函數(shù)，利用模擬退火算法使裝配 序列能量函數(shù)擾動(dòng)地逐步減小，經(jīng)過(guò)多次迭代，直到能量函數(shù)不再變化為止， 最后得到具有最小裝配成本的裝配序列

16、。作者將該方法應(yīng)用到一個(gè)電子繼電器 裝配體上，并將其性能與利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 24 的裝配規(guī)劃方法進(jìn)行了比較，結(jié)果 顯示基于模擬退火的裝配序列優(yōu)化方法可以產(chǎn)生較好的裝配序列并且在運(yùn)算時(shí) 間上優(yōu)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。模擬退火算法具有較強(qiáng)的局部搜索能力，并能使搜索過(guò)程避免陷入局 部最優(yōu)，但模擬退火算法對(duì)整個(gè)搜索空間的狀況了解不多，不能使搜索過(guò)程進(jìn) 入最有希望的搜索區(qū)域，從而使得算法的運(yùn)算效率不高。3.3 裝配規(guī)劃遺傳算法在眾多軟計(jì)算方法中，遺傳算法得到了眾多研究者的重視。代寫(xiě)工作總 結(jié) 遺傳算法是模仿生物自然選擇和遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法，它將問(wèn)題的可能 解組成種群，將每一個(gè)可能的解看作種群的個(gè)體，從一組隨

17、機(jī)給定的初始種群 開(kāi)始，持續(xù)在整個(gè)種群空間內(nèi)隨機(jī)搜索，按照一定的評(píng)估策略即適應(yīng)度函數(shù)對(duì) 每一個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)，不斷通過(guò)復(fù)制、交叉、變異等遺傳算子的作用，使種群在 適應(yīng)度函數(shù)的約束下不斷進(jìn)化，算法終止時(shí)得到最優(yōu) / 次最優(yōu)的問(wèn)題解。圖 3 為裝配規(guī)劃遺傳算法的一般流程。裝配規(guī)劃遺傳算法的研究重點(diǎn)集中于設(shè)計(jì)裝配序列的基因編碼方式以包 含更多的裝配過(guò)程信息、設(shè)計(jì)基因操作的形式和改進(jìn)遺傳算法的局部搜索能力 上。 Lazzerini 等27 的分段編碼遺傳算法中，將染色體分為 3 段編碼，第 1 段表示參與裝配的零件編號(hào)，第 2 段表示零件的可行裝配方向，第 3 段表示裝 配工具，從而使染色體包含了部分工藝信息。為了提高算法的性能，文中將裝 配體分解為子裝配體進(jìn)行裝配，減少了參加裝配序列規(guī)劃的零件數(shù)目； Guan 等 28 采用基因團(tuán)編碼方式，一個(gè)基因團(tuán)表達(dá)一個(gè)零件的裝配操作，由被裝配零 件號(hào)裝配元、裝配工具裝配元、裝配方向裝配元和裝配類(lèi)型裝配元組成。在擴(kuò) 大采樣空間選擇下一代種群的基礎(chǔ)上，通過(guò)交叉和多層次變異實(shí)現(xiàn)裝配序列并 行優(yōu)化。廖小云和陳湘鳳 29 在裝配序列規(guī)劃遺傳算法中設(shè)計(jì)了復(fù)制、交叉、 變異