王峻峰,李健,李世其

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院湖北武漢430074)

0 前言

機(jī)械產(chǎn)品的裝配規(guī)劃是機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)的重要組成部分。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì),在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中,大約1/3左右的人力及產(chǎn)品生產(chǎn)制造總工時(shí)的40%－60%被用于產(chǎn)品的裝配過程,裝配成本占總生產(chǎn)成本的50%左右,因此提高裝配規(guī)劃的效率和品質(zhì)成為了裝配規(guī)劃的研究重點(diǎn)[1]。

傳統(tǒng)的裝配規(guī)劃忽視了對(duì)以往成熟產(chǎn)品裝配規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)的借鑒,同時(shí),裝配規(guī)劃過程中需要確定緊固連接件的工具、檢測(cè)裝配精度的量具以及一些標(biāo)準(zhǔn)的裝配操作規(guī)范,這些工作需要查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)或是行業(yè)規(guī)范,但查閱過程繁瑣、時(shí)間耗費(fèi)大,而且易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。近年來,由于人工智能的發(fā)展,人們?cè)絹碓街匾晫?duì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的應(yīng)用,知識(shí)這一概念也被引入到了裝配規(guī)劃的研究中,H.K.Tonshoff[2]等提出了一種基于知識(shí)的自動(dòng)裝配序列規(guī)劃方法、X.F.Zha[3]等建立了一個(gè)集成的基于知識(shí)的裝配序列規(guī)劃和評(píng)價(jià)系統(tǒng)。KAPSS、Jiannan Zhou[4]等開發(fā)了裝配規(guī)劃的原型系統(tǒng),其基于知識(shí)的裝配規(guī)劃系統(tǒng)主要以基于產(chǎn)品裝配特征[4]的規(guī)則類知識(shí)為依據(jù)并結(jié)合算法進(jìn)行裝配規(guī)劃,體現(xiàn)了規(guī)劃的智能性和高效性,但由于規(guī)則類知識(shí)少且不易表達(dá),導(dǎo)致規(guī)劃方案往往不能滿足現(xiàn)實(shí)要求,缺少實(shí)際的裝配生產(chǎn)指導(dǎo)意義。本文將提出面向裝配規(guī)劃的機(jī)械產(chǎn)品裝配工藝知識(shí)管理系統(tǒng),該系統(tǒng)主要對(duì)面向裝配規(guī)劃的裝配工藝知識(shí)進(jìn)行收集、表達(dá)和存儲(chǔ),形成了裝配實(shí)例知識(shí)庫(kù)、裝配資源使用知識(shí)庫(kù)和基本裝配工藝知識(shí)庫(kù)。通過知識(shí)庫(kù)的積累并結(jié)合人的邏輯推理能力,可以為裝配規(guī)劃提供更全面、更有效的指導(dǎo)。

1 面向裝配規(guī)劃的裝配工藝知識(shí)

裝配規(guī)劃的主要工作包括產(chǎn)品裝配單元?jiǎng)澐?、產(chǎn)品裝配工序確定和產(chǎn)品裝配資源選擇三部分內(nèi)容,完成這三方面裝配規(guī)劃工作所需的知識(shí)構(gòu)成了面向裝配規(guī)劃的裝配工藝知識(shí)的組成部分。裝配單元確定知識(shí)是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行套件、組件和部件等裝配單元確定,選擇裝配單元基準(zhǔn)件,從而進(jìn)行分層分級(jí)裝配的知識(shí);裝配工序確定知識(shí)是確定零部件裝配順序、確定工序內(nèi)容、制定裝配操作規(guī)范的知識(shí);裝配資源分配知識(shí)是確定各工序所需的工具和量具的知識(shí)。由于裝配工序中很多裝配操作是標(biāo)準(zhǔn)的,普遍適用的,因此將標(biāo)準(zhǔn)的裝配操作知識(shí)單獨(dú)提出,構(gòu)成基本工藝知識(shí),為裝配操作規(guī)范的制定提供輔助。

1.1 裝配單元確定知識(shí)

裝配單元[6]是由多個(gè)零件或部件通過配合、連接等關(guān)系組成的一個(gè)不可自發(fā)分離的子結(jié)構(gòu),而且這個(gè)子結(jié)構(gòu)不影響原裝配體中其余零件的裝配。配合關(guān)系是裝配特征之間的配合方式,如平面配合、柱面配合和錐面配合等,而裝配特征[5]是零件表面上參與裝配活動(dòng)的區(qū)域,主要由形狀特征、材料特征、運(yùn)動(dòng)關(guān)系和位置關(guān)系組成。連接關(guān)系是用于定位和傳遞零件之間的幾何約束的結(jié)構(gòu)。若干相同類型的連接件同其所連接的普通零件以及相應(yīng)的附件所組成的集合稱為一個(gè)連接組件。

通過以上分析得出裝配單元主要取決于裝配基準(zhǔn)、配合關(guān)系和連接方法三方面。

1.2 裝配工序確定知識(shí)

裝配工藝過程[7]是裝配人員按照產(chǎn)品的裝配順序,通過一定的裝配操作,按照指定的裝配路徑并在保證裝配精度要求的情況下高效率、高品質(zhì)的完成產(chǎn)品裝配的過程。裝配順序是裝配工序中各零部件進(jìn)行裝配的次序,是產(chǎn)品裝配的重要依據(jù)。如果裝配順序選取不恰當(dāng),將致使裝配操作不斷重復(fù),造成裝配一次成功率降低并極大的浪費(fèi)裝配資源,延長(zhǎng)產(chǎn)品的開發(fā)周期,直接導(dǎo)致成本的增加。裝配操作是指將零部件組合在一起而進(jìn)行的清洗、定位、連接、調(diào)整、修配、檢驗(yàn)等操作。

裝配工序劃分是將裝配工藝過程劃分為若干個(gè)階段,以保證裝配生產(chǎn)的平衡,提高生產(chǎn)效率。

由上可見,裝配工序確定主要取決于裝配順序、裝配操作、裝配夾具、裝配路徑四個(gè)方面。

1.3 裝配資源使用知識(shí)

機(jī)械產(chǎn)品裝配規(guī)劃中使用的裝配資源主要由工具、夾具和量具組成。工具的選擇主要根據(jù)螺紋緊固件的類型及其公稱直徑和裝配現(xiàn)場(chǎng)擁有的工具資源確定。量具的選擇主要根據(jù)裝配精度要求及裝配現(xiàn)場(chǎng)擁有的量具資源確定。由于機(jī)械產(chǎn)品的裝配過程中使用的夾具基本上因產(chǎn)品不同而不同,很少能重用,因此本文中將夾具認(rèn)定為與具體產(chǎn)品零部件相關(guān)的屬性,而不將其包括在裝配資源中。

1.4 基本裝配工藝知識(shí)

基本裝配工藝知識(shí)是指一些標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范,這些操作規(guī)范不會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)品的不同而發(fā)生變化,而只與具體的裝配操作相關(guān)。這些裝配操作規(guī)范包括清洗、防松和膠接。

清洗是為保證裝配品質(zhì)及裝配工作的順利進(jìn)行,對(duì)待裝配的零部件進(jìn)行的操作。對(duì)于不同的零部件材料采取不同的清洗方法即選擇不同的清洗參數(shù)。

螺紋連接在沖擊、振動(dòng)和變載荷作用下可能自松,因此要根據(jù)具體的產(chǎn)品使用環(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)條件選擇合適的防松方式。

膠接是工藝簡(jiǎn)便,不需要復(fù)雜的工藝設(shè)備的連接操作,但是合適的膠接劑組分、固化壓力、固化時(shí)間、固化溫度的選擇對(duì)膠接品質(zhì)至關(guān)重要。

2 基于本體的裝配工藝知識(shí)表達(dá)

知識(shí)表達(dá)的方法多種多樣,使用較多的知識(shí)表示方法[8]主要有:謂詞邏輯表示法,產(chǎn)生式表示法、框架表示法、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法、面向?qū)ο蟊硎痉ā⒒诒倔w的知識(shí)表示法等。本體作為構(gòu)建描述領(lǐng)域知識(shí)模型的方法論[9],它對(duì)領(lǐng)域內(nèi)的概念模型進(jìn)行了明確說明,而且可以支持粒度小、語(yǔ)義復(fù)雜的概念模型創(chuàng)建,這些特點(diǎn)正適合表達(dá)有不同細(xì)節(jié)需求的裝配工藝知識(shí)?；诒倔w的表示方法對(duì)知識(shí)表示語(yǔ)言中的建構(gòu)和約束作普遍的、無歧義的語(yǔ)義解釋,可以保證支持本體的不同使用者之間進(jìn)行語(yǔ)義層面的信息共享和互操作,同時(shí),作為本體描述語(yǔ)言的OWL[10]可以方便的映射到數(shù)據(jù)庫(kù),為本體的存儲(chǔ)提供了方便。因此本文將采用基于本體的知識(shí)表達(dá)方法來構(gòu)建裝配工藝知識(shí)。

基于本體概念的裝配工藝知識(shí)構(gòu)成圖如圖1所示,由裝配單元、裝配工序、裝配資源和基本裝配工藝四個(gè)本體組成,每個(gè)本體又劃分為若干粒度不同的下級(jí)本體。

圖1 裝配工藝知識(shí)本體

a)裝配單元知識(shí)本體

使用零件和連接組件這兩種最基本組成單元來描述其構(gòu)成,任何裝配單元都是通過連接組件將零件連接起來形成不可自發(fā)分離的裝配結(jié)構(gòu),裝配單元的特征由零件的特征形成,零件的形狀特征和材料特征是零件獨(dú)立的特征,它只與零件本身有關(guān),而零件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系、位置關(guān)系和裝配精度是零件之間的特征,它由多個(gè)零件共同決定。零件特征構(gòu)成了裝配單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),也是裝配工序規(guī)劃的出發(fā)點(diǎn)。

b)裝配工序知識(shí)本體

由裝配順序、裝配操作、裝配路徑描述,裝配順序確定裝配單元中零件或連接組件的裝配秩序,裝配操作決定將兩個(gè)零件裝配在一起進(jìn)行的各種操作如先定位再連接,裝配路徑確定裝配操作的方向。對(duì)于裝配工序中所需使用的裝配資源將單獨(dú)在裝配工裝中進(jìn)行描述。

c)裝配資源知識(shí)本體

裝配資源知識(shí)本體由裝配工具和裝配量具組成,裝配工具是緊固連接件時(shí)需要使用的資源,裝配量具是保證零件裝配精度時(shí)使用的資源。

d)基本裝配工藝知識(shí)本體

基本裝配工藝知識(shí)本體是標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范的描述,對(duì)于某類型機(jī)械產(chǎn)品的裝配,主要考慮防松、清洗、膠接三類常用基本工藝。防松工藝主要用于螺紋連接件,即在有螺紋連接件而且有防松要求時(shí)就需要相應(yīng)的防松操作規(guī)范。清洗工藝主要用于零件或連接組件裝配前操作,具體清洗工藝的選擇要取決于零件類型和污染物的種類及污染程度。膠接基本工藝的選擇要根據(jù)被連接件材料、連接要求及環(huán)境決定。

3 裝配工藝知識(shí)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文建立的裝配工藝知識(shí)管理系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖2所示。裝配工藝知識(shí)管理系統(tǒng)主要對(duì)裝配實(shí)例知識(shí)、裝配資源使用知識(shí)和基本裝配工藝知識(shí)進(jìn)行管理,建立了面向裝配規(guī)劃的裝配工藝知識(shí)庫(kù),以提供給用戶進(jìn)行知識(shí)重用,其中裝配實(shí)例知識(shí)由裝配單元確定知識(shí)和裝配工序確定知識(shí)描述。以面向裝配規(guī)劃的裝配工藝知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ),該系統(tǒng)提供了裝配實(shí)例檢索、裝配資源檢索、基本裝配工藝檢索和裝配工藝知識(shí)錄入界面,實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)相應(yīng)知識(shí)的管理。裝配實(shí)例知識(shí)的管理將產(chǎn)品的裝配過程進(jìn)行管理,以供工藝規(guī)劃人員規(guī)劃相似產(chǎn)品時(shí)進(jìn)行查詢、學(xué)習(xí)和借鑒,提高裝配規(guī)劃效率;裝配資源使用知識(shí)的管理將螺紋連接件或裝配精度對(duì)應(yīng)的裝配資源進(jìn)行管理,便于工藝規(guī)劃人員快速查詢,得到符合實(shí)際的需要使用的裝配資源。基本裝配工藝知識(shí)管理對(duì)防松、清洗、膠接工藝知識(shí)進(jìn)行管理,為工藝規(guī)劃人員提供標(biāo)準(zhǔn)的裝配操作規(guī)范。

圖2 面向裝配規(guī)劃的裝配工藝知識(shí)管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 面向裝配規(guī)劃的裝配工藝知識(shí)應(yīng)用

以臺(tái)鉆Z4006－A主軸箱部件裝配工藝規(guī)劃為例說明裝配工藝知識(shí)管理系統(tǒng)的應(yīng)用。對(duì)于主軸箱部件,裝配工藝知識(shí)管理系統(tǒng)的輔助規(guī)劃主要分為三個(gè)層次,一是輔助裝配工序確定;二是確定需要使用何種裝配資源;三是確定標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范。

在規(guī)劃臺(tái)鉆Z4006－A主軸箱部件裝配過程前先學(xué)習(xí)以往相似產(chǎn)品裝配過程,可以通過裝配實(shí)例知識(shí)檢索得到如下相似裝配實(shí)例,通過學(xué)習(xí)借鑒來輔助Z4006－A裝配工序確定,如圖3(a)。臺(tái)鉆Z4006－A主軸箱部件中采用了M5×25的開槽沉頭螺釘連接刻度板和主軸箱,因此需要確定緊固該螺栓的工具,可以通過裝配工具檢索輔助確定裝配工具資源使用,如圖3(b)。主軸箱部件中墊塊的裝配有平行度為0.1 mm的精度要求,因此要確定測(cè)量其裝配精度要求的量具,可以通過裝配檢索輔助確定裝配量具資源使用,如圖3(c)。由于主要軸箱部件使用過程中存在振動(dòng),因此需要對(duì)起連接作用的開槽沉頭螺釘進(jìn)行防松,通過防松工藝檢索確定合適的防松標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范,如圖3(d)。

通過利用系統(tǒng)提供的裝配工藝知識(shí),并結(jié)合三維裝配過程規(guī)劃軟件,最終實(shí)現(xiàn)臺(tái)鉆Z4006A從裝配工序規(guī)劃到裝配資源使用再到基本裝配工藝應(yīng)用的輔助規(guī)劃,形成裝配技術(shù)要求等文字信息和三維裝配過程動(dòng)畫為一體的裝配工藝文件,圖4所示為主軸箱部件的裝配工藝指導(dǎo)界面。

圖3 裝配規(guī)劃中裝配工藝知識(shí)的使用

4 結(jié)論

圖4 主軸箱部件裝配工藝過程

裝配工藝知識(shí)在裝配規(guī)劃過程中具有重要的作用,需要進(jìn)行規(guī)范的管理以使這些知識(shí)得到重用?；诒倔w概念構(gòu)建了裝配工藝知識(shí)體系,形成了包含裝配單元、裝配工序、裝配資源和基本裝配工藝等知識(shí)為主體的裝配工藝知識(shí)庫(kù),開發(fā)了面向裝配規(guī)劃需求的裝配工藝知識(shí)管理系統(tǒng)。結(jié)合臺(tái)鉆Z4006A的裝配規(guī)劃為例,說明了裝配工藝知識(shí)管理系統(tǒng)中各主要知識(shí)模塊的使用,為快速形成裝配工藝指導(dǎo)文件提供有力支撐。將來的工作需要對(duì)裝配工藝知識(shí)庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)充,形成更多的知識(shí)容量;另外,如何在三維裝配規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)知識(shí)的主動(dòng)推動(dòng),更好的為三維裝配提供知識(shí)服務(wù)也是一個(gè)研究方向。

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