黃　康,　陳　祥,　朱曉慧,　夏公川

(合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥　230009)

?

基于知識重用的模塊化快速重組方法

黃康,陳祥,朱曉慧,夏公川

(合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥230009)

為了提高模塊化重組的效率,文章提出了一種快速重組方法。該方法分析了能夠描述模塊化重組過程的知識組成、知識表達形式,從而構建知識庫;利用知識庫建立了模塊匹配關系庫、模塊關系鄰接矩陣以及模塊匹配搜索算法,并進行重組定位;在模塊知識庫和匹配算法的基礎上建立了接口約束向幾何約束轉化的流程。以某雷達典型結構的模塊化重組為例,開發(fā)出快速重組系統(tǒng),并驗證了該方法的有效性。

知識重用;模塊化重組;模塊鄰接矩陣;模塊匹配搜索算法;約束轉化

模塊化設計通過對不同模塊的組合實現(xiàn)了以有限資源生產出盡可能多的產品系列,是一種面向大批量定制和敏捷制造的柔性設計方法[1],同時也是企業(yè)快速響應市場的有效手段[2]。傳統(tǒng)的模塊化設計方法是依據(jù)功能-結構原理,把產品組成劃分為功能結構不同的各個模塊,然后把形成的各個模塊按照一定順序組裝,形成一個特定的產品系列,所有的產品系列便構成了此模塊化產品的產品族[3]。在實際設計過程中,一旦客戶需求要求對現(xiàn)有的產品系列進行變動,設計者大多會按照一定的邏輯關系重復執(zhí)行設計過程,產生大量重復性工作,大多數(shù)因效率太低導致無法及時滿足客戶需求。

為了解決這個問題,很多研究者針對模塊化裝配做了大量的研究工作。文獻[4]提出了相似性、重用性、整體性的大批量定制基本原理,說明了模塊化重組是一種柔性的設計方法;文獻[5]以汽車為例研究了模塊化裝配與傳統(tǒng)裝配系統(tǒng)的不同點;文獻[6]基于DSM矩陣提出了一種加快模塊化裝配效率的框架結構;文獻[7]針對模塊化裝配過程中模塊間的相似性與依賴性進行了描述;文獻[8]基于模塊化思想建立了產品的拆卸模型,通過生成產品的層次網(wǎng)絡圖介紹產品拆卸序列的生成過程,可以看作是模塊化重組的逆過程;文獻[9]對面向過程的產品裝配建模進行了研究,通過裝配關系識別來捕捉設計者的設計意圖。

上述研究在一定程度上描述了模塊化裝配與傳統(tǒng)裝配的異同點以及實現(xiàn)的框架結構,但是關于構建模塊間的關系以及在重組時快速搜索到匹配雙方的研究較少,所以本文在文獻[10-11]論述的知識管理在模塊化設計中創(chuàng)新應用思想的基礎上,提出了一種基于知識重用的模塊化快速重組方法。

1　整體技術路線

基于知識重用實現(xiàn)模塊化快速重組方法的整體技術路線如圖1所示。

圖1　基于知識重用的模塊化快速重組整體技術路線

首先,對描述模塊化重組特性的“接口”概念進行定義,并以一個典型的模塊化產品結構實例來描述其接口組成。

其次,定義“模塊有向圖”概念及其表達形式;用fxyz描述一般模塊化產品的組成及其相互關系,并探討其相關性質。

然后,描述構成知識庫組成的接口匹配關系庫,并提出模塊關系鄰接矩陣的概念來定量化表示模塊組成及其相互關系,繼而提出模塊匹配搜索算法,實現(xiàn)模塊與模塊之間的精確匹配。

在完成模塊間的匹配后,便產生了特定的產品族序列。而要完成各模塊的重組,還需要對序列中的各個模塊之間實現(xiàn)從接口約束到幾何約束的轉化,并把幾何約束施加在對應的實體上。

本文構建了上述實例的接口約束庫,提出了圓截法接口定位的方法,實現(xiàn)了模塊內特定實體各個接口的定位,并在此基礎上提出接口約束向幾何約束轉化的流程,最終實現(xiàn)了幾何約束的轉化和施加,獲得了帶約束的模塊實體序列。

2　模塊化產品知識庫的構建

2.1接口定義

接口是模塊化產品中各模塊與其他模塊匹配的局部特征,在裝配環(huán)境中表現(xiàn)為零件自身的裝配屬性[12]。

對于一個典型的模塊化產品結構,定義接口的關鍵在于尋找準確描述模塊間匹配關系的局部特征。一個模塊化產品結構實例如圖2所示，其中,接口包括圓孔、圓柱、方孔、方柱、三角孔和三角柱6種形式。

圖2　模塊化產品結構實例

2.2模塊有向圖定義

模塊化產品系列的有向圖如圖3所示。

圖3　模塊有向圖

有向圖定義為:

(1)

其中,V={v1,v2,…,vn}為結點的非空有限集;E={〈vi,vj〉}為結點的有序對,表示結點間的關系,〈vi,vj〉稱為弧,vi為弧尾,vj為弧頭,注意〈vi,vj〉≠〈vj,vi〉。符合上述定義的圖稱為模塊化產品系列的模塊有向圖。

2.3模塊化產品fxyz組成及性質

對圖3用數(shù)學模型fxyz來描述一般模塊化產品的組成結構。其中,x為模塊代號;y為實體代號;z為接口代號;fx為模塊層;fx*y為特定模塊層內的實體;fx*y*z為特定模塊層內特定實體的接口;f為取數(shù)。

為了完整描述模塊化產品的結構形式,結合模塊有向圖的定義及fxyz組成,定義2個描述有向圖中結點性質的fxyz參量為:① itfx*y,特定模塊層內實體的入度,有向圖中為指向結點的弧數(shù);② otfx*y,特定模塊層內實體的出度,有向圖中為指離結點的弧數(shù)。

根據(jù)模塊化產品的一般特點,得到fxyz的3條性質如下:

(3) itfxminy=0,otfxmaxy=0。其含義是最小模塊層實體的入度為0,最大模塊層實體的出度為0。

圖2模塊有向圖的f表示如圖4所示。

圖4　模塊有向圖的f表示

根據(jù)(1)式可得:

3　模塊匹配

3.1模塊匹配關系庫

模塊匹配關系庫中存放的是模塊與模塊之間的接口匹配形式及其代號。圖2中的6種接口可形成3種接口匹配形式,圓柱孔連接、方柱孔連接、三角柱孔連接的接口匹配代號分別為1、2、3。

模塊與模塊之間的接口匹配形式采用一種語義描述,其優(yōu)點為:① 傳統(tǒng)幾何元素集成化,模塊與模塊之間匹配的不再是孤立的點線面,而是各類元素的集成,無需手工拾取,且更易于理解;② 每一種匹配形式均賦予區(qū)別于其他形式的代號,用代號來表征匹配形式既能夠把抽象的匹配形式數(shù)字化,便于程序識別,同時根據(jù)模塊化產品的不同可無限制地擴充,實現(xiàn)知識重用。

3.2模塊關系鄰接矩陣

模塊關系鄰接矩陣是用矩陣的形式來表征一個具體模塊化產品系列的組成結構及其相互關系。

對于一個確定的模塊化產品系列,采用(1)式對模塊關系圖G進行描述,若圖G中有n個結點,則形成n×n的模塊關系鄰接矩陣。矩陣元素為Aij,若〈vi,vj〉是E中的弧,則Aij=wij,wij為上述3種接口匹配形式對應的接口匹配代號;反之則Aij=0。

對圖2的模塊化產品系列用模塊有向圖3表示后,其對應的模塊關系鄰接矩陣為10×10矩陣,即

3.3模塊匹配搜索算法

制定模塊匹配搜索算法的目的是當選定一個特定模塊層的初始實體fx*y后,能夠通過算法準確地匹配出與選定實體匹配的下一模塊的某一實體f(x*+1)y。

模塊匹配搜索算法如下:

(3) 搜索滿足Aij=wij的j值,確定下一結點代號vj。

(6) 賦予i=j,更新弧尾vi,返回步驟(1)循環(huán)執(zhí)行。

按照上述算法對圖4的模塊有向圖進行模塊匹配搜索。

首先,選定初始實體f11,賦予vi=f11;然后再選定初始接口為f113;形式為圓孔,則其接口匹配形式為圓柱孔連接,接口匹配代號為1,wij=1;在A矩陣第1行中搜索滿足A1j=1的j值為4,下一結點代號為v4;根據(jù)模塊有向圖的f表示,v4對應f23,從而形成結點有序對〈v1,v4〉和實體有序對〈f11,f23〉;此次搜索得到j=4,根據(jù)實體有序對可知對應的模塊層x=2,沒有超過模塊層的最大值xmax=3;把當前得到的結點有序對〈v1,v4〉中的弧頭v4作為弧尾,并選定v4對應實體f23中的方孔作為初始接口,按照上述流程循環(huán)執(zhí)行,最終得到v1→v4→v10的結點有序列,以及對應的f11→f23→f36的實體有序列。

最終得到的實體有序列f11→f23→f36中所包含的實體組成成分f11、f23、f36以及包含的實體有序對〈f11,f23〉、〈f23,f36〉均可以在模塊有向圖f表示中的V(G)和E(G)中找到,由此驗證了此模塊匹配搜索算法的正確性。

4　接口約束向幾何約束的轉化

4.1接口約束庫

由于接口是實體的某一局部特征,或者是某些幾何元素的集合,因此接口約束必然不同于傳統(tǒng)的幾何約束,從本質上來看,接口約束是若干相互關聯(lián)的幾何約束集,是一種形式化的語義描述。依據(jù)接口定義,圖2中模塊化產品系列模型的接口約束庫組成見表1所列。

由圖4可知,整個模塊化產品系列共有9個接口約束,依照表1得到其接口約束組成,見表2所列。

表2　圖4對應接口約束組成

4.2接口約束向幾何約束的轉化

4.2.1圓截法接口定位

對于一個特定的模塊有向圖,使用圓截法定位每個實體的各個接口,如圖5所示。

圖5　圓截法接口定位

圓截法是在模塊化產品系列對應的模塊有向圖中,以各個結點為圓心、ΔR為半徑畫圓,在保證該圓不與其他結點干涉的基礎上,沿逆時針方向與該結點的各弧依次相交,從單入度弧開始依次標記各交點,從而定位實體包含的各個接口。

對于該種模塊化產品結構,通過圓截法確定各弧的弧頭接口代號均為1,且因為第1模塊層入度為0,其接口定位從各出度弧開始標記。

4.2.2約束轉化算法

由表2可知,通過接口約束庫的組成,可將一般模塊化產品系列中的接口約束分解為對應的幾何約束集，其分解過程即接口約束向幾何約束的轉化過程。轉化流程如下:

(1) 通過模塊匹配搜索算法得到一個特定的實體有序列f1y1→f2y2→…→fnyn。

(2) 從實體有序列中從左至右取出每個弧的弧尾弧頭所對應的實體fxyx、f(x+1)y(x+1)。

(3) 用圓截法確定fxyx實體的接口fxyxzx,f(x+1)y(x+1)實體的接口根據(jù)圓截法接口定位可知為f(x+1)y(x+1)1。

(4) 程序識別接口fxyxzx的組成Mx以及接口f(x+1)y(x+1)1的組成Mx+1,判斷有序對〈fxyxzx.Mx,f(x+1)y(x+1)1.Mx+1〉是否屬于表2的組成成分,若屬于則根據(jù)表1中的接口約束形式施加幾何約束,直至〈fxyx,f(x+1)y(x+1)〉有序對中所有屬于表2的約束對均被施加約束。

(5) 判斷f(x+1)y(x+1)的出度otf(x+1)y(x+1)是否等于0,若不等于0,則弧按照實體有序對f1y1→f2y2→…→fnyn依次前進,弧頭和弧尾更新,返回步驟(2)循環(huán)執(zhí)行;若等于0,則執(zhí)行結束,f1y1→f2y2→…→fnyn實體有序列中的所有幾何約束均被施加,接口約束轉化完成。

利用模塊匹配搜索算法得到的實體有序列f11→f23→f36來說明該約束轉化算法。

首先選取第1個弧所對應的實體有序對〈f11,f23〉,用圓截法確定實體f11的接口為f113,實體f23的接口為f231;程序搜索屬于表2中〈f11,f23〉的所有組成成分分別為〈f113孔底面,f231柱頂面〉以及有序對〈f113內孔面,f231外柱面〉,根據(jù)表1的接口約束形式對上述2個約束對施加約束;判斷實體f23的出度otf23=2,因此弧前進對實體有序對〈f23,f36〉執(zhí)行上述流程,最后判斷otf36=0,執(zhí)行結束。上述流程使得f11→f23→f36實體有序列中的2個接口約束均全部轉化成幾何約束,并施加在了對應的實體上,驗證了上述約束轉化算法的正確性。

5　應用實例

以某雷達典型結構為例,它具有很高的模塊化特性,主要包含匯流盤(3種)、絕緣環(huán)(3種)、隔離環(huán)(4種)3個模塊,如圖6所示。

圖6　雷達典型結構模塊化組成

模塊與模塊之間的連接通過兩側的凹凸臺實現(xiàn),同時為了區(qū)別各自的尺寸(2種規(guī)格),定義上述模型的接口有4種,分別為凸臺R1、凸臺R2、凹臺R1、凹臺R2。模塊有向圖和有向圖的f表示如圖7所示,接口匹配形式為凹凸臺R1連接和凹凸臺R2連接,對應的接口匹配代號分別為1和2。模塊關系鄰接矩陣為:

圖7　雷達典型結構模塊有向圖和有向圖的f表示

經(jīng)模塊匹配搜索算法得到的結點有序列及對應的實體有序列見表3所列,圓截法接口定位如圖8所示。接口約束組成見表4所列,接口約束庫組成見表5所列。

表3　結點有序列及實體有序列

圖8　圓截法接口定位

實體有序對接口約束組成

表5　接口約束庫組成

本文采用上述方法,利用Pro/E的Pro/Toolkit二次開發(fā)技術開發(fā)了雷達模塊化快速裝配系統(tǒng)(radar modular rapid assembly system,RMRAS),系統(tǒng)界面如圖9所示,利用該系統(tǒng)完成的幾種模塊化重組模型如圖10所示。

圖9　雷達模塊化快速裝配系統(tǒng)界面

圖9a表示模塊化設計小組連接同一個局域網(wǎng)進行協(xié)同工作(完成各自的模塊設計任務);圖9b表示本文所定義的接口是后續(xù)裝配的前處理工作;圖9c表示從庫中選擇某一個已添加的模塊組合任務執(zhí)行。經(jīng)實際檢驗,通過該系統(tǒng)完成一個模塊重組任務的效率比手工裝配的提高60%以上。

圖10　利用RMRAS系統(tǒng)完成的幾種模塊化重組模型

6　結　論

本文利用一個模塊化產品結構實例模型,用模塊有向圖來表示其組成結構,用fxyz表示其各組成成分,從而建立該模塊化產品系列的知識庫;在知識庫基礎上建立了模塊匹配關系庫以及模塊關系鄰接矩陣,并基于此提出了模塊匹配搜索算法,實現(xiàn)了模塊間的自動匹配;采用圓截法對匹配成功的模塊以及實體進行接口定位,并通過約束轉化算法將接口約束轉化成幾何約束,并施加在對應的實體上,實現(xiàn)了在知識庫基礎上的模塊化快速重組。

[1]侯亮,唐任仲,徐燕申.產品模塊化設計理論、技術與應用研究進展[J].機械工程學報,2004,40(1):56-61.

[2]趙韓,朱可,張炳力,等.基于UG二次開發(fā)的參數(shù)化零件族系統(tǒng)[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2006,29(8):929-932.

[3]高飛,肖剛,潘雙夏,等.產品功能模塊劃分方法[J].機械工程學報,2007,43(5):29-35.

[4]祁國寧,楊青海.大批量定制生產模式綜述[J].中國機械工程,2004,15(14):1240-1245.

[5]PARALIKAS J,FYSIKOPOULOS A,PANDREMENOS J,et al.Product modularity and assembly systems: an automotive case study[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2011,60(1):165-168.

[6]SALONITIS K.Modular design for increasing assembly automation[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2014,63(1):189-192.

[7]LAI X,GERSHENSON J K.Representation of similarity and dependency for assembly modularity[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2008,37(7):803-827.

[8]郭偉祥,劉志峰,劉光復,等.基于模塊化思想的拆卸序列規(guī)劃[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2005,17(3):498-504.

[9]劉振宇,譚建榮.面向過程的虛擬環(huán)境中產品裝配建模研究[J].機械工程學報,2004,40(3):93-99.

[10]LI B T,HONG J,LI T,et al.Modular design of complex product based on the triple fusion of function/feature/knowledge[J].Journal of Shanghai Jiaotong University:Science,2010,15(5):563-570.

[11]ZHU F W,SUN X X,MILLER J,et al.Innovations in knowledge management:applying modular design[J].International Journal of Innovation Science,2014,6(2):83-96.

[12]邵曉東,殷磊,陸源,等.一種基于特征的快速裝配方法[J].計算機集成制造系統(tǒng),2007,13(11):2217-2223.

(責任編輯胡亞敏)

A rapid modular restructuring method based on knowledge reuse

HUANG Kang, CHEN Xiang, ZHU Xiaohui, XIA Gongchuan

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to improve the efficiency of modular restructuring, a rapid restructuring method is proposed. The composition and expression form of knowledge are analyzed to describe the modular restructuring process and to construct the knowledgelib. Then the modular matching relationlib is established through the knowledgelib, and the modular relation adjacency matrix and modular matching search algorithm are constructed, so as to make the restructuring orientation. Finally, the process of the transform from interface constraints to geometric constraints is established based on the modular knowledgelib and matching algorithm. Taking the modular restructuring of a radar typical structure as an example, the rapid restructuring system is developed, and the validity of this method is verified.

knowledge reuse; modular restructuring; modular adjacency matrix; modular matching search algorithm; constraint transform

2015-03-19；

2015-04-25

國家科技支撐計劃資助項目(2012KJZC0789)

黃康(1968-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.004

TP391.7

A

1003-5060(2016)07-0880-07