CN101645102B

CN101645102B - 一种计算机辅助产品装配序列生成方法

Info

Publication number: CN101645102B
Application number: CN2009100923881A
Authority: CN
Inventors: 宋泾舸
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: CN101645102A

Abstract

本发明公开了一种计算机辅助产品装配序列的生成方法，属于计算机辅助制造技术领域，首先是基于层次任务网规划方法，构建产品装配知识库结构；其次是虚拟装配体绑定过程，即以虚拟装配体的层次结构和零部件的连接结构为指导，将实际零部件绑定到虚拟装配体的相应虚拟零部件上；最后生成基于虚拟装配体绑定的产品装配序列。其中，上述产品装配知识库结构包括零部件集合、装配体层次结构、任务层次及任务分解策略四个知识模块。本发明能够使产品装配序列规划知识库的构建变得结构清晰、易理解，任务的层次设计和分解策略制定更有条理和针对性，由此提高产品装配序列生成的灵活性和效率，推动计算机辅助装配序列技术在智能制造领域中的应用。

Description

一种计算机辅助产品装配序列生成方法

技术领域

本发明属于计算机辅助制造技术领域，尤其涉及一种计算机辅助产品装配序列的生成方法。

背景技术

装配是产品制造过程中的重要环节，装配的效率和质量对产品的制造成本和最终质量有着极大的影响。产品装配序列的自动生成(ASP)是计算机辅助装配规划(CAAP)的重要任务之一。由于ASP问题属NP难问题，近年来国内外对此技术的研究十分活跃。

智能规划(AI Planning)是人工智能研究的重要而活跃的分支，旨在以智能化的方法自动或半自动地生成满足要求的动作序列(称为一个计划或规划)。智能规划在交通与物流、智能制造、航天器运行、机器人运动、建筑工程、工业生产调度等众多领域具有广泛的应用前景(参考文献：宋泾舸，查建中，陆一平.智能规划研究综述-一个面向应用的视角.智能系统学报，2007，2(2))。层次任务网(Hierarchical Task Network，简称HTN)规划是智能规划的一种基本规划框架，是面向工程实际提出的技术。HTN规划通过对目标任务的层次分解形成由底层操作构成的规划，适用于大规模、层次任务环境中的工作计划与流程的计算机辅助制定。

任务的层次结构和分解策略的设计是HTN规划方法的关键。然而，由于ASP问题中系统的初始状态通常是一些未组装成的零散部件，缺少层次结构，而目前智能规划领域的主流建模语言PDDL又缺少层次描述能力，HTN规划在ASP问题中应用较少。

发明内容

为了发挥HTN规划方法的优势，针对以上不足，本发明以产品层次描述为基础，提出了一种装配序列生成的方法，为解决大规模、复杂产品装配序列生成问题提供了一种新的技术途径。

本发明采取的技术方案是：

一种计算机辅助产品装配序列的生成方法，包括：

(1)基于层次任务网规划方法，构建产品装配知识库结构；

(2)虚拟装配体绑定过程，即以虚拟装配体的层次结构和零部件的连接结构为指导，将实际零部件绑定到虚拟装配体的相应虚拟零部件上；

(3)生成基于虚拟装配体绑定的产品装配序列。

其中，基于层次任务网规划方法构建而成的知识库结构，包括：零部件集合、装配体层次结构、任务层次及任务分解策略四个知识模块。

所述基于虚拟装配体绑定的产品装配序列生成方法，是将产品层次结构视为一个虚拟装配体，装配序列的生成过程就是将实际零部件绑定到虚拟装配体的相应虚拟零部件上的过程。零件的绑定是以虚拟装配体的层次结构和零部件的连接结构为指导的。任务层次的制定是以装配体的层次结构为依据的；任务分解策略是沿装配体层次结构自顶向下不断细化，并自下向上逐层绑定的过程。

所述任务层次的知识模块，是装配任务类型根据装配体的结构层次从上至下分四类，依次是顶层任务、子任务、底层任务、装配操作。装配操作的形式按所述基于虚拟装配体绑定的产品装配序列生成方法设计。

本发明取得的有益效果是：能够使产品装配序列规划的知识库构建变得结构清晰、易理解，任务的层次设计和分解策略制定更有条理和针对性，由此提高产品装配序列生成的灵活性和效率，推动ASP技术在智能制造领域中的应用。

附图说明

图1是装配序列生成方法流程图；

图2是产品装配知识库结构示意图；

图3(a)、(b)、(c)是虚拟装配体绑定过程示意图；

图4是电动自行车层次结构图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步描述：

图1是本发明提出的一种计算机辅助产品装配序列生成方法的流程图，包括：

步骤1，基于层次任务网规划方法，构建产品装配知识库结构；

步骤2，虚拟装配体绑定过程，以虚拟装配体的层次结构和零部件的连接结构为指导，将实际零部件绑定到虚拟装配体的相应虚拟零部件上；

步骤3，生成基于虚拟装配体绑定的产品装配序列。

图2是产品装配知识库的结构示意图，在图2中，产品装配知识库的结构由零部件集合、装配体层次结构、任务层次、任务分解策略四部分构成。零部件集合包括按部件类型分类的零部件的集合；装配体层次结构根据装配体的结构特征形成层次化的子装配体，最底层是零件，这一装配体层次结构在装配序列生成的过程初始阶段实例化为一个或多个虚拟装配体，供装配不同数量的产品使用。因此虚拟装配体的知识模块包含装配体层次结构中已预定的产品层次结构和部件装配结构的知识描述，其中所有部件都是由虚拟的零部件构成的，虚拟的零部件有形状，有类型，占有一定空间，具有与装配体结构对应的唯一名称，不能重复，虚拟部件是不可装配和拆卸的；任务层次根据装配体层次结构中的子装配体层次设计，最底层是装配操作；任务分解策略根据任务细化的层次逐层设计。

任务层次从上至下分四类，依次是：

(1)顶层任务：就是装配目标产品，其形式可表示为：

T_TOP＝assemble_a_product(prod)

其中prod产品名称，assemble_a_product是顶层任务名。

(2)子任务：就是装配某个零部件或子装配体。这里有两种情况，一种是子装配体本身的组装，其任务形式可表示为：

T_sub＝assemble(so)

其中assemble是装配任务名，so是虚拟装配体或虚拟子装配体名。如组装一个车前轮。

另一种是将一个零部件或子装配体安装到一个装配体的某个部位，其任务形式可表示为：

T_to＝assemble_component(vo)

其中assemble_component是任务名，vo是要安装的虚拟部件或虚拟子装配体。由于装配体结构已确定，安装位置由虚拟装配体中的部件连接关系确定，故任务形式中不显示描述装配位置。如‘安装中轴’就是将中轴安装到车架的指定位置。

(3)底层任务：是直接针对装配操作的任务，其形式与装配操作形式相近，表示为：

T_bot＝assemble_action(o，o₁，tl)

其中assemble_action是任务名，o是待装零部件，o₁是安装位置，tl是装配工具。如用扳手将鞍座装到车架的指定位置。

(4)装配操作：就是将零部件绑定到虚拟零部件或子装配体，其任务形式为：

&DoubleRightArrow;

(connect ({vo}_{l}, o_{l}), (connect (o, o_{l}), assembled (o, {vo}_{l})))

其中connect是表示某种连接关系的谓词，vo₁是待装零部件o对应的虚拟零部件，o₁是要安装的位置。状态描述assembled(o，vo₁)用来表示待装零部件o已与虚拟零部件vo₁绑定，即已经安装，绑定过程见后面图3的说明。这样可以从零部件和装配体两个侧面反映装配情况，为后续推理提供信息。

在这一框架下，装配操作可理解为一种最底层的任务，故将其放在任务层的最底层，但装配操作仍可在其他任务层中使用。

任务分解策略通过不同类型子任务的相互嵌套实现装配体和零部件装配的逐层展开。以T_sub任务的分解为例，在不考虑部件装配的顺序约束的情况下，可以采用如下深度优先的递归分解策略：

(1)若o∈Sub且o是一个子装配体，则用T_sub装配该子装配体；递归执行任务T_sub；

(2)若o∈Sub且o是一个零件，则用T_to装配这个零件；递归执行任务T_sub；

(3)任务分解结束。

该策略体现了“先局部后整体”的常用装配顺序。事实上，根据不同装配体的特点制定相应的局部装配顺序可以有效降低问题求解的复杂度，这是HTN规划的特点所在。

图3(a)、(b)、(c)是装配过程中的虚拟装配体绑定过程示意图。图3(a)是没有开始装配前的描述，左边的零部件集合是实的，右边的虚拟装配体是虚的，它们彼此没有关联；图3(b)是装配中的描述，这是有部分零部件与虚拟产品中的相应虚拟部件建立了联系，即形成了装配；图3(c)是完全装配完成后的描述，这时虚拟装配体的所有部件都已实化，装配因此完成。虚拟部件实化的序列1-2-3-4-5-6即为产品装配的序列。

下面以电动自行车(简称电动车)装配序列的生成为例对本发明作进一步说明。知识库采用MIPL语言构建，该语言支持层次系统下的HTN规划知识的构建(参考文献Song Jingge，Cha J，Lu Y，A Hierarchical System ModellingMechanism for Planning in Transportation and Logistics，Proceedings ofIEEE/SILO’08，Beijing，China.2008.)。为简便起见，这里忽略了如螺丝之类的细小零部件。

图3是电动车层次结构图。电动车的零部件通常包括车架、前叉、前轮、后轮、横卧、鞍座、控制器、驱动电机等。这些部件可以按层次划分，形成电动车的层次结构。

电动车装配体零部件装配的连接关系列表如下所示：

该表列出了一些典型连接关系的MIPL语言描述形式，包括松散连接、紧密的平滑连结、螺纹连接。

电动车装配操作列表如下所示：

该表列出了所采用的一些典型装配操作的MIPL语言描述及说明，包括插入、拧上、敲入等。

如下是采用本发明所述方法生成的一个电动车装配序列的实例。

1：！put_on_line(c_frame bicycle_1) //车架上线

2：！screw_to_with(c_axis1 c_frame1.loc1 scw1) //装中轴

3：！screw_to_with(c_chainwheel1 c_axis1 scw1) //装链轮

4：！hammer_in(c_brace1 c_axis1 hammer1) //敲入左曲柄

5：！hammer_in(c_brace2 c_axis1 hammer1) //敲入右曲柄

6：！plug_in(c_frontfork1 c_frame1.loc3 hand) //插入前叉

... ...

19：！test(bicycle_1.s_bodywork) //测试车体子装配体

20：！link_with(c_motorline1 c_motor1 hand) //连接电机线

21：！plug_in(c_controllerl s_leftdecumbence1 hand) //装入控制器

22：！link_with(c_brakecabe1 s_thrill1 hand) //装闸线

23：！screw_to_with(c_basket1 s_frontfork1 scw1) //装车筐

24：！screw_to_with(c_backlight1 s_ackfender1 scw1) //装后车灯

25：！test(bicycle_1) //整车测试

该序列是在上述知识库描述以及虚拟装配体绑定方法的基础上，采用发明人自主研制的基于顺序任务分解(参考文献Nau D，Cao Y，et al.SHOP andM-SHOP：Planning with Ordered Task Decomposition.Technical Report CSTR 4157，University of Maryland，2000.)的HTN规划系统生成的。该序列的生成初始零部件条件是：车架子装配体未装配但零件充足，而横卧、车把、鞍座、电池盒、前后轮等子装配体已预装好。根据不同的零部件状态，该方法可以灵活地生成相应的装配序列。

Claims

1.一种计算机辅助产品装配序列生成方法，其特征在于，该方法包括

步骤3，生成基于虚拟装配体绑定的产品装配序列；

所述的产品装配知识库结构包括零部件集合、装配体层次结构、任务层次及任务分解策略四个模块；零部件集合包括按部件类型分类的零部件的集合；

所述装配体层次结构根据装配体的结构特征形成层次化的子装配体，最底层是零件，这一装配体层次结构在装配序列生成的过程初始阶段实例化为一个或多个虚拟装配体，供装配不同数量的产品使用，虚拟装配体的知识模块包含装配体层次结构中已预定的产品层次结构和部件装配结构的知识描述，其中所有部件都是由虚拟的零部件构成的，虚拟的零部件有形状，有类型，占有一定空间，具有与装配体结构对应的唯一名称，不能重复，虚拟部件是不可装配和拆卸的；

所述任务层次根据装配体的层次结构进行设计，从上至下分四类，依次是顶层任务、子任务、底层任务、装配操作；任务分解策略根据任务细化的层次逐层设计。