CN102867078A - 一种基于三维cad平台的机械产品拆卸工艺快速规划方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三维CAD平台的机械产品拆卸工艺快速规划方法，先读入产品装配信息，创建拆卸可行性信息图DFIG，并生成一个拆卸序列集合；针对每一个拆卸序列生成一个工艺方案的矩阵式数据模型；针对每一个拆卸工艺方案，从DFIG中读取相应的工艺信息；如果DFIG中不存在与拆卸工艺方案相对应的节点，则启动一个消息机制驱动三维拆卸路径规划模块来获得相关拆卸工艺信息；对产品拆卸工艺方案集合中所有方案进行性能评价；如果当前拆卸工艺方案集合的表现没有达到优化搜索进程的退出条件，重新生成一组新的拆卸序列方案，直到满足退出条件结束拆卸工艺方案优化搜索进程为止；最后输出最佳的拆卸工艺方案，本发明能方便的评估产品拆卸过程的工艺性、成本等。

Description

一种基于三维CAD平台的机械产品拆卸工艺快速规划方法

技术领域

本发明涉及产品数字化制造技术领域，具体涉及一种基于三维CAD平台的机械产品拆卸工艺快速规划方法。

背景技术

随着产品数字化设计开发平台日益在企业中得到普及，通过三维CAD平台对产品的数字化模型进行拆卸工艺过程的规划、分析及仿真验证等，能够协助工程师方便的评估产品及零部件拆卸过程的工艺性、快捷性、成本等，无论是对于复杂机械产品使用中的关键零部件拆卸维修，还是对产品寿命终结后的拆卸回收及零部件、材料的再利用等工作都有着非常实际的促进作用。

在学术及理论研究领域，基于计算机数值求解理论的产品拆卸规划研究已经得到了快速的发展，形成了比较主流的研究思路，即：产品的拆卸信息模型（图模型）+拆卸方案的寻优方法。一般而言，主要的产品拆卸模型常以图论模型来表达，寻优方法常选用一些启发式优化算法，如禁忌搜索（Tabu Search）、模拟退火（Simulated Annealing）、遗传方法(GeneticAlgorithm)、蚁群优化(Ant Colony Optimization)等。但是，学术领域的理论研究工作存在着明显的工程可操作性困境，难于真正应用于工程实践中。其主要原因在于方法的操作复杂性：大多研究中都是假定已经针对复杂的机械产品建立了一个包括可能的零部件拆卸方案的集合—解空间模型，这包括了对所有拆卸操作可行性及其性能的分析计算，然后侧重于从理论演绎的角度研究能搜索最好拆卸方案的方法。工程实际中，这样的工作却十分困难：随着零部件及其拆卸操作方式可能性的增加，预先建立起产品拆卸方案的解空间模型的工作量将呈几何级数式的增长，从而使得方法的实际可用性大幅降低。因此，尽管学术上的进展明显，实际可操作性上的困境导致了当前的理论成果难以在工程应用上对复杂机械产品的三维数字化拆卸工艺规划技术产生推动，并形成实用技术工具。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种基于三维CAD平台的机械产品拆卸工艺快速规划方法，协助工程师方便的评估产品及零部件拆卸过程的工艺性、快捷性、成本等，无论是对于复杂机械产品使用中的关键零部件拆卸维修，还是产品寿命终结后的拆卸回收及零部件、材料的再利用等工作都有着非常实际的促进作用。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于三维CAD平台的机械产品拆卸工艺快速规划方法，包括以下步骤：

步骤一：

1.1读取装配体的三维数字化模型，并对装配体中的零部件进行编号；

1.2生成与装配体对应的拆卸方案解空间的理论模型—拆卸可行性信息图DFIG，此时，拆卸可行性信息图DFIG为一个不包括具体数据的空结构；

所述拆卸可行性信息图DFIG的描述如下：一个装配体对应着一个理论上确定的拆卸可行性信息图DFIG，它通过一个树型结构来实现对理论上所有可能的拆卸工艺方案的表达；

1.3指定总数量，随机生成一个初始拆卸序列方案的集合；

步骤二：

2.1对拆卸序列方案集合中的每一个拆卸序列，建立一个相对应的拆卸工艺方案对象，用一个矩阵式数据模型表达；

2.2所有拆卸工艺方案组成了一个拆卸工艺方案集合；

步骤三：

针对每一个拆卸工艺方案对象，访问拆卸可行性信息图DFIG以读取工艺信息：

3.1如果拆卸可行性信息图DFIG中已经存在了代表相应零部件的拆卸工艺数据的节点，则读取这些存储数据并写入拆卸工艺方案矩阵中；

3.2如果拆卸可行性信息图DFIG中不存在对应的零部件拆卸工艺数据节点，则启动一个消息机制来完成零部件拆卸工艺方案信息的获取工作，并同步扩充拆卸可行性信息图DFIG；

所述的消息机制表述如下：如拆卸可行性信息图果DFIG中相应的零部件拆卸工艺信息为空，则主程序将自动向三维拆卸路径规划功能模块发送消息，以启动零部件的拆卸路径搜索进程；完成后退回主程序，将所获得的零部件拆卸工艺的数据导入工艺方案的矩阵对象中，并同步存储到新生成于拆卸可行性信息图DFIG中的节点，从而实现对拆卸可行性信息图DFIG的动态逐次扩展；

步骤四：

4.1三维拆卸路径规划功能模块如果收到上述3.2步所述从主程序传来的启动执行的消息，将针对零部件模型进行三维拆卸路径的搜索计算；

所述三维拆卸路径的搜索方法表述如下：以零部件的三维模型为对象，按照拆卸序列搜索并计算其拆卸路径；零部件采用确定步长和步数的拆卸移动方式；以零部件的自身坐标系为基准指定移动方向的搜索空间，每一步的拆卸移动方向必须从中选择；

4.2最终将得到的零部件拆卸规划信息，返回到执行拆卸工艺方案优化的主程序中去；

步骤五：

根据拆卸工艺方案性能评价准则，对全部拆卸工艺方案的性能进行评估并给出评价分数；

所述的拆卸工艺方案评价准则表述如下：规定一个适应性函数，用以评判每一个拆卸工艺方案的性能并给出评价分数；适应性函数的值越大，表示性能越好；

步骤六：

如果当前集合中的这些拆卸工艺方案的表现还没有达到结束拆卸方案优化搜索进程的条件：

6.1以所有拆卸方案的性能评价为依据，对方案中的零部件拆卸序列进行处理，生成一个新的拆卸序列方案集合；

6.2返回到步骤二继续开始，直到最终达到退出条件，结束优化搜索进程；

步骤七：

退出拆卸工艺方案优化搜索进程之后，按照性能表现排序输出拆卸工艺方案，其中性能最好的为推荐方案。

本发明能够克服目前产品数字化拆卸技术“理论强、应用弱”的困境，有利于形成实用的技术分析工具，并应用于如下的三个工程方面：1）针对复杂机械产品维修中的关键零部件拆卸\安装问题，快速生成零部件在三维场景下的拆卸工艺过程，协助工程师最后确定零部件的拆装维修方案；2）针对新产品开发中的拆卸回收性能分析设计问题，通过将智能优化算法和人工分析相结合，分析、评估产品的可拆卸性能，帮助产品设计人员改善产品的拆卸回收性能，延长产品的价值链；3）针对寿命周期终结的产品拆卸回收问题，协助工程师快速制定出完整产品的拆卸回收工艺方案。

附图说明

图1是本发明的操作流程示意图。

图2是装配体拆卸可行性信息图DFIG的原理示意图。

图3是为实现装配体的DFIG，针对模型中的节点设计的一个链式结构。

图4是拆卸工艺方案矩阵的编码示意图。

图5是拆卸工艺方案矩阵中第3至第14列数字与一个4行4列的空间三维坐标变换矩阵的对应关系图。

图6是一个五零件装配体的拆卸工艺方案的初始矩阵表达结构。

图7是应用于拆卸序列方案更新的遗传算子示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。

本发明的一种具体实施流程如图1所示，具体体现为一个基于C++语言开发、嵌入通用三维CAD软件的功能插件，其主要的功能描述如下：

在CAD系统中打开装配体的三维装配模型，并启动拆卸工艺规划插件。

此后，软件将自动执行如下步骤。

步骤一：

1.1读取装配体的三维数字化模型，并对装配体中的零部件进行编号；

1.2根据装配结构及零部件信息，生成与装配体对应的拆卸方案解空间的理论模型——拆卸可行性信息图DFIG，此时，拆卸可行性信息图DFIG为一个不包括具体数据的空结构；

对所述拆卸可行性信息图DFIG进一步描述如下：一个装配体对应着一个理论上确定的拆卸可行性信息图DFIG，它通过一个树型结构来实现对理论上所有可能的拆卸工艺方案的表达；如图2所示意，它由一个根节点和若干个功能信息节点组成，通过一个树型结构来实现对理论模型的表达；其中，根节点无具体物理意义，每个功能节点上存储一个零部件的拆卸工艺数据；从根节点到其它任意一个节点的路径，代表了路径上相应零部件的拆卸序列；在本实施例中，通过如图3所示的链式数据结构，创建了可以动态扩展的拆卸可行性信息图DFIG的树型数据对象；

1.3按照装配体中零部件数量的10倍，随机生成一个初始拆卸序列的集合；

步骤二：

2.1对拆卸序列集合中的每一个拆卸序列，基于编码机制建立一个相对应的拆卸工艺方案对象，用一个矩阵式数据模型表达；

所述拆卸工艺方案的编码机制如下：对每一个拆卸序列方案，其工艺方案对象具体的矩阵结构如图4所示意，其中第一列，代表装配体中零部件的编号；第二列存贮路径规划后当前路径是否可行的信息，矩阵初始化值为-1，1表示可行，0表示不可行；第3至第14列共12位表示当前零部件在装配体坐标系下的位置姿态，具体数学意义参照图5所示——能够组成一个4行4列的空间三维坐标变换矩阵，代表当前零部件相对于装配体坐标系的空间位姿；图6所示为完成初始化后一个五个零件的装配体的工艺方案矩阵表达式，代表了零件拆卸中移动步数的M取值为100，因此，这是一个500行14列的矩阵；此刻，新生成的工艺方案矩阵中除了零部件编号列、拆卸操作可行性列之外的其它数据项为空；

2.2所有生成的拆卸工艺方案组成了一个拆卸工艺方案集合；

步骤三：

针对每一个拆卸工艺方案对象，访问拆卸可行性信息图DFIG以读取工艺信息；

3.1如果拆卸可行性信息图DFIG中已经存在了代表相应零部件的拆卸工艺数据的节点，则系统自动读取这些存储数据并按照定义写入拆卸工艺方案矩阵中；

具体操作规则如下：假设当前工艺方案所对应的零部件拆卸序列为{5,4,3,2,1}，当前零件为4，如果其拆卸操作工艺信息为可行（取值1），则读取4的工艺数据后，继续读取3的拆卸工艺数据；假设当前工艺方案所对应的零部件拆卸序列为{5,3,4,2,1}，当前零件为3，如果其拆卸操作工艺信息为不可行（取值0），则立刻终止读取工作，并将后续零件4、2、1的拆卸操作可行性都标记为不可行（取值0）。这一思路的出发点在于，实际中给定的一个产品拆卸序列方案，如果存在一个零部件不可拆卸，则这个方案不可行；

3.2如果拆卸可行性信息图DFIG中不存在对应的零部件拆卸工艺信息节点，则启动一个消息机制来完成零部件拆卸工艺方案信息的获取工作，并同步扩充拆卸可行性信息图DFIG；

所述消息机制的具体实现过程如下：

1)如果拆卸可行性信息图DFIG中相应的零部件拆卸工艺信息为空，则主程序自动向三维拆卸路径规划功能模块发送消息，启动零部件的拆卸路径搜索进程；

2)发送消息的同时，将当前工艺方案对象的数据，包括零部件拆卸序列和已经完成的零部件拆卸工艺信息等同步发送；

3)对零部件进行三维拆卸路径搜索与规划；

4)完成后退回主程序，将所获得的零部件拆卸工艺的数据导入工艺方案的矩阵对象中，并同步存储到新生成于拆卸可行性信息图DFIG中的节点，从而实现对拆卸可行性信息图DFIG的动态逐次扩展；

步骤四：

4.1三维拆卸路径规划功能模块如果收到上述3.2步所述从主程序传来的启动执行的消息，会针对零部件进行三维拆卸路径的搜索及规划；

具体的操作如下：

4.1.1假设当前工艺方案矩阵所对应的零件拆卸序列为{5,4,2,3,1}，如果当前要操作的零件是5，则直接对零件进行三维拆卸路径分析及规划即可；如果当前要操作的零件是2，则必须根据工艺方案矩阵中5和4两个零件拆卸路径信息，首先完成对这两个零件的拆卸路径模拟后，再开始对零件2进行三维拆卸路径搜索及规划；

4.1.2在当前零部件的三维拆卸路径规划执行中，给定零部件移动的步数M，由程序自动地按照步进的方式计算、搜索零部件的三维拆卸路径。零部件拆卸移动方向的搜索空间采用如下方案：以零部件的自身坐标系为基准，包括X、Y、Z三个轴方向的平动和绕三个轴方向的转动，共计6个方向要素；每一次移动中，最多同时包括两个方向要素，其中三个平动量具有优先级，在选择当前平动方向要素的情况下，本方向轴的绕动方向要素具有优先级；

4.1.3以零部件在搜索过程中找到至少一条不与其他零部件发生几何干涉的拆卸移动路径为标准，标记当前零部件的拆卸工艺可行性为可行，取值1；否则，标记为不可行，取值0；

4.2最终将得到的零部件拆卸可行性、拆卸路径等数据，返回到执行拆卸工艺方案优化的主程序中去；

步骤五：

根据拆卸工艺方案性能评价准则，对全部拆卸工艺方案的性能进行评估并给出评价分数；

所述的拆卸工艺方案评价准则可表述如下：将拆卸工艺方案的性能规定为一个适应性函数Fitness——由零部件拆卸操作中的时间、成本及操作的复杂性等综合而成，用以评判每一个拆卸工艺方案的性能并给出评价分数；适应性函数的值越大，表示性能越好；适应性函数的计算公式如下：

如果拆卸工艺方案在执行中遇到一个零部件拆卸不可行，则整个方案的适应性函数给为0值；

只有当装配体的整个拆卸工艺过程都可行时，通过如下公式计算适应性值：

$\mathrm{Fitness}={\left({\mathrm{Time}}_{\mathrm{Process}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Cost}(a_i,j)\right)}^{-1}$

Cost(α_i,j)=A*Time+B*(Directions+Reorientations)+C*Tool

其中，

Time_Process代表包括工艺准备时间在内的总工艺执行时间；

Cost(α_i,j)代表了零部件a_i在拆卸序列中的第j步被拆卸时的操作成本；

A、B、C代表不同因素的权重因子，在本例中分别取0.2，0.5，0.3；

Time代表零部件拆卸执行的时间；

Directions代表零部件拆卸移动中选择的方向数；

Reorientations代表零部件拆卸移动中的方向变化的次数；

Tool代表零部件拆卸中使用的工具；

步骤六：

将结束拆卸方案优化搜索进程的条件定义为：

1）方案集合中某一个或者两个方案占到了80%以上；

2）或者，连续执行了优化搜索进程所允许的最大循环次数1000；

如果当前集合中这些拆卸工艺方案的表现还没有达到结束拆卸方案优化搜索进程的条件：

6.1以所有拆卸方案的性能评价依据，对这些工艺方案所采纳的拆卸序列采用遗传算子进行处理，来生成一个新的拆卸序列方案集合。遗传算子的具体操作如图7所示，给出了通过两个拆卸序列随机生成一个新的子代拆卸序列的方法；同时，为了保持整个工艺方案集合数量的稳定性，对这一对拆卸序列再做一次遗传操作以生成另一个子代序列来。

6.2返回到步骤二继续开始，直到最终满足退出条件，结束优化搜索进程；

步骤七：

退出拆卸方案优化搜索进程之后，按照性能表现排序输出拆卸工艺方案，其中性能最好的为推荐方案。

Claims (1)

1.一种基于三维CAD平台的机械产品拆卸工艺快速规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：

1.1读取装配体的三维数字化模型，并对装配体中的零部件进行编号；

1.2生成与装配体对应的拆卸方案解空间的理论模型——拆卸可行性信息图DFIG，此时，拆卸可行性信息图DFIG为一个不包括具体数据的空结构；

所述拆卸可行性信息图DFIG的描述如下：一个装配体对应着一个理论上确定的拆卸可行性信息图DFIG，它通过一个树型结构来实现对理论上所有可能的拆卸工艺方案的表达；

1.3指定总数量，随机生成一个初始拆卸序列方案的集合；

步骤二：

2.1对拆卸序列方案集合中的每一个拆卸序列，建立一个相对应的拆卸工艺方案对象，用一个矩阵式数据模型表达；

2.2所有拆卸工艺方案组成了一个拆卸工艺方案集合；

步骤三：

针对每一个拆卸工艺方案对象，访问拆卸可行性信息图DFIG以读取工艺信息：

3.1如果拆卸可行性信息图DFIG中已经存在了代表相应零部件的拆卸工艺数据的节点，则读取这些存储数据并写入拆卸工艺方案矩阵中；

3.2如果拆卸可行性信息图DFIG中不存在对应的零部件拆卸工艺数据节点，则启动一个消息机制来完成零部件拆卸工艺方案信息的获取工作，并同步扩充拆卸可行性信息图DFIG；

所述的消息机制表述如下：如果拆卸可行性信息图DFIG中相应的零部件拆卸工艺信息为空，则主程序将自动向三维拆卸路径规划功能模块发送消息，以启动零部件的拆卸路径搜索进程；完成后退回主程序，将所获得的零部件拆卸工艺的数据导入工艺方案的矩阵对象中，并同步存储到新生成于拆卸可行性信息图DFIG中的节点，从而实现对拆卸可行性信息图DFIG的动态逐次扩展；

步骤四：

4.1三维拆卸路径规划功能模块如果收到上述3.2步所述从主程序传来的启动执行的消息，将针对零部件模型进行三维拆卸路径的搜索计算；

所述三维拆卸路径的搜索方法表述如下：以零部件的三维模型为对象，按照拆卸序列搜索并计算其拆卸路径；零部件采用确定步长和步数的拆卸移动方式；以零部件的自身坐标系为基准指定移动方向的搜索空间，每一步的拆卸移动方向必须从中选择；

4.2最终将得到的零部件拆卸规划信息，返回到执行拆卸工艺方案优化的主程序中去；

步骤五：

根据拆卸工艺方案性能评价准则，对全部拆卸工艺方案的性能进行评估并给出评价分数；

所述的拆卸工艺方案评价准则表述如下：规定一个适应性函数，用以评判每一个拆卸工艺方案的性能并给出评价分数；适应性函数的值越大，表示性能越好；

步骤六：

如果当前集合中的这些拆卸工艺方案的表现还没有达到结束拆卸方案优化搜索进程的条件：

6.1以所有拆卸方案的性能评价为依据，对方案中的零部件拆卸序列进行处理，生成一个新的拆卸序列方案集合；

6.2返回到步骤二继续开始，直到最终达到退出条件，结束优化搜索进程；

步骤七：

退出拆卸工艺方案优化搜索进程之后，按照性能表现排序输出拆卸工艺方案，其中性能最好的为推荐方案。

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