CN102930752A - 基于有限状态机的虚拟样机拆装序列模型的实训平台 - Google Patents
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Abstract
基于有限状态机的虚拟样机拆装序列模型的实训平台，拆装序列关系模型，输入模块和比对模块；拆装序列关系模型中用节点表示零件或子装配，每个节点的状态包括等待状态、完成状态、待装配状态和失效状态；状态转换函数包括完成条件，失效条件，待装配条件及其他条件；所有节点的状态转换函数保存在拆装序列关系模型中；节点表示的零件或子装配被用户选中称为触发事件；比对模块将被选中节点的当前状态、相关节点的当前状态与被选中节点的完成条件对比判断用户输入是否正确。本发明具有能够正确完备地表达装配序列之间的层次关系，能够检验用户在虚拟拆装实验中做出的拆装顺序的合理性和正确性的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向虚拟样机拆装的实训平台，特别是一种基于有限状态机的虚拟样机拆装序列模型的实训平台。
背景技术
虚拟样机（Virtual Prototyping，VP）是一种新兴的技术，是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。虚拟样机可用于对产品进行创新设计、测试和评估，以及教育、训练等方面。虚拟装配技术是虚拟样机技术的前提和基础，决定了仿真分析结果的准确与否。装配序列是虚拟装配中最重要的部分，它影响到装配过程的其他方面，如装配线布置、效率和成本，以及产品设计中的各种细节。由此可知，生成所有完全正确的可行装配序列是决定虚拟样机功能真实度的关键因素。
装配序列模型的表达必须满足正确性和完备性这两个原则。目前装配序列模型的表达方法主要有：
Bourjault提出的自动生成装配序列的方法，他通过一个联络图表示对应的机械产品，并针对每个拆卸操作向用户提出一系列的“是或否”的问题，最后根据用户给出的答案可以推论出几何上可行的装配序列（参考文献：Bourjault A. Contributionune approche methodologique de l’assemblage automatise: elaboration automatique dessequences operatiores. France: Thesis d’Etat Universite de Franche-Comte, Besancon, 1984）。
Gottipolu和Ghosh提出的基于在六个正交方向上的接触和干涉矢量，通过这些矢量可以自动生成几何上可行的装配序列（参考文献：Gottipolu RB, Ghosh K. An integrated approach to the generation of assembly sequences. International Journal of Computer Applications in Technology, 1995, 8 (3-4): 125-138）。
Mantripragada和Whitney提出的用有向图表示机械产品的方法，称为基准信息链模型。在有向图中，装配过程中零件之间的装配优先关系通过有向边来表示。但是有向图可能包含一些不可行的装配序列（参考文献：Mantripragada, R., Whitney, D. E. . The Datum Flow Chain: A systematic approach to assembly design and modeling. Research in Engineering Design, 1998,10(3): 150-165）。
De Mello和Sanderson用与或图表示装配规划。与或图中的节点表示子装配，弧线表示装配任务，每一个装配任务都表示将两个子装配组装起来生成一个更大更复杂的子装配。与有向图相比与或图更加紧凑，因为与或图用更少的节点来表示装配状态（参考文献：Homem de Mello,L.S., Sanderson, A.C.. AND/OR graph representation of assembly plans. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1990,6(2):188-199）。
上述的装配序列模型的表达方法不能同时符合装配序列模型表达的正确性原则和完备性原则。除此之外，在处理零件数量较多的装配体时，受组合爆炸影响会导致求解效率低甚至可能无解。并且当有任何看似微小的设计变化时，会导致序列模型的大幅度修改，因此可扩充性和可维护性较差。
发明内容
为克服现有技术没有能够符合装配序列模型表达的正确性原则和完备性原则，无法使虚拟样机在装配序列方面与实物样机保持一致，进而影响了虚拟样机功能真实度的缺点，本发明提供了一种能够正确地、完备地表达装配序列之间的层次关系，能够检验用户在虚拟拆装实验中做出的拆装顺序的正确性和合理性的基于有限状态机的虚拟样机拆装序列模型的实训平台。
基于有限状态机的虚拟样机拆装序列模型的实训平台，包括反映零部件正确的拆装序列的拆装序列关系模型，获取用户输入的实际拆装顺序的输入模块，和将实际拆装顺序与拆装模型比对、并识别实际拆装顺序是否正确的比对模块；
拆装序列关系模型中用节点表示零件或子装配，每个节点作为一个状态机，每个节点的状态包括等待状态、完成状态、待装配状态和失效状态；
将节点从当前状态迁移到下一状态所需要满足的条件称为状态转换函数，状态转换函数包括使节点从等待状态或者待装配状态迁移到完成状态的完成条件，使节点从等待状态迁移到失效状态的失效条件，使节点从等待状态或者待装配状态迁移到待装配状态的待装配条件，以及使节点从等待状态迁移到等待状态或者从完成状态迁移到完成状态的其他条件；任意节点在任意时刻有且仅有一个条件得到满足，所有节点的状态转换函数保存在拆装序列关系模型中；
节点表示的零件或子装配被用户选中称为触发事件，触发事件引起被选中的节点的状态发生迁移；
触发事件发生时，比对模块获取被选中的节点的当前状态、该节点的状态转换函数、和与状态转换函数包含的相关节点的当前状态，比对模块将被选中节点的当前状态、相关节点的当前状态与被选中节点的完成条件对比，若相符则认为用户输入正确，若不相符则输出错误提示。
进一步，完成条件为布尔表达式，每个节点对应一个完成条件；当完成条件为TRUE时，表示所选零件或子装配为可装配或可拆卸，节点从当前状态迁移到完成状态；当完成条件为FALSE时，表示所选零件或子装配不满足可操作条件，节点仍然保持原状态。
进一步，失效条件是指当某些节点从等待状态到完成状态的转换时，使其他节点的状态变为失效状态；只有表示子装配的节点具有失效条件。
进一步，节点的等待状态是指该节点还未被安装或者还未被拆卸；完成状态是指该节点已经完成安装或者已经完成拆卸；只有装配过程中的表示子装配的节点具有待装配状态，待装配状态表示该子装配至少有一个零件已经完成安装、但是该子装配至少还有一个零件未安装完成；失效状态是指非稳定性子装配的结构被破坏导致该子装配消失。稳定型子装配表示该子装配必须整体拆装；非稳定型子装配表示既可以整体拆装，也可以各个零件分别拆装，取决于用户的意图。
进一步，所有节点的初始状态均为等待状态。
进一步，所述的拆装序列关系模型的构建方法包括以下步骤：
1）、获取产品零部件的正确的装配顺序和拆卸顺序，分别建立与装配顺序对应的装配节点表和与拆卸顺序对应的拆卸节点表；
2）、读取装配节点表或拆卸节点表之后，根据用户选中的零件计算对应节点的完成条件，判断完成条件是否成立，若成立则认为选中的零件能够实现装配或拆卸；若不成立则认为用户选择错误；
计算选中零件的相关节点的失效条件和待装配条件，若失效条件成立则认为相关节点将迁移为失效状体，若待装配条件成立，则认为相关节点将迁移为待装配状态；
装配节点表和拆卸节点表均包括：节点ID、节点名称、零件ID、当前状态和装配体对象；装配体对象包括装配体ID、装配体名称、完成条件、失效条件、待装配条件、操作工具ID和运动轨迹ID；
2.1）、当用户进行虚拟装配训练时读取装配节点表，当用户进行虚拟拆卸训练时获取拆卸节点表；根据节点表建立节点信息的数据结构；
2.2）、获取用户选中的待拆装零件，并寻找与选中零件相对应的节点，读取该节点当前的状态；若当前状态为等待状态或待装配状态，则继续下面的步骤；否则提示错误，并要求用户重新选择要拆装的零件；
2.3）、计算选中节点的完成条件，若计算结果为TRUE，则将该节点的状态置为完成状态；否则提示错误，并要求用户重新选择要拆装的零件；
2.4）、遍历所有的节点，判断是否还有当前状态为等待或待装配的节点，若有则继续下面的步骤；反之则表示该产品的所有零部件已完成装配或拆卸，程序结束；
2.5）、对于当前状态为等待状态的节点，首先计算该节点的失效条件，若失效条件为TRUE，则将该节点的状态置为失效状态；若是装配过程，还需要计算其对应的待装配条件是否为TRUE，若待装配条件为TRUE，则将该节点状态置为待装配状态。
本发明的技术构思是：将每个零件或子装配都看成是一个相对独立的状态机，并根据产品零件的实际装配或拆卸情况，给每个状态机赋予完成条件、失效条件、待装配条件、失效条件等与拆装相关的条件。当有触发事件作用时，状态机就会计算相关条件，若计算结果符合装配或拆卸的要求，就能进行拆装操作；反之则提示错误，从而能根据指定的原则完成虚拟产品的装配或拆卸。
本发明具有能够既正确又完备地表达装配序列之间的层次关系，能够检验用户在虚拟拆装实验中做出的拆装顺序的合理性和正确性，此外还具有开放性好、可靠性高、效率高的优点，可应用于虚拟样机的拆装实训。
附图说明
图1 节点状态转换图。
图2 完成条件示例图；a表示用户的意图还未明确之前，子装配A1是非稳定型子装配； b表示用户的意图是将A1整体拆装，所以A1此时变成稳定型子装配，各零件之间的关系也随之改变；c表示用户的意图是将A1中的零件分别拆装，A1的结构此时被破坏即此时不存在A1这个子装配。
图3操作流程图。
图4虚拟样机拆装应用实例。
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明：
基于有限状态机的虚拟样机拆装序列模型的实训平台，包括反映零部件正确的拆装序列的拆装序列关系模型，获取用户输入的实际拆装顺序的输入模块，和将实际拆装顺序与拆装模型比对、并识别实际拆装顺序是否正确的比对模块；
拆装序列关系模型中用节点表示零件或子装配，每个节点作为一个状态机，每个节点的状态包括等待状态W、完成状态F、待装配状态R和失效状态D；
将节点从当前状态迁移到下一状态所需要满足的条件称为状态转换函数，状态转换函数包括使节点从等待状态W或者待装配状态R迁移到完成状态F的完成条件F-C，使节点从等待状态W迁移到失效状态D的失效条件D-C，使节点从等待状态W或者待装配状态R迁移到待装配状态R的待装配条件R-C，以及使节点从等待状态W迁移到等待状态W或者从完成状态F迁移到完成状态F的其他条件O-C；任意节点在任意时刻有且仅有一个条件得到满足，所有节点的状态转换函数保存在拆装序列关系模型中；
节点表示的零件或子装配被用户选中称为触发事件，触发事件引起被选中的节点的状态发生迁移；
触发事件发生时，比对模块获取被选中的节点的当前状态、该节点的状态转换函数、和与状态转换函数包含的相关节点的当前状态，比对模块将被选中节点的当前状态、相关节点的当前状态与被选中节点的完成条件F-C对比，若相符则认为用户输入正确，若不相符则输出错误提示。
完成条件F-C为布尔表达式，每个节点对应一个完成条件F-C；当完成条件F-C为TRUE时，表示所选零件或子装配为可装配或可拆卸，节点从当前状态迁移到完成状态F；当完成条件F-C为FALSE时，表示所选零件或子装配不满足可操作条件，节点仍然保持原状态。
例如，参照图2，子装配A1是非稳定型子装配；N1、N2、N4、N6都表示零件；A2表示稳定型子装配。当零件N1和N2组成子装配A1时，节点N4能否被安装取决于节点A1是否完成安装，因此此时节点N4的完成条件F-C为：A1 =F。当子装配A1不存在时，节点N4能否被安装取决于节点N1是否完成安装，因此此时节点N4的完成条件F-C为：N1 =F && A1 =D。综合上述两种情况，节点N4的完成条件F-C为： N4 = ( N1=F && A1 =D ) || ( A1 =F )。
失效条件D-C是指当某些节点从等待状态W到完成状态F的转换时，使其他节点的状态变为失效状态D。只有代表子装配的节点其最终状态可能是失效状态D。对于某些子装配来说，在装配过程中，组成该子装配的零部件直接与总装配体中的其他零部件进行装配；或在拆卸过程中，在未拆卸该子装配的前提下直接拆卸组成该子装配的零部件，都会导致该子装配失效。因此失效条件D-C主要是通过其成员零部件所节点来表示。
所述的待装配条件R-C表示节点状态机的状态从等待状态W或待装配状态R迁移到待装配状态R。例如，一个由 m ( 2≤m≤N-1 ) 个零件p形成的子装配 S = { p i1 , p i2 , …, p im }，对任意 p且 p∈ S，若在装配过程中，代表零件p的节点的状态变为完成状态F，则该子装配S的状态变为待装配状态R，直到组成该子装配的所有零件都完成安装，该子装配的状态才变为完成状态F。待装配条件R-C也用布尔表达式来表示。
所述的其他条件O-C表示当节点既不满足完成条件F-C，也不满足失效条件D-C，同时也不满足待装配条件R-C时，则默认该节点满足其他条件O-C。
节点的等待状态W是指该节点还未被安装或者还未被拆卸；完成状态F是指该节点已经完成安装或者已经完成拆卸；只有装配过程中的表示子装配的节点具有待装配状态R，待装配状态R表示该子装配至少有一个零件已经完成安装、但是该子装配至少还有一个零件未安装完成；失效状态D是指非稳定性子装配的结构被破坏导致该子装配消失。
所有节点的初始状态均为等待状态W。
所述的拆装序列关系模型的构建方法包括以下步骤：
1）、获取产品零部件的正确的装配顺序和拆卸顺序，分别建立与装配顺序对应的装配节点表和与拆卸顺序对应的拆卸节点表；
2）、读取装配节点表或拆卸节点表之后，根据用户选中的零件计算对应节点的完成条件，判断完成条件是否成立，若成立则认为选中的零件能够实现装配或拆卸；若不成立则认为用户选择错误；
计算选中零件的相关节点的失效条件和待装配条件，若失效条件成立则认为相关节点将迁移为失效状体，若待装配条件成立，则认为相关节点将迁移为待装配状态；
装配节点表和拆卸节点表均包括：节点ID、节点名称、零件ID、当前状态和装配体对象；装配体对象包括装配体ID、装配体名称、完成条件、失效条件、待装配条件、操作工具ID和运动轨迹ID；
2.1）、当用户进行虚拟装配训练时读取装配节点表，当用户进行虚拟拆卸训练时获取拆卸节点表；根据节点表建立节点信息的数据结构；
2.2）、获取用户选中的待拆装零件，并寻找与选中零件相对应的节点，读取该节点当前的状态；若当前状态为等待状态或待装配状态，则继续下面的步骤；否则提示错误，并要求用户重新选择要拆装的零件；
2.3）、计算选中节点的完成条件，若计算结果为TRUE，则将该节点的状态置为完成状态；否则提示错误，并要求用户重新选择要拆装的零件；
2.4）、遍历所有的节点，判断是否还有当前状态为等待或待装配的节点，若有则继续下面的步骤；反之则表示该产品的所有零部件已完成装配或拆卸，程序结束；
2.5）、对于当前状态为等待状态的节点，首先计算该节点的失效条件，若失效条件为TRUE，则将该节点的状态置为失效状态；若是装配过程，还需要计算其对应的待装配条件是否为TRUE，若待装配条件为TRUE，则将该节点状态置为待装配状态。
本发明的技术构思是：将每个零件或子装配都看成是一个相对独立的状态机，并根据产品零件的实际装配或拆卸情况，给每个状态机赋予完成条件F-C、失效条件D-C、待装配条件R-C、失效条件D-C等与拆装相关的条件。当有触发事件作用时，状态机就会计算相关条件，若计算结果符合装配或拆卸的要求，就能进行拆装操作；反之则提示错误，从而能根据指定的原则完成虚拟产品的装配或拆卸。
本发明具有能够既正确又完备地表达装配序列之间的层次关系，能够检验用户在虚拟拆装实验中做出的拆装顺序的合理性和正确性，此外还具有开放性好、可靠性高、效率高的优点，可应用于虚拟样机的拆装实训。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (6)
1.基于有限状态机的虚拟样机拆装序列模型的实训平台，其特征在于：包括反映零部件正确的拆装序列的拆装序列关系模型，获取用户输入的实际拆装顺序的输入模块，和将实际拆装顺序与拆装模型比对、并识别实际拆装顺序是否正确的比对模块；
拆装序列关系模型中用节点表示零件或子装配，每个节点作为一个状态机，每个节点的状态包括等待状态、完成状态、待装配状态和失效状态；
将节点从当前状态迁移到下一状态所需要满足的条件称为状态转换函数，状态转换函数包括使节点从等待状态或者待装配状态迁移到完成状态的完成条件，使节点从等待状态迁移到失效状态的失效条件，使节点从等待状态或者待装配状态迁移到待装配状态的待装配条件，以及使节点从等待状态迁移到等待状态或者从完成状态迁移到完成状态的其他条件；任意节点在任意时刻有且仅有一个条件得到满足，所有节点的状态转换函数保存在拆装序列关系模型中；
节点表示的零件或子装配被用户选中称为触发事件，触发事件引起被选中的节点的状态发生迁移；
触发事件发生时，比对模块获取被选中的节点的当前状态、该节点的状态转换函数、和与状态转换函数包含的相关节点的当前状态，比对模块将被选中节点的当前状态、相关节点的当前状态与被选中节点的完成条件对比，若相符则认为用户输入正确，若不相符则输出错误提示。
2.如权利要求1所述的基于有限状态机的虚拟样机拆装序列模型的实训平台，其特征在于：完成条件为布尔表达式，每个节点对应一个完成条件；当完成条件为TRUE时，表示所选零件或子装配为可装配或可拆卸，节点从当前状态迁移到完成状态；当完成条件为FALSE时，表示所选零件或子装配不满足可操作条件，节点仍然保持原状态。
3.如权利要求2所述的基于有限状态机的虚拟样机拆装序列模型的实训平台，其特征在于：失效条件是指当某些节点从等待状态到完成状态的转换时，使其他节点的状态变为失效状态；只有表示子装配的节点具有失效条件。
4.如权利要求3所述的基于有限状态机的虚拟样机拆装序列模型的实训平台，其特征在于：节点的等待状态是指该节点还未被安装或者还未被拆卸；完成状态是指该节点已经完成安装或者已经完成拆卸；只有装配过程中的表示子装配的节点具有待装配状态，待装配状态表示该子装配至少有一个零件已经完成安装、但是该子装配至少还有一个零件未安装完成；失效状态是指非稳定性子装配的结构被破坏导致该子装配消失。
5.如权利要求4所述的基于有限状态机的虚拟样机拆装序列模型的实训平台，其特征在于：所有节点的初始状态均为等待状态。
6.如权利要求1-5之一所述的拆装序列关系模型的构建方法包括以下步骤：
1）、获取产品零部件的正确的装配顺序和拆卸顺序，分别建立与装配顺序对应的装配节点表和与拆卸顺序对应的拆卸节点表；
2）、读取装配节点表或拆卸节点表之后，根据用户选中的零件计算对应节点的完成条件，判断完成条件是否成立，若成立则认为选中的零件能够实现装配或拆卸；若不成立则认为用户选择错误；
计算选中零件的相关节点的失效条件和待装配条件，若失效条件成立则认为相关节点将迁移为失效状体，若待装配条件成立，则认为相关节点将迁移为待装配状态；
装配节点表和拆卸节点表均包括：节点ID、节点名称、零件ID、当前状态和装配体对象；装配体对象包括装配体ID、装配体名称、完成条件、失效条件、待装配条件、操作工具ID和运动轨迹ID；
2.1）、当用户进行虚拟装配训练时读取装配节点表，当用户进行虚拟拆卸训练时获取拆卸节点表；根据节点表建立节点信息的数据结构；
2.2）、获取用户选中的待拆装零件，并寻找与选中零件相对应的节点，读取该节点当前的状态；若当前状态为等待状态或待装配状态，则继续下面的步骤；否则提示错误，并要求用户重新选择要拆装的零件；
2.3）、计算选中节点的完成条件，若计算结果为TRUE，则将该节点的状态置为完成状态；否则提示错误，并要求用户重新选择要拆装的零件；
2.4）、遍历所有的节点，判断是否还有当前状态为等待或待装配的节点，若有则继续下面的步骤；反之则表示该产品的所有零部件已完成装配或拆卸，程序结束；
2.5）、对于当前状态为等待状态的节点，首先计算该节点的失效条件，若失效条件为TRUE，则将该节点的状态置为失效状态；若是装配过程，还需要计算其对应的待装配条件是否为TRUE，若待装配条件为TRUE，则将该节点状态置为待装配状态。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130213 |