CN104504471A - 装配序列规划方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种装配序列规划方法和装置。所述方法包括步骤：A、确定装配序列定性约束和装配序列定量约束；B、选择基础件，根据装配序列的定性约束确定与所述基础件满足装配优先关系的零部件；C、根据装配序列定量约束，获得所述满足装配优先关系的零部件的装配优先级，选择装配优先级最大的零部件装配到所述基础件上，将装配后的零部件一起作为新的基础件，并更新装配序列定性约束；D、循环执行步骤B和C，直至全部零件装配完毕；E、输出装配序列。利用本发明的装配序列规划方法和装置，能够利用局部启发式信息来生成局部最优装配序列片段和最优装配序列，降低了装配序列规划的难度。

Description

装配序列规划方法和装置

技术领域

本发明涉及产品制造流程领域，特别是涉及到产品制造过程中的装配规划技术。

背景技术

现代制造业朝着集成化、规模化方向发展，产品越来越复杂。现代复杂产品的开发不但需要先进的设计技术支持，同时更需要与设计技术相匹配的制造技术。装配是产品开发过程中的一个重要环节，离散零部件在装配技术、方法指导下被组装成实现产品功能的机械装置或机器。与自动化切削等加工过程不同，装配过程通常自动化程度低、耗时长、成本高。对于普通机械产品，装配时间占整个产品生产时间的20％-50％，大约40％以上的制造成本用于产品装配。对于小型、微型机电产品，装配成本占的比例甚至达到90％。装配序列规划是降低产品装配成本、提高装配效率的一项重要技术。装配序列规划旨在产生满足产品结构约束和装配工艺要求的装配序列信息。装配序列信息显示了零部件的装配先后顺序，同时包含零部件的装配操作信息。按照生成的装配序列信息，可以合理安排、分配装配资源(包括技术工人、能源、设备、仪器等)进行生产，达到提高产品装配效率、降低装配成本的目的。

装配序列规划十分重要，但彻底解决存在很大难度。首先，装配序列规划在本质上属于一个组合优化难题。对于复杂产品，获得最优装配序列的分析手段和方法的处理时间很长，难于在可接受的时间内得到满意的装配序列。另外，产品装配结构和装配工艺多种多样，装配序列规划需要考虑产品和装配工艺的多种属性，才能得到满足多重目标要求的最优的装配序列。鉴于此，装配序列规划多年来一直是复杂产品制造领域的一个热门技术。

多年来，装配序列规划的研究主要集中在装配序列建模、装配序列搜索和装配序列评估三个主要方面。传统的装配序列规划方法步骤如图1所示。为支持装配序列的自动化推理和计算，装配模型多被表示成离散拓扑结构的形式。这些结构包括装配连接图、装配关系图、装配优先关系图、装配树、Petri网等形式。这些装配模型总体上分为无向装配图和有向装配图两大类。无向装配图包含的信息较少，大多仅仅包含零部件及其之间的装配联接、接触信息。采用无向装配图，装配序列的数量最多可达n的阶乘(n代表产品中零部件的个数)。采用当前的推理和计算方法，根本无法解决复杂产品的装配序列规划问题。并且，由于缺少几何约束和装配工艺约束，大部分装配序列存在装配干涉，不能满足装配生产的需要。有向装配图包含几何约束和部分装配工艺约束。采用有向装配图可以推理出可行的装配序列，装配序列规划的复杂度得到一定程度的降低。即便如此，有向装配图中装配序列的数量仍然随着零部件数量的增加呈指数增长。对于复杂产品，精确计算方法很难在短时间内生成最优解，通常采用各种启发式方法在可接受时间内生成近似解。在生成装配序列后，根据装配工艺要求建立装配序列评价函数，通过评价获得最优的装配序列。

无论采用有向装配图模型，还是采用无向装配图模型，均存在一个显著的缺点：必须在装配序列生成之后通过评价才能求得最优的装配序列。理论上，如果不能对所有的装配序列进行评价，无法确定生成的装配序列是最优的。导致装配序列规划出现这种困境有两种原因：第一是装配序列规划问题本身困难；第二个原因是装配序列规划过程中缺少局部启发式信息。在装配序列构造过程中，局部启发式信息可以引导生成最优装配序列片段和最优的装配序列，但是现有技术的装配序列规划方法没有利用到这一有利因素，造成了序列规划的难度增大。

发明内容

有鉴于现有技术的装配序列规划方法存在的不足，本发明提出一种装配序列规划方法和装置。该方法使用到权重装配图，所述权重装配图集成了零部件装配过程考虑的多种装配约束，代表装配关系的边的权值作为局部启发式信息生成局部最优装配序列片段和最优装配序列。权重装配图可以有效地降低装配序列规划的难度，同时便利各种算法搜索最优装配序列。

为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。

一种装配序列规划方法，所述方法包括步骤：

A、确定装配序列定性约束和装配序列定量约束；

B、选择基础件，根据装配序列的定性约束确定与所述基础件满足装配优先关系的零部件；

C、根据装配序列定量约束，获得所述满足装配优先关系的零部件的装配优先级，选择装配优先级最大的零部件装配到所述基础件上，将装配后的零部件一起作为新的基础件，并更新装配序列定性约束；

D、循环执行步骤B和C，直至全部零件装配完毕；

E、输出装配序列。

其中，所述装配序列的定性约束包括零部件的装配关系和零部件的装配优先关系；相应地，所述步骤B为：选择基础件，确定与所述基础件满足零部件的装配关系的零部件，在所述与基础件满足零部件的装配关系的零部件中确定与所述基础件满足零部件的装配优先关系的零部件。

另外，零部件的装配关系为零部件装配关系矩阵，所述零部件装配关系矩阵的元素r_ij表示零部件i和j之间装配关系的有无；所述零部件的装配优先关系为零部件装配优先关系矩阵，所述零部件装配优先关系矩阵的元素p_ij表示零部件i和j之间是否有装配优先关系的限定。

特别地，所述装配序列的定量约束包括产品设计功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束；

相应地，步骤C中，所述根据装配序列定量约束，获得所述满足装配优先关系的零部件的装配优先级的方法是：

确定产品设计功能约束指数矩阵、结构稳定性约束指数矩阵和装配工艺约束指数矩阵；

针对一满足装配优先关系的零部件，赋予所述零部件相对于基础件的产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij、结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij和装配工艺约束指数矩阵元素py_ij以权值系数，求取加权和作为所述零部件装配到基础件上的装配优先级。

所述产品设计功能约束包括支撑功能约束和传动功能约束；

所述支撑功能约束为支撑功能约束指数矩阵，其元素z_ij为零部件i是否对零部件j存在支撑作用；

所述传动功能约束为传动功能约束指数矩阵，其元素c_ij为零部件i和零部件j装配后是否实现了产品的一传动功能；

相应地，所述产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij为支撑功能约束指数矩阵元素z_ij和传动功能约束指数矩阵元素c_ij的加权和。

并且，所述结构稳定性约束包括联接强度约束和零部件自由度约束；

所述联接强度约束为联接强度约束指数矩阵，其元素l_ij为零部件i和零部件j之间的联接强度指数；

所述零部件自由度约束为零部件自由度约束指数矩阵，其元素y_ij为零部件i和零部件j装配后减少后的自由度除以6；

相应地，所述结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij为联接强度约束指数矩阵元素l_ij和零部件自由度约束指数矩阵元素y_ij的加权和。

另外，所述装配工艺约束包括装配方向相关性约束和装配工具相关性约束；

所述装配方向相关性约束为装配方向相关性约束指数矩阵，其元素f_ij为零部件i先于零部件j装配时，装配零部件j是否与装配前一零部件的装配方向相同；

所述装配工具相关性约束为装配方向相关性约束指数矩阵，其元素g_ij为零部件i先于零部件j装配时，装配零部件j是否与装配前一零部件的装配工具相同；

相应地，所述装配工艺约束指数矩阵元素py_ij为装配方向相关性约束指数矩阵元素f_ij和装配工具相关性约束指数矩阵元素g_ij的加权和。

其中，所述赋予所述零部件相对于基础件的产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij、结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij和装配工艺约束指数矩阵元素py_ij以权值系数的方法是：

以产品设计功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束之间的重要性比值组成比较判断矩阵，所述比较判断矩阵BM的元素b_ij表示第i种约束相对于第j种约束的重要性比值，其中b_ij大于0.5且小于2；

计算比较判断矩阵BM的最大特征值t_max，如果t_max大于或等于临界特征值，则调整产品设计功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束之间的重要性比值，直至t_max小于临界特征值；

计算矩阵BM-t_maxI的特征值和特征向量，取矩阵BM-t_maxI的最小特征值t_min对应的特征向量的元素的绝对值作为权值系数，分别作为产品设计功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束的权值系数，其中I为单位矩阵。

特别地，所述临界特征值为3.116。

一种装配序列规划装置，所述装配序列规划装置包括：

装配序列定性约束单元和装配序列定量约束单元，分别用于确定装配序列定性约束和装配序列定量约束；

装配优先关系零部件选择单元，用于根据装配序列的定性约束确定与所述基础件满足装配优先关系的零部件；

优先装配单元，用于根据装配序列定量约束，获得所述满足装配优先关系的零部件的装配优先级，选择优先级最大的零部件装配到所述基础件上，将装配后的零部件一起作为新的基础件，并更新装配序列定性约束；

装配序列生成单元，用于选择基础件，并循环利用装配优先关系零部件选择单元和优先装配单元，生成并输出装配序列。

通过采用本发明的装配序列规划方法和装置，在装配序列构造过程中，利用局部启发式信息来生成局部最优装配序列片段和最优装配序列，减小盲目搜索最优装配序列的程度，从而降低了装配序列规划的难度。

另一方面，本发明的装配序列规划方法和装置可以集成多种产品结构和装配工艺约束，确保生成的装配序列满足多种装配环境要求。同时，最优装配序列的搜索空间得到大幅度降低。

并且，本发明的装配序列规划方法中，权重装配图柔性大，可以满足不同的装配环境。装配图的权重计算考虑了产品功能、结构和装配工艺约束，适用性广。

附图说明

图1是现有技术装配序列规划方法的示意图。

图2是本发明一个示例的装配体的装配关系图。

图3是本发明一个示例的装配体的装配优先关系图。

图4是本发明实施方式各种装配约束的示意图。

图5是本发明实施方式装配序列规划方法的流程示意图。

图6是本发明一个示例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

如图5所示，为了实现本发明的目的，本发明所采用的装配序列规划方法包括步骤：

A、确定装配序列定性约束和装配序列定量约束；

B、选择基础件，根据装配序列的定性约束确定与所述基础件满足装配优先关系的零部件；

C、根据装配序列定量约束，获得所述满足装配优先关系的零部件的装配优先级，选择优先级最大的零部件装配到所述基础件上，将装配后的零部件一起作为新的基础件，并更新装配序列定性约束；

D、循环执行步骤B和C，直至全部零件装配完毕；

E、输出装配序列。

从以上步骤可以看出，本发明中每装配一个零部件，均根据与基础件存在各种约束关系的零部件中选取优先级最大的零部件来进行装配，因此在装配序列构造过程中，利用局部启发式信息来生成局部最优装配序列片段和最优装配序列，降低了装配序列规划的难度。

在本发明的一个实施例中，所述装配序列的定性约束包括零部件的装配关系和零部件的装配优先关系；相应地，所述步骤B为：选择基础件，确定与所述基础件满足零部件的装配关系的零部件，在所述与基础件满足零部件的装配关系的零部件之间确定与所述基础件满足零部件的装配优先关系的零部件。

装配序列定性约束用于保证装配过程的可行性，特别是保证后装配的零部件与已经装配的零部件存在装配关系和已经装配的零部件不能干涉后续零部件的装配。另外，考虑实际装配环境，装配过程的可视性、工具可达性和装配线平衡等条件也需要作为装配序列定性约束，用于得到合理的装配序列。

图2是本发明一个示例的装配体的装配关系图，如图所示所述装配体包括4个零部件件，图2中的节点代表这4个零部件，而节点之间的连线代表它们之间的装配关系，包括功能、联接和配合关系。

特别地，零部件的装配关系表示为零部件装配关系矩阵，所述零部件装配关系矩阵R的元素r_ij表示零部件i和j之间装配关系的有无。例如r_ij＝1表示零部件i和零部件j之间存在装配关系，如果装配体共有n个零部件，则R是n×n矩阵。

图3是本发明的一个示例的装配体的装配优先关系图，图中边的箭头表示零部件之间的装配优先关系，由待装配的零部件指向已装配的零部件。图中实线代表零部件之间存在装配关系，虚线表示零部件之间不存在装配关系，但存在装配优先关系。

实际工程中，根据产品结构和实际装配工艺需求，如装配操作可视性、可达性和装配线平衡等条件，添加零部件之间的装配优先关系。

特别地，零部件的装配优先关系表示为零部件装配优先关系矩阵，所述零部件装配优先关系矩阵P的元素p_ij表示零部件i和j之间是否有装配优先关系的限定。例如p_ji＝1表示零部件i必须先于零部件j装配，p_ij＝0表示零部件i和零部件j之间不存在装配优先关系。同样地，如果装配体共有n个零部件，则R也是n×n矩阵。

以上实施例中的零部件装配关系矩阵R的元素r_ij和零部件装配优先关系矩阵P的元素p_ij的取值仅仅是示例性的，本领域技术人员当然可以根据本发明的实施方式的教导选择进行调整，只需要能够区分不同零部件之间装配关系和装配优先关系即可。

获得了装配关系矩阵R和装配优先关系矩阵P之后，就可以执行步骤B：选择基础件，根据装配序列的定性约束确定与所述基础件满足装配优先关系的零部件。具体而言，首先选择基础件，然后根据装配关系矩阵R确定与所述基础件满足零部件的装配关系的零部件，并且在所述与基础件满足零部件的装配关系的零部件之间，根据装配优先关系矩阵R确定与所述基础件满足零部件的装配优先关系的零部件。

在本发明实施方式中，与装配序列定性约束的作用不同，对于满足定性约束的装配序列，装配序列定量约束用于评估装配序列的优劣。与现有技术中建立整体装配序列的评价函数不同，本发明将评价装配序列优劣的指标分摊到完成零部件装配的一系列装配操作上面。本发明假设一个装配操作装配一个零部件，并且完成两个零部件之间的装配关系。因此，装配操作的评价指标可以附加到装配关系上，定义为装配关系的优先级。

如图4所示，装配序列定量约束包括产品设计功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束。其中，一般说来产品设计功能约束最为重要，然后是结构稳定性约束，最后是装配工艺约束。另外，通常情况下，实现产品功能的零部件属于重要零部件，需要优先装配，然后是联接件和其他附属零部件。装配过程需要保证装配稳定性，以减少夹具和辅助支撑的使用，产品装配稳定性由产品结构决定。装配工艺复杂度主要考虑装配操作方向的频繁变换和使用的工具的数量及其成本。

相应地，步骤C中，所述根据装配序列定量约束，获得所述满足装配优先关系的零部件的装配优先级的方法是：

确定产品设计功能约束指数矩阵、结构稳定性约束指数矩阵和装配工艺约束指数矩阵。

针对一满足装配优先关系的零部件，赋予所述零部件相对于基础件的产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij、结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij和装配工艺约束指数矩阵元素py_ij以权值系数，求取加权和作为所述零部件装配到基础件上的装配优先级。

更具体地，如图4所示，所述产品设计功能约束包括支撑功能约束和传动功能约束。

所述支撑功能约束为支撑功能约束指数矩阵，其元素z_ij为零部件i是否对零部件j存在支撑作用。具体而言，在一个实施例中，如果零部件i对零部件j存在支撑作用，零部件i对零部件j的支撑功能约束指数定义为z_ij＝1；反之，z_ij＝0。因此对于具有n个零部件的装配件而言，零部件之间的支撑功能约束指数表示为支撑功能约束指数矩阵ZM＝[z_ij]_n×n。显然，支撑功能约束指数矩阵ZM为非对称矩阵。

所述传动功能约束为传动功能约束指数矩阵，其元素c_ij代表零部件i和零部件j装配后是否实现了产品的一传动功能。具体而言，在一个实施例中，对于装配体中的两个零部件i和j，如果零部件i和零部件j装配后实现产品的某一传动功能，零部件i和零部件j之间的传动功能约束指数定义为c_ij＝1；反之，c_ij＝0。零部件之间的传动功能约束指数构成装配体的传动功能约束指数矩阵CM＝[c_ij]_n×n。传动功能约束指数矩阵CM为对称矩阵。

相应地，所述产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij为支撑功能约束指数矩阵元素z_ij和传动功能约束指数矩阵元素c_ij的加权和。

在一个具体实施例中，所述加权和中的权重都取0.5，因此有：

gf_ij＝0.5*z_ij+0.5*c_ij

零部件i、j之间的产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij越大，代表零部件i、j之间的功能依赖性越强，装配优先级别越高。

以上支撑功能约束指数矩阵元素的取值、传动功能约束指数矩阵元素的取值以及权重的取值都仅仅是示例性的，本领域技术人员完全可以根据本发明的教导进行调整。

另外，如图4所示，所述结构稳定性约束包括联接强度约束和零部件自由度约束。

所述联接强度约束为联接强度约束指数矩阵，其元素l_ij为零部件i和零部件j之间的联接强度指数。对于装配体中的两个零部件i和j，如果零部件i和零部件j由联接件联接，二者之间的装配关系存在联接强度，其指数的表征就是联接强度约束指数矩阵LM，对于具有n个零部件的装配件，联接强度约束指数矩阵LM也是一个n×n的矩阵。显然，联接强度约束指数矩阵LM为对称矩阵。

在一个具体实施方式中，装配关系的联接强度由联接类型决定，各种联接类型对应的联接强度量化后如下表所示。焊接的强度值最大为1，其他类型联接的强度值与焊接强度相比得出。

联接类型	焊接	铆接	螺纹连接	过盈连接	粘接	间隙配合	松散接触
								强度值	1.0	0.85	0.75	0.55	0.45	0.35	0.1

因此，例如零部件i和零部件j之间采用铆接联接，则联接强度约束指数矩阵的元素l_ij的值为0.85。

所述零部件自由度约束为零部件自由度约束指数矩阵，其元素y_ij为零部件i和j装配后减少后的自由度除以6。根据几何知识，空间中的自由物体存在6个自由度，零部件装配后其自由度均受到一定程度的限制。对于装配体中的两个零部件i和j，假定零部件i固定，其自由度为0。零部件j与零部件i装配后其自由度会减少。零部件j装配后自由度越少，代表零部件i和j装配后在装配结构上越稳定。零部件j的稳定性用其装配后减少的自由度表示。假设零部件j与零部件i装配后减少的自由度为k_ij，那么二者装配后的零部件自由度约束指数定义为y_ij＝k_ij/6。反之，如果零部件j固定，由于装配结构相同，零部件i的自由度约束指数同样为y_ij＝k_ij/6。对于具有n个零部件的装配件，零部件自由度约束指数矩阵YM也是一个n×n的矩阵。显然，零部件自由度约束矩阵YM也为对称矩阵。

相应地，所述结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij为联接强度约束指数矩阵元素l_ij和零部件自由度约束指数矩阵元素y_ij的加权和。

在一个具体实施例中，所述加权和中的权重都取0.5，因此有：

sw_ij＝0.5*l_ij+0.5*y_ij

零部件i、j之间的结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij越大，代表零部件i、j之间的装配稳定性越好。根据前述分析，结构稳定性约束指数矩阵是个对称矩阵。

以上联接强度约束指数矩阵元素的取值、零部件自由度约束矩阵元素的取值以及权重的取值都仅仅是示例性的，本领域技术人员完全可以根据本发明的教导进行调整。

另外，如图4所示，所述装配工艺约束包括装配方向相关性约束和装配工具相关性约束。

所述装配方向相关性约束为装配方向相关性约束指数矩阵，其元素f_ij为零部件i先于零部件j装配时，装配零部件j是否与装配前一零部件的装配方向相同。装配过程中，通常期望后一个装配的零部件与前一个装配的零部件具有相同的装配方向，以减少装配过程中装配方向的变换次数。假设零部件i和j存在装配关系，且零部件i先于零部件j装配，装配零部件j时，如果零部件j的装配方向与前面一个零部件k的装配方向相同，零部件i和j的装配方向相关性约束指数定义为f_ij＝1；反之，f_ij＝0。在此特别说明：零部件k可能与零部件i相同，也可能不同。两个零部件i和j装配在一起时，以其中一个零部件为基础件，两个零部件的装配方向正好相反。零部件之间的装配方向相关性约束指数f_ij构成装配方向相关性约束指数矩阵FM＝[f_ij]_n×n。装配方向相关性约束指数矩阵FM在装配过程中动态变化，对于不同的装配过程，FM不一样。

给定一个装配体和一个坐标系OXYZ，零部件的装配方向可以推理出来。假设零部件i和j存在装配关系，在特定坐标系OXYZ内，如果零部件i沿X方向装配到零部件j上；反过来，零部件j可以沿-X方向装配到零部件i上面。基于零部件之间的装配关系和空间位置关系，可以推出零部件i和j的装配方向。零部件之间的相对装配方向构成一个装配方向相关性约束指数矩阵DM。装配过程中，零部件的装配方向根据装配方向矩阵推理出来。

所述装配工具相关性约束为装配工具相关性约束指数矩阵，其元素g_ij为零部件i先于零部件j装配时，装配零部件j是否与装配前一零部件的装配工具相同。装配过程中，期望后一个装配的零部件与前一个装配的零部件使用相同的装配工具，以减少装配过程中装配工具的变换。假设零部件i和j存在装配关系，且零部件i先于零部件j装配。装配零部件j时，如果装配零部件j的装配工具与装配前一个零部件k使用的装配工具相同，零部件i和j的装配工具相关性约束指数定义为g_ij＝1；反之，g_ij＝0。零部件k可能与零部件i相同，也可能不同。零部件之间的装配工具相关性约束指数g_ij构成装配工具相关性约束指数矩阵GM＝[g_ij]_n×n。GM在装配过程中动态变化，对于不同的装配过程，GM动态变化。

装配过程中，使用的装配工具与装配关系的类型有关。不同类型的装配关系，采用不同的装配工具完成装配。因此，首先为每个装配关系设定一种或几种装配工具，然后进行装配序列规划。假设零部件i和j之间存在装配关系，装配该装配关系使用的装配工具集为{m_ij}。那么，所有装配关系使用的装配工具集构成一个装配工具矩阵TM。装配过程中，零部件的装配工具可以从装配工具矩阵TM中挑选出来。

相应地，所述装配工艺约束指数矩阵元素py_ij为装配方向相关性约束指数矩阵元素f_ij和装配工具相关性约束指数矩阵元素g_ij的加权和。

在一个具体实施例中，所述加权和中的权重都取0.5，因此有：

py_ij＝0.5*f_ij+0.5*g_ij

零部件i、j之间的装配工艺约束指数矩阵元素py_ij越大，代表装配序列的装配工具和装配方向变换次数越少。

以上装配方向相关性约束指数矩阵元素的取值、装配工具相关性约束指数矩阵元素的取值以及权重的取值都仅仅是示例性的，本领域技术人员完全可以根据本发明的教导进行调整。

在一个本发明实施方式的步骤C中，所述根据装配序列定量约束，获得所述满足装配优先关系的零部件的装配优先级的方法是：

确定产品设计功能约束指数矩阵、结构稳定性约束指数矩阵和装配工艺约束指数矩阵；

针对一满足装配优先关系的零部件，赋予所述零部件相对于基础件的产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij、结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij和装配工艺约束指数矩阵元素py_ij以权值系数，求取加权和作为所述零部件装配到基础件上的装配优先级。

以上权值系数的赋值可以根据实际装配需求来确定，例如产品设计功能约束更为重要，则赋予更大的权值系数，本领域技术人员可以根据本发明的教导予以合适选取。

在一个更具体的实施方式中，所述赋予所述零部件相对于基础件的产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij、结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij和装配工艺约束指数矩阵元素py_ij以权值系数的方法是：

以产品设计功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束之间的重要性比值组成比较判断矩阵BM，所述比较判断矩阵BM的元素b_ij表示第i种约束相对于第j种约束的重要性比值，其中b_ij大于0.5且小于2。

约束i和约束j之间的重要性比值b_ij采用数值k表示，比值越大，代表约束i比约束j越重要。如果约束i与约束j之间的比值b_ij＝k，反过来，约束j与约束i之间的比值b_ji＝1/k。通过装配约束的两两比较，得到产品功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束的比较判断矩阵BM＝[b_ij]_3×3。

计算比较判断矩阵BM的最大特征值t_max，如果t_max大于或等于临界特征值，则调整产品设计功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束之间的重要性比值，直至t_max小于临界特征值。

在本发明的一个具体实施例中，所述临界特征值为3.116。

计算矩阵BM-t_maxI的特征值和特征向量，取矩阵BM-t_maxI的最小特征值t_min对应的特征向量的元素的绝对值作为权值系数，分别作为产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij、结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij和装配工艺约束指数矩阵元素py_ij的权值系数，其中I为单位矩阵。

取矩阵(BM-t_maxI)的最小特征值t_min对应的特征向量V＝[v1,v2,v3]，如果v1,v2,v3有负值存在，取其绝对值，分别作为产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij、结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij和装配工艺约束指数矩阵元素py_ij的权值系数，因此最后得到将零部件j装配到零部件i的装配优先级cb_ij为：

cb_ij＝v1*gf_ij+v2*sw_ij+v3*py_ij

cb_ij值越大，代表将零部件j装配到零部件i的装配操作的优先级越高。

例如，按照本发明建立的一个装配约束的比较判断矩阵为：

$\left[\begin{array}{ccc}1& 1.02& 1.04\\ 1/1.02& 1& 1.04/1.02\\ 1/1.04& 1.02/1.04& 1\end{array}\right]$

该比较判断矩阵的最大特征值t_max＝3.0131，小于临界特征值3.116，满足要求。计算(BM-t_maxI)得到第二个矩阵

$\left[\begin{array}{ccc}-2.0131& 1.02& 1.04\\ 1/1.02& -2.0131& 1.04/1.02\\ 1/1.04& 1.02/1.04& -2.0131\end{array}\right]$

计算它的最小特征值和特征向量分别为：t_min＝0.0131和V＝[-0.5862,-0.5747,-0.5711]。特征向量的元素为负值，取其绝对值之后得到向量V＝[0.5862,0.5747,0.5711]。将特征向量V内的三个元素分别作为产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij、结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij和装配工艺约束指数矩阵元素py_ij的权值系数，由此计算将零部件j装配到零部件i的装配优先级cb_ij。

装配过程中，将计算的装配优先级值赋予装配优先关系图的边上，代表零部件j装配到零部件i上的装配优先级。装配优先关系图转变为权重装配优先关系图。装配优先级cb_ij是综合考虑产品设计功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束所获得，具有装配所期望的参考价值。装配过程中，优先选取装配优先级较大的边关联的零部件装配，可以降低装配复杂度和实际装配成本，提高装配效率。

以上通过本发明的多个实施例说明了装配序列规划方法，为了实现该方法，本发明的实施方式中还包括一种装配序列规划装置，所述装置包括：

装配序列定性约束单元和装配序列定量约束单元，分别用于确定装配序列定性约束和装配序列定量约束；

装配优先关系零部件选择单元，用于根据装配序列的定性约束确定与所述基础件满足装配优先关系的零部件；

优先装配单元，用于根据装配序列定量约束，获得所述满足装配优先关系的零部件的装配优先级，选择优先级最大的零部件装配到所述基础件上，将装配后的零部件一起作为新的基础件，并更新装配序列定性约束；

装配序列生成单元，用于选择基础件，并循环利用装配优先关系零部件选择单元和优先装配单元，生成并输出装配序列。

接下来，将通过一个更具体的示例来说明本发明的装配序列规划方法和装置。

如图6所示，并结合以下具体说明来介绍本发明装配序列规划方法的实现过程。

(1)给出一个待装配的产品模型和与装配相关的信息。如图6(a)所示，该装配体包含5个零部件。

(2)根据产品结构模型，建立零部件之间的装配关系矩阵R，装配关系包含零部件之间的接触、联接和配合关系。比如，图6(a)零部件之间的装配图如图6(b-1)所示，对应的装配关系矩阵P如图6(b-2)所示。

(3)根据零部件之间的几何位置关系，建立邻接零部件之间的装配优先关系矩阵P，确保装配过程中不发生几何干涉。譬如图6(a)零部件的装配优先关系矩阵如图6(c)所示。

(4)考虑装配操作的可视性、可达性和装配线平衡等条件，补充零部件之间的装配优先关系信息，添加到装配优先关系矩阵P中。比如，图6(c)中补充了零件5被零件1阻挡，零件2被零件3阻挡的装配优先关系信息。

(5)根据产品设计信息，建立零部件之间的支撑功能约束指数矩阵ZM和传动功能约束指数矩阵CM。比如，图6(a)零部件的支撑功能约束指数矩阵ZM和传动功能约束指数矩阵CM如图6(d)、(e)所示。

(6)根据装配结构，建立零部件之间的联接强度约束指数矩阵LM和零部件自由度约束指数矩阵YM。比如，图6(a)的联接强度约束指数矩阵LM和零部件自由度约束指数矩阵YM如图6(f)、(g)所示。

(7)根据装配体结构和零部件之间的联接类型，建立零部件之间的装配方向相关性约束指数矩阵DM和装配工具相关性约束指数矩阵TM。比如，图6(a)零部件的装配方向相关性约束指数矩阵DM和装配工具相关性约束指数矩阵TM如图6(p)、(q)所示。假设为每种联接类型提供三种可选择的装配工具。

以上几个步骤完成了权重装配图建模的信息输入工作，给定装配体后，步骤(2)～(7)可以并行进行。

(8)根据装配体零部件特征和装配工艺要求，指定一个零部件作为基础件BP。假设指定图6(a)的零件4为基础件，装配零件4，沿着x方向，装配工具指定为t3，更新装配优先关系矩阵P，图6(c)对应第4列的所有元素赋0。

(9)根据装配关系矩阵R，搜索与基础件存在装配关系的零部件，组成集合Sr＝{i,j,k…}。比如，根据图6(b)，得出Sr＝{2,3,5}。

(10)根据装配优先关系矩阵P，在零部件集合Sr＝{i,j,k…}内搜索满足装配优先关系的零部件，组成新的零部件集合Sp＝{i,j,k…}。比如，根据图6(c)更新后的矩阵，得出Sp＝{1,3}。

(11)根据ZM，CM，LM，YM，DM和TM，计算基础件BP与集合Sp＝{i,j,k…}内零部件之间的装配优先级。采用(2.3.3)计算出的V＝[0.5862,0.5747,0.5711]作为产品设计功能约束指数、结构稳定性约束指数和装配工艺约束指数的权值系数，得到cb₄₁＝0，cb₄₃＝1.55。并将cb₄₁和cb₄₃赋予装配关系r₄₁和r₄₃上面，构成权重装配图。

(12)选择优先级最大的装配关系关联的零部件，装配到基础件BP上，构成新的基础件。比如，选择装配关系r₄₃关联的零件3，装配到基础件上，基础件变为4和3。

(13)记录被装配零部件的装配方向、装配工具信息。比如，从DM中推导零件3的装配方向为x，从TM中选取一款工具t3作为零件3的装配工具。

(14)更新装配优先关系矩阵P。零件i装配完毕后，它不允许干涉其他未装配的零部件，将装配关系优先矩阵P中对应i列的所有元素赋0。比如，更新图6(c)所示的矩阵，对应零件3所在列的所有元素赋0。

(15)判断零部件是否装配完毕，如果没有装配完毕，跳到步骤(9)；比如，由于还存在其他零件没有装配，因此，跳到步骤(9)开始新一轮的计算。

(16)如果零部件装配完毕，输出最优的装配序列和对应零部件的装配方向和装配工具信息。比如，按照本发明的方法，图6(a)装配体装配序列规划计算过程中生成的权重装配图如图6(u)所示(去掉边上的装配关系优先级即是装配优先关系图)，生成的最优装配序列，零部件的装配方向和装配工具信息如下表所示。

装配步骤	一	二	三	四	五
						装配序列(用零件代号表示)	4	3	2	1	5
装配方向(用方向代号表示)	x	x	-x	-y	x
						装配工具(用工具代号表示)	t3	t3	t3	t3	t3
最大装配优先级		cb43＝1.55	cb42＝0.98	cb21＝0.79	cb25＝1.08

通过以上示例可以看出，通过本发明的装配序列规划方法，在装配序列构造过程中，利用局部启发式信息来生成局部最优装配序列片段和最优装配序列，降低了装配序列规划的难度。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种装配序列规划方法，所述方法包括步骤：

A、确定装配序列定性约束和装配序列定量约束；

B、选择基础件，根据装配序列的定性约束确定与所述基础件满足装配优先关系的零部件；

C、根据装配序列定量约束，获得所述满足装配优先关系的零部件的装配优先级，选择装配优先级最大的零部件装配到所述基础件上，将装配后的零部件一起作为新的基础件，并更新装配序列定性约束；

D、循环执行步骤B和C，直至全部零件装配完毕；

E、输出装配序列。

2.权利要求1中所述的装配序列规划方法，其特征在于，所述装配序列的定性约束包括零部件的装配关系和零部件的装配优先关系；相应地，所述步骤B为：选择基础件，确定与所述基础件满足零部件的装配关系的零部件，在所述与基础件满足零部件的装配关系的零部件中确定与所述基础件满足零部件的装配优先关系的零部件。

3.权利要求2中所述的装配序列规划方法，其特征在于，零部件的装配关系为零部件装配关系矩阵，所述零部件装配关系矩阵的元素r_ij表示零部件i和j之间装配关系的有无；所述零部件的装配优先关系为零部件装配优先关系矩阵，所述零部件装配优先关系矩阵的元素p_ij表示零部件i和j之间是否有装配优先关系的限定。

4.权利要求1中所述的装配序列规划方法，其特征在于，所述装配序列的定量约束包括产品设计功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束；

相应地，步骤C中，所述根据装配序列定量约束，获得所述满足装配优先关系的零部件的装配优先级的方法是：

确定产品设计功能约束指数矩阵、结构稳定性约束指数矩阵和装配工艺约束指数矩阵；

针对一满足装配优先关系的零部件，赋予所述零部件相对于基础件的产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij、结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij和装配工艺约束指数矩阵元素py_ij以权值系数，求取加权和作为所述零部件装配到基础件上的装配优先级。

5.权利要求4中所述的装配序列规划方法，其特征在于，所述产品设计功能约束包括支撑功能约束和传动功能约束；

所述支撑功能约束为支撑功能约束指数矩阵，其元素z_ij为零部件i是否对零部件j存在支撑作用；

所述传动功能约束为传动功能约束指数矩阵，其元素c_ij为零部件i和零部件j装配后是否实现了产品的一传动功能；

相应地，所述产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij为支撑功能约束指数矩阵元素z_ij和传动功能约束指数矩阵元素c_ij的加权和。

6.权利要求4中所述的装配序列规划方法，其特征在于，所述结构稳定性约束包括联接强度约束和零部件自由度约束；

所述联接强度约束为联接强度约束指数矩阵，其元素l_ij为零部件i和零部件j之间的联接强度指数；

所述零部件自由度约束为零部件自由度约束指数矩阵，其元素y_ij为零部件i和零部件j装配后减少后的自由度除以6；

相应地，所述结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij为联接强度约束指数矩阵元素l_ij和零部件自由度约束指数矩阵元素y_ij的加权和。

7.权利要求4中所述的装配序列规划方法，其特征在于，所述装配工艺约束包括装配方向相关性约束和装配工具相关性约束；

所述装配方向相关性约束为装配方向相关性约束指数矩阵，其元素f_ij为零部件i先于零部件j装配时，装配零部件j是否与装配前一零部件的装配方向相同；

所述装配工具相关性约束为装配方向相关性约束指数矩阵，其元素g_ij为零部件i先于零部件j装配时，装配零部件j是否与装配前一零部件的装配工具相同；

相应地，所述装配工艺约束指数矩阵元素py_ij为装配方向相关性约束指数矩阵元素f_ij和装配工具相关性约束指数矩阵元素g_ij的加权和。

8.权利要求4中所述的装配序列规划方法，其特征在于，所述赋予所述零部件相对于基础件的产品设计功能约束指数矩阵元素gf_ij、结构稳定性约束指数矩阵元素sw_ij和装配工艺约束指数矩阵元素py_ij以权值系数的方法是：

以产品设计功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束之间的重要性比值组成比较判断矩阵，所述比较判断矩阵BM的元素b_ij表示第i种约束相对于第j种约束的重要性比值，其中b_ij大于0.5且小于2；

计算比较判断矩阵BM的最大特征值t_max，如果t_max大于或等于临界特征值，则调整产品设计功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束之间的重要性比值，直至t_max小于临界特征值；

计算矩阵BM-t_maxI的特征值和特征向量，取矩阵BM-t_maxI的最小特征值t_min对应的特征向量的元素的绝对值作为权值系数，分别作为产品设计功能约束、结构稳定性约束和装配工艺约束的权值系数，其中I为单位矩阵。

9.权利要求8中所述的装配序列规划方法，其特征在于，所述临界特征值为3.116。

10.一种装配序列规划装置，所述装配序列规划装置包括：

装配序列定性约束单元和装配序列定量约束单元，分别用于确定装配序列定性约束和装配序列定量约束；

装配优先关系零部件选择单元，用于根据装配序列的定性约束确定与所述基础件满足装配优先关系的零部件；

优先装配单元，用于根据装配序列定量约束，获得所述满足装配优先关系的零部件的装配优先级，选择优先级最大的零部件装配到所述基础件上，将装配后的零部件一起作为新的基础件，并更新装配序列定性约束；

装配序列生成单元，用于选择基础件，并循环利用装配优先关系零部件选择单元和优先装配单元，生成并输出装配序列。