CN105690058A - 一种基于运动副表面识别的产品智能装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于运动副表面识别的产品智能装配方法，该方法包括以下步骤：1)获取产品的各个零件；2)提取每个零件的表面，并对所述表面进行分类，建立每个零件的行为表面集；3)遍历每个零件的行为表面集合，根据运动副表面配对原则，获取各行为表面的配对表面，形成装配解；4)对所述装配解进行约束度评价，判断评价结果是否符合设定要求，若是，则执行步骤5)，若否，则返回步骤3)；5)输出装配完成的产品。与现有技术相比，本发明具有自动化程度高、装配精准等优点。

Description

一种基于运动副表面识别的产品智能装配方法

技术领域

本发明涉及一种产品装配方法，尤其是涉及一种基于运动副表面识别的产品智能装配方法。

背景技术

随着经济全球化和全球信息化的加速发展，产品的生产模式正在发生巨大的变化，由少品种、大批量逐步转变为多品种、小批量生产模式，出现了产品开发时间不能适应产品生命周期不断缩短要求的问题。在产品的开发过程中，产品装配是产品制造全生命周期中最重要的、耗费大量精力和时间的步骤之一，是实现产品功能的主要过程。因此，产品装配设计对整个产品质量起着决定性的作用。

产品装配设计的研究主要包括产品的装配结构的评估与优化、装配序列规划和装配系统的设计和优化。提高产品装配水平的有效方法是采用计算机技术改变传统的设计方式。产品基因的表达过程可以得到具有定位信息和尺寸信息的零件级产品。那么如何将离散的零件通过某种关键的连接关系智能地装配起来？就比如孔表面如何能自动找到与它配合的周表面？现有产品装配方法还存在自动化程度不高、装配精确度不够等不足。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种自动化程度高、装配精准的基于运动副表面识别的产品智能装配方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于运动副表面识别的产品智能装配方法，该方法包括以下步骤：

1)获取产品的各个零件；

2)提取每个零件的表面，并对所述表面进行分类，建立每个零件的行为表面集；

3)遍历每个零件的行为表面集合，根据运动副表面配对原则，获取各行为表面的配对表面，形成装配解；

4)对所述装配解进行约束度评价，判断评价结果是否符合设定要求，若是，则执行步骤5)，若否，则返回步骤3)；

5)输出装配完成的产品。

所述步骤2)中，零件表面的分类包括行为表面和非行为表面。

所述步骤2)中，提取每个零件的表面具体为：

201)根据产品的零件及功能获得产品的功能-行为流双链结构，根据所述功能-行为流双链结构得到行为流链；

202)根据行为流链上的各行为流密码子求解出行为表面，根据所求解出的行为表面获得非行为表面。

所述步骤3)具体为：

301)获取某一行为表面集合A中的一个行为表面a，在其他行为表面集合中搜索到一能够与行为表面a配对成运动副的另一行为表面b；

302)遍历所述行为表面集合A；

303)将行为表面集合A替换为另一行为表面集合B，返回步骤301)，直至所有行为表面集合遍历完毕。

所述运动副包括移动副、旋转副、球面副、齿轮副、螺旋副和凸轮副。

所述步骤4)中，约束度评价的评价结果根据人工经验获得。

与现有技术相比，本发明通过搜索特定类型的表面即行为表面，组成表面集合，继而在行为表面集合中找到合理的运动副配对表面，达到自动装配的目的，具有以下有益效果：

(1)本发明首先对产品零件的表面进行识别，通过识别出的表面类型，根据运动副的各种类型自动进行产品零件的组装，提高了产品自动化程度。

(2)本发明基于运动副表面配对原则寻找可匹配的零件，并通过约束度评价进行可行性判断，有效提高了产品装配的准确性。

(3)本发明在提取每个零件的表面时采用功能-行为流双链结构的方式，表面提取精确度高。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为运动副编码结构树示意图；

图3为产品基因的翻译过程示意图；

图4为曲柄连杆机构的结构及其行为表面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种基于运动副表面识别的产品智能装配方法，该方法具体流程如下：

在步骤101中，获取产品的各个零件。

在步骤102中，提取每个零件的表面，并对所述表面进行分类，建立每个零件的行为表面集。零件表面的分类包括行为表面和非行为表面。

提取每个零件的表面具体为：

201)根据产品的零件及功能获得产品的功能-行为流双链结构，根据所述功能-行为流双链结构得到行为流链；

202)根据行为流链上的各行为流密码子求解出行为表面，根据所求解出的行为表面获得非行为表面。

在步骤103中，遍历每个零件的行为表面集合，根据运动副表面配对原则，获取各行为表面的配对表面，形成装配解，具体为：

301)获取某一行为表面集合A中的一个行为表面a，在其他行为表面集合中搜索到一能够与行为表面a配对成运动副的另一行为表面b；

302)遍历所述行为表面集合A；

303)将行为表面集合A替换为另一行为表面集合B，返回步骤301)，直至所有行为表面集合遍历完毕。

在步骤104中，对所述装配解进行约束度评价，判断评价结果是否符合设定要求，若是，则执行步骤105，若否，则返回步骤103。

在步骤105中，输出装配完成的产品。

上述产品智能装配方法通过搜索特定类型的表面即行为表面，组成表面集合，继而在行为表面集合中找到合理的运动副配对表面，达到自动装配的目的。

1、运动副理论

运动副是指两构件直接接触并能产生相对运动的活动联接。两个零件通过表面接触形成运动学约束，这种约束即为运动副约束。机构运动副可以分为简单运动副和复杂运动副两类。简单运动副主要包括平面副、棱柱副、旋转副、球面副、圆柱副等,复杂副包括齿轮副和凸轮副等。在描述产品运动副时，主要用以下三部分：复杂度、接触类型和约束类型。复杂度即表明运动副的复杂度类型，包括简单副和复杂副。接触类型，表明运动副的两组件运动接触时的几何特征，包括点、轴线和平面。约束类型，表征运动副的具体类型,例如平面副、球面副、旋转副等。

可以发现，不同类型的运动副，其配对表面类型是各有不同的，接触类型也有区别。在智能装配中，可以通过表面类型识别和接触类型的选择唯一的确定一种运动副，从而也实现了一种装配解。表1列出了常见的运动副类型及其表面类型和接触类型。

表1常见的运动副类型及其特点

运动副的编码结构可以用编码树来表示，如图2所示，图中第一层节点代表运动副的复杂度类型，第二层代表点、轴线和平面等类型的接触类型，第三层节点代表具体的运动副类型。节点之间的边表示隶属关系。

2、智能装配的实现

零件是产品的基本组成部件，零件通过运动副的关联装配形成一定功能的产品。又由产品的基因表达过程可知，零件是不同类型的表面根据一定的约束条件组合而成。表面主要分为行为表面和非行为表面。行为表面是发挥行为作用的物质载体。在装配体中，零件之间的相互关联或者相互作用必然通过这一类行为表面产生。在运动副理论中，不同类型的运动副具有不同类型的配对表面，如旋转副由圆柱面与圆柱面配对组成。所以，零件的装配就是搜索合理的表面并配对形成运动副。由于少数情况下，不同类型的运动副由相同的配对表面组成，所以在形成一个合理解后需要人工进行判定是否符合实际要求，如不符合需要重新求另一个装配解。具体的装配步骤如图1所示。

本发明中，提取每个零件的表面时利用产品基因实现。虽然生物个体拥有现实的基因，产品没有实际的产品基因，但是产品也拥有相似的遗传信息。如在产品的设计制造过程中，零部件所具有的特征可以看作是对产品遗传信息的转录和翻译结果，特征生成序列以及具体的尺寸形状都由基因控制。所以从宏观角度看，产品基因是产品信息的有序集，它规定了产品结构自动生成的机制，在适当的外界条件的刺激下，自动创建产品，并与外界环境交互完成特定的功能。

从产品设计的过程来看，功能驱动行为，行为又控制结构。功能位于整条设计链的最顶层，它是对整个产品甚至产品族性状的高度抽象。功能可以被分解为子功能直至功能元，功能元是形成功能的最小组成单位。产品的功能即是依靠多个功能元按照串行或并行的关系组织成功能流来实现。同时，行为和功能之间具有严格的映射关系。在生物基因分子中，双链结构保证了基因分子的稳定性，使得遗传信息能稳定地传给下一代。而这种稳定的双链结构，得益于分子间的化学键的作用。这种化学键类似于数学上的一一映射关系。与生物基因结构相似，本发明定义产品基因结构也为双链螺旋形结构，即功能-行为流双链结构。

对功能和行为进行融合编码，将所有遗传信息结合到一维数据结构中。就像生物基因一样，零件基因也分为编码区和非编码区。编码区是指能够为转录提供模板的区域，它能够合成相应的结构实体。而非编码区是不直接携带转录信息的编码串，但是它能够调控遗传信息的表达。

生物体中，基因的翻译是一个很复杂的过程，简单描述为：在有关酶、辅助因子和能量的作用下将活化的氨基酸在核糖体上装配为蛋白质多肽链的过程。为了翻译得到特定的氨基酸，整个翻译过程需要“密码子”机制的支持。密码子是指RNA上决定一个氨基酸的三个相邻碱基的排列顺序。每一种密码子只能决定一种氨基酸类型，而一种氨基酸可以有多个密码子得到。所以，氨基酸及其密码子形成了一个复杂的密码表。

对应于零件基因的翻译，整个过程也需要“密码子”机制的支持，才能使行为流链上的每个行为流映射到最佳的结构解。该处的密码子机制比生物范畴中的更加复杂，因为行为流到结构的映射是多对多的关系，一种行为流可以决定多种类型的结构，而一种结构也可以由多种类型的行为流实现。所以，本发明定义了行为流密码子，即借鉴行为流-结构知识库，明确行为流到结构的映射关系函数，以解决它们之间的映射求解问题。

行为流密码子是行为链上的一个节点，也是行为基因中的单位基因片段。它记录了支持相应功能的行为遗传信息，它映射的结构集合也包括整个零件的基本组成单元。根据设计经验，在零件结构中，表面是形成形状的基本元素。所以，每个行为流密码子求解出的结构称为行为表面。行为表面包含了几何形状信息和行为信息，它是一种概念结构。行为表面没有具体的尺寸，也没有详细的定位信息。通过求解得出的行为表面并非是连续的空间连续几何体，而连接封闭面、修饰表面等表面类型，称为非行为表面。行为表面具有行构二元性，以粒度较小的表面作为信息载体，既描述了零件行为也包含结构信息，从而建立起功能-行为-行为表面-详细结构的映射方式，使零件设计流程更完整，信息表达更灵活。

根据行为表面限制自由度个数，行为表面可分为10种类型：小平面、长平面、大平面、短圆柱面、长圆柱面、短圆锥面、长圆锥面、球面、短螺旋面和长螺旋面。这里的表面只是概念模型，所提的大小和长短是从限位角度考虑的，绝对尺寸大的平面不一定能限制三点，而尺寸小的平面也不一定只限制一点。

3、实例

本实施例以发动机的曲柄连杆机构为研究对象。曲柄连杆机构主要由活塞、连杆和曲轴三大主件以及气环、油环、连杆盖等附件构成。其最主要的功能就是将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。所以，曲柄连杆机构的总功能是能量转换或动力输出，由各类执行零件、传动零件和定位零件有机组合完成该功能。在整体的发动机运作来看，该机构还离不开两种重要的介质，即气体和汽油。这些介质的存在导致产品的设计需要考虑添加特定的零件或者结构对介质进行操作。

从发动机机构的运动过程出发，将总功能分解为承接高压气体、传导纵向推力和输出横向动力。每一种子功能又可以进一步分解，直至功能元。每一种功能元又可以对应相应的行为流及行为元。

有了功能-行为流双链结构和相应的编码后，可以进入基因表达阶段。首先对双链结构进行分离操作和拼接操作，经过逆转录过程得到行为流链。然后，根据行为流密码子翻译得到行为表面，即产品的概念的结构。整个翻译过程可以用图3说明。

有了单个零件的行为表面后，就可以进行表面的合理组合，在行为表面之间的空隙添加连接面，从而形成具有连续表面的结构体。同时，为了符合机械运动学要求，需要对表面实体化，对相关表面进行人工的修正。最终可以得到如图4的曲柄连杆机构的各个零件体，以及每个零件上的行为表面用于最终的表面识别及运动副匹配。

在得到所有的行为表面，以及按零件体分类后，就开始遍历每个零件的行为表面集合，参照运动副的表面类型，从不同的集合中选择可行的配对表面，直至两两配对完成，所有的表面都被遍历完，最终得到装配体。

Claims (6)

1.一种基于运动副表面识别的产品智能装配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)获取产品的各个零件；

2)提取每个零件的表面，并对所述表面进行分类，建立每个零件的行为表面集；

3)遍历每个零件的行为表面集合，根据运动副表面配对原则，获取各行为表面的配对表面，形成装配解；

4)对所述装配解进行约束度评价，判断评价结果是否符合设定要求，若是，则执行步骤5)，若否，则返回步骤3)；

5)输出装配完成的产品。

2.根据权利要求1所述的基于运动副表面识别的产品智能装配方法，其特征在于，所述步骤2)中，零件表面的分类包括行为表面和非行为表面。

3.根据权利要求2所述的基于运动副表面识别的产品智能装配方法，其特征在于，所述步骤2)中，提取每个零件的表面具体为：

201)根据产品的零件及功能获得产品的功能-行为流双链结构，根据所述功能-行为流双链结构得到行为流链；

202)根据行为流链上的各行为流密码子求解出行为表面，根据所求解出的行为表面获得非行为表面。

4.根据权利要求1所述的基于运动副表面识别的产品智能装配方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：

301)获取某一行为表面集合A中的一个行为表面a，在其他行为表面集合中搜索到一能够与行为表面a配对成运动副的另一行为表面b；

302)遍历所述行为表面集合A；

303)将行为表面集合A替换为另一行为表面集合B，返回步骤301)，直至所有行为表面集合遍历完毕。

5.根据权利要求1或4所述的基于运动副表面识别的产品智能装配方法，其特征在于，所述运动副包括移动副、旋转副、球面副、齿轮副、螺旋副和凸轮副。

6.根据权利要求1所述的基于运动副表面识别的产品智能装配方法，其特征在于，所述步骤4)中，约束度评价的评价结果根据人工经验获得。