CN115983584A - 一种装配过程规划优化方法、装置、设备及介质 - Google Patents

一种装配过程规划优化方法、装置、设备及介质 Download PDF

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CN115983584A CN202211703487.0A CN202211703487A CN115983584A CN 115983584 A CN115983584 A CN 115983584A CN 202211703487 A CN202211703487 A CN 202211703487A CN 115983584 A CN115983584 A CN 115983584A
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刘雪豪
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刘�东
王丹阳
李瑶
何磊
李尚强
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唐健钧
宿明
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Shanghai Aiwei Information Technology Co ltd
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Abstract

本申请公开了一种装配过程规划优化方法、装置、设备及介质，涉及装配过程的规划优化技术领域，解决现有技术中不能保证航空装备装配过程规划的可行性，从而不能使航空总装配时间最小化的技术问题。该方法包括获取目标航空装备的装配任务；生成所述目标航空装备的装配计划；为每个所述装配任务分配所需资源，以获得每个所述装配任务的可行性；在每个所述装配任务可执行的情况下，对所述目标航空装备的装配计划形成约束；通过对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划。该方法可以对目标航空装备的总装配时间最小化，从而可以提高对目标航空装备的装配效率。

Description

一种装配过程规划优化方法、装置、设备及介质
技术领域
本申请涉及装配过程的规划优化技术领域，尤其涉及装配过程规划优化方法、装置、设备及介质。
背景技术
航空装备装配过程工艺规划是生产工程的基本行为，它定义了从设计理念到生产现实的方式，在航空装备的装配规划中涉及多个方面，例如产品结构和品种、装配技术、夹具和工具、零件稳定性、刚性和弹性零件的处理、公差和质量、运动路径、工人的能力和技能、人体工程学以及成本和设置时间必须加以考虑和巩固。
然而，现有技术中不能保证航空装备装配过程规划的可行性，从而不能使航空总装配时间最小化。
发明内容
本申请的主要目的在于提供装配过程规划优化方法、装置、设备及介质，旨在解决现有技术中不能保证航空装备装配过程规划的可行性，从而不能使航空总装配时间最小化的技术问题。
为实现上述目的，本申请第一方面提供了一种装配过程规划优化方法，所述方法包括：
获取目标航空装备的装配任务；
基于所述目标航空装备的装配任务，生成所述目标航空装备的装配计划；
为每个所述装配任务分配所需资源，以获得每个所述装配任务的可行性；
在每个所述装配任务可执行的情况下，对所述目标航空装备的装配计划形成约束；
通过对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划。
可选地，所述通过对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划，包括：
基于混合整数线性规划模型，对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划；其中，所述混合整数线性规划模型的约束条件包括确保组装顺序是给定任务排列的约束条件、将任务优先级变量连接到任务位置变量的约束条件、保持部件之间连接关系的约束条件、确保为每项任务准确选择一个夹具和工具的约束条件、将后续位置之间的转换时间定义为夹具转换和工具转换时间最大值的约束条件、优先关系的传递性被编码在冗余约束的约束条件。
可选地，所述基于混合整数线性规划模型，对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划，包括：
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的确保组装顺序是给定任务排列的约束条件：
Figure BDA0004024708960000021
Figure BDA0004024708960000022
其中，xtp表示装配任务t是否位于计划的位置p处；
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的将任务优先级变量连接到任务位置变量的约束条件：
Figure BDA0004024708960000023
其中，ytu表示计划中的装配任务t是否在装配任务u之前，xup′表示装配任务u是否位于计划的位置p′处，xtp′表示装配任务t是否位于计划的位置p′处。
可选地，所述基于混合整数线性规划模型，对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划，包括：
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的保持部件之间连接关系的约束条件：
Figure BDA0004024708960000031
Figure BDA0004024708960000032
其中，qprs表示零件r和零件s在计划位置p处执行任务后是否属于同一子组件，Trs表示任务集沿着联络图中
Figure BDA0004024708960000033
路径的路径部分。
可选地，所述基于混合整数线性规划模型，对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划，包括：
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的确保为每项任务准确选择一个夹具和工具的约束条件：
Figure BDA0004024708960000034
Figure BDA0004024708960000035
其中，
Figure BDA0004024708960000036
表示夹具f裂隙是否施加在平面图的位置p处，τpz表示刀具z是否应用于平面图的位置p处；
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的将后续位置之间的转换时间定义为夹具转换和工具转换时间最大值的约束条件：
Figure BDA0004024708960000037
Figure BDA0004024708960000038
其中，Cp表示计划位置p之前的转换时间，df表示与夹具f相关的转换时间，ez表示与刀具z相关的转换时间，τ(p-1)z表示刀具z是否应用于平面图的位置p-1处，
Figure BDA0004024708960000039
表示夹具f裂隙是否施加在平面图的位置p-1处；
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的优先关系的传递性被编码在冗余约束的约束条件：
Figure BDA0004024708960000045
其中，ytu表示计划中的装配任务t是否在装配任务u之前，yuv表示计划中的装配任务u是否在装配任务v之前，ytv表示计划中的装配任务t是否在装配任务v之前。
可选地，所述为每个所述装配任务分配所需资源，以获得每个所述装配任务的可行性，包括：
为每个所述装配任务分配所需资源，以判断完成所述装配任务的夹具是否参与碰撞；
在所述装配任务的夹具不参与碰撞的情况下，获得每个所述装配任务的可行性。
可选地，所述在所述装配任务的夹具不参与碰撞的情况下，获得每个所述装配任务的可行性，包括：
在所述装配任务的夹具不参与碰撞的情况下，生成的切割为析取优先约束，所述析取优先约束为：
Figure BDA0004024708960000041
其中，pred表示前续装配任务，succK表示第K个后续装配任务，
Figure BDA0004024708960000042
表示计划中的前续装配任务pred是否在第K个后续装配任务succK之前；
在所述装配任务的夹具参与碰撞的情况下，添加如下约束：
Figure BDA0004024708960000043
其中，xpred.表示前续装配任务pred是否位于计划的位置p处；
Figure BDA0004024708960000044
表示夹具裂隙是否施加在平面图的位置p处；τp,表示刀具tool是否应用于平面图的位置p处；
通过如下公式获得每个所述装配任务的可行性：
<pred,<succ1,…,succK>,fixt,tool>
其中，succ1表示第一个后续装配任务，表示夹具，tool表示工具。
可选地，所述约束包括：给定的夹具能用于给定装配任务约束、夹具重量限制约束、排除所有无效工具约束和排除工具不可行约束；所述在每个所述装配任务可执行的情况下，对所述目标航空装备的装配计划形成约束，包括：
通过如下公式获得给定的夹具能用于给定装配任务约束：
Figure BDA0004024708960000051
其中，
Figure BDA0004024708960000052
表示夹具f裂隙是否施加在平面图的位置p处；xtp表示装配任务t是否位于计划的位置p处；at表示由装配任务t组装的第一部件，bt表示由装配任务t组装的第二部件，
Figure BDA0004024708960000053
表示零件rf和零件at在计划位置(p-1)处执行任务后是否属于同一子组件，
Figure BDA0004024708960000054
表示零件rf和零件bt在计划位置(p-1)处执行任务后是否属于同一子组件，rf表示由夹具f夹持的部分；
通过如下公式获得夹具重量限制约束：
Figure BDA0004024708960000055
其中，gf为夹具f的重量限制，W为组件总重量，wr为组件重量r部分，
Figure BDA0004024708960000056
表示零件r和零件s在计划位置p处执行任务后是否属于同一子组件，
Figure BDA0004024708960000057
表示夹具f裂隙是否施加在平面图的位置p处；
通过如下公式获得排除所有无效工具约束：
Figure BDA0004024708960000058
其中，τpz表示刀具z是否应用于平面图的位置p，Zt表示装配任务t的候选工具集；
通过如下公式获得排除工具不可行约束：
Figure BDA0004024708960000059
其中，Nt表示装配任务t的禁用工具或夹具的组合集。
第二方面，本申请提供了一种装配过程规划优化装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取目标航空装备的装配任务；
生成模块，用于基于所述目标航空装备的装配任务，生成所述目标航空装备的装配计划；
获得模块，用于为每个所述装配任务分配所需资源，以获得每个所述装配任务的可行性；
形成模块，用于在每个所述装配任务可执行的情况下，对所述目标航空装备的装配计划形成约束；
优化模块，用于通过对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划。
第三方面，本申请提供了一种计算机设备，该计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，实现实施例中所述的方法。
第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，处理器执行所述计算机程序，实现实施例中所述的方法。
通过上述技术方案，本申请至少具有如下有益效果：
本申请实施例提出的装配过程规划优化方法、装置、设备及介质，包括先获取目标航空装备的装配任务；然后基于所述目标航空装备的装配任务，生成所述目标航空装备的装配计划；然后为每个所述装配任务分配所需资源，以获得每个所述装配任务的可行性；然后在每个所述装配任务可执行的情况下，对所述目标航空装备的装配计划形成约束；最后通过对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划。
即，当需要对目标航空装备的装配计划进行优化，以使目标航空装备的总装配计划的时间最小化时，先获得目标航空装备的装配任务，再基于这些装配任务，生成目标航空装备的装配计划；同时，为获得的每个装配任务分配执行任务所需的资源，以便获得每个装配任务的可行性，然后，基于每个装配任务可行的情况下，对装配计划形成约束，最终通过对装配任务进行排序，以及对执行装配任务的所需的资源进行分配，以便优化形成约束后的装配计划，最终使优化后的目标航空装备的总装配时间最小化。
即，由于该方法先评估了每个装配任务的可行性，如此可以减少不可行情况带来的时间损耗，在确保每个装配任务可行的情况下，再对目标航空装备的装配计划形成约束，对每个可行的装配计划形成约束后，使每个装配计划的装配时间最小化。因此，该方法在保证目标航空装备装配过程规划可行性的情况下，可以对目标航空装备的总装配时间最小化，从而可以提高对目标航空装备的装配效率。
附图说明
图1为本申请实施例涉及的硬件运行环境的计算机设备结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种装配过程规划优化方法的流程图；
图3为本实施例提供的碰撞的扩展联络示意图；
图4为本申请实施例提供的装配过程规划问题的弯曲分解示意图；
图5为本实施例提供的实例中产品的CAD模型示意图；
图6为本申请实施例提供的一种装配过程规划优化装置的示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
航空装备装配过程工艺规划是生产工程的基本行为，它定义了从设计理念到生产现实的方式。然而，有关这方面的研究却很少。本申请做出以下典型假设：一是装配和辅助任务集作为输入给出；二是假设二元(双手)单调组装，即每个组装任务连接两个零件(或复合材料)并且不涉及临时拆卸；三是产品的联络图是一棵树(可以以适度扩展为代价处理任意图)；四是零件不可变形；五是任务持续时间独立于任务序列和分配的资源。在航空装备的装配规划中涉及多个方面，例如产品结构和品种、装配技术、夹具和工具、零件稳定性、刚性和弹性零件的处理、公差和质量、运动路径、工人的能力和技能、人体工程学以及成本和设置时间必须加以考虑和巩固。然而，目前不能保证航空装备装配过程规划的可行性，从而不能使航空总装配时间最小化。
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种装配过程规划优化方法、装置、设备及介质，在介绍本申请的具体技术方案之前，先介绍下本申请实施例方案涉及的硬件运行环境。
参照图1，图1为本申请实施例方案涉及的硬件运行环境的计算机设备结构示意图。
如图1所示，该计算机设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(WIreless-FIdelity，WI-FI)接口)。存储器1005可以是高速的随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)存储器，也可以是稳定的非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对计算机设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图1所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、数据存储模块、网络通信模块、用户接口模块以及电子程序。
在图1所示的计算机设备中，网络接口1004主要用于与网络服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本申请计算机设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在计算机设备中，所述计算机设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的装配过程规划优化装置，并执行本申请实施例提供的装配过程规划优化方法。
参照图2，基于前述实施例的硬件环境，本申请的实施例提供了一种装配过程规划优化方法，该方法包括：
S10：获取目标航空装备的装配任务。
在具体实施过程中，目标航空装备是指需要对装配计划进行优化的航空装备，装配任务是指完成对目标航空装备进行装配的任务，装配任务包括组装任务和辅助任务，其中，辅助任务，例如检查任务，与单个部件相关联，可能是连接到一个子装配之后，为了统一表示组装任务和辅助任务，这由at＝bt和虚拟特征类型
Figure BDA0004024708960000091
表示。每个装配任务连接两个零件或复合材料并且不涉及临时拆卸，每个装配任务都需要适当的夹具和工具作为其执行的资源。
S11：基于所述目标航空装备的装配任务，生成所述目标航空装备的装配计划。
在具体实施过程中，装配计划是指装配完目标航空装备的计划，由于装配完成一个目标航空装备可以分解为多个装配任务，每个装配任务均可以对应多种装配计划，因此，完成一个目标航空装备的装配，可以具有多个装配计划。
S12：为每个所述装配任务分配所需资源，以获得每个所述装配任务的可行性。
在具体实施过程中，每个装配任务都需要适当的夹具和工具(例如螺丝刀或夹具)作为其执行的资源，其中，效率是通过最小化总处理时间表示，鉴于装配任务持续时间是固定的，这相当于最小化资源转换时间。装配工艺方案在微观层面的可行性是从工艺、治具、工装、碰撞等角度进行验证。比如，装配任务的可行性是指通过该装配计划，在不产生碰撞的现象的情况下，可以很好的完成相应的装配任务，如此即可任务该装配任务对应的装配计划是可行的。
S13：在每个所述装配任务可执行的情况下，对所述目标航空装备的装配计划形成约束。
在具体实施过程中，在确保每个装配任务可以执行后，会通过各种工具、夹具等选择一个装配计划完成相应的装配任务，而所需的这些工具、夹具等可能在完成装配任务时是无效的，因此需要对完成装配任务的装配计划形成约束，以限制相应的工具、夹具等。所提出的方法可以描述为Benders分解方法：主问题是原始规划问题的松弛，因为最初它不包含确保局部可行性的约束，例如，它忽略了碰撞方面回避。因此，在局部层面上解决主问题可能是不可行的。在这种情况下，相应的子问题求解器会丢弃该解决方案并生成一个约束，即所谓的可行性切割，它会从后续迭代中排除该解决方案以及可能由于类似原因不可行的其他解决方案。主问题通过添加的切割重新解决，并且该过程迭代直到发现最佳主解决方案在局部也是可行的，或者在主问题中被证明不可行。该方法保证得到的解决方案是总体规划问题的最佳解决方案，因此，所提出的Benders分解方法是一个精确解方法。
S14：通过对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划。
在具体实施过程中，具体的，基于混合整数线性规划(MILP)模型，对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划；其中，所述混合整数线性规划模型的约束条件包括确保组装顺序是给定任务排列的约束条件、将任务优先级变量连接到任务位置变量的约束条件、保持部件之间连接关系的约束条件、确保为每项任务准确选择一个夹具和工具的约束条件、将后续位置之间的转换时间定义为夹具转换和工具转换时间最大值的约束条件、优先关系的传递性被编码在冗余约束的约束条件。在对装配计划(规划)进行优化的过程中，需要将总的装配任务进行分解，对应总的装配计划也会进行相应的分解，因此完成目标航空装配的整体装配，需要对应多个分解后的装配任务，每个装配任务可能对应多个相应的装配计划。在这些装配计划中选择可行的装配计划来完成相应分解后的装配任务，每个被分解后的装配任务完成后，目标航空装备的整体装配任务也就会被完成。为了选择出每个分解后的装配任务对应装配计划的时间最小化，需要对其进行优化，优化形成约束的装配计划，需要对装配任务进行排序，以及对装配任务的所需资源进行分配。
综上，当需要对目标航空装备的装配计划进行优化，以使目标航空装备的总装配计划的时间最小化时，先获得目标航空装备的装配任务，再基于这些装配任务，生成目标航空装备的装配计划；同时，为获得的每个装配任务分配执行任务所需的资源，以便获得每个装配任务的可行性，然后，基于每个装配任务可行的情况下，对装配计划形成约束，最终通过对装配任务进行排序，以及对执行装配任务的所需的资源进行分配，以便优化形成约束后的装配计划，最终使优化后的目标航空装备的总装配时间最小化。即，由于该方法先评估了每个装配任务的可行性，如此可以减少不可行情况带来的时间损耗，在确保每个装配任务可行的情况下，再对目标航空装备的装配计划形成约束，对每个可行的装配计划形成约束后，使每个装配计划的装配时间最小化。因此，该方法在保证目标航空装备装配过程规划可行性的情况下，可以对目标航空装备的总装配时间最小化，从而可以提高对目标航空装备的装配效率。
在一些实施例中，给出了混合整数线性规划模型具体包括的约束条件，即，所述基于混合整数线性规划模型，对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划，包括：
采用混合整数线性规划模型进行任务排序和资源分配，并使∑pcp最小化，Cp为计划位置p之前的转换时间，通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的确保组装顺序是给定任务排列的约束条件：
Figure BDA0004024708960000121
Figure BDA0004024708960000122
其中，xtp表示装配任务t是否位于计划的位置p处，
Figure BDA0004024708960000123
表示对应的公式(约束)适用于任意的装配任务t，
Figure BDA0004024708960000124
表示对应的公式(约束)适用于任意的位置p；通过该约束条件可以确保组装顺序是给定任务的排列。
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的将任务优先级变量连接到任务位置变量的约束条件：
Figure BDA0004024708960000125
其中，ytu表示计划中的装配任务t是否在装配任务u之前，xup′表示装配任务u是否位于计划的位置p′处，xtp′表示装配任务t是否位于计划的位置p′处，
Figure BDA0004024708960000126
表示在任意位置p处任意的装配任务t与任意的装配任务u不相同。通过该约束条件可以将装配任务优先级变量连接到装配任务位置变量。
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的保持部件之间连接关系的约束条件：
Figure BDA0004024708960000127
Figure BDA0004024708960000128
其中，qprs表示零件r和零件s在计划位置p处执行任务后是否属于同一子组件，Trs表示任务集沿着联络图中
Figure BDA0004024708960000129
路径的路径部分，
Figure BDA00040247089600001210
r≠s表示在任意位置p处零件r与零件s不相同。通过该约束可以说明当且仅当沿路径的所有任务都完成时，零件r和零件s是连接的，从而保持部件之间的连接关系。
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的确保为每项任务准确选择一个夹具和工具的约束条件：
Figure BDA0004024708960000131
Figure BDA0004024708960000132
其中，
Figure BDA0004024708960000133
表示夹具f裂隙是否施加在平面图的位置p处，τpz表示刀具z是否应用于平面图的位置p处；通过该约束条件可以确保为每项装配任务准确选择一个夹具和工具。
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的将后续位置之间的转换时间定义为夹具转换和工具转换时间最大值的约束条件：
Figure BDA0004024708960000134
Figure BDA0004024708960000135
其中，Cp表示计划位置p之前的转换时间，df表示与夹具f相关的转换时间，ez表示与刀具z相关的转换时间，τ(p-1)z表示刀具z是否应用于平面图的位置p-1处，
Figure BDA0004024708960000136
表示夹具f裂隙是否施加在平面图的位置p-1处，
Figure BDA0004024708960000137
f表示对应的公式(约束)适用于任意的位置p和任意的夹具f；
Figure BDA0004024708960000138
z表示对应的公式(约束)适用于任意的位置p和任意的刀具z；通过该约束条件可以将后续位置之间的转换时间定义为夹具转换和工具转换时间的最大值。
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的优先关系的传递性被编码在冗余约束的约束条件：
Figure BDA0004024708960000139
其中，ytu表示计划中的装配任务t是否在装配任务u之前，yuv表示计划中的装配任务u是否在装配任务v之前，ytv表示计划中的装配任务t是否在装配任务v之前，
Figure BDA00040247089600001310
表示任意的装配任务t与任意的装配任务u不相同，且任意的装配任务u与任意的装配任务v不相同。通过该约束条件使优先关系的传递性被编码在冗余约束。
在一些实施例中，所述为每个所述装配任务分配所需资源，以获得每个所述装配任务的可行性，包括：先为每个所述装配任务分配所需资源，以判断完成所述装配任务的夹具是否参与碰撞；然后在所述装配任务的夹具不参与碰撞的情况下，获得每个所述装配任务的可行性。
本实施例中，在搜索过程中添加到主问题的约束是可行性削减，即它们编码约束使得所有主问题解决方案必须在微观层面上可行。在最简单的情况下，可行性切割是一个不好的切割，它表明早期找到的主解决方案是不可行的；因此，未来的解决方案必须与此不同。可以设计其他特定于问题的切割，以排除由于类似原因不可行的更大的主问题解决方案集。由于这些切割对计算效率至关重要，因此一个特定的目标是识别这种特定于问题的切割。
除了可行性削减之外，所谓的最优性削减在CAPP中也有一个天然的应用。这些削减表示给定的主解决方案虽然可能是可行的，但会产生比主问题中假设的更高的成本。一个例子是，一个给定任务的机器人轨迹规划子问题的解决方案可能会认可一个计划任务是可行的，但它需要的时间比它在主问题中分配的持续时间要多。然而，在本申请中，重点是解决宏观层面的规划问题，解决子问题的可行性，因此忽略了这个有吸引力但具有挑战性的机会。
当前续任务pred必须在至少某一个后继任务，否则不得在夹具中加工，或不得使用工具加工时，在所述装配任务的夹具不参与碰撞的情况下，生成的切割为析取优先约束，所述析取优先约束为：
Figure BDA0004024708960000141
其中，pred表示前续装配任务，succK表示第K个后续装配任务，
Figure BDA0004024708960000142
表示计划中的前续装配任务pred是否在第K个后续装配任务succK之前；
否则，在所述装配任务的夹具参与碰撞的情况下，添加如下约束：
Figure BDA0004024708960000143
其中，xpred.表示前续装配任务pred是否位于计划的位置p处；
Figure BDA0004024708960000151
表示夹具裂隙是否施加在平面图的位置p处；τp,表示刀具tool是否应用于平面图的位置p处；
通过如下公式获得每个所述装配任务的可行性：
<pred,<succ1,…,succK>,fixt,tool>
其中，succ1表示第一个后续装配任务，fixt表示夹具，tool表示工具。通过该公式可以确保装配计划的技术可行性。
本实施例中，装配任务对应的装配计划可行性的一个核心条件是执行任务而不会在零件或分配的资源之间发生任何冲突的能力。按照早先提出的方法，对潜在碰撞的调查分两个步骤进行：①对于装配特征捕获的核心运动，②移动部件和工具接近兴趣区域。在这两种情况下，碰撞检测都是使用灵活碰撞库(FCL)对相关对象的三角形网格模型执行的。对于情况①中装配特征中完全定义的运动，可以在与给定装配任务t时，装配配置对应的扩展联络图(ELG)中明确识别和捕获潜在碰撞。ELG包含作为顶点的零件以及工具和夹具，以及作为边的它们的联系，还包括工具与零件和夹具与零件的接触。如果ELG未连接，则仅考虑包含任务t边缘的组件。每个单独的碰撞都可以与ELG中的一对顶点相关联(涉及的两个部分，一个工具或一个夹具)，并且它在树形结构的ELG中定义了这些顶点之间的唯一路径π。观察到可以在随后的计划迭代中防止相同的碰撞，如果沿π的至少一条边从ELG中移除，通过仅在t(部件到部件的边)之后执行相应的任务或修改相应的资源分配(夹具/工具到零件的边)。因此，子问题求解器为每个检测到的碰撞生成可行性切割，其中，前续装配任务是当前任务t，后续装配任务是沿π的所有其他任务，而夹具和工具存在如果他们参与碰撞。如图3所示，图3为本实施例提供的碰撞的扩展联络示意图；图3中1-7的数字表示装配任务，字母A-H表示部件，图3显示了一个工作示例——执行任务6时工具和部件A之间发生碰撞，与碰撞中涉及的对象相对应的顶点以及连接它们的路径被突出显示，生成的切割是
Figure BDA0004024708960000161
对于接近期间的潜在碰撞，在情况②中，通过观察在特征中定义的远程点和近点位置之间不存在无碰撞路径来识别不可行性。在这种情况下，生成的切割编码了必须从ELG中删除任意边缘。该模块通过使用基于规则的方法在问题分析阶段向主问题添加经典优先约束来确保计算计划的技术可行性，这组规则是应用域的特征，当前支持的机械装配领域的一个示例是，通过螺纹特征连接的零件必须首先通过放置或插入特征连接。
在一些实施例中，所述约束包括：给定的夹具能用于给定装配任务约束、夹具重量限制约束、排除所有无效工具约束和排除工具不可行约束；所述在每个所述装配任务可执行的情况下，对所述目标航空装备的装配计划形成约束，包括：
夹具负责为每个装配任务分配一个有效的夹具选项(夹具设备、抓取部件和方向的组合)。需要强调的是，夹具设备可以是具有几何模型特征的物理夹具，也可以是概念夹具，这取决于工艺规划和夹具设计在应用工作流程中的相对位置，夹具在问题分析期间为主问题生成以下约束。通过如下公式获得给定的夹具能用于给定装配任务约束：
Figure BDA0004024708960000162
其中，
Figure BDA0004024708960000163
表示夹具f裂隙是否施加在平面图的位置p处；xtp表示装配任务t是否位于计划的位置p；at表示由装配任务t组装的第一部件，bt表示由装配任务t组装的第二部件，
Figure BDA0004024708960000164
表示零件rf和零件at在计划位置(p-1)处执行任务后是否属于同一子组件，
Figure BDA0004024708960000165
表示零件rf和零件bt在计划位置(p-1)处执行任务后是否属于同一子组件，rf表示由夹具f夹持的部分，
Figure BDA0004024708960000166
t,f表示对应的公式(约束)适用于任意的位置p、任意的装配任务t和任意的夹具f；通过该约束只有当相应的零件组之一已经与夹具抓住的零件组装在一起时，给定的夹具选项才能用于给定的任务。
通过如下公式获得夹具重量限制约束：
Figure BDA0004024708960000171
其中，gf为夹具f的重量限制，W为组件总重量，wr为组件重量r部分，
Figure BDA0004024708960000172
表示零件r和零件s在计划位置p处执行任务后是否属于同一子组件，
Figure BDA0004024708960000173
表示夹具f裂隙是否施加在平面图的位置p处，
Figure BDA0004024708960000174
f表示对应的公式(约束)适用于任意的位置p和任意的夹具f；通过该约束编码了夹具重量限制。
同样，工具模块在问题分析阶段生成约束，以确保可行的工具到任务分配，它以Zt和Nt的形式管理工具兼容性数据，并在主问题中添加以下约束。通过如下公式获得排除所有无效工具约束：
Figure BDA0004024708960000175
其中，τpz表示刀具z是否应用于平面图的位置p处，Zt表示装配任务t的候选工具集，
Figure BDA0004024708960000176
表示任意装配任务t在任意位置p处的任意刀具z均不属于候选工具集；通过该约束可以排除所有无效的工具分配。
通过如下公式获得排除工具不可行约束：
Figure BDA0004024708960000177
通过该约束可以排除工具和夹具的不可行组合，Nt表示装配任务t的禁用工具或夹具的组合集，
Figure BDA0004024708960000178
表示任意装配任务t在任意位置p处的任意刀具z或任意夹具均属于禁用工具或夹具的组合集。
综上，过程规划是生产工程的基本行为，它定义了从设计理念到生产现实的方式。本申请的最终动机是为计算机辅助过程规划(CAPP)提出一种新颖的通用模型。该模型应保证流程计划的可行性甚至最优性，满足负责不同部分的计划执行的所有相关者的要求，保持计划流程的复杂性，并支持迭代、混合初始化的问题解决方式。因此，一种完整且倾向最优的解决方案应是直观、易处理、可扩展且可修复的。实际应用领域是机械装配，从产品及其零件的CAD模型出发，它们的关系和关节的规范，以及可用资源(工具、固定装置、人类或机器人操作员)的描述，将生成一个可执行的装配计划，该计划是根据某些标准最好的。更具体地说，在装配规划中涉及多个方面，例如产品结构和品种、装配技术、夹具和工具、零件稳定性、刚性和弹性零件的处理、公差和质量、运动路径、工人的能力和技能、人体工程学以及成本和设置时间必须加以考虑和巩固。虽然工程传统和常识表明不可能有一个单一的模型来整合上述所有问题，但一些一般原则适用：一是层次分解将排序和资源分配决策提升到总体规划的水平，并参考其他局部规划的细节；二是基于特征的分解有助于定义基本任务和用于规划和任务执行的领域知识的语义结构。
本发明探讨了层次分解计划方法的研究，该方法可以实现总体装配工艺计划的优化，同时从所有相关工程方面保证局部计划和单个任务的可行性。在本申请所提出的分解方案中，总体规划器负责通过优化任务序列和资源分配来生成装配计划，这是两个相互关联的决策。一组微观级子问题解决器通过在计划制定期间既在计划之前又可动态地对总体计划生成约束来确保计划任务可以在实际中实施，如图4所示，图4为本实施例提供的装配过程规划问题的弯曲分解示意图。在当前实施中的子问题分析器和求解器包括技术可行性、碰撞检测、夹具和工具模块。
在将通用方法应用于装配过程规划中，有一组装配任务(可能还有一些辅助任务)必须按顺序排列并分配给资源。装配任务的详细技术内容由装配特征指定，其中ρt是特征类型(在当前实现中包括放置、插入和拧紧)，at和bt任务连接的两个部分，而θt是齐次变换矩阵，定义连接所涉及部分的运动，并允许复合特征(例如，在单个拧紧任务中输入多个平行轴螺钉)。在这种情况下，零件可以是复合特征(例如，多个相同的螺钉)。和最初是可以互换的，但在分配夹具和工具之后，它们可以区分为基础和移动部件，对于某些特征，例如拧紧，这种差异可能很明显，是根据给定特征类型的数值特征参数向量，用标准联络图表示，其中顶点表示部件，它们由连接两个部分的任务标记的边连接。
本申请所提出的方法探讨了涉及任务排序和资源分配决策的总体过程规划问题与与单个任务的详细实施相关的局部问题之间的内在分解，比如，如图5所示，图5为本申请实施例提供的实例中产品的CAD模型示意图；图5中A-H表示部件，提出的方法在一个汽车增压器总成上进行了说明，该总成由29个单独的零件(其中一些属于复合材料)组成，在17个装配任务和一个辅助任务中连接。本申请中的插图源自该产品的一个子组件，即所谓的入口旁路子组件，由12个零件组成。本申请提出的解决方案在Phyton中实现，使用FICOXpress 8.0解决主问题，使用FCL作为碰撞检测引擎。这些算法在上面介绍的某型增压器装配问题的不同变体上进行了验证。小规模工作示例(12个零件，7+1个任务)的装配工艺计划，省略了夹具和工具。对于原始工业问题(29个零件，17+1个任务)，规划器只需要两次迭代即可找到可行且最优的装配计划。结果为：在第一步迭代中，碰撞检测模块发现了八种不同的碰撞并生成相应的切割以从后续迭代中消除这些碰撞。最终迭代中建立的装配计划被所有子问题求解器认为是可行的，因此它是装配计划问题的最优解。完整的求解过程在与普通PC的计算能力相当的虚拟机上花费了602秒：初始化数据(例如零件几何形状)需要90秒，两次迭代中求解主问题需要507秒，子问题求解器需要5秒。
综上所述，本申请提出了一种装配过程规划优化方法，将具有由特征指定的详细技术内容的单个任务组合成受技术和几何约束的最佳装配计划，并采用Benders分解处理涉及整个装配过程的约束的复杂性和多样性。为了应对涉及整个装配过程的约束的复杂性和多样性，总体上的主问题是寻找任务的最优排序和资源分配，而子问题模块从技术、夹具、工装和碰撞等方面确保实施层面的计划可行性，约束也是为主问题动态生成的。该申请在通用装配场景中得到了证明，进而表明其在航空领域中应用的潜在好处，可以为决策提供的有用支持，成为从产品设计师到制造过程设计师的都能使用的并行工程的有效工具。因此，该方法提供的面向航空装备装配过程的规划分解方法，提出了一种Benders分解方案来进行装配过程规划优化，脱离了基于特征的任务模型以及零件、夹具和工具的几何形状。与其他方法相反，该方法通过专用于装配技术、夹具、工具和碰撞的子问题求解对计划任务的详细验证来确保计算计划的可行性和最优性，还会动态生成约束，以消除迭代解决方案过程中的任何不可行性。因此，本申请的规划是通过组合优化和几何推理的系统相互作用来执行的，并已经被证明在汽车行业的中等规模现实机械装配问题上是有效的。可应用在飞机的装配过程之中，满足更丰富的流程模型(例如，任务持续时间取决于资源分配)和人机合作的扩展需求。
在另一实施例中，如图6所示，基于与前述实施例相同的发明思路，本申请的实施例还提供了一种装配过程规划优化装置，该装置包括：
获取模块，用于获取目标航空装备的装配任务；
生成模块，用于基于所述目标航空装备的装配任务，生成所述目标航空装备的装配计划；
获得模块，用于为每个所述装配任务分配所需资源，以获得每个所述装配任务的可行性；
形成模块，用于在每个所述装配任务可执行的情况下，对所述目标航空装备的装配计划形成约束；
优化模块，用于通过对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划。
需要说明的是，本实施例中装配过程规划优化装置中各模块是与前述实施例中的装配过程规划优化方法中的各步骤一一对应，因此，本实施例的具体实施方式和达到的技术效果可参照前述装配过程规划优化方法的实施方式，这里不再赘述。
此外，在一种实施例中，本申请还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器，存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时实现前述实施例中方法。
此外，在一种实施例中，本申请还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时实现前述实施例中方法。
在一些实施例中，计算机可读存储介质可以是FRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存、磁表面存储器、光盘、或CD-ROM等存储器；也可以是包括上述存储器之一或任意组合的各种设备。计算机可以是包括智能终端和服务器在内的各种计算设备。
在一些实施例中，可执行指令可以采用程序、软件、软件模块、脚本或代码的形式，按任意形式的编程语言(包括编译或解释语言，或者声明性或过程性语言)来编写，并且其可按任意形式部署，包括被部署为独立的程序或者被部署为模块、组件、子例程或者适合在计算环境中使用的其它单元。
作为示例，可执行指令可以但不一定对应于文件系统中的文件，可以可被存储在保存其它程序或数据的文件的一部分，例如，存储在超文本标记语言(HTML，Hyper TextMarkup Language)文档中的一个或多个脚本中，存储在专用于所讨论的程序的单个文件中，或者，存储在多个协同文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)中。
作为示例，可执行指令可被部署为在一个计算设备上执行，或者在位于一个地点的多个计算设备上执行，又或者，在分布在多个地点且通过通信网络互连的多个计算设备上执行。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器/随机存取存储器、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台多媒体终端设备(可以是手机，计算机，电视接收机，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种装配过程规划优化方法，其特征在于，所述方法包括：
获取目标航空装备的装配任务；
基于所述目标航空装备的装配任务，生成所述目标航空装备的装配计划；
为每个所述装配任务分配所需资源，以获得每个所述装配任务的可行性；
在每个所述装配任务可执行的情况下，对所述目标航空装备的装配计划形成约束；
通过对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划。
2.如权利要求1所述的装配过程规划优化方法，其特征在于，所述通过对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划，包括：
基于混合整数线性规划模型，对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划；其中，所述混合整数线性规划模型的约束条件包括确保组装顺序是给定任务排列的约束条件、将任务优先级变量连接到任务位置变量的约束条件、保持部件之间连接关系的约束条件、确保为每项任务准确选择一个夹具和工具的约束条件、将后续位置之间的转换时间定义为夹具转换和工具转换时间最大值的约束条件、优先关系的传递性被编码在冗余约束的约束条件。
3.如权利要求2所述的装配过程规划优化方法，其特征在于，所述基于混合整数线性规划模型，对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划，包括：
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的确保组装顺序是给定任务排列的约束条件：
Figure FDA0004024708950000021
Figure FDA0004024708950000022
其中，xtp表示装配任务t是否位于计划的位置p处；
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的将任务优先级变量连接到任务位置变量的约束条件：
Figure FDA0004024708950000023
其中，ytu表示计划中的装配任务t是否在装配任务u之前，xup′表示装配任务u是否位于计划的位置p′处，xtp′表示装配任务t是否位于计划的位置p′处。
4.如权利要求2所述的装配过程规划优化方法，其特征在于，所述基于混合整数线性规划模型，对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划，包括：
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的保持部件之间连接关系的约束条件：
Figure FDA0004024708950000024
Figure FDA0004024708950000025
其中，qprs表示零件r和零件s在计划位置p处执行任务后是否属于同一子组件，Trs表示任务集沿着联络图中
Figure FDA0004024708950000026
路径的路径部分。
5.如权利要求2所述的装配过程规划优化方法，其特征在于，所述基于混合整数线性规划模型，对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划，包括：
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的确保为每项任务准确选择一个夹具和工具的约束条件：
Figure FDA0004024708950000031
Figure FDA0004024708950000032
其中，
Figure FDA0004024708950000033
表示夹具f裂隙是否施加在平面图的位置p处，τpz表示刀具z是否应用于平面图的位置p处；
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的将后续位置之间的转换时间定义为夹具转换和工具转换时间最大值的约束条件：
Figure FDA0004024708950000034
Figure FDA0004024708950000035
其中，Cp表示计划位置p之前的转换时间，df表示与夹具f相关的转换时间，ez表示与刀具z相关的转换时间，τ(p-1)z表示刀具z是否应用于平面图的位置p-1处，
Figure FDA0004024708950000036
表示夹具f裂隙是否施加在平面图的位置p-1处；
通过如下公式满足所述混合整数线性规划模型的优先关系的传递性被编码在冗余约束的约束条件：
Figure FDA0004024708950000037
其中，ytu表示计划中的装配任务t是否在装配任务u之前，yuv表示计划中的装配任务u是否在装配任务v之前，ytv表示计划中的装配任务t是否在装配任务v之前。
6.如权利要求1所述的装配过程规划优化方法，其特征在于，所述为每个所述装配任务分配所需资源，以获得每个所述装配任务的可行性，包括：
为每个所述装配任务分配所需资源，以判断完成所述装配任务的夹具是否参与碰撞；
在所述装配任务的夹具不参与碰撞的情况下，获得每个所述装配任务的可行性。
7.如权利要求6所述的装配过程规划优化方法，其特征在于，所述在所述装配任务的夹具不参与碰撞的情况下，获得每个所述装配任务的可行性，包括：
在所述装配任务的夹具不参与碰撞的情况下，生成的切割为析取优先约束，所述析取优先约束为：
Figure FDA0004024708950000041
其中，pred表示前续装配任务，succK表示第K个后续装配任务，
Figure FDA0004024708950000046
表示计划中的前续装配任务pred是否在第K个后续装配任务succK之前；
在所述装配任务的夹具参与碰撞的情况下，添加如下约束：
Figure FDA0004024708950000042
其中，xpred.p表示前续装配任务pred是否位于计划的位置p处；
Figure FDA0004024708950000043
表示夹具裂隙是否施加在平面图的位置p处；τp，tool表示刀具tool是否应用于平面图的位置p处；
通过如下公式获得每个所述装配任务的可行性：
<pred，<succ1，...，succK>，fixt，tool>
其中，succ1表示第一个后续装配任务，fixt表示夹具，tool表示工具。
8.如权利要求1所述的装配过程规划优化方法，其特征在于，所述约束包括：给定的夹具能用于给定装配任务约束、夹具重量限制约束、排除所有无效工具约束和排除工具不可行约束；所述在每个所述装配任务可执行的情况下，对所述目标航空装备的装配计划形成约束，包括：
通过如下公式获得给定的夹具能用于给定装配任务约束：
Figure FDA0004024708950000044
其中，
Figure FDA0004024708950000045
表示夹具f裂隙是否施加在平面图的位置p处；xtp表示装配任务t是否位于计划的位置p处；at表示由装配任务t组装的第一部件，bt表示由装配任务t组装的第二部件，
Figure FDA0004024708950000051
表示零件rf和零件at在计划位置(p-1)处执行任务后是否属于同一子组件，
Figure FDA0004024708950000052
表示零件rf和零件bt在计划位置(p-1)处执行任务后是否属于同一子组件，rf表示由夹具f夹持的部分：
通过如下公式获得夹具重量限制约束：
Figure FDA0004024708950000053
其中，gf为夹具f的重量限制，W为组件总重量，wr为组件重量r部分，
Figure FDA0004024708950000057
表示零件r和零件s在计划位置p处执行任务后是否属于同一子组件，
Figure FDA0004024708950000054
表示夹具f裂隙是否施加在平面图的位置p处；
通过如下公式获得排除所有无效工具约束：
Figure FDA0004024708950000055
其中，τpz表示刀具z是否应用于平面图的位置p，Zt表示装配任务t的候选工具集：
通过如下公式获得排除工具不可行约束：
Figure FDA0004024708950000056
其中，Nt表示装配任务t的禁用工具或夹具的组合集。
9.一种装配过程规划优化装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取目标航空装备的装配任务；
生成模块，用于基于所述目标航空装备的装配任务，生成所述目标航空装备的装配计划；
获得模块，用于为每个所述装配任务分配所需资源，以获得每个所述装配任务的可行性；
形成模块，用于在每个所述装配任务可执行的情况下，对所述目标航空装备的装配计划形成约束；
优化模块，用于通过对所述装配任务进行排序，以及对所述装配任务的所需资源进行分配，以优化形成约束的所述目标航空装备的装配计划。
10.一种计算机设备，其特征在于，该计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，实现如权利要求1-8中任一项所述的方法。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，处理器执行所述计算机程序，实现如权利要求1-8中任一项所述的方法。
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