CN109784263A - 一种基于干涉与连接关系的子装配体提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密装配中序列规划领域，涉及一种基于干涉与支撑关系的子装配体提取方法，是一种能够根据待装配零件的干涉与支撑情况而分离子装配体的方法。本发明根据零件间的位置关系建立能够反应零件间空间位置关系的干涉矩阵与支撑矩阵；通过干涉矩阵得到零件间必须遵守的先后顺序；根据先后顺序与支撑矩阵，找到冲突的零件集合，找到能够使装配可行的子装配体；根据支撑矩阵，找到具有高内聚、低耦合特点的子装配体。本发明便于定制合理的装配工艺流程，快速搭建装配设备，在装配时实现并行装配，提高装配效率，因而具有很高的实用价值。

Description

一种基于干涉与连接关系的子装配体提取方法

技术领域

本发明属于精密装配中序列规划技术领域，涉及一种基于干涉与连接关系的子装配体提取方法，是一种能够根据待装配零件的干涉与支撑情况而分离子装配体的方法。

背景技术

在实际生产中，针对微小器件装配，往往面临产品生产批量小，研制周期短以及不断升级改进的情况。相应的，装配***则要求能够快速形成装备用于生产，同时保证装配精度和效率。目前，通常采用顺序装配的方式，在狭小的装配空间需要大量硬件模块参与以实现装配，使得装配设备结构复杂，可靠性降低。因此可以采用并行装配方式，将待装配零件中的部分零件组合在一起作为一个子装配体单独装配，然后将装配好的子装配体参与与其他零件或子装配体的总装配。通过这种方式，总装与子装配体装配可以并行实行，提高了装配效率，同时也分散了装配设备的各种装配模块，大大降低了装配设备结构的复杂度。所以如何分离装配体中的子装配体对装配设备搭建具有重要意义，有较高的研究价值。

子装配体的提取大多依靠零件间的空间位置关系。文章“基于带权无向连接图的子装配体识别方法研究”(桂林电子科技大学学报，2008，28(1)：18-22)，采用带权无向连接图来描述零件间的连接方式(紧固连接或接触连接)，找到带权无向连接图中的最小环集，利用公共结点整合无向连接图中最小环集进而分离出结构稳定的子装配体。文章“在装配序列规划中子装配体识别方法研究”(机械设计与制造，2009(10)：126-128)，通过表示连接关系的有向图识别基础件，计算零件之间的装配难易程度建立赋权关联图，然后通过赋权关联图结合基础零件进行装配关联图的简化，在简化的配合关联图上识别子装配体。文章“装配序列规划中子装配体自动生成的算法”(机械设计与研究，2018(1))，将不包含基础件、具有硬连接关系且不影响后续装配过程的零件集合作为子装配体。作者建立表示零件之间联接关系的统一数学模型即装配体的联接关系图，寻找联接关系图中的极大连通子图，然后将符合子装配体定义的极大连通子图映射到装配体中，得到构成子装配体的零件集合。这些文献使用的干涉检测方法均是相关零件间的干涉关系检测，没有考虑全部零件间的干涉情况，且子装配体在连接图中并非均表现为环状结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了针对如何合理定制装配工艺流程以快速搭建装配设备问题，在已有研究基础上，综合考虑装配零件的空间干涉关系与零件间的连接关系，分离装配体中的子装配体。本发明提出一种基于待装配零件间空间干涉关系与连接关系的子装配体提取方法。

当装配体确定装配姿态后，可能存在无法装配的情况，对此需要利用子装配体的形式使装配能够成功进行。同时，当某些零件在装配联系上表现为“高内聚”特点，而与其他零件在装配联系上表现为“低耦合”特点时，该部分零件也可称为子装配体。因此需要分析零件在装配体中的空间位置关系，然后基于“高内聚、低耦合”的特点提取符合要求的子装配体。对此两种情况，若要分离装配体中的子装配体，需要包含建立约束矩阵、提取先后顺序、查找冲突零件集合、提取“高内聚、低耦合”子装配体。

本发明的技术方案如下：

一种基于干涉与连接关系的子装配体提取方法，具体如下：

步骤(1)、建立约束矩阵

约束矩阵包括反映装配时零件间干涉关系的干涉矩阵，以及表现零件间连接关系的连接矩阵。

干涉矩阵用于描述某一零件在装配过程中与其他零件的干涉关系。根据干涉矩阵的概念，将零件在5个方向(在实际装配平台中无法自下而上即在+z方向上装配)的干涉矩阵定义为：

I_ij＝{+x，-x，+y，-y，-z}

式中，I_ij表示装配零件j时，已装配零件i对零件j的干涉情况，5个方向的取值为0或1，1表示零件i与零件j在该方向上干涉，零件j无法装配，0表示零件i与零件j在该方向上不干涉，零件j可以装配。如I₁₂＝10100表示零件1装配后，零件2无法从+x、+y方向装配。

连接矩阵用于描述零件间的连接关系以及支撑关系，连接矩阵定义如下：

支撑表现为在重力作用下，某一已装配零件能够使其他零件保持在正确位置的能力。如C₁₂＝2表示为已装配的零件1与待装配零件2接触，并且保证待装配零件2能够稳定在正确的装配位置，待装配零件2不会在重力作用下发生移动；当待装配零件2只有一个支撑件即已装配的零件1时，待装配零件2的重心在已装配的零件1上。

干涉矩阵与连接矩阵有效反映了零件间的约束关系，以此矩阵为基础能够保证提取的子装配体遵守物理规则。

步骤(2)、提取先后顺序

为了便于查找零件间的装配关系，使用前置装配零件与后置装配零件来表达零件间的先后顺序。零件i的前置装配零件是指需要在装配零件i之前装配的零件集合{P_m，…，P_n}，0＜m≤n≤T，T为零件总数；零件i的后置装配零件是指在零件i装配之后才能够装配的零件集合{P_p，…，P_q}，0＜p≤q≤T。

选取基件，然后依次遍历干涉矩阵，查找每个零件的后置装配零件，并补充每个零件的前置装配零件；多次遍历，得到完整的先后顺序，具体如下：

选取零件f作为第一个装配件即基件，则零件f是其他所有零件的前置装配零件。对零件i、零件s以及零件i的n个前置装配零件P₁，P₂，…，P_n，若有等式成立，其中|为位或运算，则认为零件P₁，P₂，…，P_n，s装配之后，零件i因空间干涉而无法成功装配，又因零件P₁，P₂，…，P_n为零件i的前置装配零件，故零件s只能作为零件i的后置装配零件，同时将零件i作为零件s的前置装配零件。通过这种方式得到的先后顺序能够保证零件间不会发生空间干涉，作为下一步的判断依据。

步骤(3)、查找冲突零件集合，得到使装配可行的子装配体

在固定的装配姿态下，寻找干涉关系与支撑关系冲突的零件，干涉关系与支撑关系发生冲突的多个零件作为一个子装配体，并判断每个零件作为子装配体成员的可行性，具体如下：

对零件i分析，若零件i的前置装配零件中存在零件j使C_ij＝2，则认为零件i与零件j的干涉关系与支撑关系发生冲突。若C_nj≠2成立，其中，0＜n≤T，n≠i，则将零件j加入零件i的子装配体零件集合中，否则将零件j作为待考虑零件，待遍历所有零件后再处理待考虑零件的归属。若待考虑零件的前置装配零件中有零件属于零件i的子装配体，则将该待考虑零件加入零件i的子装配体零件集合中，否则认为该待考虑零件不作为零件i的子装配体零件，即非子装配体零件。

步骤(4)、提取高内聚、低耦合的子装配体

经过步骤(3)的筛选，非子装配体零件与已有子装配体间已不存在干涉与支撑冲突问题，然后在非子装配体零件中提取符合高内聚、低耦合特点的子装配体。

分离具有高内聚、低耦合特点的子装配体需要在非子装配体零件中找到一个零件S，使零件集合{P_a，…，P_b}中所有零件支撑的零件均在零件集合{P_a，…，P_b，S}中，且基件不在零件集合{P_a，…，P_b，S{中，其中0＜a≤b≤T；遍历所有非子装配体零件，寻找所有符合要求的零件集合{P_a，…，P_b，S}，具体如下：

对非子装配体的零件S分析，存在零件k，使C_Sk＝2，其中0＜k≤T，所有符合条件的零件k组成集合{k₁，…，k_n}，0＜n≤T。对某一非基件零件k_m，0＜m≤n，将零件S与零件k_m标记，寻找零件l，使所有符合条件且未标记的零件l组成集合{l₁，…，l_u}，0＜u≤T；若P_基件∈{l₁，…，l_u}，则认为零件k_m无法装配，否则将{l₁，…，l_u{标记。继续寻找零件q，对任意l_w∈{l₁，…，l_u}，存在其中0＜q≤T，所有符合条件且未标记的零件q组成集合{q₁，…，q_v}，0＜v≤T；若P_基件∈{q₁，…，q_v}，则认为零件k_m无法装配，否则将{q₁，…，q_v}标记。依次类推，直至寻找的零件集合为空，然后将除零件S的所有标记的零件组成集合{P_a，…，P_b{，0＜a≤b≤T，对于任意P_t∈{P_a，…，P_b{，a≤t≤b，存在零件z，使所有符合条件的零件z组成集合{z₁，…，z_d}，0＜d≤T，若{z₁，…，z_d}∈{P_a，…，P_b，S}，则认为零件k_m可以装配，标记的零件{P_a，…，P_b，S}作为零件S的子装配体成员零件，否则认为k_m不可装配；最终得到高内聚、低耦合的子装配体。

如此，便提取出了“高内聚、低耦合”的子装配体。“高内聚”表现为零件在空间位置上的紧密联系，“低耦合”表现为子装配体与外部连接少，具体表现为子装配体中仅有一个特殊零件，特殊零件支撑的所有零件并非全为子装配体成员零件。即子装配体只通过一个零件与其他零件连接，子装配体内部零件相互支撑。这样既满足了“高内聚”特点，也满足“低耦合”要求。

本发明的有益效果：本发明在综合考虑零件间干涉关系与连接关系后提取的子装配体，不仅解决了在固定位姿下部分零件无法装配的问题，还跳出了现有技术中“硬连接”与“环状结构”这个子装配体提取条件的束缚，提取具有“高内聚、低耦合”特点的子装配体。本发明便于定制合理的装配工艺流程，快速搭建装配设备，在装配时实现并行装配，提高装配效率，因而具有很高的实用价值。

附图说明

图1是柴油机机油泵分部件图；

图中：1-21为柴油机机油泵的21个零件，分别表示如下：1泵盖分部件；2主动轴分部件；3螺栓a；4垫圈a；5调整垫片a；6半圆键；7销a；8垫圈b；9垫圈c；10齿轮；11泵体分部件；12销b；13中间泵壳；14固定轴；15调整垫片b；16销c；17从动齿轮分部件；18盖板；20螺栓b；21垫片。

图2是干涉矩阵图；

图3是连接矩阵图；

图4是先后顺序图。

具体实施方式

以提取柴油机机油泵分部件中的子装配体为例，结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1为柴油机机油泵分部件，根据柴油机机油泵分部件中零件的空间位置关系建立零件间的干涉矩阵(图2)与连接矩阵(图3，以当前方向为装配方向)。选取零件11作为第一个装配零件，然后分析与零件1相关的装配顺序。在零件1的前置装配零件集合中加入零件11，遍历干涉矩阵发现I_11，1|I_3，1＝11111，将零件3作为零件1的一个后置装配零件，并将零件1作为零件3的一个前置装配零件。依次类推，多次遍历后得到零件间的先后关系(图4)。再利用连接矩阵，依次遍历零件，寻找符合子装配体要求的零件集合{P_a，…，P_b，S}，并给予子装配体编号。

如对零件20分析，零件20的前置装配为{P₁，P₂，P₁₁，P₁₂，P₁₃，P₁₄，P₁₈，P₁₉，P₂₁}，其中存在零件集合{P₁，P₁₈，P₁₉，P₂₁}，使C_20，1＝2，C_20，18＝2，C_20，19＝2，C_20，21＝2成立，因此零件间的支撑关系与干涉关系产生了冲突，需要使用子装配体使装配可行。其中因为存在零件3，使C_3，1＝2成立，所以将零件1作为待考虑零件；零件18、零件19和零件21均只被零件20支撑，即C_nj≠2(0＜n≤T，n≠i)成立。所以{P₁₈，P₁₉，P₂₀，P₂₁}可以组成一个子装配体。然后分析待考虑零件1，由于零件1的前置装配零件中不存在零件P_m∈{P₁₈，P₁₉，P₂₀，P₂₁{，所以零件1可以不作为该子装配体成员零件。所以将{P₁₈，P₁₉，P₂₀，P₂₁}作为一个子装配体。依照上述方法，得到子装配体1(3，4)和子装配体2(18，19，20，21)。

然后分析其余零件，寻找符合“高内聚、低耦合”特点的子装配体。对零件7分析，存在零件2、零件8，使C_7，2＝2，C_7，8＝2。先分析零件2，标记零件2与零件7，由于C_2，11＝2(零件11为基件)，所以认为零件2无法装配，取消前述标记。再分析零件8，标记零件7与零件8，C_8，2＝2，C_8，7＝2，其中零件7已标记，所以只有零件2符合寻找要求，如前面表述，零件2无法装配，所以零件8亦无法装配。所以零件7没有子装配体。

对零件14分析，存在零件11与零件17，使C_14，11＝2，C_14，17＝2。非基件零件只有零件17，故对零件17分析，将零件14与零件17标记。遍历连接矩阵后只有C_17，14＝2，由于零件14已标记，所以没有找到符合寻找要求的零件，故将已标记零件作为子装配体，即零件14与零件17。

最终得到的子装配体有：子装配体1(3，4)、子装配体2(18，19，20，21)、子装配体3(14，17)，分析可知，该分配结果合理。

本方法对其他装配体同样适用。本发明能够提取出装配体中存在的子装配体，以便定制合理的装配工艺流程，快速搭建装配设备，在装配时实现并行装配，提高装配效率，因而具有很高的实用价值。

Claims (1)

1.一种基于干涉与连接关系的子装配体提取方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤(1)、建立约束矩阵

干涉矩阵用于描述某一零件在装配过程中与其他零件的干涉关系，将零件在5个方向的干涉矩阵定义为：

I_ij＝{+x，-x，+y，-y，-z}

式中，I_ij表示装配零件j时，已装配零件i对零件j的干涉情况，5个方向的取值为0或1，1表示零件i与零件j在该方向上干涉，零件j无法装配，0表示零件i与零件j在该方向上不干涉，零件j可以装配；

连接矩阵用于描述零件间的连接关系以及支撑关系，连接矩阵定义如下：

步骤(2)、提取先后顺序

选取基件，然后依次遍历干涉矩阵，查找每个零件的后置装配零件，并补充每个零件的前置装配零件；多次遍历，得到完整的先后顺序，具体如下：

选取零件f作为第一个装配件即基件，则零件f是其他所有零件的前置装配零件；对零件i、零件s以及零件i的n个前置装配零件P₁，P₂，…，P_n，若有等式成立，其中|为位或运算，则认为零件P₁，P₂，…，P_n，s装配之后，零件i因空间干涉而无法成功装配，又因零件P₁，P₂，…，P_n为零件i的前置装配零件，故零件s只能作为零件i的后置装配零件，同时将零件i作为零件s的前置装配零件；

步骤(3)、查找冲突零件集合，得到使装配可行的子装配体

在固定的装配姿态下，寻找干涉关系与支撑关系冲突的零件，干涉关系与支撑关系发生冲突的多个零件作为一个子装配体，并判断每个零件作为子装配体成员的可行性，具体如下：

对零件i分析，若零件i的前置装配零件中存在零件j使C_ij＝2，则认为零件i与零件j的干涉关系与支撑关系发生冲突；若C_nj≠2成立，其中，0＜n≤T，n≠i，则将零件j加入零件i的子装配体零件集合中，否则将零件j作为待考虑零件，待遍历所有零件后再处理待考虑零件的归属；若待考虑零件的前置装配零件中有零件属于零件i的子装配体，则将该待考虑零件加入零件i的子装配体零件集合中，否则认为该待考虑零件不作为零件i的子装配体零件，即非子装配体零件；

步骤(4)、提取高内聚、低耦合的子装配体

分离具有高内聚、低耦合特点的子装配体需要在非子装配体零件中找到一个零件S，使零件集合{P_a，…，P_b}中所有零件支撑的零件均在零件集合{P_a，…，P_b，S}中，且基件不在零件集合{P_a，…，P_b，S}中，其中0＜a≤b≤T；遍历所有非子装配体零件，寻找所有符合要求的零件集合{P_a，…，P_b，S}，具体如下：

对非子装配体的零件S分析，存在零件k，使C_Sk＝2，其中0＜k≤T，所有符合条件的零件k组成集合{k₁，…，k_n}，0＜n≤T；对某一非基件零件k_m，0＜m≤n，将零件S与零件k_m标记，寻找零件l，使所有符合条件且未标记的零件l组成集合{l₁，…，l_u}，0＜u≤T；若P_基件∈{l₁，…，l_u}，则认为零件k_m无法装配，否则将{l₁，…，l_u}标记；继续寻找零件q，对任意l_w∈{l₁，…，l_u}，存在其中0＜q≤T，所有符合条件且未标记的零件q组成集合{q₁，…，q_v}，0＜v≤T；若P_基件∈{q₁，…，q_v}，则认为零件k_m无法装配，否则将{q₁，…，q_v}标记；依次类推，直至寻找的零件集合为空，然后将除零件S的所有标记的零件组成集合{P_a，…，P_b}，0＜a≤b≤T，对于任意P_t∈{P_a，…，P_b}，a≤t≤b，存在零件z，使所有符合条件的零件z组成集合{z₁，…，z_d}，0＜d≤T，若{z₁，…，z_d}∈{P_a，…，P_b，S}，则认为零件k_m可以装配，标记的零件{P_a，…，P_b，S}作为零件S的子装配体成员零件，否则认为k_m不可装配；最终得到高内聚、低耦合的子装配体。