CN117648730B - 一种装配体的状态确定方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种装配体的状态确定方法、装置、设备和存储介质，应用于计算机辅助设计技术领域，获取目标装配体对应的装配几何元素组，依据装配几何元素组建立装配约束***，本申请中的装配约束***是采用带权无向图表征的连通图，该连通图用于表征工程的实际情况中涉及的装配几何元素的状态，以保证装配约束***的求解结果与实际工况相匹配。之后，抽象分解装配约束***，得到树状装配约束***，最后，从下到上对树状装配约束***逐层求解，得到装配几何元素组对应的最优装配位姿，将装配约束***抽象成树形结构，逐层进行求解，提高了装配体状态的确定效率。

Description

一种装配体的状态确定方法、装置、设备和存储介质

技术领域

本申请属于计算机辅助设计技术领域，尤其涉及一种装配体的状态确定方法、装置、设备和存储介质。

背景技术

装配模块是CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）应用的典型模块，用户使用装配模块将各种零件装配成复杂的部件或产品，这一过程是产品设计中的关键环节，对产品开发具有很大的影响。重要的，装配模块的关键技术是对装配约束***的求解，即确定装配过程中满足给定装配约束的各装配***姿。装配约束***是指在装配设计中，通过一定的约束关系，将多个零部件组装在一起，形成一个完整的产品。

已知技术中，装配约束***的求解方法主要有两种：第一种是基于符号的推导方法，第二种是基于数值的迭代求解方法。相同的是，两种装配约束***的求解方法都会将装配约束***转化为一种非线性方程组。不同的是，第一种基于符号的推导方法使用计算机代数技术，例如图方法、拓扑代数等决定非线性方程组的求解次序，逐步满足每个约束；基于数值的迭代求解方法主要是通过数值迭代的方法，例如拟牛顿法求解非线性方程组。

第一种装配约束***求解方法的求解过程比较复杂，可以处理的场景有限，由于这种方法只是单纯的从代数角度出发处理非线性方程组，得到的求解结果存在与工程的实际情况不匹配的问题；第二种装配约束***求解方法的求解速度较慢，收敛性不稳定。故，已知的这两种装配约束***求解方法的求解效率不高。

综上所述，如何在与工程的实际情况匹配的情况下，高效率的完成装配体的状态确定，成为本领域所要解决的技术难题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种装配体的状态确定方法、装置、设备和存储介质，以用于解决求解结果存在与工程的实际情况不匹配的问题以及装配体状态确定过程效率不高的问题。

为解决上述问题，本申请提供如下方案：

一种装配体的状态确定方法，包括：

获取目标装配体对应的装配几何元素组，依据装配几何元素组建立装配约束***，装配约束***为采用带权无向图表征的连通图；

抽象分解装配约束***，得到树状装配约束***；

从下到上对树状装配约束***进行逐层求解，得到装配几何元素组对应的最优装配位姿。

可选的，依据目标装配几何元素组建立装配约束***，包括：

将各个装配几何元素抽象成带权无向图中的节点；

将每两个装配几何元素之间的装配约束抽象成带权无向图中的边，并，将装配约束所限制的自由度作为边的权重。

可选的，抽象分解装配约束***，得到树状装配约束***，包括：

采用图解法抽象分解装配约束***，得到树状装配约束***；树状装配约束***中除根节点外的其他节点为装配约束子图或退化的刚体块子图。

可选的，采用图解法抽象分解装配约束***，包括：

对装配约束***进行刚体块退化处理，直至形成二连通图，将二连通图进行拆解，并对拆解后的装配约束***继续进行刚体块退化处理，得到包括的节点为装配约束子图或退化的刚体块子图的树状装配约束***；装配约束子图为二连通图。

可选的，树状装配约束***中的任一节点存储着任一节点以及与任一节点具有连接关系的其他节点间的连接信息。

可选的，从下到上对树状装配约束***逐层求解，包括：

采用数值求解方法从下到上对树状装配约束***进行求解，处于同一层的节点并行求解。

可选的，还包括：

依据树状装配约束***的求解结果，对装配几何元素组中的各个装配几何元素进行装配，得到目标装配体。

一种装配体的状态确定装置，包括：

建立单元、抽象分解单元和求解单元；其中：

建立单元，用于获取目标装配体对应的装配几何元素组，依据装配几何元素组建立装配约束***，装配约束***为采用带权无向图表征的连通图；

抽象分解单元，用于抽象分解装配约束***，得到树状装配约束***；

求解单元，用于从下到上对树状装配约束***进行逐层求解，得到装配几何元素组对应的最优装配位姿。

一种装配体的状态确定设备，包括存储器和处理器；

存储器用于存储指令；

处理器用于执行存储器中存储的指令，以实现如上文任一项所述的装配体的状态确定方法。

一种存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，能实现如上文任一项所述的装配体的状态确定方法。

由以上方案可知，本申请公开的装配体的状态确定方法、装置、设备和存储介质，获取目标装配体对应的装配几何元素组，依据装配几何元素组建立装配约束***，本申请中的装配约束***是采用带权无向图表征的连通图，该连通图用于表征工程的实际情况中涉及的装配几何元素的状态，以保证装配约束***的求解结果与实际工况相匹配。之后，抽象分解装配约束***，得到树状装配约束***，最后，从下到上对树状装配约束***逐层求解，得到装配几何元素组对应的最优装配位姿，将装配约束***抽象成树形结构，逐层进行求解，提高了装配体状态的确定效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的装配场景下的几何元素示例图；

图2是本申请提供的草图场景下的几何元素示例图；

图3是本申请提供的装配体的状态确定方法的一种流程示意图；

图4是本申请提供的四杆结构及其抽象成的带权无向图的对应示例图；

图5是本申请提供的带权无向图的分割示例图；

图6是本申请提供的带权无向图的刚体块退化过程示例图；

图7是本申请提供的刚体块树的示例图；

图8是本申请提供的树状装配约束***示例图；

图9是本申请提供的树状装配约束***的求解过程示例图；

图10是本申请提供的装配体的状态确定方法的另一种流程示意图；

图11是本申请提供的装配体的状态确定装置的组成结构图；

图12是本申请提供的装配体的状态确定设备的硬件结构框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。

需要注意，本申请中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本申请中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

在装配模块中经常使用约束求解器对装配约束***进行求解，即约束求解器能够在满足所有指定约束的条件下，确定几何对象的可行状态，几何对象也可以称为几何元素，几何元素可以是零部件外形、尺寸、位置等，还可以是零部件之间的相互关系和约束等等。

在实际应用中，从应用场景角度出发可以将约束求解器分为面向装配场景的约束求解器和面向草图的约束求解器。这两种约束求解器有很大的不同：在装配场景下的几何元素是刚体，形状不可改变，只有位置可以调整，示例性的，参见图1，本申请提供的装配场景下的几何元素示例图，由图1不难发现，在装配场景下的几何元素处于欠约束的状态；而在草图场景下的几何元素具有环结构的特点，示例性的，参见图2，本申请提供的草图场景下的几何元素示例图，由图2不难发现，在草图场景下的几何元素处于全约束状态。

在具体的求解过程中，约束求解器使用的基于符号的推导方法和基于数值的迭代求解方法这两种求解方法，都将约束求解问题转化为非线性方程组求解。

其中，面向装配场景的约束求解器会得到许多不期望的结果。对于欠约束***来说，它的解可以在一个多维空间中取值，在求解过程中因无法对欠约束***所在的空间进行解耦，故，计算得到的解通常会包含一些不期望的自由度的耦合，从而得到解并不精准，后续用户在调整零部件位置的时候得到的效果相应的也会不理想。

综上所述，已知的装配约束***的求解方法得到的求解结果与工程的实际情况不匹配，并且，求解效率不高。

为了解决上述问题，发明人提出，可以采用统一的方式表示装配几何元素以及约束待求参数，使装配约束***的求解结果与工程的实际情况相匹配；更好的布局求解顺序，以高效率的完成装配约束***的求解，即高效率的完成装配体的状态确定。

故，本申请公开一种装配体的状态确定方法、装置、设备和存储介质。

参见图3，本申请提供的装配体的状态确定方法的一种流程示意图，如图3所示，装配体的状态确定方法包括以下步骤：

步骤101、获取目标装配体对应的装配几何元素组，依据装配几何元素组建立装配约束***，装配约束***为采用带权无向图表征的连通图。

需要说明的是，目标装配体可以是由多个零部件或其他子装配体所组成的一个组合体，具体可以为用装配几何元素组中各个几何元素装配而成的组合体。装配几何元素组包括零部件的外形、尺寸、位置等，还可以包括零部件之间的相互关系和约束。示例性的，在机械设计中，可以将螺母、螺钉等零件组装在一起，形成一台发动机。

在本申请中，装配约束***为采用带权无向图表征的连通图，具体的，将各个装配几何元素抽象成带权无向图中的节点，每两个装配几何元素之间的装配约束抽象成带权无向图的边，将装配约束所限制的自由度作为边的权重。

示例性的，参见图4，本申请提供的四杆结构及其抽象成的带权无向图的对应示例图。

先将该四杆结构进行分块，主要分为四块：杆1、杆2、杆3和杆4。由图4可知，该四杆结构中的装配几何元素主要包括杆1、杆2、杆3、杆4以及四个杆之间的约束关系，将杆1、杆2、杆3、杆4抽象成带权无向图中的节点。需要说明的是，一个装配几何元素具有6个自由度，自由度主要用于表征装配几何元素在不违反任何限制条件下可自由变化的维度，可以理解的是，图4中的各个杆在不考虑限制条件下的可自由变化的维度为6。之后，将每两个杆之间的约束作为带权无向图的边，并且，将约束限制的自由度个数作为边的权重，故，得到杆1和杆2、杆2和杆3、杆3和杆4之间的权重都为5，杆4和杆1之间的权重为2。

可选的，获取目标装配体对应的装配几何元素组，通过将装配几何元素组抽象成采用带权无向图表征的连通图的方式建立本申请中的装配约束***。

本步骤采用带权无向图表征装配体中的各个装配几何元素，从而建立装配约束***，相较于已知技术中的装配约束***，降低了装配约束***的维度，并且，抽象成的装配约束***中的节点、边和自由度与实际工况中的几何元素的真实情况相匹配，高度还原了实际工况，进一步提高了本申请中的装配约束***的求解结果的精确度。

步骤102、抽象分解装配约束***，得到树状装配约束***。

需要说明的是，抽象分解主要是采用图解法，将装配约束***处理为树状装配约束***。图解法也可以称为图分解法，图分解法可以将带权无向图分割成二连通图和只包含两个节点的最简图，同时，对带权无向图进行刚体块退化的处理，最终得到一颗刚体块树，即树状装配约束***。

具体的，分割主要是根据割点对带权无向图进行分割。示例性的，参见图5，本申请提供的带权无向图的分割示例图。如图5所示，节点2、节点3和节点4都是割点，本示例中，通过割点将左边的带权无向图分割为三个子图。

刚体块为图中若干节点所组成的子图的自由度为6，子图自由度的计算公式为：

其中，n为子图节点个数，k为子图边个数，w _i 为边i的权重。

需要说明的是，刚体块可以退化为一个节点，对于一个包刚体块的带权无向图来说，随着子刚体块的不断退化，最后可以形成一棵刚体块树。

示例性的，参见图6，本申请提供的带权无向图的刚体块退化过程示例图。如图6所示，框出的子图为刚体块，带权无向图退化称为一个环状的连通图。

示例性的，参见图7，本申请提供的刚体块树的示例图。图7中所示的刚体块树由图6中的带权无向图退化得到。

可选的，采用图解法抽象分解装配约束***，得到除根节点外的其他节点为装配约束子图或退化的刚体块子图的树状装配约束***。

具体的，对装配约束***进行刚体块退化处理，直至形成二连通图，根据割点将二连通图进行分割拆解，并对拆解后的装配约束***继续进行退化处理，得到节点为装配约束子图或退化的刚体块子图的树状装配约束***。该约束***中的任意一个节点存储着该节点与与之具有连接关系的其他节点之间的连接信息，可以理解的是，连接信息记录着装配约束子图或退化的刚体块子图与树状装配约束***中的其他节点的连接关系，用于恢复原始的装配约束图和传导求解信息。

示例性的，参见图8，本申请提供的树状装配约束***示例图。主要按照刚体块退化的过程逐层布局，最终形成树结构。

本步骤利用带权无向图自身的性质和原理，将装配约束***进行刚体块退化和拆解处理成树状装配约束***，便于装配几何元素的存储和装配约束***的求解。

步骤103、从下到上对树状装配约束***进行逐层求解，得到装配几何元素组对应的最优装配位姿。

需要说明的是，本申请采用的求解方法可以是数值法，具体可以是拟牛顿法或其他数值法。

可选的，采用数值法从下到上逐层对树状装配约束***进行求解，得到装配几个元素组中各个装配几何元素的最优装配位姿。

具体的，从下到上依次对树状装配约束***中的每一个树节点使用数值求解方法，将树节点内的子图组装成非线性方程，采用拟牛顿法求解方程组的数值解，需要说明的是，初值使用当前的几何状态，可以保证数值解落到与当前状态一致的区间内。并且，在求解过程中，处于同一层的节点可以并行求解。

示例性的，参见图9，本申请提供的树状装配约束***的求解过程示例图。

如图9所示，根据树状装配约束***的层数可以分为四个求解步骤，第一步，求解子图1；第二步，求解子图2；第三步，求解子图3、4、5，对应的，子图3、4、5处于树状装配约束***的同一层，故，可以并行求解；第四步，求解子图6。需要说明的是，矩形框左上角的、以黑色填充且包含白色数字的圆内的数字为所需求解的各个子图的编号。

本步骤的求解过程中，处于树状装配约束***同一层的子图可以并行求解，可以加快装配约束***的求解速度，提高装配约束***的求解效率，从而提高装配体的状态确定效率。

本申请对装配约束***先采用分块降维，再进行局部扩散求解的整体思路，达到提高装配体状态的确定效率的目的。

综上所述，本申请公开的装配体的状态确定方法，获取目标装配几何元素组，依据目标装配几何元素组建立装配约束***，本申请中的装配约束***是采用带权无向图表征的连通图，该连通图用于表征工程的实际情况中涉及的装配几何元素的状态，以保证装配约束***的求解结果与实际工况相匹配。之后，抽象分解装配约束***，得到树状装配约束***，最后，从下到上对树状装配约束***逐层求解，得到目标装配几何元素组对应的最优装配位姿，将装配约束***抽象成树形结构，在求解的时候可以逐层进行，提高了装配体状态的确定效率。

可选的，参见图10，本申请提供的装配体的状态确定方法的另一种流程示意图，如图10所示，本申请提供的装配体的状态确定方法还包括以下步骤：

步骤201、依据树状装配约束***的求解结果，对装配几何元素组中的各个装配几何元素进行装配，得到目标装配体。

需要说明的是，求解结果为装配几何元素组中的各个装配几何元素对应的最优装配位姿。

可选的，以装配几何元素组中的各个装配几何元素的最优装配位姿进行装配，得到装配体。

综上所述，本申请提供的装配体的状态确定方法，通过图解法降低装配约束***的维度，然后再通过解析法逐个求解子***，从而提高装配约束***的求解效率，即提高装配体的状态的确定效率。

对于上述装配体的状态确定方法，本申请还提供了一种装配体的状态确定装置，该装置的组成如图11所示。

建立单元10、抽象分解单元20和求解单元30；其中：

建立单元10，用于获取目标装配体对应的装配几何元素组，依据装配几何元素组建立装配约束***，装配约束***为采用带权无向图表征的连通图；

抽象分解单元20，用于抽象分解装配约束***，得到树状装配约束***；

求解单元30，用于从下到上对树状装配约束***进行逐层求解，得到装配几何元素组对应的最优装配位姿。

在一实施方式中，建立单元10，具体用于：

将各个装配几何元素抽象成带权无向图中的节点；

将每两个装配几何元素之间的装配约束抽象成带权无向图中的边，并，将装配约束所限制的自由度作为边的权重。

在一实施方式中，抽象分解单元20，具体用于：

采用图解法抽象分解装配约束***，得到树状装配约束***；树状装配约束***中除根节点外的其他节点为装配约束子图或退化的刚体块子图。

在一实施方式中，抽象分解单元20，具体用于：

对装配约束***进行刚体块退化处理，直至形成二连通图，将二连通图进行拆解，并对拆解后的装配约束***继续进行刚体块退化处理，得到包括的节点为装配约束子图或退化的刚体块子图的树状装配约束***；装配约束子图为二连通图。

在一实施方式中，抽象分解单元20中的树状装配约束***中的任一节点存储着任一节点以及与任一节点具有连接关系的其他节点间的连接信息。

在一实施方式中，求解单元30，具体用于：

采用数值求解方法从下到上对树状装配约束***进行求解，处于同一层的节点并行求解。

在一实施方式中，上述装置还包括装配单元，具体用于：

依据树状装配约束***的求解结果，对装配几何元素组中的各个装配几何元素进行装配，得到目标装配体。

可选的，本申请还提供了装配体的状态确定设备，如图12所示的本申请提供的装配体的状态确定设备的硬件结构框图，主要包括处理器1和存储器3，并且至少一个处理器1，至少一个通信接口2，至少一个存储器3和至少一个通信总线4。

存储器3用于存储指令；

处理器1用于执行存储器中存储的指令，以实现装配体的状态确定方法的各个处理流程。

另外，本申请实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，能实现装配体的状态确定方法的各个处理流程。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

为了描述的方便，描述以上***或装置时以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。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，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一、第二、第三和第四等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种装配体的状态确定方法，其特征在于，包括：

获取目标装配体对应的装配几何元素组，依据所述装配几何元素组建立装配约束***，所述装配约束***为采用带权无向图表征的连通图；

抽象分解所述装配约束***，得到树状装配约束***；

从下到上对所述树状装配约束***进行逐层求解，得到所述装配几何元素组对应的最优装配位姿；

所述依据所述装配几何元素组建立装配约束***，包括：

将各个装配几何元素抽象成所述带权无向图中的节点；

将每两个所述装配几何元素之间的装配约束抽象成所述带权无向图中的边，并，将所述装配约束所限制的自由度作为所述边的权重；

所述抽象分解所述装配约束***，得到树状装配约束***，包括：

对所述装配约束***进行刚体块退化处理，直至形成二连通图，根据割点将所述二连通图进行拆解，并对拆解后的所述装配约束***继续进行所述刚体块退化处理，得到包括的节点为所述装配约束子图或所述退化的刚体块子图的树状装配约束***；所述装配约束子图为所述二连通图，所述树状装配约束***中除根节点外的其他节点为装配约束子图或退化的刚体块子图，所述树状装配约束***中的任一节点存储着所述任一节点以及与所述任一节点具有连接关系的其他节点间的连接信息，所述刚体块为所述装配约束***中若干节点所组成的子图的自由度为6。

2.根据权利要求1所述的装配体的状态确定方法，其特征在于，所述从下到上对所述树状装配约束***进行逐层求解，包括：

采用数值求解方法从下到上对所述树状装配约束***进行求解，处于同一层的节点并行求解。

3.根据权利要求1所述的装配体的状态确定方法，其特征在于，还包括：

依据所述树状装配约束***的求解结果，对所述装配几何元素组中的各个装配几何元素进行装配，得到所述目标装配体。

4.一种装配体的状态确定装置，其特征在于，包括：

建立单元、抽象分解单元和求解单元；其中：

所述建立单元，用于获取目标装配体对应的装配几何元素组，依据所述装配几何元素组建立装配约束***，所述装配约束***为采用带权无向图表征的连通图；

所述抽象分解单元，用于抽象分解所述装配约束***，得到树状装配约束***；

所述求解单元，用于从下到上对所述树状装配约束***进行逐层求解，得到所述装配几何元素组对应的最优装配位姿；

所述建立单元具体用于：

将各个装配几何元素抽象成所述带权无向图中的节点；

将每两个所述装配几何元素之间的装配约束抽象成所述带权无向图中的边，并，将所述装配约束所限制的自由度作为所述边的权重；

所述抽象分解单元具体用于：

对所述装配约束***进行刚体块退化处理，直至形成二连通图，根据割点将所述二连通图进行拆解，并对拆解后的所述装配约束***继续进行所述刚体块退化处理，得到包括的节点为所述装配约束子图或所述退化的刚体块子图的树状装配约束***；所述装配约束子图为所述二连通图，所述树状装配约束***中除根节点外的其他节点为装配约束子图或退化的刚体块子图，所述树状装配约束***中的任一节点存储着所述任一节点以及与所述任一节点具有连接关系的其他节点间的连接信息，所述刚体块为所述装配约束***中若干节点所组成的子图的自由度为6。

5.一种装配体的状态确定设备，其特征在于，包括存储器和处理器；

所述存储器用于存储指令；

所述处理器用于执行所述存储器中存储的指令，以实现权利要求1-3任一项所述的装配体的状态确定方法。

6.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，能实现如权利要求1-3任一项所述的装配体的状态确定方法。