專利名稱：一種計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品裝配序列生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品裝配序列的生成方法。
背景技術(shù)：
裝配是產(chǎn)品制造過程中的重要環(huán)節(jié)，裝配的效率和質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的制造成本
和最終質(zhì)量有著極大的影響。產(chǎn)品裝配序列的自動(dòng)生成(ASP)是計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃(CAAP)的重要任務(wù)之一。由于ASP問題屬NP難問題，近年來國內(nèi)外對(duì)此技術(shù)的研究十分活躍。
智能規(guī)劃(AI Planning)是人工智能研究的重要而活躍的分支，旨在以智能化的方法自動(dòng)或半自動(dòng)地生成滿足要求的動(dòng)作序列(稱為一個(gè)計(jì)劃或規(guī)劃)。智能規(guī)劃在交通與物流、智能制造、航天器運(yùn)行、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、建筑工程、工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景(參考文獻(xiàn)宋涇舸，査建中，陸一平.智能規(guī)劃研究綜述一一個(gè)面向應(yīng)用的視角.智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2007, 2 (2))。層次任務(wù)網(wǎng)(Hierarchical Task Network,簡稱HTN)規(guī)劃是智能規(guī)劃的一種基本規(guī)劃框架，是面向工程實(shí)際提出的技術(shù)。HTN規(guī)劃通過對(duì)目標(biāo)任務(wù)的層次分解形成由底層操作構(gòu)成的規(guī)劃，適用于大規(guī)模、層次任務(wù)環(huán)境中的工作計(jì)劃與流程的計(jì)算機(jī)輔助制定。
任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)和分解策略的設(shè)計(jì)是HTN規(guī)劃方法的關(guān)鍵。然而，由于ASP
問題中系統(tǒng)的初始狀態(tài)通常是一些未組裝成的零散部件，缺少層次結(jié)構(gòu)，而目前智能規(guī)劃領(lǐng)域的主流建模語言PDDL又缺少層次描述能力，HTN規(guī)劃在ASP問題中應(yīng)用較少。

發(fā)明內(nèi)容
為了發(fā)揮HTN規(guī)劃方法的優(yōu)勢，針對(duì)以上不足，本發(fā)明以產(chǎn)品層次描述為 基礎(chǔ)，提出了一種裝配序列生成的方法，為解決大規(guī)模、復(fù)雜產(chǎn)品裝配序列生 成問題提供了一種新的技術(shù)途徑。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案是
一種計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品裝配序列的生成方法，包括-
(1) 基于層次任務(wù)網(wǎng)規(guī)劃方法，構(gòu)建產(chǎn)品裝配知識(shí)庫結(jié)構(gòu)；
(2) 虛擬裝配體綁定過程，即以虛擬裝配體的層次結(jié)構(gòu)和零部件的連接結(jié)構(gòu) 為指導(dǎo)，將實(shí)際零部件綁定到虛擬裝配體的相應(yīng)虛擬零部件上；
(3) 生成基于虛擬裝配體綁定的產(chǎn)品裝配序列。
其中，基于層次任務(wù)網(wǎng)規(guī)劃方法構(gòu)建而成的知識(shí)庫結(jié)構(gòu)，包括:零部件集合、
裝配體層次結(jié)構(gòu)、任務(wù)層次及任務(wù)分解策略四個(gè)知識(shí)模塊。
所述基于虛擬裝配體綁定的產(chǎn)品裝配序列生成方法，是將產(chǎn)品層次結(jié)構(gòu)視 為一個(gè)虛擬裝配體，裝配序列的生成過程就是將實(shí)際零部件綁定到虛擬裝配體 的相應(yīng)虛擬零部件上的過程。零件的綁定是以虛擬裝配體的層次結(jié)構(gòu)和零部件
的連接結(jié)構(gòu)為指導(dǎo)的。任務(wù)層次的制定是以裝配體的層次結(jié)構(gòu)為依據(jù)的；任務(wù) 分解策略是沿裝配體層次結(jié)構(gòu)自頂向下不斷細(xì)化，并自下向上逐層綁定的過程。
所述任務(wù)層次的知識(shí)模塊，是裝配任務(wù)類型根據(jù)裝配體的結(jié)構(gòu)層次從上至 下分四類，依次是頂層任務(wù)、子任務(wù)、底層任務(wù)、裝配操作。裝配操作的形式 按所述基于虛擬裝配體綁定的產(chǎn)品裝配序列生成方法設(shè)計(jì)。
本發(fā)明取得的有益效果是能夠使產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃的知識(shí)庫構(gòu)建變得結(jié) 構(gòu)清晰、易理解，任務(wù)的層次設(shè)計(jì)和分解策略制定更有條理和針對(duì)性，由此提高產(chǎn)品裝配序列生成的靈活性和效率，推動(dòng)ASP技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。


圖l是裝配序列生成方法流程圖； 圖2是產(chǎn)品裝配知識(shí)庫結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3 (a)、 (b)、 (c)是虛擬裝配體綁定過程示意圖； 圖4是電動(dòng)自行車層次結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述
圖1是本發(fā)明提出的一種計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品裝配序列生成方法的流程圖，包
括
步驟l，基于層次任務(wù)網(wǎng)規(guī)劃方法，構(gòu)建產(chǎn)品裝配知識(shí)庫結(jié)構(gòu)； 步驟2，虛擬裝配體綁定過程，以虛擬裝配體的層次結(jié)構(gòu)和零部件的連接結(jié) 構(gòu)為指導(dǎo)，將實(shí)際零部件綁定到虛擬裝配體的相應(yīng)虛擬零部件上； 步驟3，生成基于虛擬裝配體綁定的產(chǎn)品裝配序列。
圖2是產(chǎn)品裝配知識(shí)庫的結(jié)構(gòu)示意圖，在圖2中，產(chǎn)品裝配知識(shí)庫的結(jié)構(gòu) 由零部件集合、裝配體層次結(jié)構(gòu)、任務(wù)層次、任務(wù)分解策略四部分構(gòu)成。零部 件集合包括按部件類型分類的零部件的集合；裝配體層次結(jié)構(gòu)根據(jù)裝配體的結(jié) 構(gòu)特征形成層次化的子裝配體，最底層是零件，這一裝配體層次結(jié)構(gòu)在裝配序 列生成的過程初始階段實(shí)例化為一個(gè)或多個(gè)虛擬裝配體，供裝配不同數(shù)量的產(chǎn) 品使用。因此虛擬裝配體的知識(shí)模塊包含裝配體層次結(jié)構(gòu)中已預(yù)定的產(chǎn)品層次 結(jié)構(gòu)和部件裝配結(jié)構(gòu)的知識(shí)描述，其中所有部件都是由虛擬的零部件構(gòu)成的， 虛擬的零部件有形狀，有類型，占有一定空間，具有與裝配體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的唯一 名稱，不能重復(fù)，虛擬部件是不可裝配和拆卸的；任務(wù)層次根據(jù)裝配體層次結(jié)構(gòu)中的子裝配體層次設(shè)計(jì)，最底層是裝配操作；任務(wù)分解策略根據(jù)任務(wù)細(xì)化的 層次逐層設(shè)計(jì)。
任務(wù)層次從上至下分四類，依次是
(1) 頂層任務(wù)就是裝配目標(biāo)產(chǎn)品，其形式可表示為
其中pw(i是產(chǎn)品名禾爾，owewWe—ajww/w"是頂層^f壬務(wù)名。
(2) 子任務(wù)就是裝配某個(gè)零部件或子裝配體。這里有兩種情況， 一種是 子裝配體本身的組裝，其任務(wù)形式可表示為
其中咖emWe是裝配任務(wù)名，so是虛擬裝配體或虛擬子裝配體名。如組裝一 個(gè)車前輪。
另一種是將一個(gè)零部件或子裝配體安裝到一個(gè)裝配體的某個(gè)部位，其任務(wù)形 式可表示為
其中fl^ew6/e—compowe"f是任務(wù)名，vo是要安裝的虛擬部件或虛擬子裝配 體。由于裝配體結(jié)構(gòu)已確定，安裝位置由虛擬裝配體中的部件連接關(guān)系確定， 故任務(wù)形式中不顯示描述裝配位置。如'安裝中軸'就是將中軸安裝到車架的 指定位置。
(3) 底層任務(wù)是直接針對(duì)裝配操作的任務(wù)，其形式與裝配操作形式相近， 表示為
其中wse附We—flWo"是任務(wù)名，o是待裝零部件，^是安裝位置，f/是裝配工 具。如用扳手將鞍座裝到車架的指定位置。(4)裝配操作就是將零部件綁定到虛擬零部件或子裝配體，其任務(wù)形式
為
: a ，a^附Wed(o,w》
(co朋e"(V(9p^)， (cw we"(o,Oj)， a^附6/e6 (o，wJ))
其中COM"e"是表示某種連接關(guān)系的謂詞，VO;是待裝零部件O對(duì)應(yīng)的虛擬零部
件，w是要安裝的位置。狀態(tài)描述owem6/^^，vo"用來表示待裝零部件o已與虛 擬零部件vo;綁定，即已經(jīng)安裝，綁定過程見后面圖3的說明。這樣可以從零部件 和裝配體兩個(gè)側(cè)面反映裝配情況，為后續(xù)推理提供信息。
在這一框架下，裝配操作可理解為一種最底層的任務(wù)，故將其放在任務(wù)層 的最底層，但裝配操作仍可在其他任務(wù)層中使用。
任務(wù)分解策略通過不同類型子任務(wù)的相互嵌套實(shí)現(xiàn)裝配體和零部件裝配的 逐層展開。以7^任務(wù)的分解為例，在不考慮部件裝配的順序約束的情況下，可 以采用如下深度優(yōu)先的遞歸分解策略
(1) 若oe&6且O是一個(gè)子裝配體，則用7^裝配該子裝配體；遞歸執(zhí)行任
務(wù);
(2) 若。esw且o是一個(gè)零件，則用r,。裝配這個(gè)零件；遞歸執(zhí)行任務(wù)7; 6;
(3) 任務(wù)分解結(jié)束。
該策略體現(xiàn)了 "先局部后整體"的常用裝配順序。事實(shí)上，根據(jù)不同裝配
體的特點(diǎn)制定相應(yīng)的局部裝配順序可以有效降低問題求解的復(fù)雜度，這是HTN 規(guī)劃的特點(diǎn)所在。
圖3 (a)、 (b)、 (c)是裝配過程中的虛擬裝配體綁定過程示意圖。圖3 (a) 是沒有開始裝配前的描述，左邊的零部件集合是實(shí)的，右邊的虛擬裝配體是虛 的，它們彼此沒有關(guān)聯(lián)；圖3 (b)是裝配中的描述，這是有部分零部件與虛擬產(chǎn)品中的相應(yīng)虛擬部件建立了聯(lián)系，即形成了裝配；圖3 (c)是完全裝配完成 后的描述，這時(shí)虛擬裝配體的所有部件都已實(shí)化，裝配因此完成。虛擬部件實(shí) 化的序列l(wèi)-2-3-4-5-6即為產(chǎn)品裝配的序列。
下面以電動(dòng)自行車(簡稱電動(dòng)車)裝配序列的生成為例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步 說明。知識(shí)庫采用MIPL語言構(gòu)建，該語言支持層次系統(tǒng)下的HTN規(guī)劃知識(shí)的構(gòu)建 (參考文獻(xiàn)Song Jingge， Cha J， Lu Y, A Hierarchical System Modelling Mechanism for Planning in Transportation and Logistics, Proceedings of IEEE/SILO，08, Beijing, China. 2008,)。為簡便起見，這里忽略了如螺絲之 類的細(xì)小零部件。
圖3是電動(dòng)車層次結(jié)構(gòu)圖。電動(dòng)車的零部件通常包括車架、前叉、前輪、后 輪、橫臥、鞍座、控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。這些部件可以按層次劃分，形成電動(dòng) 車的層次結(jié)構(gòu)。
電動(dòng)車裝配體零部件裝配的連接關(guān)系列表如下所示
零部件連接關(guān)系MIPL表達(dá)
松散連接loose—in C o， Sol)
緊密的平滑連結(jié)tight_inC o, " ol)
螺紋連接screwed_at( o, ol)
在裝配線上online C o， 7)
該表列出了一些典型連接關(guān)系的MIPL語言描述形式，包括松散連接、緊密 的平滑連結(jié)、螺紋連接。
電動(dòng)車裝配操作列表如下所示裝配操作MIPL表達(dá)
插入!plug—in( o, ol)
敲入!hamnier—inC o， 7o"
擰入! screwJ;o一with(" o, 701, * tl)
裝配體上線!put—on」ine(" o)
連接!link一with( o, ol, tl)
測試!test( o)
該表列出了所采用的一些典型裝配操作的MIPL語言描述及說明，包括插入、 擰上、敲入等。
如下是采用本發(fā)明所述方法生成的一個(gè)電動(dòng)車裝配序列的實(shí)例。
1: !put_on」ine( c_frame bicycle—1) 2: !screw—to_with( c一axisl c—framel.locl scwl) 3: !screw—to_with( c_chainwheell c_axisl scwl) 4: !hammer一in( c—bracel c—axisl hammerl) 5: !hammer_in( c_brace2 c_axisl h咖merl) 6: !plug一in( c_frontforkl c_ftamel.loc3 hand)
19: !test( bicycle_l.s_bodywork)
20: !link」vith( c一motorlinel c一motorl hand)
21: !plug一in( c—controllerl s—leftdecumbencel hand)
22: !link_with( c—brakecabel s一thrilll hand)
23: !screw—to_with( c一basketl s_frontforkl scwl)
24: !screw_to_with( c一backlightl s—backfenderl scwl)
25: !test( bicycle—1)
〃車架上線
〃裝中軸
〃裝鏈輪
〃敲入左曲柄
〃敲入右曲柄
〃插入前叉
〃測試車體子裝配體
〃連接電機(jī)線
〃裝入控制器
〃裝閘線
//裝車筐
〃裝后車燈
〃整車測試
該序列是在上述知識(shí)庫描述以及虛擬裝配體綁定方法的基礎(chǔ)上，采用發(fā)明
人自主研制的基于順序任務(wù)分解(參考文獻(xiàn)Nau D， Cao Y， et al. SHOP and M-SH0P: Planning with Ordered Task Decomposition. Technical Report CSTR 4157， University of Maryland, 2000.)的HTN規(guī)劃系統(tǒng)生成的。該序列 的生成初始零部件條件是車架子裝配體未裝配但零件充足，而橫臥、車把、 鞍座、電池盒、前后輪等子裝配體已預(yù)裝好。根據(jù)不同的零部件狀態(tài)，該方法 可以靈活地生成相應(yīng)的裝配序列。
權(quán)利要求
1.一種計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品裝配序列生成方法，其特征在于，該方法包括步驟1，基于層次任務(wù)網(wǎng)規(guī)劃方法，構(gòu)建產(chǎn)品裝配知識(shí)庫結(jié)構(gòu)；步驟2，虛擬裝配體綁定過程，以虛擬裝配體的層次結(jié)構(gòu)和零部件的連接結(jié)構(gòu)為指導(dǎo)，將實(shí)際零部件綁定到虛擬裝配體的相應(yīng)虛擬零部件上；步驟3，生成基于虛擬裝配體綁定的產(chǎn)品裝配序列。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品裝配序列生成方法，其特征在 于，步驟1所述的產(chǎn)品裝配知識(shí)庫結(jié)構(gòu)包括零部件集合、裝配體層次結(jié)構(gòu)、任 務(wù)層次及任務(wù)分解策略四個(gè)模塊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品裝配序列生成方法，其特征 在于，所述裝配體層次結(jié)構(gòu)模塊包含預(yù)定的產(chǎn)品層次結(jié)構(gòu)和部件裝配結(jié)構(gòu)的知 識(shí)描述。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品裝配序列生成方法，其特征 在于，所述任務(wù)層次根據(jù)裝配體的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從上至下分四類，依次 是頂層任務(wù)、子任務(wù)、底層任務(wù)、裝配操作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品裝配序列的生成方法，屬于計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)領(lǐng)域，首先是基于層次任務(wù)網(wǎng)規(guī)劃方法，構(gòu)建產(chǎn)品裝配知識(shí)庫結(jié)構(gòu)；其次是虛擬裝配體綁定過程，即以虛擬裝配體的層次結(jié)構(gòu)和零部件的連接結(jié)構(gòu)為指導(dǎo)，將實(shí)際零部件綁定到虛擬裝配體的相應(yīng)虛擬零部件上；最后生成基于虛擬裝配體綁定的產(chǎn)品裝配序列。其中，上述產(chǎn)品裝配知識(shí)庫結(jié)構(gòu)包括零部件集合、裝配體層次結(jié)構(gòu)、任務(wù)層次及任務(wù)分解策略四個(gè)知識(shí)模塊。本發(fā)明能夠使產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃知識(shí)庫的構(gòu)建變得結(jié)構(gòu)清晰、易理解，任務(wù)的層次設(shè)計(jì)和分解策略制定更有條理和針對(duì)性，由此提高產(chǎn)品裝配序列生成的靈活性和效率，推動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助裝配序列技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101645102SQ200910092388
公開日2010年2月10日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者宋涇舸 申請人:北京交通大學(xué)