面向装配规划的机械产品装配工艺知识管理系统

王峻峰,李健,李世其

(华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074)

0 前言

机械产品的装配规划是机械产品生产的重要组成部分。据有关统计,在产品的生产过程中,大约1/3左右的人力及产品生产制造总工时的40%－60%被用于产品的装配过程,装配成本占总生产成本的50%左右,因此提高装配规划的效率和品质成为了装配规划的研究重点[1]。

传统的装配规划忽视了对以往成熟产品装配规划经验的借鉴,同时,装配规划过程中需要确定紧固连接件的工具、检测装配精度的量具以及一些标准的装配操作规范,这些工作需要查阅机械设计手册或是行业规范,但查阅过程繁琐、时间耗费大,而且易出现人为错误。近年来,由于人工智能的发展,人们越来越重视对经验知识的应用,知识这一概念也被引入到了装配规划的研究中,H.K.Tonshoff[2]等提出了一种基于知识的自动装配序列规划方法、X.F.Zha[3]等建立了一个集成的基于知识的装配序列规划和评价系统。KAPSS、Jiannan Zhou[4]等开发了装配规划的原型系统,其基于知识的装配规划系统主要以基于产品装配特征[4]的规则类知识为依据并结合算法进行装配规划,体现了规划的智能性和高效性,但由于规则类知识少且不易表达,导致规划方案往往不能满足现实要求,缺少实际的装配生产指导意义。本文将提出面向装配规划的机械产品装配工艺知识管理系统,该系统主要对面向装配规划的装配工艺知识进行收集、表达和存储,形成了装配实例知识库、装配资源使用知识库和基本装配工艺知识库。通过知识库的积累并结合人的逻辑推理能力,可以为装配规划提供更全面、更有效的指导。

1 面向装配规划的装配工艺知识

装配规划的主要工作包括产品装配单元划分、产品装配工序确定和产品装配资源选择三部分内容,完成这三方面装配规划工作所需的知识构成了面向装配规划的装配工艺知识的组成部分。装配单元确定知识是对产品进行套件、组件和部件等装配单元确定,选择装配单元基准件,从而进行分层分级装配的知识;装配工序确定知识是确定零部件装配顺序、确定工序内容、制定装配操作规范的知识;装配资源分配知识是确定各工序所需的工具和量具的知识。由于装配工序中很多装配操作是标准的,普遍适用的,因此将标准的装配操作知识单独提出,构成基本工艺知识,为装配操作规范的制定提供辅助。

1.1 装配单元确定知识

装配单元[6]是由多个零件或部件通过配合、连接等关系组成的一个不可自发分离的子结构,而且这个子结构不影响原装配体中其余零件的装配。配合关系是装配特征之间的配合方式,如平面配合、柱面配合和锥面配合等,而装配特征[5]是零件表面上参与装配活动的区域,主要由形状特征、材料特征、运动关系和位置关系组成。连接关系是用于定位和传递零件之间的几何约束的结构。若干相同类型的连接件同其所连接的普通零件以及相应的附件所组成的集合称为一个连接组件。

通过以上分析得出装配单元主要取决于装配基准、配合关系和连接方法三方面。

1.2 装配工序确定知识

装配工艺过程[7]是装配人员按照产品的装配顺序,通过一定的装配操作,按照指定的装配路径并在保证装配精度要求的情况下高效率、高品质的完成产品装配的过程。装配顺序是装配工序中各零部件进行装配的次序,是产品装配的重要依据。如果装配顺序选取不恰当,将致使装配操作不断重复,造成装配一次成功率降低并极大的浪费装配资源,延长产品的开发周期,直接导致成本的增加。装配操作是指将零部件组合在一起而进行的清洗、定位、连接、调整、修配、检验等操作。

装配工序划分是将装配工艺过程划分为若干个阶段,以保证装配生产的平衡,提高生产效率。

由上可见,装配工序确定主要取决于装配顺序、装配操作、装配夹具、装配路径四个方面。

1.3 装配资源使用知识

机械产品装配规划中使用的装配资源主要由工具、夹具和量具组成。工具的选择主要根据螺纹紧固件的类型及其公称直径和装配现场拥有的工具资源确定。量具的选择主要根据装配精度要求及装配现场拥有的量具资源确定。由于机械产品的装配过程中使用的夹具基本上因产品不同而不同,很少能重用,因此本文中将夹具认定为与具体产品零部件相关的属性,而不将其包括在装配资源中。

1.4 基本装配工艺知识

基本装配工艺知识是指一些标准操作规范,这些操作规范不会因为产品的不同而发生变化,而只与具体的装配操作相关。这些装配操作规范包括清洗、防松和胶接。

清洗是为保证装配品质及装配工作的顺利进行,对待装配的零部件进行的操作。对于不同的零部件材料采取不同的清洗方法即选择不同的清洗参数。

螺纹连接在冲击、振动和变载荷作用下可能自松,因此要根据具体的产品使用环境及现场条件选择合适的防松方式。

胶接是工艺简便,不需要复杂的工艺设备的连接操作,但是合适的胶接剂组分、固化压力、固化时间、固化温度的选择对胶接品质至关重要。

2 基于本体的装配工艺知识表达

知识表达的方法多种多样,使用较多的知识表示方法[8]主要有:谓词逻辑表示法,产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法、面向对象表示法、基于本体的知识表示法等。本体作为构建描述领域知识模型的方法论[9],它对领域内的概念模型进行了明确说明,而且可以支持粒度小、语义复杂的概念模型创建,这些特点正适合表达有不同细节需求的装配工艺知识。基于本体的表示方法对知识表示语言中的建构和约束作普遍的、无歧义的语义解释,可以保证支持本体的不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作,同时,作为本体描述语言的OWL[10]可以方便的映射到数据库,为本体的存储提供了方便。因此本文将采用基于本体的知识表达方法来构建装配工艺知识。

基于本体概念的装配工艺知识构成图如图1所示,由装配单元、装配工序、装配资源和基本装配工艺四个本体组成,每个本体又划分为若干粒度不同的下级本体。

图1 装配工艺知识本体

a)装配单元知识本体

使用零件和连接组件这两种最基本组成单元来描述其构成,任何装配单元都是通过连接组件将零件连接起来形成不可自发分离的装配结构,装配单元的特征由零件的特征形成,零件的形状特征和材料特征是零件独立的特征,它只与零件本身有关,而零件的运动关系、位置关系和装配精度是零件之间的特征,它由多个零件共同决定。零件特征构成了装配单元的结构特点,也是装配工序规划的出发点。

b)装配工序知识本体

由装配顺序、装配操作、装配路径描述,装配顺序确定装配单元中零件或连接组件的装配秩序,装配操作决定将两个零件装配在一起进行的各种操作如先定位再连接,装配路径确定装配操作的方向。对于装配工序中所需使用的装配资源将单独在装配工装中进行描述。

c)装配资源知识本体

装配资源知识本体由装配工具和装配量具组成,装配工具是紧固连接件时需要使用的资源,装配量具是保证零件装配精度时使用的资源。

d)基本装配工艺知识本体

基本装配工艺知识本体是标准操作规范的描述,对于某类型机械产品的装配,主要考虑防松、清洗、胶接三类常用基本工艺。防松工艺主要用于螺纹连接件,即在有螺纹连接件而且有防松要求时就需要相应的防松操作规范。清洗工艺主要用于零件或连接组件装配前操作,具体清洗工艺的选择要取决于零件类型和污染物的种类及污染程度。胶接基本工艺的选择要根据被连接件材料、连接要求及环境决定。

3 装配工艺知识管理系统实现

3.1 系统架构

本文建立的装配工艺知识管理系统体系架构如图2所示。装配工艺知识管理系统主要对装配实例知识、装配资源使用知识和基本装配工艺知识进行管理,建立了面向装配规划的装配工艺知识库,以提供给用户进行知识重用,其中装配实例知识由装配单元确定知识和装配工序确定知识描述。以面向装配规划的装配工艺知识库为基础,该系统提供了装配实例检索、装配资源检索、基本装配工艺检索和装配工艺知识录入界面,实现了用户对相应知识的管理。装配实例知识的管理将产品的装配过程进行管理,以供工艺规划人员规划相似产品时进行查询、学习和借鉴,提高装配规划效率;装配资源使用知识的管理将螺纹连接件或装配精度对应的装配资源进行管理,便于工艺规划人员快速查询,得到符合实际的需要使用的装配资源。基本装配工艺知识管理对防松、清洗、胶接工艺知识进行管理,为工艺规划人员提供标准的装配操作规范。

图2 面向装配规划的装配工艺知识管理系统架构图

3.2 面向装配规划的装配工艺知识应用

以台钻Z4006－A主轴箱部件装配工艺规划为例说明装配工艺知识管理系统的应用。对于主轴箱部件,装配工艺知识管理系统的辅助规划主要分为三个层次,一是辅助装配工序确定;二是确定需要使用何种装配资源;三是确定标准操作规范。

在规划台钻Z4006－A主轴箱部件装配过程前先学习以往相似产品装配过程,可以通过装配实例知识检索得到如下相似装配实例,通过学习借鉴来辅助Z4006－A装配工序确定,如图3(a)。台钻Z4006－A主轴箱部件中采用了M5×25的开槽沉头螺钉连接刻度板和主轴箱,因此需要确定紧固该螺栓的工具,可以通过装配工具检索辅助确定装配工具资源使用,如图3(b)。主轴箱部件中垫块的装配有平行度为0.1 mm的精度要求,因此要确定测量其装配精度要求的量具,可以通过装配检索辅助确定装配量具资源使用,如图3(c)。由于主要轴箱部件使用过程中存在振动,因此需要对起连接作用的开槽沉头螺钉进行防松,通过防松工艺检索确定合适的防松标准操作规范,如图3(d)。

通过利用系统提供的装配工艺知识,并结合三维装配过程规划软件,最终实现台钻Z4006A从装配工序规划到装配资源使用再到基本装配工艺应用的辅助规划,形成装配技术要求等文字信息和三维装配过程动画为一体的装配工艺文件,图4所示为主轴箱部件的装配工艺指导界面。

图3 装配规划中装配工艺知识的使用

4 结论

图4 主轴箱部件装配工艺过程

装配工艺知识在装配规划过程中具有重要的作用,需要进行规范的管理以使这些知识得到重用。基于本体概念构建了装配工艺知识体系,形成了包含装配单元、装配工序、装配资源和基本装配工艺等知识为主体的装配工艺知识库,开发了面向装配规划需求的装配工艺知识管理系统。结合台钻Z4006A的装配规划为例,说明了装配工艺知识管理系统中各主要知识模块的使用,为快速形成装配工艺指导文件提供有力支撑。将来的工作需要对装配工艺知识库进行扩充,形成更多的知识容量;另外,如何在三维装配规划中实现知识的主动推动,更好的为三维装配提供知识服务也是一个研究方向。

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