基于工程语义的虚拟装配序列规划

装配序列规划(Assembly Sequence Planning，ASP)是装配工艺规划的重要组成环节，国内外学者对装配序列规划做了大量的研究。也取得了-定的成绩。装配序列规划方法主要分为三大类：第-类方法是基于图论和约束的装配序列规划方法，如早期国外科研人员提出的基于人机交互式的优先约束法l1、国外科研人员在装配联接关联图的基础上，提出了基于图论的割集理论口。这些方法在产品装配零件个数较多的情况下，容易产生装配序列规划的组合爆炸现象。第二类方法是基于智能优化算法的装配序列规划方法，如基于遗传算法、免疫算法、粒子群算法等智能算法的装配序列规划方法 ，这些方法解决了复杂产品智能化大序列装配规划问题，然而这类方法仅依靠产品的几何拓扑结构进行推理，缺乏装配过程因素和操作因素交互性，生成的装配序列可能产生不可行解。第三类方法是基于虚拟现实的智能装配序列规划方法，如加拿大某大学-些科研人员[e-91提出将虚拟现实和智能算法结合，解决了装配序列规划中的交互性问题。

但是，上述三类装配规划方法主要从零件之间的几何配合或者约束的角度出发，忽略了工程实践中的可行性因素，因而智能化的序列推导方式获得的序列不-定是工程上可行的。

近年有学者将工程语义引入装配序列规划中 ”1，在上述研究的基础上，深入分析装配体各项特征的基础上，将T程语义(Semantic Engineering，SE)引入拆卸序列规划中，构建面向拆卸的全语义模型，在保证拆卸过程几何可行性的基础上，求解装配体的装配序列，解决了装配序列工程可行性问题。

2虚拟装配序列规划模型2.1面向拆卸的全语义模型装配体中含有丰富的工程设计信息，这些信息构成了工程语义，将这些信息翻译”成计算机可以理解的语言供拆卸序列推导所用将是能否实现自动拆卸推导的关键。如果仅从装配体的配合和约束角度考察拆卸序列规划具有-定的局限性。因此，需要将工程信息描述为规范化的结构，并将这种规范化的描述输入计算机，经过计算机判断后形成可以处理的数据，实现虚拟环境下的智能拆卸序列推导。

在对零部件之间拆卸优先关系有影响的所有因素进行分析后，对工程语义内容按特征进行分类，构建了面向拆卸的全语义模型，该模型包括属性语义、拓扑语义、几何语义和结构语义。属来稿日期：2012-10-14基金项目：国家自然科学基金资助项目(51105145)作者简介：刘 林，(1960-)，男，湖南株洲人，教授，研究生导师，主要研究方向：计算机图形学、计算机辅助设计、虚拟现实技术第8期 刘 林等：基于工程语义的虚拟装配序列规划 45性语义包括零部件的质量、体积等 ，根据工程经验，通常轻 、斜零件先拆、重、大”零件后拆。几何语义包括零部件的空间位姿。

拓扑语义包括零部件的层次关系和约束关系♂构语义包括零部件的结构类型，根据机械设计 ，-定的结构类型对应着固定的拆卸顺序。

2.2全语义模型工程语义表达研究的是各类工程语义对优先拆卸顺序的影响，优先关系是-个相对的概念，需要两个对象之间的比较评估才能确定优先关系。对于每-类语义模型，构建多个语义实例，通过将实例输入给计算机判断或者通过人工判断的方式，来决定实例包含的两个语义元的优先拆卸顺序。产生式表示法通常采用 IfA，Then B，Else C”的产生式规则表示事物或者知识的因果关系，If部分为前提，如状态原因等，Then为结果或要执行的动作等，Else为其他操作。产生式表示法最适合表示知识的因果关系，最适合在经验性领域使用[12I。

3虚拟装配干涉冲突求解3.1虚拟装配序列规划干涉矩阵基于拆卸的虚拟装配序列规划在拆卸过程中零部件之间的可能会碰到干涉冲突问题。针对上述问题，文献 喂 出自由干涉矩阵 Free Interference Matrix，FIM)概念 ，描述零件沿指定方向进行装配时与基体的干涉情况。与装配过程相反。例如-个由n个零件组成的装配体，其沿 方向的自由干涉矩阵的定义如式(1)所示 ：FIM ，ll lh，2。 ，2l l I ，l 式中：FIM 中的元素 k， 干嘏 -列号； 缸-零件 i沿 方向拆卸时零件 对其干涉晴况，k的取值如下：， f 1，零件 i沿 方向拆卸时受到零件 的干涉-1 0，零件 i沿 方向拆卸时不受到零件J的干涉同理，沿忝 轴方向的自由干涉矩阵也可以类似获得。自由占的空间位置通过 ，女值的形式来表达，从复杂的相对兀何位置判断中脱离，用户或计算机只需要关注 的取值便能得知这两个零部件的空间相对位置关系。自由干涉矩阵中的每-个元素可以被认为是-个实例，每个实例中包含四个元素(零件 A，零件 ，干涉检查方向(Interference Check Direction，ICD)，干涉数值 (Value)o-个含有Ⅳ个零件的装配体，沿某个方向的自由干涉矩阵可获得的实例数量为，v2。对于螺纹连接装配体，如图1所示。其沿 方向的自由干涉矩阵 FIM，如式(2)所示。

图 1螺纹连接Fig.1 Thread Connection10 1 1 1i0 0 1 1FIM，x0 0 0 1i0 0 0 0f0 0 0 0(2)32虚拟装配干涉求解策略3.1节中自由干涉矩阵描述的是零部件在给定方向上 自由运动到无穷远与基体的干涉情况，描述的是纯几何意义上的零部件空间相对位置关系，并未考虑工程上的可行性和经验性的因素。在实际的工程拆卸过程中，零件若在某个方向拥有足够的拆卸空间，那么零件不需要移动到无穷远的地方就能实现拆卸。如图2所示，Length表示待拆零件A螺母沿拆卸方向的最大长度，Distance表示拆卸螺母的过程中的最小拆卸空间。在充分考虑工具所占空间等操作因素的情况下，螺母沿 方向可以在不碰到支架 曰的情况下被拆卸。

y图2距离语义描述Fig.2 Distance Semantic Description而在 自由干涉矩阵的定义中，螺母沿 方向移动到无穷远会受到支架阻碍，螺母不能优先于支架拆卸。为解决这类冲突，将工程实际拆卸过程中待拆件沿拆卸方向最大长度、最小拆卸空间定义为拆卸过程中的-类工程信息，用距离语义来描述这种工程特质。距离语义定义如下：距离语义描述的是零件拆卸过程中待拆卸零件沿拆卸方向的最大长度与最小拆卸空间。距离语义的实例为：待拆零件A，参考零件曰，零件A沿拆卸方向最大尺寸(Length)，零件A与 B之间最小拆卸空问(Distance)，拆卸影响因子 。以图2为例，根据距离语义的实例，得出以下产生式优先拆卸规则：规则：Ⅱ待拆件A沿拆卸方向的最大尺寸A'Length(-X)

对于图2所示结构，经过距离语义约定的规则作用后，A和B之间的自由干涉矩阵关系由时(3)更新为式(4)。距离语义的引入，利用工程经验解决了仅从几何角度考虑可能获得的不合理拆卸方案。

f0①1 (3)0 0 J f0⑨1 (4)0 0 J (4)4基于工程语义的装配序列规划零部件之间的约束关系是几何体素层的描述，这种描述隐含了零部件的优先拆卸方向，而无法精确推导零件级的优先拆卸顺序。同时，零件的几何体素也较难获得。产品的整体功能是由局No.8Aug.2013 机械设计与制造 47系不能解决零件之间拆卸优先顺序的问题 ，引入结构语义的概念，利用特定结构对应的特定拆卸顺序解决了约束语义无法解决的问题。通过距离语义和结构语义对应的产生式规则，更新集成干涉矩阵，生成可用于拆卸序列自动推导的优先拆卸矩阵。弥补了仅从几何角度和约束角度考虑拆卸序列的不足之处，获得了工程上可行的拆卸序列。