劉少麗， 武林林， 劉檢華， 杜增輝， 馬江濤

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081)

虛擬裝配技術(shù)可以在無物理樣件的情況下，對裝配工藝過程進行動態(tài)仿真、規(guī)劃與優(yōu)化，從而有效提高產(chǎn)品裝配效率和裝配質(zhì)量[1]. 傳統(tǒng)的約束驅(qū)動虛擬裝配仿真以人機交互的方式設(shè)置大量的幾何約束與位置約束，技術(shù)成熟，對軟件要求低，但對設(shè)計人員要求高，工作效率低. 有研究者如李慶利等[2]將零部件間的幾何約束應(yīng)用到同類型零部件裝配過程，提高工作效率. 針對提高虛擬裝配過程仿真工作效率的問題，部分學(xué)者采用簡化約束的方式減少人工操作，Singh等[3]將參與裝配配合約束的一組幾何元素定義為裝配端口；程亞龍等[4]定義并識別緊固件的裝配特征，實現(xiàn)緊固件的快速自動裝配；Guo等[5]采用了閉環(huán)圖和屬性鄰接圖進行裝配特征的識別，實現(xiàn)模具的自動裝配. 這些研究將零件間大量的幾何約束簡化為成組的裝配特征或端口，提高虛擬裝配過程仿真的自動化程度，但是仍然需要人工獲取裝配工藝信息并選取特征，定義裝配關(guān)系. 為了進一步提高虛擬裝配過程仿真工作效率，需要實現(xiàn)幾何特征和約束的自動推理選取，在此背景下出現(xiàn)了基于語義的裝配工藝仿真驅(qū)動方法.

用戶通過使用工程術(shù)語來表達和認(rèn)識裝配零部件間的裝配關(guān)系，因此有學(xué)者引入語言學(xué)的部分方法，提出了裝配語義的概念，抽象描述裝配零部件間存在的定位約束、裝配規(guī)則與裝配操作. 目前語義用于裝配的研究大多用于捕捉用戶的交互意圖以及識別相關(guān)幾何特征及約束. 萬昌江等[6]通過三維語義標(biāo)注建立三維形體與本體之間的映射關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)三維形體知識庫的構(gòu)建;夏之祥等[7]通過裝配語義生成、識別、確認(rèn)和解算4個步驟，實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中快速、準(zhǔn)確地進行裝配;Zhu等[8]基于語義模型捕獲裝配中的空間位置等語義實體的參數(shù)，減少構(gòu)建模型的誤差;Zhu等[9]使用三層結(jié)構(gòu)的語義模型描述零件中的裝配特征，確定零件裝配位置，并用來自動生成運動仿真中的運動副. 俞琳[10]提出了典型裝配工藝結(jié)構(gòu)化描述方法，并構(gòu)建了包含連接方式等信息的裝配語義模型，實現(xiàn)了與三維模型的信息關(guān)聯(lián).

以上研究關(guān)注點主要是通過裝配語義推理零件間約束關(guān)系，從而完成產(chǎn)品的裝配設(shè)計，但是應(yīng)用于裝配仿真缺少了對零件裝配的約束順序的推理，并且由于裝配過程仿真涉及零件的運動方式，用于裝配仿真的語義建模需要根據(jù)不同的裝配關(guān)系進一步分類表達. 本文按照裝配連接與配合方式的不同，劃分了航天產(chǎn)品生產(chǎn)中的四類典型裝配操作并對裝配特征進行了參數(shù)化表達；通過匹配裝配語義的裝配特征信息和幾何圖元信息，實現(xiàn)了裝配語義層次化解析，根據(jù)裝配操作的類型確定裝配約束關(guān)系給定的順序和運動方向，生成相應(yīng)的位姿變化矩陣，驅(qū)動零件完成基于裝配語義的產(chǎn)品裝配過程仿真.

1 典型裝配操作分析

1.1 典型裝配操作類型

裝配工藝通常是裝配設(shè)計意圖的自然語言描述. 裝配操作是裝配工藝的核心，它描述了裝配對象的運動過程，是裝配工藝的執(zhí)行單元. 通過對航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝文件分析和整理，提取出裝配工藝設(shè)計中典型裝配操作，按照裝配連接與配合方式的不同分為螺紋聯(lián)接類、銷鍵配合類、傳動類、軸孔固定類4類裝配操作，在此基礎(chǔ)上將4類操作再次細(xì)分，具體分類如圖1所示. 對裝配語義的總結(jié)和提取，有利于實現(xiàn)歷史工藝的知識重用.

圖1 典型裝配語義Fig.1 Typical assembly semantics

1.2 裝配特征的參數(shù)化表達

根據(jù)上文分析總結(jié)的典型裝配操作語義，將4類操作中的裝配特征分別進行參數(shù)化表達，描述零件間的裝配關(guān)系，其具體內(nèi)容如下.

① 螺紋聯(lián)接類裝配特征K1的參數(shù)化表達式為

K1={K1m|K1m={Tym,Apm,Lpm,Dpm,Scm,Gcm},

m=1，2，…，N1}

(1)

式中：K1為總數(shù)為N1的螺紋聯(lián)接類裝配特征的集合；對于集合中第m個特征K1m;Tym為裝配操作類型；Apm為軸向定位參數(shù)；Lpm為周向定位參數(shù)；Dpm為基準(zhǔn)線、面參數(shù)；Scm為是否存在螺紋及螺紋特征；Gcm為裝配對象或資源的幾何圖元參數(shù)集合.

② 銷鍵配合類裝配特征K2的參數(shù)化表達式為

K2={K2n|K2n={Tyn,Apn,Lpn,Dpn,Fkn,Gcn},

n=1，2，…，N2}

(2)

式中：K2為總數(shù)為N2的銷鍵配合類裝配特征的集合；對于集合中第n個特征K2n;Tyn為裝配操作類型；Apn為軸向定位參數(shù)；Lpn為周向定位參數(shù)；Dpn為基準(zhǔn)線、面參數(shù)；Fkn為是否存在鍵槽特征和銷孔特征；Gcn為裝配對象或資源的幾何圖元參數(shù)集合.

③ 傳動類裝配特征K3的參數(shù)化表達式為

i=1,2,…,N3}

(3)

④ 軸孔固定類裝配特征K4的參數(shù)化表達式為

j=1,2,…,N4}

(4)

裝配對象或裝配資源的幾何圖元參數(shù)集合Gc的具體表達式為

Gc={Gci|Gci={Aoi,Aci,Adi},i=1，2，…，Na o}

(5)

式中：Nao為使用到的幾何圖元總數(shù)；對于集合中第i個元素：Gci為參與該裝配操作的模型基本圖元的幾何約束元素；Aoi為裝配對象上幾何圖元類型，主要包括點、線、面、局部坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系等；Aci為幾何圖元間的約束類型，如點點重合、點面重合等；Adi為幾何圖元的參數(shù)化表示.

2 裝配語義層次化解析

為了實現(xiàn)裝配仿真的語義驅(qū)動，需要將裝配特征中的幾何約束信息和配合關(guān)系轉(zhuǎn)換為對應(yīng)模型間幾何約束信息. 本文提出了裝配語義層次化解析方法，其傳遞過程如圖2所示.

圖2 裝配操作語義層次化解析Fig.2 Hierarchical analysis of assembly operation semantics

裝配語義層次化解析方法，是將裝配操作信息從語義層到特征層再到幾何層進行解析. 其中，語義層包括提取到的典型裝配語義，以文字的形式存在，以詞庫的形式保存在數(shù)據(jù)庫中；特征層是將語義層中描述的裝配特征轉(zhuǎn)化為約束特征信息，約束特征是指模型之間的貼合、對齊、相切等配合關(guān)系；幾何層描述參與裝配操作的模型的基本幾何圖元信息，包括組成裝配模型的基本幾何圖元和三角面片元素，三角面片包括點、線、面等信息.

2.1 裝配語義中裝配特征信息匹配推理

對裝配語義中蘊含的裝配特征對進行匹配推理，確定裝配特征的參數(shù)信息. 裝配特征信息主要分為兩類，一類是描述其所屬裝配語義類型、配合方式、有無螺栓等基本參數(shù)信息，另一類是描述裝配特征中執(zhí)行對象的幾何圖元信息和幾何約束信息，本文將上述推理過程分為兩個推理流程：裝配特征基本信息參數(shù)匹配推理和裝配特征幾何圖元信息匹配推理.

裝配特征基本參數(shù)信息匹配推理方法的目的為確定裝配特征類別，獲取基本參數(shù). 匹配推理的主要流程為：獲取待驗證裝配特征，與典型裝配語義的裝配特征比較，若步判斷其屬于某一類特征，對比確定待驗證裝配特征中是否有該類型裝配特征的定位信息與相關(guān)參數(shù)，若匹配成功則將其存儲下來. 對比所有類型裝配特征，獲得所有成功匹配的裝配特征.

通過基本參數(shù)信息匹配推理會得到多個基本參數(shù)信息相似的目標(biāo)裝配特征. 裝配特征幾何圖元信息匹配推理通過匹配裝配資源、主動裝配對象、被動裝配對象三個執(zhí)行對象的幾何圖元信息確定最終裝配特征. 匹配推理的原理為：遍歷裝配資源、主動裝配對象和被動裝配對象的幾何圖元集，分別計算各自幾何圖元包圍球中心相對于裝配操作語義對應(yīng)的局部坐標(biāo)系原點的位置向量，以及幾何圖元局部坐標(biāo)系平均位置在世界坐標(biāo)系下的位置向量. 計算以上三個執(zhí)行對象的幾何圖元在世界坐標(biāo)系下平均位置組成的三角形的面積. 從目標(biāo)裝配特征列表中選取面積最小的裝配特征，作為最終匹配的裝配特征.

2.2 裝配特征中幾何約束信息解析與空間位姿求解

2.2.1裝配特征的幾何約束解析

在虛擬裝配環(huán)境中，裝配模型間的約束關(guān)系最終體現(xiàn)在裝配模型幾何圖元的約束關(guān)系，本文提出了面向空間位姿求解的裝配特征中幾何約束解析算法，其基本步驟為：

① 獲取裝配特征中裝配資源、主動裝配對象、被動裝配對象的幾何圖元參數(shù)信息集.

② 獲取被動裝配對象在世界坐標(biāo)系的中心線向量和基準(zhǔn)面位置向量，計算兩向量夾角.

③ 遍歷主動裝配對象與裝配資源的幾何參數(shù)信息集，獲取執(zhí)行對象的線參數(shù)向量列表和面參數(shù)列表，從兩表中各選取出一個向量計算夾角，得到夾角列表.

④ 遍歷夾角列表，選取與被動裝配對象夾角相等的夾角，得到該夾角對應(yīng)的線向量和面向量，與被動裝配對象幾何信息組合得到相應(yīng)約束信息并傳入裝配語義特征集.

2.2.2執(zhí)行對象的空間位姿變換

裝配語義描述的裝配過程是執(zhí)行對象包含的幾何圖元不斷滿足幾何約束的過程，根據(jù)幾何約束的位置信息，通過對執(zhí)行對象幾何圖元的位姿變換，就可以驅(qū)動裝配模型完成裝配過程仿真. 裝配語義中執(zhí)行對象幾何圖元的運動參數(shù)Ap可以表示為一個四元組：

(6)

3 裝配語義驅(qū)動流程

驅(qū)動的主要流程為：將裝配操作語義描述信息與裝配實體庫信息進行匹配，確定裝配特征并從裝配約束庫中匹配外部約束信息，根據(jù)裝配特征及約束信息按裝配路徑庫中封裝的裝配路徑完成仿真，具體流程如下圖3所示.

其中裝配實體庫是指裝配對象、裝配資源等模型庫；裝配路徑庫是前文提取的裝配語義中的路徑的關(guān)系指定；內(nèi)部約束是指在裝配實體庫中，根據(jù)裝配語義的描述，待裝零部件模型及相關(guān)的裝配資源進行信息匹配的分組；外部約束是指根據(jù)裝配約束庫的進行設(shè)定，是兩裝配零部件間的外部位姿定位的基礎(chǔ).

圖3 裝配操作語義驅(qū)動流程Fig.3 Process of assembly operations driven by assembly semantics

4 系統(tǒng)開發(fā)與實例驗證

基于提出的面向典型裝配操作語義的復(fù)雜航天產(chǎn)品裝配仿真生成方法，開發(fā)了語義驅(qū)動的虛擬裝配仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于DELMIA二次開發(fā)，采用COM組件的方式實現(xiàn). 該系統(tǒng)以零部件模型、工藝文件等數(shù)據(jù)為輸入，進行裝配工藝文件解析、關(guān)鍵裝配要素提取、典型裝配操作封裝、裝配仿真快速生成等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)快速的虛擬裝配仿真. 以某型號衛(wèi)星導(dǎo)航儀的裝配工藝為例，對系統(tǒng)的功能進行驗證. 使用的工藝語句描述為：用M4-12螺釘將主陀螺#TL-2沿著軸線-4方向安裝到底座#DZ-2的左上孔-32處. 處理過程如下：

① 改進TF-IDF算法的語義要素提取方法，對上述工藝語句進行解析處理，提取工藝語句中的語義要素信息，其具體內(nèi)容如表1所示.

表1 語義要素信息

② 將需要仿真的裝配對象和裝配資源模型導(dǎo)入虛擬裝配系統(tǒng)中，利用裝配要素與仿真環(huán)境關(guān)聯(lián)算法，將工藝語義信息轉(zhuǎn)化為仿真環(huán)境中的參數(shù)信息，如圖4所示，尋找到工藝語句描述的底座、陀螺、螺釘模型.

圖4 裝配零部件參數(shù)Fig.4 Assembly parts parameters

③ 裝配操作信息匹配推理與裝配動作參數(shù)信息求解. 工藝語句中描述的裝配操作為“安裝”結(jié)合螺釘、螺孔等裝配資源信息，匹配出與之對應(yīng)的典型裝配操作為螺紋聯(lián)接-螺釘聯(lián)接，其語義參數(shù)信息如下式(7)所示，推理出的裝配操作參數(shù)如表2所示.

(7)

式中：語義信息集T包含識別信息TID，裝配對象信息TEO，約束信息TCon以及幾何圖元信息TGc. 對于TID：idText為裝配操作的具體描述，Screw表示此裝配過程為螺釘安裝；TEO為所有裝配資源(螺釘)RE、主動裝配對象AP和被動裝配對象PC的集合；TCon中包含裝配資源上的線參數(shù)Lre、面參數(shù)Fre，主動裝配對象上的線參數(shù)Lap、面參數(shù)Fap和被動裝配對象上的基準(zhǔn)線參數(shù)Clpc、基準(zhǔn)面參數(shù)Dapc組成的線線約束(Lre-Lap-Clpc)和面面約束(Fre-Fap-Dapc)；對于TGc：dre為螺釘螺紋的工程直徑；lre為螺釘?shù)拈L度；bre為螺紋部分長度；dap為主動裝配對象上孔的直徑；lap為主動裝配對象上通孔長度；dpc為被動裝配對象上螺紋孔的直徑；lpc為被動裝配對象上螺紋孔深度.

表2 裝配仿真過程中裝配操作參數(shù)信息

Tab.2 Assembly operation parameter information during assembly simulation

編號語義描述代號參數(shù)1底座#Dizuo-32Base2主陀螺#Tuoluo-2Gyro3螺釘#Luoding-M4-12Screw4底座螺孔中心線#Axis-32-4Cl15主陀螺螺孔中心線#Axis-2-4Cl26螺釘中心線#Axis-12-4Cl37底座孔上基準(zhǔn)面#Face-top-32-4F18主陀螺上基準(zhǔn)面#Face-top-2-1F29主陀螺下基準(zhǔn)面#Face-bottom-12-1F310螺釘下基準(zhǔn)面#Face-bottom-12-1F4

④ 裝配操作中幾何約束信息解算. 結(jié)合裝配對象/資源模型的幾何參數(shù)信息，結(jié)合典型螺釘聯(lián)接中的工程約束信息，可以解算出工藝語句中裝配操作的幾何約束信息如表3所示.

表3 裝配操作幾何約束

⑤ 按照裝配工藝仿真的參數(shù)信息和驅(qū)動算法驅(qū)動模型完成裝配工藝仿真，如圖5所示.

圖5 裝配工藝仿真過程Fig.5 Assembly process simulation process

5 結(jié) 論

本文首先對航天產(chǎn)品裝配工藝中的典型的裝配語義進行提取和分析，將其中裝配操作進行分類，在將裝配特征進行分類參數(shù)化定義基礎(chǔ)上，使用層次化解析方法確定裝配特征的基本信息參數(shù)和幾何圖元信息. 然后對裝配特征中的幾何圖元信息進行解算，求解出執(zhí)行對象間的裝配幾何約束信息，基于幾何約束根據(jù)裝配工藝中裝配路徑、順序求解出執(zhí)行對象的空間位姿變換矩陣，按照封裝的典型裝配操作仿真數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了基于裝配語義的快速裝配仿真. 最后，以某型號衛(wèi)星導(dǎo)航儀的裝配工藝為例，對裝配工藝解析和裝配語義驅(qū)動的裝配仿真方法等進行了驗證. 結(jié)果表明，所提出的基于裝配語義的航天產(chǎn)品裝配仿真方法可以完成裝配過程仿真，減少人員操作，提高了裝配仿真效率.