蔡凱駿，張梅軍，胡江南，趙鴻飛，宋偉（.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京0007；.中國(guó)人民解放軍7306部隊(duì)，江蘇鎮(zhèn)江46）

基于可拆卸性分析和圖方法的目標(biāo)拆卸序列規(guī)劃*

蔡凱駿1，張梅軍1，胡江南1，趙鴻飛2，宋偉2
（1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007；2.中國(guó)人民解放軍73016部隊(duì)，江蘇鎮(zhèn)江212416）

針對(duì)現(xiàn)有目標(biāo)拆卸序列求解方法在拆卸并行性規(guī)劃和計(jì)算效率上存在不足的情況，提出了一種目標(biāo)拆卸序列優(yōu)化算法?；谇蛎嬗成?、非正交干涉矩陣以及復(fù)合拆卸路徑判別等方法的運(yùn)用與改進(jìn)，研究了零部件可拆卸性分析方法；應(yīng)用分層圖方法，對(duì)目標(biāo)零件進(jìn)行定位，結(jié)合子裝配體識(shí)別法，去除冗余拆卸步驟，并提高拆卸過程的并行性。通過實(shí)例對(duì)該方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

目標(biāo)拆卸；可拆卸性分析；子裝配體識(shí)別

0 引言

研究裝配體在虛擬環(huán)境中的拆卸順序與路徑，對(duì)于簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、減少制造成本、提高可維修性具有重要價(jià)值。而實(shí)際維修過程中針對(duì)特定故障零件的拆卸十分常見，因此研究目標(biāo)拆卸序列規(guī)劃（Selective Disassembly Sequence Planning，SDSP）對(duì)于增強(qiáng)維修人員維修技能、提高維修效率具有重要意義。

近20年間，學(xué)者提出各種拆裝序列規(guī)劃算法。智能啟發(fā)式算法在求最優(yōu)解方面具有高效性，被廣泛用于解決序列規(guī)劃問題，常見的有遺傳算法[1]、蟻群算法[2]、模擬退火法等，但此類方法難以對(duì)目標(biāo)拆卸序列進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)系矩陣[3]可從幾何角度生成可行拆卸序列，但只能處理零件沿正交坐標(biāo)軸拆卸的情況。于嘉鵬[4]等提出擴(kuò)展干涉矩陣較好地解決了非正交方向可拆卸性分析的問題，但零件初始拆卸方向的判定較為繁瑣，且生成序列對(duì)于目標(biāo)拆卸存在冗余拆卸步驟。

本文針對(duì)目標(biāo)零件拆卸方法，在分析零件可拆卸性的基礎(chǔ)上，通過基于零件分層圖的子裝配體識(shí)別，定位拆卸目標(biāo)，去除冗余拆卸步驟，并提高拆卸并行化程度，生成最終目標(biāo)拆卸序列。通過Delphi對(duì)三維CAD軟件SolidWorks的二次開發(fā)相關(guān)技術(shù)構(gòu)建了目標(biāo)拆卸序列智能規(guī)劃系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)理論驗(yàn)證。

1 可拆卸性判別

1.1 初始拆卸方向與初始可拆卸性

利用可見圖（Visibility Maps）球面映射Vmap投影[5]，將零件接觸面fi的可見方向投影到單位球上，記為Vmap（fi）。所有接觸面可分為平面接觸面與圓柱接觸面兩種類型（在本文中將螺紋連接簡(jiǎn)化為圓柱接觸面）。平面接觸面的Vmap為以S為極軸的單位半球（如圖1（a）所示）。柱面接觸面的Vmap為單位球中與S同向的極軸（如圖1（b）所示）。

圖1 兩種基本接觸面的Vmap投影求解可拆卸方向

設(shè)裝配體零件數(shù)為N，A為與零件ri接觸的所有零件，零件ri與A的所有接觸面為fi，其中1≤i≤N。對(duì)ri中與A的所有接觸面的Vmap進(jìn)行求交運(yùn)算，可得ri相對(duì)于A的可拆卸方向圖2所示為零件ri可沿區(qū)域S內(nèi)的方向拆卸。

圖2 零件ri相對(duì)于A的可拆卸方向

根據(jù)Vmap投影求解初始拆卸方向，本文提出零件初始可拆卸性定義如下：

定義1.初始可拆卸性。零件ri與其所有接觸面經(jīng)Vmap求交運(yùn)算所得的可拆卸方向不為空，并且不考慮零件沿此拆卸方向前進(jìn)的過程中與其他零件所產(chǎn)生的干涉，則認(rèn)為此零件具有初始可拆卸性。

1.2 非正交干涉矩陣

針對(duì)非正交方向，除了基礎(chǔ)件的絕對(duì)坐標(biāo)外，還應(yīng)將各個(gè)零件建模時(shí)與其幾何特征相關(guān)的相對(duì)坐標(biāo)定位于裝配空間之中。

若在絕對(duì)坐標(biāo)系中，零件r1沿+X方向與零件r2無干涉，則零件r2沿-X方向與零件r1無干涉，即干涉矩陣的列包含列所屬零件沿該軸負(fù)方向移動(dòng)時(shí)的干涉情況。因此可將方向集簡(jiǎn)化為

1.3 復(fù)合拆卸路徑

對(duì)于具有初始可拆卸性且拆卸路徑有轉(zhuǎn)折的零件，稱其具有復(fù)合拆卸路徑。

設(shè)零件r1具有初始拆卸方向S，r1的初始接觸面為A，當(dāng)ri沿S方向以一定的步長(zhǎng)f位移至P0位置時(shí)，ri與A不再接觸，稱P0為零件ri的節(jié)點(diǎn)。若零件具有初始拆卸方向，但位移至節(jié)點(diǎn)P0之前與其余零件發(fā)生干涉，則此零件不可拆。對(duì)于這種情況現(xiàn)有方法[6]無法解決。對(duì)此本文提出一種零件復(fù)合拆卸路徑的判別方法。

確定零件ri從初始位置至節(jié)點(diǎn)P0的距離L以及位移步長(zhǎng)f。如圖3所示，利用基于軸向包圍盒（AABB包圍盒）求出ri與A在初始拆卸方向-X上的包圍盒極值點(diǎn)：Bmin（ri，-x）、Bmax（ri，-x）、Bmin（A，-x）、Bmax（A，-x）。

式中m為移動(dòng)過程的步進(jìn)次數(shù)。零件ri向節(jié)點(diǎn)P0步進(jìn)移動(dòng)時(shí)，若步長(zhǎng)f太大，有可能會(huì)遺漏移動(dòng)過程中的干涉情況；若步長(zhǎng)f太小，則會(huì)增加運(yùn)算量，增加干涉檢測(cè)時(shí)間。步進(jìn)次數(shù)m一般取8～10，使步長(zhǎng)f相對(duì)于零部件幾何尺寸比較合適。

圖3 基于軸向包圍盒的零件步進(jìn)過程求解原理

ri每前進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)對(duì)其進(jìn)行干涉檢測(cè)，若出現(xiàn)干涉則判定零件不可拆；若無干涉現(xiàn)象，則在節(jié)點(diǎn)P0處沿+X，+Y，+Z三個(gè)方向進(jìn)行干涉檢測(cè)，如存在某一方向無干涉，則判定零件可拆卸，存在復(fù)合拆卸路徑，系統(tǒng)記錄其路徑并對(duì)NOIM的對(duì)應(yīng)項(xiàng)進(jìn)行修正，否則判定不可拆卸。若初始拆卸方向?yàn)檎惠S方向，在節(jié)點(diǎn)P0只進(jìn)行兩個(gè)方向的干涉檢測(cè)即可。

1.4 可拆卸性分析算法流程

本文提出零件的可拆卸性分析算法流程如下：

（2）對(duì)零件判斷其NOIM所對(duì)應(yīng)行向量除“#”外所有元素是否為0。若不是，則零件沿該方向與其他零件有干涉，進(jìn)入下一步；若是，則判斷是否存在“#”，不存在則零件可拆，存在則判斷其是否為連接件，是則零件可拆，不是則零件不可拆。

（3）對(duì)零件i判斷其標(biāo)準(zhǔn)正交軸方向S={±X，±Y，±Z}的NOIM所對(duì)應(yīng)列向量除標(biāo)記“#”外的所有元素是否為0（即標(biāo)準(zhǔn)正交軸負(fù)向）。若不是，則零件沿該方向與其他零件有干涉，進(jìn)入下一步；若是，則判斷是否存在“#”，不存在則零件可拆，存在則判斷其是否為連接件，是則零件可拆，否則零件不可拆。

（4）根據(jù)Vmap投影判斷其初始拆卸可行性。若無初始拆卸方向則該零件不可拆，若有初始拆卸方向則進(jìn)入下一步。

（5）零件i以一定步長(zhǎng)f沿初始拆卸方向移動(dòng)至節(jié)點(diǎn)P0處，零件每移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)，對(duì)其進(jìn)行干涉檢測(cè)。若存在干涉現(xiàn)象則零件不可拆卸，若無，進(jìn)入下一步。

（6）判斷零件i在節(jié)點(diǎn)P0處是否具有可拆卸方向。若是，則零件可拆，記錄其復(fù)合拆卸路徑，對(duì)NOIM進(jìn)行修正，將對(duì)應(yīng)項(xiàng)的值“1”標(biāo)記為“*”，表示零件i沿此方向與j雖有干涉，但零件i仍可拆卸，系統(tǒng)返回并掃描下一零件；若不是，則判定零件不可拆，系統(tǒng)返回并掃描下一零件。

當(dāng)i>N時(shí)，算法結(jié)束，輸出修正后的NOIM—A*。算法流程圖如圖4所示。

圖4 可拆卸性分析算法流程圖

2 目標(biāo)拆卸序列規(guī)劃

在機(jī)械產(chǎn)品的維修過程當(dāng)中，通常只需對(duì)特定的故障零件進(jìn)行維修或更換，而不必進(jìn)行完全拆卸，這種拆卸指向性、目的性較強(qiáng)，稱之為目標(biāo)拆卸（Selective Disassembly）。

2.1 基于圖方法的目標(biāo)零件定位

對(duì)于得到的NOIM，參考文獻(xiàn)[7]采用基于同步約束解除的方法構(gòu)建零件分層圖。以圖5（a）所示壓力調(diào)節(jié)器為例，讀取其NOIM，將不同層之間具有緊固連接關(guān)系的零件用實(shí)線連接，具有接觸關(guān)系的零件用虛線連接，得到如圖5（b）所示的零件分層圖。

圖5 某型壓力調(diào)節(jié)器零件結(jié)構(gòu)與分層圖

通過基于同步約束解除的零件分層，可以定位需拆卸目標(biāo)零件的位置，可知哪些零件可同時(shí)拆卸以提高拆卸過程的并行性，提高拆卸效率。

2.2 基于子裝配體識(shí)別的目標(biāo)拆卸序列優(yōu)化

2.2.1 關(guān)聯(lián)零件

維修過程中，隨著拆卸任務(wù)的不同，拆卸的起點(diǎn)、終點(diǎn)及兩者之間所涉及的零件也會(huì)發(fā)生變化[8]。針對(duì)目標(biāo)拆卸，本文提出如下定義：

定義2.為拆卸目標(biāo)零件所必須先拆卸的零件稱為目標(biāo)零件的關(guān)聯(lián)零件。

設(shè)零件分層圖共有n層，目標(biāo)零件r*位于第m層，若零件ri∈[1，m-1]層，且ri與r*接觸，則ri為關(guān)聯(lián)零件；若ri為關(guān)聯(lián)零件，ri位于第l層，零件rj∈[1，l-1]層，且rj與ri接觸，則rj為關(guān)聯(lián)零件；若ri為關(guān)聯(lián)零件，零件rj與ri同層，且為緊固連接關(guān)系，則rj為關(guān)聯(lián)零件。

對(duì)裝配體R={r1，r2，…，rn}，目標(biāo)零件為rm的拆卸任務(wù)TASK[rm]，裝配體按與目標(biāo)零件關(guān)聯(lián)性分為兩部分：R={R1，R2}。其中R1為關(guān)聯(lián)零件集合，R2為非關(guān)聯(lián)零件集合。裝配體關(guān)于任務(wù)TASK[rm]視為以rm為最終拆卸零件的集合R1的完全拆卸規(guī)劃問題。

2.2.2 序列優(yōu)化

裝配體通常都包含有子裝配體。識(shí)別子裝配體并將其作為整體進(jìn)行拆卸，對(duì)于提高拆卸作業(yè)效率具有重要意義。由多個(gè)零件組成的部件，判斷其為子裝配體的條件如下：

（1）零件數(shù)為2，兩零件為緊固連接，且組成零件不包括螺栓等緊固件；

（2）零件數(shù)大于2但小于零件總數(shù)，且組成零件應(yīng)在分層圖上形成封閉的最小環(huán)，同時(shí)最外層與最內(nèi)層零件之間包含緊固連接關(guān)系[9-10]；

（3）滿足條件（1）或（2）的子裝配體零件集合，如有交集，則合并為一個(gè)子裝配體。

依據(jù)上述判斷條件，以圖5（a）所示壓力調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)為例，可成為子裝配體的組件有：[1，2，6]；[7，8，9]；[22，23，24]；[18，25，26，27]；[29，30]。若排氣閥的活塞皮碗損壞需要更換，根據(jù)圖5（b）所示零件分層圖，確定關(guān)聯(lián)零件為26、27、28、29、30。根據(jù)子裝配體條件識(shí)別出子裝配體為[25，26，27]；[29，30]。最后生成約減分層圖如圖6所示。要拆卸活塞皮碗25，只需先拆下29、30組成的子裝配體，再拆下28，最后拆下25、26、27組成的子裝配體即可。整個(gè)拆卸過程與完全拆卸的過程相比明顯簡(jiǎn)化。目標(biāo)拆卸序列規(guī)劃流程圖如圖7所示。

圖6 零件約減分層圖

圖7 目標(biāo)拆卸序列規(guī)劃流程圖

3 實(shí)例驗(yàn)證

本文基于三維CAD平臺(tái)SolidWorks以及Delphi開發(fā)了目標(biāo)拆卸序列智能規(guī)劃系統(tǒng)。系統(tǒng)提取零件的幾何、裝配信息，生成非正交干涉矩陣（NOIM），進(jìn)行復(fù)合拆卸路徑判別，選擇步進(jìn)次數(shù)，并對(duì)NOIM進(jìn)行修正，輸出修正后的NOIM。

讀取NOIM，對(duì)零件分層，針對(duì)具體維修任務(wù)定位目標(biāo)零件，通過子裝配體優(yōu)化拆卸序列。圖8所示為壓力調(diào)節(jié)器通氣螺塞拆卸步驟。

圖8 壓力調(diào)節(jié)器通氣螺塞拆卸步驟

（1）結(jié)合Vmap投影、非正交干涉矩陣判斷零件初始可拆卸性；對(duì)螺紋連接形式進(jìn)行特殊標(biāo)記，保證拆卸序列規(guī)劃的正確性；將具有初始拆卸方向的零件進(jìn)行步進(jìn)干涉檢測(cè)直至節(jié)點(diǎn)處，應(yīng)用該方法進(jìn)行零件復(fù)合路徑拆卸判別并對(duì)NOIM進(jìn)行修正。該算法有效解決了復(fù)雜裝配零件拆卸路徑求解的問題。

（2）采用零件分層圖，定位目標(biāo)拆卸零件，確定可同時(shí)拆卸的零件；劃分關(guān)聯(lián)與非關(guān)聯(lián)零件，利用子裝配體識(shí)別，去除冗余拆卸步驟，優(yōu)化目標(biāo)拆卸序列，提高目標(biāo)拆卸效率。

（3）結(jié)合本文零件可拆卸性判別算法和目標(biāo)拆卸序列規(guī)劃方法，基于三維CAD軟件SolidWorks開發(fā)了目標(biāo)拆卸序列智能規(guī)劃系統(tǒng)。

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Selective disassembly sequence p lanning based on dismountability analysis and graph method

Cai Kaijun1，Zhang Meijun1，Hu Jiangnan1，Zhao Hongfei2，Song Wei2
（1.College of Field Engineering，PLA Univ.of Sci.&Tech，Nanjing 210007，China；2.73016 PLA Troops，Zhenjiang 212416，China）

Aiming at the problem that the existing selective disassembly sequence planning method is inaccurate when acquiring disassembly paths of components，is inefficient and lack of concurrency when solving selective problems，a selective disassembly optimized algorithm was proposed.With the application and improvement of visibility maps，non-orthogonal interference matrix and multi-path disassembly judgement，the analysis method of component′s dismountability was studied.By using stratified graph method，locating the target part.With subassembly detection，removing redundant steps，to improve the concurrency of disassembly sequence. Through the practical example，the availability of the method is illustrated.

selective disassembly；dismountability analysis；subassembly detection

TP391

A

1674-7720（2015）17-0085-04

蔡凱駿，張梅軍，胡江南，等.基于可拆卸性分析和圖方法的目標(biāo)拆卸序列規(guī)劃[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（17）：85-88.

2015-04-15）

4 結(jié)論

蔡凱駿（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：裝備信息化保障。

2011年度國(guó)家自然科學(xué)基金（51175511）

針對(duì)現(xiàn)有方法對(duì)于求解復(fù)雜裝配零件拆卸路徑誤差較大，解決目標(biāo)拆卸問題時(shí)并行性和效率上存在不足的問題，本文提出較為完善的零件可拆卸性分析與目標(biāo)拆卸序列規(guī)劃方法：