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基于动态变迁图的卫星总装规划建模技术研究p

发布时间:2019-01-17 12:59 作者:澳门现金网_澳门现

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  数字化设计 D吲GN 基于动态变迁图的卫星总装规划建模技术研究 AssemblyProcessM odelingBasedonDynamicTransitionGraphforSatellite 西北工业大学机电学院 孙 刚 余剑峰 李 原 【摘要 】 不同于一般机械产品装配的流程 ,卫星总 配约束 …。许多学者对卫星装配工艺设计进行过大量 装的过程是 “拆” “装”操作相结合的,为了解决这一类 研究。 特殊的非线性装配顺序规划问题,提出了一种基于动态 北京卫星环境工程研究所熊涛等 口通过推行工艺 变迁图的装配规划模型。该模型在静态有向连接图的 数字样机技术,构建卫星工艺数字样机并建成数字总装 基础上,通过逐层分析和验证可能的状态以动态变迁 图 信息平 台,实现了卫星总装工艺全过程的数字化。华 为核心构建装配任务过程树,从而支持卫星所有几何可 中科技大学Gao等 3『提出基于约束空间转换的虚拟装 行的流程序列表达和装配场景再现。最后通过某型卫 配建模方法,将装配过程看成是零件从 自由空间到约 星舱段总装验证 了该建模方法的有效性。 束空间的转换 ,采用几何约束识别方法建立产品的装配 关键词 :装配建模 流程规划 动态变迁 图 割集 模型,并通过几何约束管理实现零件在虚拟环境中的精 A【BSTRACT】Thefinalassemblyprocessofsatel- 确运动。哈尔滨工业大学的夏平均H以虚拟装配软件 litesisquitedifferentfrom theoneofothermechanical DivisionMoekup为平台,将虚拟装配技术运用到卫星装 products,which involvesthedisassembly·reassembly 配工艺规划中,以总体设计部门提供的卫星产品模型为 processofthesemi—finishedmodules.Thiskindofnon- 基础,建立一个高度逼真的多模式(视觉、听觉、触觉等) linearassemblysequenceplanningcannotbesolvedbythe 虚拟装配工艺规划环境。 widelyusedcut—settheorylimitedtolinearproblems,thus 卫星的总装工艺结构主要分为:流程层、组册层 、路 anapproachcalledDynamicTransitionGraph(DTG)is 线]。其 中流程层为工艺结构的中间层,如果把若干 proposedonthebasisofanalyzingandverifyingpossible 个功能用途相近的流程节点分装成册则对应组册层的 assemblystateshierarchicallythroughmatrixoperations. 一 个节点,若对某个流程层的节点进一步细分,则形成 Assemblytaskprocessmulti·w·aytreecombinedwithstat-· 一 条以工序(或工步)为基本单元的工艺路线 ,即].艺结 icliaisongraphandDTG impliesallhtegeometricfeasible 构中的路线层 ,由此可以看出总装工艺结构中,流程层 assemblysequencesforthefinalassemblyofsatellite. 的划分对整个卫星总装起到承上启下的作用。本文提 Finally,hteeffectivenessofthismethodisverifiedbyan 出了一种面向流程层规划的动态建模方法,模型由描述 example. 卫星工艺信息的静态连接图和反映卫星装配过程 的动 Keywords:Assemblymodeling Processplanning 态变迁图构成。 Dynamictransitiongraph Cut-set 1 面向工艺流程层的动态规划模型 现代卫星品种多、批量小、装配精度要求高、所需装 面向工艺流程层的动态规划模型由静态连接 图和 配资源类型多、装配质量难以预测,工艺设计与现场实 动态变迁图构成 ,从初始状态逐层分析装配过程中可能 施过程反复迭代 ,因此 ,展开装配技术的研究具有重要 出现的状态 ,并对可能出现的状态集进行可行性验证 , 的理论意义和实用价值。卫星在进行总装时所拿到的 最终获得以多叉树为表达形式的装配任务过程树。模 是经过一定部装后的半成品卫星,对已经初步装配过的 型的主要结构如图1所示。 半成品进行总装相当于在原有基础上进行二次装配,在 1.1 静态连接 图 总装过程中会遇到对各个舱段外板的拆卸和再安装、精 静态连接图主要由装配单元和装配关系2部分构 密仪器的反复试装 、关键工艺的模装等一系列的特殊装 成。运用有向图G=(V,E)来表示装配单元之间的装 配工艺 ,相应的装配序列规划有别于一般产品,而 良好 配约束关系_6]。其中节点 {v。,v,v,…, }表示组 的卫星信息建模是有效进行装配工艺的基础 ,从装配模 成装配体的装配单元集合,E= ,e, ,…,e}表示装 型中提取出生成工艺设计所需要 的信息以满足各种装 配单元间的装配约束关系。有向连接图关联一个装配 30 航空制造技术 ·2014年第22期 数字化设计D吲 D吲G 装配任务过程树 是功能独立的零件用圆形节点表示 (如图4所示),在图 =1 中方形节点B。、c、c、D,、D 的任务对象都是子装配体, 其余圆形节点的任务对象是功能独立的零件。 n=2 n=3 2 动态规划模型的建立 n=4 2.1 装配任务的可行性验证 装配任务过程树建立在装配任务可行性的基础上, 任务状态矩阵 多又树中的每一个层级均有若干个任务节点,层级代表 了任务的优先顺序 ,而节点则代表 了可能的装配状态 , )日l对示角已线表表示示装 因此得到状态节点的过程就是验证任务可行性的过程。 在 1.2节定义4的基础上,本文通过装配约束关系决定 未安装或拆卸 的阻碍干涉提出一种检验装配任务可行性的方法。 图4 装配任务过程树叶节点关联的状态矩阵 假设对于同一装配单元,装配过程中对它的安装和 Fig.4 Statusmatrixcorrelatedwithleafnodes 拆卸操作不能连续重复出现。 系列图组。通过对动态变迁图分析推导出下一步可能 定义5:在装配体P={P。,P2,…,PⅣl中,已安装的 出现的状态,不仅将装配任务中可能的情况全部反映出 零件集合 {w。,W2,…, }中k表示已安装的零件数; 来 ,还可以清晰表达出在卫星总装中拆装结合的组装方 未安装的零件集合 {v。, ,…,v},h=n一 表示未安 式。动态连接弧是连接动态变迁图中节点的有向线段。 装的零件数。装配任务对象P包含的零件集合 U={pi, 字母 来表示节点 v与节点 v,构成的有序对 ek=Vi,v, f2,…,p)的可行性检验矩阵 的构造过程为: 的集合 , 称为有 向约束边 ,其状态属性对应的两种情 (1)从装配体P静态连接图的邻接矩阵中取 , 况分别是TRUE(真)和 FALSE(假),当属性为TRUE pf2,…,pfh行 ,形成 ; 时在动态变迁 图中表现为实线段 ,当属性为 FALSE时 (2)从矩阵三 当中删除尚未安装的零件所在的列, 在图中用虚线段表示。 得到可行性检验矩阵 。 在这里需要指出的是连接弧的状态属性会随着动 装配任务可行性检验矩阵表达 了准备安装的子装 态规划模型中任务的进行而发生改变。当总装开始时, 配体或零件,与其他零件之间的装配约束关系,装配任 由于待装配体是经过一定部装的半成品,它的初始状态 务的可行性主要通过对矩阵 的检验加以确定。 体现在动态变迁图上是虚线关系弧和实线关系弧的混 当负元素出现在可行性检验矩阵 的某一行时, 合。当装配结束后动态变迁图中所有连接弧都应变为 说明已装配的零件阻碍了装配任务对象的装配 ,该任务 实的有向线段,即连接弧的属性都变为真。虚的有向线 无法执行 ;当 的每一行均为非负元素时,该任务对象 段表示零件的拆卸关系 ,由于子装配体或零件必须有装 不受已装配零件的影响,该任务可以执行。 配关系时才会有拆卸的必要 ,因此虚线段一定是由实线 装配任务过程树的建立过程就是装配规划的过程, 段转化而来 ,即不能对尚未确定时序关系的任务对象执 也是零件由未安装状态逐步转变为已安装状态的过程, 行拆卸任务。 树中的节点状态会通过动态变迁图及相应的关联矩阵 定义4装配任务序列 :将装配任务按照装配时 表示出来。某个装配单元能否顺利安装,主要取决其安 间的先后顺序 以序列逐步递增的方式进行线性组织。 装路径是否受到其余零件的影响,体现在可行性检验矩 它不仅是任务时序约束的结果而且也是特殊的任务时 阵当中主要是该装配单元所在的行元素全部为非负,否 序约束链 ,因为该约束链的起始点必须是装配的最开始 则说明有已安装的装配单元阻碍现有零件的正常安装。 任务 ,而终点则是装配中最后完成的任务。一个装配任 如图5所示 ,在图4的装配状态下,将进行零件 的安 务过程树包含有多少条装配任务序列就表示流程层有 装,由图3(b)的邻接矩阵中获得可行性检验矩阵 : 多少条可行性装配序列。以图4所示的装配体为例得 PL,P2,P3.P4 到的一个装配任务序列为:(叩 (尸2) ( ) ( )叩4A B=P2(10 1—1) (P ))。 图5 可行性检验矩阵 装配任务过程树包含了装配中所有可行性方案,多 Fig.5 Feasibilitytestmatrix 又树中每一个节点代表一个 已完成的装配任务,如果任 图5表明零件 P阻碍P2正常安装,所以装配P2的 务的对象是子装配体用方形节点表示;如果任务的对象 任务不能执行,将执行零件拆卸任务 r/( ),相应的动 32 航空制造技术 ·2014年第22期 数字化设计 。GN 尸l。未装配,所 以用虚线弧表示其约束关系,将矩阵 作为装配任务过程树的根节点。 lI ,,J-__-___-●-___-l \ 可行性检验矩阵 为: 0 0 0 P3 P4 P5 P 只 一 0 O 0七 0 0 0 一 1、Ps 一 0 O 0 一 1l — . k 0 0 0 一 1J (3)对 2.2节 中步骤(2)生成的图9(a)的虚线弧 连接部分进行割集运算,并对生成的割集可行性进行验 证。在已经安装的装配单元中由于外板 阻碍 、 、 。 的安装路径,所以在安装它们之前需要对外板 P进 图10 服务舱装配过程任务树 行拆卸操作,此时状态矩阵 中表示 状态的参数 由 Fig.10 Assemblytasktreeofservicemodule 1变为0且与外板 只有关的弧线)信息集成度高。装配任务过程树将上述相关信 将拆卸 后 的状态 作为 下一个可能状态并设当 息集成到一个层次化的结构图当中,条理清晰、层次分 前节点所在参数层 level=l。 明,不同层次的信息满足不同用途和 目的。动态规划模 型的任务层主要用于子装配体和零部件的组织和管理, 矩阵层的功能是关联动态变迁图和静态连接图,将装配 过程信息的变化及时反映在模型当中,方便工艺人员对 ~ 一 一 一 一 后续装配方案的可行性做出判断,虚实连接弧的交替出 现体现了卫星总装中 “拆”、“装”操作相结合的特殊装 配过程 。 (2)模型与装配场景 图的联动满足了装配过程实 时性的要求。动态规划模型采用由粗到精 、逐层细化的 思想,针对不同的任务、不同层次的信息进行操作,通过 对装配任务过程树的计算将任务状态转化为实时场景 (a)初始状态 (b)拆卸 的状态 图并反映在虚拟场景中,工艺人员可以直观地进一步分 图9 服务舱段动态变迁图 析任务状态的稳定性 、每一条任务链的工作量以实现对 Fig.9 Dynamictransitiongraphofservicemodule 流程层的优化。 (4)安装通过割集运算得到的装配单元。设置状 态层 level:2,由于可能要安装的装配单元并不唯一,所 参 考 文 献 以根据依次生成可能的状态集 、 、 ,,分别表示安 [1]李原 ,余剑峰 .基于设计和装配过程的装配模型的研究 .西 装P。、P9、Pm。以此类推同样可以生成后面层级的状态。 北工业大学学报 ,2000,1l(4):504—506. 2【]熊涛 ,孙刚,刘孟周 .数字化技术在卫星总装中的应用 .航 当level=5时模型构造完毕。其过程任务树包含了总装 天器环境工程 ,2008,25(1):80—83. 过程中32种可能出现的状态以及6条可行的总装序列 [3] GaoF,ChenLP,ZhouW,eta1.Researehonintelligence (见图 10),分别为: assemblymodelingonvirtualreality.ProceedingsoftheSixthInternational ConferenceonCAD/CG.Shanghai:WenhuiPublishers.1999:1177—1182. 一 TI(-P3)一 1㈣ 一 (+P9)一 o)一T5- , [4】 夏平均 .基于虚拟现实的卫星装配工艺设计方法及其应用 一 ㈣ 一 ㈣ 一 0)一 (+尸9)一 ㈣ , D【].哈尔滨 :哈尔滨工业大学 ,2007. 一 ㈣ 一 一 一 0)一 , 5【】谢础 ,贾玉红 .航空航天技术概论 .北京:北京航空航天大 一 ㈣ 一 (+尸9)一 (+尸l0)一 )8)一 )3), 学出版社 ,2008. [6] BourjauhA.Contributiontoamethod0l0gicalapproachof 一 )3)一 Pl0)一 一 。P8)一 , automatedassembly//Automation MethodologyinManufacturingIndustry. T1(-P3) Tz3(+P,o) 12+(P9)一 , Paris.1985:50—82. 其中,一代表拆卸,+代表安装。 [7】 欧阳君涛 ,李原 ,张开富 .基于分层有向图的装配顺序规划 方法 .机械设计 ,2007,24(5):27—29. 4 结论 [8] 刘振字 .面向过程与历史的虚拟环境中产品装配建模理论 , 方法及应用研究 D『].杭州 :浙江大学 ,2001. 面向卫星工艺流程的动态规划模型具有以下优点: (责编 亿霖) 34 航空制造技术 ·2014年第22期

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